小米汽車如何擺脫“貴電池”困境，不如借力3D科學(xué)計算實現(xiàn)性能與成本最優(yōu)解

　　“你們不要再喊9萬9了，不可能的。也不要再喊14萬9了”。去年年末的小米汽車技術(shù)發(fā)布會上，雷軍堅定地對米粉們表示，還是要尊重一下科技，小米SU7貴有貴的道理。最終，他選擇了拿21.59萬元(起售)的價格與大家“交個朋友”。

　　造車賽道上的小米似乎正在打破性價比“人設(shè)”，但“不談配置談定價就是耍流氓”，雷軍這句話確實說到了點子上。據(jù)公開資料顯示，小米SU7配置中最貴的，就是電池——最高搭載101Kwh寧德時代的麒麟電芯。雷軍稱，僅電池成本就要十幾萬。

　　小米SU7發(fā)布會 圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

　　動力電池作為新能源汽車的心臟，很大程度上能夠決定汽車的性能，是車企參與市場競爭的關(guān)鍵。與此同時，電池的制造成本卻居高不下，電池造價可占到整車成本的三到四成，甚至能高達六成。所以在新能源汽車這條產(chǎn)業(yè)鏈上，電池廠商如寧德時代作為掘金者，地位絲毫不輸整車企業(yè)。

　　電池成本高，追根溯源是原材料稀缺又昂貴，比如動力電池的主要原材料碳酸鋰一度從每噸不到5萬元暴漲到2022年的60萬元/噸。所以無論是車企開始自研電池，還是電池廠商也想要擴大電池成本的下降空間留住客戶，都必須重視電池材料方面的研發(fā)和成本優(yōu)化。

　　對于電池材料研發(fā)來說，當前最主流的方法仍然是以實驗試錯的方式為主，但是這種傳統(tǒng)的研發(fā)范式存在著諸多局限，例如單一變量難以控制、多尺度難以連續(xù)、多物理場難以同時兼顧等等，并且實驗方法不可避免地需要耗費大量人力物力，這就導(dǎo)致整個電池材料研發(fā)創(chuàng)新的周期往往都很長，成功率也基本無法保證。

　　為了加速電池新材料的研發(fā)、降低材料成本，研究者們一直在尋求新的研究方法以突破多尺度和多物理場的研究難點，基于超級計算機的電化學(xué)計算仿真技術(shù)成為了許多前瞻性的研發(fā)型企業(yè)重點關(guān)注的技術(shù)突破方向。

　　超級計算機 圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

　　計算仿真可以在原子和電子級別上模擬出材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，預(yù)測新材料的各種性能，從而高效發(fā)現(xiàn)新的低成本替代材料，避免不必要的經(jīng)驗試錯，縮短研發(fā)周期。比如富鋰錳基正極材料，相對廉價，且放電比容量遠超其他鋰電池正極材料，被公認為動力鋰電池下一代關(guān)鍵材料的理想之選，背后就是經(jīng)過了對它的材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的模擬計算實驗的。

　　計算仿真在電池研發(fā)上的應(yīng)用已經(jīng)有非常多的探索，例如，通過計算能夠更高效地模擬各種電解質(zhì)分子與電極材料之間的相互作用，以及離子在電解質(zhì)中的輸運過程，來協(xié)助設(shè)計具有高離子電導(dǎo)率、良好電化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異循環(huán)性能的新型電解質(zhì)材料;在電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方面，計算能夠模擬不同材料的比例、尺寸分布和結(jié)構(gòu)布局對電池性能的影響，提高活性物質(zhì)的利用率、降低阻抗、增強電極的機械穩(wěn)定性等。

　　圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

　　但是，盡管計算仿真擁有著以上各種發(fā)揮的可行性，目前卻遲遲沒有成為主流的研發(fā)派別，核心原因之一就是它在計算性能和運算規(guī)模上還存在著較大的應(yīng)用局限。由于電化學(xué)領(lǐng)域的仿真模擬需要深入到原子、甚至電子尺度的第一性原理計算，因此一般都需要動輒每秒運算數(shù)億億次的超級計算機來處理，但是，即便是目前地球上性能最強的超級計算機，也只能完成幾百個原子、幾十皮秒的第一性原理計算，這樣尺度的計算結(jié)果對于解決真正的材料研發(fā)難題來說，還是遠遠不夠。

