日志
绝顶好文：一位在英国工作的网友对J20的看法 （转）
以科研来说，不管是纯粹的基础研究还是技术开发，一般来说都有三种手段，第一，理论研究，第二，试验，第三，模拟计算。其中超级计算机能起到作用的主要是模拟计算这一步。大多数情况下一个科研成果的出现都是三种手段结合的结果，越大的成果越是如此。这三种研究手段中模拟计算所起的作用是非常微妙的，因为它是衔接理论研究和试验的手段，很多情况下甚至是唯一手段，特别是在研究项目涉及到非线性的时候。
很多人，包括很多做模拟计算研究的人其实都忽略了一点，模拟计算的理论基础是数学理论。公众普遍认为高性能的计算机能解决一切问题，其实这是个误解。高性能计算机只是硬件部分，软件部分的开发，首先需要一个数学模型，而这个数学模型则是基于理论研究建立的，有时候也会出现一些基于实验建立的经验模型（empirical model）。经验模型和理论模型的差别在于经验模型往往我们知其然而不知其所以然，经验模型中用到的定理定律往往是一个统计结果，也就是说多大程度上可信，或者在什么条件下适用，经验模型经常是说不清的。经验模型经常出现在经济学，金融学或者社会学研究中，理工科研究用经验模型的极少。有了理论模型之后又有一个很大的问题，就是理论模型所需要的计算量往往超过世界上当时最快的计算机的运算速度，比如说计算飞行器的空气动力学特性，谁都知道如果能把大气模型划分到一个一个的气体分子来分别单独计算，计算结果肯定非常精确，但是这远远地超过了当前最快的计算机的计算能力。打个比方，如果这么算的话，可能完成某个特定气动结构在特定环境下的模拟计算，可能需要当前世界上最快的计算机连续不断的运行数百万年，这肯定不现实。另外一个大问题就是，当前高性能的计算机采用的都是并行结构。比如说一个计算过程，要先完成A，再算B，再算C，并行计算机就会在A和B可以同时运算的情况下用不同节点分别计算A和B，然后汇总其结果来计算C。但是一个理论模型并不是每一步都可以这么划分的，这也是超级计算机的一个瓶颈。一般来说应对这种困境的解决办法是用近似模型，尽可能减少计算步骤，增加可以同时运算的计算步骤。但是近似模型的计算结果和真实情况总是有着一段距离，同时在不同节点上同时计算几个步骤时往往会涉及到边界值传递的问题。从数学上来说，边界条件的选取一定会影响到计算结果的精确性，差别只是影响的大小而已，因此从理论上来说，超级计算机的计算结果其精确性低于单台PC计算的结果。当然这种情况也有解决办法，比如说把误差控制在不可察觉的范围内，等等，但是到现在为止还没有一个通用解决办法，往往需要针对不同问题开发不同的算法，这是相当相当麻烦的一件事，因为每个算法必须考虑很多因素，做很多测试，这都是需要大量时间的。所以我才会在另外一个讲天河的帖子里说超级计算机开发出来只是第一步，更重要的是能不能开发出在超级计算机上高效率运行的程序。除此以外还有很多乱七八糟的问题，比如说CPU和GPU适应的算法领域并不一样，等等，不是说一个计算机算某个问题快，另外一台超级计算机算这个问题也肯定快，其芯片结构设计都是要考虑在内的。
不过好消息是，当前中国出来的很多开创性的科技成果可以很明显的看出超级计算机的应用相对比较成熟了，我这里只举三个例子，一个是高铁，一个是J20飞机，还有一个是J10B的飞控系统。
就高铁来说，discovery频道曾经报导过高铁的气动结构设计大致流程，当然不会很详细，这玩意肯定属于国家级的商业机密。其中提到一点，就是高铁车头两侧两个类似凹槽的结构。不知道看这帖子的朋友有多少看过当年对F1赛车设计流程的详细报导。F1赛车的外形是经过超级计算机计算才能上风洞试验的。为了保证赛车的抓地力，让赛车不至于在高速下飘起来，F1赛车设计时都考虑到其空气动力学特性要让赛车高速行驶时所受到的向下的压力大于赛车重量。现代F1赛车一般来说，如果速度起来了，完全可以在天花板上开，因为空气阻力通过其气动外形转换成的向下压力超过赛车自重，而且往往是赛车自重的两倍以上。赛车高速下会被紧紧的“压”在天花板上。中国高铁的设计也经历了同样的步骤，那两道凹槽就是保证火车高速行驶时被“压”在铁轨上的，这是高铁高速下不脱轨的重要保障。参照类似F1赛车设计流程，高铁设计时必然也经过超级计算机的模拟实验，然后修改之后才上风洞吹风的。能做这种实验，并且高铁速度还能不断提高，说明这类实验一直没中断，而且中国在超级计算机对流体力学计算上的强大实力。以当前计算机模拟而言，流体力学几乎可以算是最具代表性的难题，因为流体力学，特别是气动结构设计，往往意味着要计算很多非线性过程，这需要的不光是超级计算机硬件方面的强大能力，也需要软件和数学上的巨大突破。以我个人所见，高铁的气动结构计算不会比设计一款新飞机简单到哪去。
