ООО «Лаборатория Кинтех

Разработка компьютерных технологий
и создание центра предсказательного
многоуровневого моделирования
современных материалов,
процессов и устройств
Борис Потапкин
ООО «Лаборатория Кинтех»
Представлено на заседании Рабочей Группы РСПП по проекту «Сколково»
Москва, 2011 г
Состояние дел на сегодня и цель проекта
Традиционный способ создания новых материалов и технологий: эмпирический перебор
Идея
Прототип
Испытания
многократно
 Дорого
 Долго
Материал,
технология
 Отсутствие прямой связи с фундаментальной наукой
Роль моделирования сводится к описанию данных и экстраполяции в рамках модельных представлений
Интегрированный подход, основанный на предсказательном моделировании
Идея
Моделирование
Прототип
Испытания
Материал,
технология
Результаты фундаментальных исследований
 Сокращение стоимости и времени разработки
 Снижение рисков
Предсказательное моделирование, основанное на детальном понимании структуры
и механизма на атомистическом уровне, предшествует созданию прототипа
Проблемы предсказательного моделирования
и предпосылки их решения
Проблемы
 Большие потребности в вычислительных ресурсах
даже в рамках одного уровня
 Невозможность прямой интеграции масштабов
 Отсутствие во многих случаях методов многоуровневого
моделирования
 Когнитивные проблемы (различные форматы данных,
языки программирования и т.п.)
 Научные исследования направлены на специализацию,
а не на интеграцию областей науки
 Нет эффективных программных средств
для управления распределёнными проектами
Предпосылки решения
 Экспоненциальный рост
вычислительных мощностей (закон Мура), появление суперкомпьютеров
 Разработка высокоэффективных компьютерных алгоритмов
 Развитие предсказательных теоретических методов
Решение
Разработка методов
Использование
и инструментов для нтегрированного
высокопроизводительных
многоуровневого моделирования
компьютерных вычислений и систем
Технология многоуровневого моделирования кинетики
и разработки механизмов процессов в химически активных средах
Цикл разработки камер сгорания с использованием предсказательного моделирования
Гидродина
мика
FLUENT
Механизм
горения
CWB
Эксперименты с
моделью
Термохимические и кинетические
данные
Химера
Квантовохимические
расчеты
Firefly
Эксперименты
Установка
быстрого
сжатия
Пламена,
проточные
реакторы
Ударные
трубы
Фундаментальные
эксперименты
Детальный
дизайн
камеры
сгорания
Технология многоуровневого моделирования кинетики и
разработки механизмов процессов в химически активных средах
Результаты расчетов эмиссионных характеристик
камеры сгорания ГТУ
Концентрация NO и CO
в выхлопе турбины
при мощности ГТУ от 50% до 100%
температура
NO
 Разработанная модель показала хорошее согласие с экспериментальными измерениями
(различие не превышает 18%, а в номинальном режиме составляет 6%)
 Основной источник эмиссии NO – диффузионное пилотное пламя
 Снижение расхода метана через пилотное пламя способствует снижению эмиссии NO
Оценка рынка технологий многоуровневого моделирования
Распределение высокопроизводительных вычислений
по областям применения (TOP500)
Полный объем рынка в промышленном секторе на 2010 год составляет
$5.6 млрд., ежегодный рост ~50%
Динамика рынка молекулярного моделирования в
энергетике, нанотехнологиях и биомедицине
Доля молекулярного моделирования в общем объеме рынка
высокопроизводительных вычислений 40%.