　　那么，在涉及大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)模擬的材料計算問題上，有沒有更優(yōu)的解法能提高計算效率呢?其實，科學(xué)計算領(lǐng)域近年來出現(xiàn)了一種新的計算范式——3D科學(xué)計算，被認為非常有希望用來突破超算的計算效率瓶頸。

　　所謂的3D科學(xué)計算，是針對于傳統(tǒng)的計算架構(gòu)來說的。傳統(tǒng)的超級計算機，往往需要讓各個服務(wù)器之間兩兩通過交換機或路由器線性相連，因此在處理三維空間的仿真計算問題時，就難免會產(chǎn)生大量額外的通信工作量，導(dǎo)致計算的復(fù)雜程度呈10的10-20次方數(shù)量級的指數(shù)級增長。

　　而3D科學(xué)計算，主要是在計算架構(gòu)上做了全面的革新。通過將計算節(jié)點在空間上以立方體的3D架構(gòu)布局，每個服務(wù)器節(jié)點都可以和它前后左右上下共6個方向的相鄰節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，這不僅縮短了數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砭嚯x，大大降低了計算通信延遲，而且還通過多層級的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計分散了流量，能夠有效緩解單點壓力，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承�。與之相對的，傳統(tǒng)二維架構(gòu)中，每個服務(wù)器節(jié)點只能與左右兩個方向的相鄰節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，這就好比古代利用長城傳信，只能一個一個點燃烽火臺，線性地傳遞向前線傳遞消息。假設(shè)有1萬個烽火臺兩兩相隔一米構(gòu)成一段1萬米長的長城，如果采用三維的空間結(jié)構(gòu)將這1萬個節(jié)點折疊成一個立方體，那么這個立方體的邊長僅僅只需要21.54米!因此，處理復(fù)雜的計算任務(wù)時，3D的計算架構(gòu)在計算和通信效率上能夠較傳統(tǒng)的二維架構(gòu)實現(xiàn)極其顯著的提升。

　　不過，光有計算架構(gòu)理念的革新還不夠，配置跟不上也會拖慢計算速度。在3D科學(xué)計算架構(gòu)下，計算機芯片本身的設(shè)計以及芯片節(jié)點之間的布局，都需要重新開發(fā)定義。在當下的材料研發(fā)領(lǐng)域，3D科學(xué)計算的實現(xiàn)，無疑需要更加強大的超級計算機的強大加持，而這樣的超級計算機，往往需要針對計算任務(wù)進行專門的定制，因此嚴格來說，這類計算機被稱為專用超算。

　　業(yè)界最著名的專用超算當屬美國的安騰，它是分子動力學(xué)領(lǐng)域的專用超算，是3D科學(xué)計算在藥物研發(fā)行業(yè)應(yīng)用的典型代表。安騰超算的產(chǎn)品設(shè)計理念正好契合了3D科學(xué)計算的架構(gòu)思路，它采用大量的ASIC專用芯片，并將高速三維環(huán)形網(wǎng)絡(luò)將這些芯片互聯(lián)起來，整個服務(wù)器被緊密地排放在一個正方體的機箱中，縮短了服務(wù)器節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)距離，從而提高了通信效率。

　　安騰ASIC芯片通過高速通道連接形成三維環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)

　　與傳統(tǒng)超算相比，安騰對蛋白質(zhì)的三維動態(tài)過程的模擬速度要快上100-10,000倍，實在是降維打擊。正是在安騰的算力支持下，分子動力學(xué)的計算模擬流派得以走上歷史舞臺的中央——美國制藥公司Relay通過安騰的計算，僅用短短18個月、不到1億美元的成本就確定了一款膽管癌治療藥物 RLY-4008 的結(jié)構(gòu)，打破了這個行業(yè)多年來的“雙十定律”(即一款藥物發(fā)現(xiàn)需要花費至少十年、十億美金)，一舉成為行業(yè)龍頭。