类似的还有J10B的飞控系统设计。很多朋友应该记得，当初J10的设计师说过，J10用的全动鸭翼技术是一种高度静不稳定技术（如果我没记错的话），类似把一个球放在水平面上，另外一个球放在下面那个球上，然后要设法保持上面那个球的平衡。J10B的气动外形比起J10A来有比较大的改变，一个是进气道上的那六根小棍棍没了，而且进气道似乎向内缩了一些，其次是用了DSI进气道，再就是其机头缩短了一点，并且有点下收，有点类似于J11的机头结构。这些改变从空气动力学角度来说基本就相当于重新设计半架飞机了，所以我个人猜测，J10B的飞控系统和J10A有比较大的差别，而且这种差别首先是上了超级计算机计算模拟过后才上风洞试验最后定型的。世界上有能力独立设计飞行器气动外形的国家屈指可数，美国一个，俄国一个，中国一个，欧盟合起来算一个，剩下的那些穷折腾的日本韩国印度之类的其实在这方面都有巨大的缺陷。中国能跻身四强之一，不光是风洞技术发达，超级计算机技术也是必不可少的。
最后是J20飞机。首先澄清一点，除非是完全一点不变的按照1:1比例制造，否则隐形飞机是不可能山寨的。隐形飞机其基本原理就是利用互成不同角度的面或者特定的曲面把雷达波反射到不同方向从而减少RCS（雷达反射截面，这里只讨论正面RCS）。其中完全利用互成不同角度的平面反射的只有F117。大家都知道这玩意其气动结构相当稀烂，这是当时超级计算机性能不够造成的，完全利用曲面的则是美国的B2和纳粹德国在二战中设计但是没上战场的一种飞翼型飞机Go-229。但是不管是Go-229还是B2，气动结构的稀烂程度都和F117有得一比，甚至更烂。当前最成熟的量产隐形战斗机是第三代，也就是F22，其正面RCS的降低依靠的是曲面和平面的结合，这就是当前超级计算机技术进步带来的。大家可以看到不管是F22还是J20或者毛子的T50，其正面都是菱形结构，这不是偶然，更不是山寨，而是当前超级计算机计算得出的结果，是RCS和气动外形之间妥协的最佳结果，所以光看机头长得差不多根本不是J20山寨F22或者其他什么东西的证据，这恰恰说明了中国的超级计算机和风洞技术已经至少是追赶上了毛子和美国，甚至某些部分可能有所超越。至于下一代隐形飞机是否存在，其机头采用什么外形，那就得等到超级计算机技术再进一步才能谈了，当前这三个国家的超级计算机技术都没到那一步。真的说起来的话，倒是毛子的技术有可能多少有山寨F22的成分，因为三国中毛子是唯一可能在超级计算机上处于绝对弱势的。至于机头之后机身结构完全不同，那就是三国不同的设计思想的体现了。其实仅就机头来说，菱形结构的角度差一点点，带来的RCS上的差异可能都是巨大的，每个国家这方面从理论到技术都是保密的，所以外人不太可能猜到。但是其理论和技术基本都基于计算能力和风洞技术建立。就我个人估计，J20可能在整体性能方面未必样样都强过F22，但是考虑到J20要融入中国的整体作战平台这个体系中，某些性能方面J20一定是超过F22的。
我个人在此做点猜测吧，中国整体作战思路是积极防御（不知道现在变了没），那么J20可能比F22更强调正面的RCS和超巡性能，别的方面稍差就无所谓了，反正是本土附近打了就跑，这样的话J20外露的菊花也可以理解了，因为等到菊花面向对方雷达时，该打的都打过了，只要拼命跑就行了，RCS大点根本无所谓，反正也跑不了多远就到家了，真的被导弹追屁股了，飞到本土上就有陆基的防空反导体系，到时候从地面上拦截就是了。同样，由于鸭翼的存在，略差的发动机同样可以提供同样甚至超过F22的机动性和超巡性能。
