小米汽車如何擺脫“貴電池”困境，不如借力3D科學(xué)計(jì)算實(shí)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(huì)上，雷軍堅(jiān)定地對(duì)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(jià)格與大家“交個(gè)朋友”。

　　造車賽道上的小米似乎正在打破性價(jià)比“人設(shè)”，但“不談配置談定價(jià)就是耍流氓”，雷軍這句話確實(shí)說到了點(diǎn)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(shí)代的麒麟電芯。雷軍稱，僅電池成本就要十幾萬。

　　動(dòng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。與此同時(shí)，電池的制造成本卻居高不下，電池造價(jià)可占到整車成本的三到四成，甚至能高達(dá)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(shí)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(dòng)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(kuò)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(duì)于電池材料研發(fā)來說，當(dāng)前最主流的方法仍然是以實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)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(chǎng)難以同時(shí)兼顧等等，并且實(shí)驗(yàn)方法不可避免地需要耗費(fèi)大量人力物力，這就導(dǎo)致整個(gè)電池材料研發(fā)創(chuàng)新的周期往往都很長(zhǎng)，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(chǎng)的研究難點(diǎn)，基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的電化學(xué)計(jì)算仿真技術(shù)成為了許多前瞻性的研發(fā)型企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)突破方向。

　　計(jì)算仿真可以在原子和電子級(jí)別上模擬出材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，預(yù)測(cè)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(yàn)試錯(cuò)，縮短研發(fā)周期。比如富鋰錳基正極材料，相對(duì)廉價(jià)，且放電比容量遠(yuǎn)超其他鋰電池正極材料，被公認(rèn)為動(dòng)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(duì)它的材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的模擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)的。

　　計(jì)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(jì)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(yùn)過程，來協(xié)助設(shè)計(jì)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(jì)算能夠模擬不同材料的比例、尺寸分布和結(jié)構(gòu)布局對(duì)電池性能的影響，提高活性物質(zhì)的利用率、降低阻抗、增強(qiáng)電極的機(jī)械穩(wěn)定性等。

　　但是，盡管計(jì)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(jì)算性能和運(yùn)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(jì)算，因此一般都需要?jiǎng)虞m每秒運(yùn)算數(shù)億億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)來處理，但是，即便是目前地球上性能最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也只能完成幾百個(gè)原子、幾十皮秒的第一性原理計(jì)算，這樣尺度的計(jì)算結(jié)果對(duì)于解決真正的材料研發(fā)難題來說，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

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

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

　　而3D科學(xué)計(jì)算，主要是在計(jì)算架構(gòu)上做了全面的革新。通過將計(jì)算節(jié)點(diǎn)在空間上以立方體的3D架構(gòu)布局，每個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)都可以和它前后左右上下共6個(gè)方向的相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jì)算通信延遲，而且還通過多層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分散了流量，能夠有效緩解單點(diǎn)壓力，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承�。與之相對(duì)的，傳統(tǒng)二維架構(gòu)中，每個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)只能與左右兩個(gè)方向的相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這就好比古代利用長(zhǎng)城傳信，只能一個(gè)一個(gè)點(diǎn)燃烽火臺(tái)，線性地傳遞向前線傳遞消息。假設(shè)有1萬個(gè)烽火臺(tái)兩兩相隔一米構(gòu)成一段1萬米長(zhǎng)的長(zhǎng)城，如果采用三維的空間結(jié)構(gòu)將這1萬個(gè)節(jié)點(diǎn)折疊成一個(gè)立方體，那么這個(gè)立方體的邊長(zhǎng)僅僅只需要21.54米!因此，處理復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)時(shí)，3D的計(jì)算架構(gòu)在計(jì)算和通信效率上能夠較傳統(tǒng)的二維架構(gòu)實(shí)現(xiàn)極其顯著的提升。