　　可惜的是，在材料模擬領(lǐng)域，分子動力學(xué)算法的應(yīng)用僅僅只是其中的一小部分，而真正避不開的是第一性原理的計算，因此安騰超算并無法直接應(yīng)用到材料研發(fā)領(lǐng)域，為這個行業(yè)帶來數(shù)量級的效率提升革命。真正的材料模擬專用超算的誕生目前還需要等待國內(nèi)外超算界的創(chuàng)新進展。

　　但是我們不妨設(shè)想，如果有一臺依托于3D科學(xué)計算架構(gòu)理念誕生的專用材料領(lǐng)域定制的專用超算，對于材料仿真模擬領(lǐng)域來說，會帶來什么樣的改變?

　　它帶來的變化首先是模擬計算速度上的大幅提升，通過3D科學(xué)計算，研發(fā)人員將可以開展上萬級任務(wù)并發(fā)的大規(guī)模虛擬材料篩選工作，這能大幅削減研發(fā)時間和經(jīng)濟成本，減少實體實驗的頻率，也可以規(guī)避實驗頻繁失敗的風(fēng)險。再者，在傳統(tǒng)材料研發(fā)中，基于宏觀有限元的模擬仿真工具是主流，但它對于新材料的研發(fā)是不夠的，模擬精度比較低、并且規(guī)模小。如果有支持更大體系的3D科學(xué)計算專用機器，我們就能夠在更大尺度做更高精度的模擬計算，幫助我們更好地觀察到材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和演化，從而指導(dǎo)新材料的研發(fā)。

　　在優(yōu)化新材料性能和降低研發(fā)成本之間的平衡上，3D科學(xué)計算帶來的效率規(guī)模雙提升，將為整個行業(yè)帶來全新的研發(fā)方法和思路。

　　一方面，在材料的優(yōu)化設(shè)計上，研究人員在實際構(gòu)建和測試材料之前，可借助3D計算模擬來對電池材料的結(jié)構(gòu)做精確的模擬和分析，在不實際生產(chǎn)樣品的情況下，以定量的方式比較和預(yù)測材料的性能，這樣就能更有效地評估材料的使用需求、以及不同設(shè)計和工藝參數(shù)對材料性能的影響，從而減少對昂貴或稀缺材料的消耗。

　　另一方面，在3D科學(xué)計算的支持下，新材料的開發(fā)進程得以加速，研發(fā)人員可以更快地發(fā)掘出性能相近的替代材料，為電池生產(chǎn)成本的降低開辟了新途徑，同時也能夠促進可持續(xù)材料的應(yīng)用。

　　其實，一直都不乏有車企利用先進的計算模擬技術(shù)來研發(fā)更好的電池。例如，梅賽德斯-奔馳在2022年就與美國量子公司PsiQuantum合作，利用量子化學(xué)計算模擬來識別鋰電池電解質(zhì)的潛在添加劑，實現(xiàn)了電池設(shè)計的新突破。這就說明，即便是受限于當前的硬件計算效率，通過計算模擬的方法來進行電池材料研發(fā)的思路也是充分可行的，但對于算力、以及研發(fā)人員相關(guān)領(lǐng)域知識掌握的高門檻要求，使得這樣先進的研發(fā)方法思路還無法穩(wěn)定產(chǎn)出優(yōu)秀結(jié)果、從而規(guī)模化地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)實踐的復(fù)制，而下一代更強性能超算的出現(xiàn)，將會一舉引爆這個行業(yè)的研發(fā)潛能，常年以來積累的創(chuàng)新想法和可能性將會大規(guī)模地爆發(fā)，屆時我們將很可能看到動搖萬億級新能源市場根基的重大科研進展。

　　回到文章開頭的電池貴問題，可以想象的是，借助高性能的超級計算機、運用3D科學(xué)計算，未來必將會出現(xiàn)更多加速下一代動力電池材料研發(fā)的工具，使包括小米在內(nèi)的新能源車企們擺脫電池焦慮。同時，電池成本的降低也會進一步加刺激新能源汽車的市場競爭，最終為用戶帶來更好的駕車體驗。