四、实施效果——案例分析
HPC4EI计划虽然刚刚经历了战略调整，但其中的HPC4Mfg和HPC4Mtls计划此前已经完成了多轮的项目征集和具体立项。截至目前，共有9个国家级实验室参与到了相关项目中，并已累计向73个研究项目提供了总价值超过2300万美元，累计使用高性能计算达6500万核心小时（指用于运行模拟的处理器单元＜核心＞的数量乘以作业的持续时间＜以小时为单位＞）。使用1个核心小时，可以在单核机器上模拟1小时，在双核机器上模拟30分钟，依此类推）。我们以HPC4Mtls计划的实施情况分析一下该战略目前的所取得成效。
HPC4Mtls计划是能源部于2017年9月推出的，它的推出正好结合了美国能源部在政府分管任务中的两个关键要素——高性能计算的发展和能源技术向市场的改进。该计划的项目管理机构为美国能源部的化石能源办公室、车辆技术办公室和能效与可再生能源燃料电池技术办公室，它们主要负责提出项目需求并提供项目资金。HPC4Mtls计划则由劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）牵头，橡树岭国家实验室（ORNL）、国家能源技术实验室（NETL）和洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）共同领导实施，其余所有能源部国家实验室都有资格作为该计划的合作伙伴参与其中。
美国能源部国家实验室所能提供使用的资源（美国能源部图片）
HPC4Mtls计划的主要任务是关注工业界面临的重要挑战，专注于开发能够在极端条件下（包括极端压力、辐射、温度、腐蚀／化学环境、振动、疲劳或应力状态等）长期稳定工作的新材料或改进材料。此外它也将重点开发和改进轻质材料技术。企业可通过结合HPC能力，在开发在极端环境下使用的新材料方面获得帮助，使其研发生产成本、研制周期和材料性能等发生阶梯式变化，进而为美国节省高额的能源和维护保障费用，进一步提升美国在全球市场中的竞争力。根据美国能源部的预期，使用HPC4Mtls计划的收益具体可能体现在以下几点：
（1）开发可用于先进发动机、燃气轮机核心零部件的高温材料（2700华氏度、约1482摄氏度）以及燃料包壳材料，如高温耐腐蚀金属等；
（2）开发具有更低成本、反应性更强的催化剂材料，如用于制氢的新型催化剂；
（3）开发可改善隔热和环境障碍的涂层材料；
（4）开发可用于超临界二氧化碳动力循环、化学循环燃烧的新材料。
（5）寻找新型合金材料，特别是更加轻质的合金材料。
通过与国家实验室的合作，企业可以获取国家级资源的帮助。一是可以访问和使用HPC系统。可使用全世界范围内计算速度最快的10台超级计算机中的5台辅助研发工作；二是可以获得国家级实验室首席专家和主要研究人员的帮助。具体包括以下几个方面：利用高保真模拟的方式强化材料产品工艺和质量、预测特定恶劣环境下的材料行为、对数据反馈的情况进行实时分析、对缺失的物理现象进行更加真实的模拟仿真、开发更复杂的系统模型捕捉物理现象间的相互作用、提供计算流体动力学／热力学／材料建模／增材制造等方面的专业知识和能力。
美国能源部国家实验室拥有全球十大HPC系统中的五个。照片中显示的HPC系统分别是LLNL的Vulcan、LANL的Trinity、ORNL的Titan和NREL的Peregrine。（美国HPC4Mtls官方网站图片）
2018年2月28日，美国能源部正式发布了针对HPC4Mtls计划的资金补助公告，并于3月启动了第一批项目征集活动。值得注意的是，提议参与该计划的项目，必须证明现有的材料具备发展更低成本替代品的可能性，或者即将研发的材料技术具有节能潜力、可缩短研发时间或缩短上市时间的潜力。
2018年11月，首批获得资助的项目已经得到了公布，与此同时HPC4Mtls也开启了第二批的项目征集活动。项目主管和资助机构依然是美国能源部下属的化石能源办公室（FE）、车辆技术办公室（VTO）和能效与可再生能源燃料电池技术办公室（FCTO）。经过首批项目的立项经验，三个项目管理办公室均在第二批项目征集中更加明确了各自的需求，并给出了更详细具体的项目需求指南。其中化石能源办公室（FE）主要需要那些在贮存化石能源的设备中或特定部位能够耐极端环境的材料，重点以高性能的金属材料和新材料及辅助技术为主；能效与可再生能源燃料电池技术办公室（FCTO）的主要工作与燃料电池有关，属于化学与材料学的交叉，故此FCTO重点关注新型催化剂材料和储氢材料等；车辆技术办公室（VTO）所需材料主要的应用领域聚焦民用，所以不断地改进传统的金属材料和复合材料是VTO的关注重点。
五、小结
如果说美国军方、国防部对于材料领域的资助侧重于未来军事应用、形成军事对抗优势的话，那么美国能源部对于材料领域扶持则处处体现了“创新”二字：从技术层面，美国能源部坚持发展和应用与节约能源相关的先进技术，根据详细论证得到的未来需求，提出明确指标要求，并针对材料、制造等关键领域重点资助，推动整个工业界的技术创新和产业升级；从管理层面，利用政府的平台和资源优势，向合作伙伴开放先进的科研设备和专业能力，避免资源浪费的同时，最大限度的借助全社会的力量提供创新土壤，挖掘工业创新潜力。
事实证明，这一“顶层规划－政府监管与论证－国家级资源开放－工业界广泛参与－合作创新共赢”的创新模式是成功的，经过近两年的探索，最早启动实施的HPC4Mfg计划，已经开花结果。该计划资助的两个项目目前已经完成，并获得了应用——其一是开发出了新一代LED液晶系统；另一项技术创新则实现了造纸行业的能源效率提升。
劳伦斯利弗莫尔实验室与LED制造商SORRA合作，为该公司研发的规模化生长氮化镓晶体工艺创造新的计算模型（美国HPC4EI网站图片）
劳伦斯利弗莫尔国家实验与劳伦斯伯克利国家实验室合作，优化造纸过程中最耗能的步骤之一——干燥湿纸浆。（美国HPC4EI网站图片）
美国能源部的这一创新举措带给了我们一些启示。各国的HPC资源都基本上集中在由政府支持的国家级实验室中，由于开发这样一套系统的成本极其高昂，一般都是由各国政府通过公共财政扶持进行，普通的企业、院校是难以负担的，想利用这样优质的公共资源也缺乏顺畅的渠道。中国在HPC领域具有世界领先的水平，“神威·太湖之光”“天河2号”超级计算机都在目前世界上最强的HPC系统行列，如何更好的利用这样优质的资源避免能力浪费，值得我们思考。关于创新，习总书记曾经提出：“企业是创新主体，掌握了一流技术，传统产业也可以变为朝阳产业”，如何进一步释放企业、院校的创新潜能，是当下我们应该重点思考的课题，而美国能源部的做法已经给出了很好的示范，值得我们学习。