　　不過，光有計(jì)算架構(gòu)理念的革新還不夠，配置跟不上也會(huì)拖慢計(jì)算速度。在3D科學(xué)計(jì)算架構(gòu)下，計(jì)算機(jī)芯片本身的設(shè)計(jì)以及芯片節(jié)點(diǎn)之間的布局，都需要重新開發(fā)定義。在當(dāng)下的材料研發(fā)領(lǐng)域，3D科學(xué)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，無疑需要更加強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大加持，而這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)，往往需要針對(duì)計(jì)算任務(wù)進(jìn)行專門的定制，因此嚴(yán)格來說，這類計(jì)算機(jī)被稱為專用超算。

　　業(yè)界最著名的專用超算當(dāng)屬美國(guó)的安騰，它是分子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的專用超算，是3D科學(xué)計(jì)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(jì)理念正好契合了3D科學(xué)計(jì)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(gè)服務(wù)器被緊密地排放在一個(gè)正方體的機(jī)箱中，縮短了服務(wù)器節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　與傳統(tǒng)超算相比，安騰對(duì)蛋白質(zhì)的三維動(dòng)態(tài)過程的模擬速度要快上100-10,000倍，實(shí)在是降維打擊。正是在安騰的算力支持下，分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算模擬流派得以走上歷史舞臺(tái)的中央——美國(guó)制藥公司Relay通過安騰的計(jì)算，僅用短短18個(gè)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(gè)行業(yè)多年來的“雙十定律”(即一款藥物發(fā)現(xiàn)需要花費(fèi)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(dòng)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(jì)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(gè)行業(yè)帶來數(shù)量級(jí)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(guó)內(nèi)外超算界的創(chuàng)新進(jìn)展。

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

　　它帶來的變化首先是模擬計(jì)算速度上的大幅提升，通過3D科學(xué)計(jì)算，研發(fā)人員將可以開展上萬級(jí)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(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，減少實(shí)體實(shí)驗(yàn)的頻率，也可以規(guī)避實(shí)驗(yàn)頻繁失敗的風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)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(jì)算專用機(jī)器，我們就能夠在更大尺度做更高精度的模擬計(jì)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(jì)算帶來的效率規(guī)模雙提升，將為整個(gè)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(jì)上，研究人員在實(shí)際構(gòu)建和測(cè)試材料之前，可借助3D計(jì)算模擬來對(duì)電池材料的結(jié)構(gòu)做精確的模擬和分析，在不實(shí)際生產(chǎn)樣品的情況下，以定量的方式比較和預(yù)測(cè)材料的性能，這樣就能更有效地評(píng)估材料的使用需求、以及不同設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)對(duì)材料性能的影響，從而減少對(duì)昂貴或稀缺材料的消耗。

　　另一方面，在3D科學(xué)計(jì)算的支持下，新材料的開發(fā)進(jìn)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(shí)也能夠促進(jìn)可持續(xù)材料的應(yīng)用。

　　其實(shí)，一直都不乏有車企利用先進(jìn)的計(jì)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(guó)量子公司PsiQuantum合作，利用量子化學(xué)計(jì)算模擬來識(shí)別鋰電池電解質(zhì)的潛在添加劑，實(shí)現(xiàn)了電池設(shè)計(jì)的新突破。這就說明，即便是受限于當(dāng)前的硬件計(jì)算效率，通過計(jì)算模擬的方法來進(jìn)行電池材料研發(fā)的思路也是充分可行的，但對(duì)于算力、以及研發(fā)人員相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)掌握的高門檻要求，使得這樣先進(jìn)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)�；�地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)實(shí)踐的復(fù)制，而下一代更強(qiáng)性能超算的出現(xiàn)，將會(huì)一舉引爆這個(gè)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(huì)大規(guī)模地爆發(fā)，屆時(shí)我們將很可能看到動(dòng)搖萬億級(jí)新能源市場(chǎng)根基的重大科研進(jìn)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(jí)計(jì)算機(jī)、運(yùn)用3D科學(xué)計(jì)算，未來必將會(huì)出現(xiàn)更多加速下一代動(dòng)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(shí)，電池成本的降低也會(huì)進(jìn)一步加刺激新能源汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，最終為用戶帶來更好的駕車體驗(yàn)。