Рынок M3T технологий, разрабатываемых в первой фазе проекта
 Технология многоуровневого моделирования кинетики и разработки механизмов процессов в химически активных
средах для эффективной энергетики и получения новых материалов: $400 млн., ежегодный рост 15%
 Технология многоуровневого моделирования и автоматизированного проектирования оптических метаматериалов и
устройств на их основе: $490 млн., ежегодный рост 50%
“… совокупная окупаемость инвестиций в инструменты и методы моделирования
составляет до $9 на каждый вложенный $1 ”
Аналитический отчет IDC, 2004
Предлагаемые технологии не имеют прямых аналогов на рынке по многоуровневости,
степени интеграции, широте охвата, простоте и удобству пользования
Электрические батареи,
суперконденсаторы,
MEMS, наноэлетроника
Солнечные батареи,
светодиоды,
оптические хемосенсоры
Двигатели,
получение материалов,
химические реакторы
Текущаая фаза проекта
Следующие шаги
Место на рынке
Технология многоуровневого моделирования…
SETFOS
(Fluxim, Switzerland),
SimOLED
(Sim4tec, Germany),
GEMS (2COMU, USA),
EMPro (AT, USA)
Material Studio
(Accelrys, USA),
VASP (Wien University),
Gromacs
(Свободный софт)
Технология многоуровневого моделирования и автоматизированного
проектирования оптических метаматериалов (Кинтех Лаб)
Chemkin (Reaction
Design, USA),
Cosilab (ROTEXO,
Germany)
Gaussian (Gaussian, USA),
Jaguar (Schrodinger, USA),
Material Studio
(Accelrys, USA)
Технология многоуровневого моделирования кинетики
и разработки механизмов процессов (Кинтех Лаб)
А
нм
Micro
мм
мкм
Meso
Вычислительная
гидродинамика:
CFX (Ansys, USA),
FLUENT
(Ansys, USA),
Star CD
(Adapco, USA)
см
м
Macro
Задел и партнеры проекта
Команда проекта имеет большой опыт в выполнении НИОКР в области многоуровневого моделирования по
заказам ведущих международных компаний (GE, Intel, Motorola,…) и исследовательских центров (> 80 контрактов
за последние 7 лет). Разработаны программы, являющиеся компонентами технологий многоуровневого
моделирования: Chemical Workbench и Khimera (> 200 пользователей), FDTD-II, MD-kMC, KintechDB.
Иностранные участники:
Уве Ридель, профессор, руководитель отдела кинетики Института
технологий горения, Центра Аэрокосмических Исследований,
Штуттгарт, Германия.
Михаил Фрэнклах, профессор Калифорнийского Университета,
Беркли, США.
Проекты: автор механизма GRIMECH, интернет-платформа PRIME.
Ключевые партнеры:
Исследовательский центр компании General Electric
Заключено соглашение, гарантирующее компании «Лаборатория Кинтех» заказы на выполнение НИР на сумму $600,000 ежегодно в
течение трех лет по тематике проекта.
Интел
Ведутся совместные разработки моделирующих программ в микроэлектронике и биомедицине.
НИЦ «Курчатовский Институт»
Ведущий научно-исследовательский центр в области индустрии наносистем и материалов, а также энергетики и энергосбережения.
Центр фотохимии Российской Академии Наук
Основные заказчики:
Сатурн, GE, Intel, Freescale, Siemens, Qualcomm, Daimler AG, UOP, ExxonMobil, Лукойл.
Схема коммерциализации и бизнес-модель
Бизнес-модель
Первая фаза. Средства для обеспечения работ на первом этапе будут получены от выполнения исследовательских
проектов по заказам компаний, грантовое финансирование (гранты МинОбрНауки, Европейского союза, Сколково).
Винчестерный механизм: средства и базовые компоненты ПО, полученные в результате успешного выполнения первой
фазы проекта, будут использованы для последующего развития в новых областях.
Основные направления коммерциализации технологий М3Т технологий
Программное обеспечение. Продажа компьютерных программ, поддержка клиентов, разработка дополнительных
программных модулей по заказу.
Программное обеспечение как услуга (SaaS). Предоставление удаленного доступа через веб-интерфейс к
программным продуктам, базам данных, системе запуска расчетов на суперкомпьютере.
Сервис-проекты. Выполнение НИОКР по заказам высокотехнологичных компаний с использованием разработанных
технологий.
Сервис-данные. Предоставление результатов расчетов свойств материалов и характеристик процессов через Центр
Данных (e-Data Center) в сети Интернет.
Создание экспертного центра по предсказательному моделированию на базе Сколково.
Планируемый годовой оборот компании через 5 лет $30-$100 млн
Конкурентные преимущества
 Технология М3Т в десятки раз уменьшает количество вариантов, подлежащих экспериментальной
реализации, существенно сокращая стоимость и время разработки и снижая риски, связанные с
инновационными исследованиями и разработками.
 Методы многоуровневого моделирования устанавливает связь между фундаментальной наукой на
атомном масштабе и инженерными разработками, обеспечивая их ценной информацией, которая
зачастую является критической для развития современных технологий.
 Высокие темпы роста рынка (до 50% в год) с высоким коэффициентом возврата инвестиций.
 Проект основывается на уникальном опыте выполнения проектов в предметной области по заказу
промышленных высокотехнологических компаний командой экспертов мирового уровня.
 Участниками проекта построена успешно работающая компания с оборотом > $1 млн. в предметной
области проекта. Компоненты предлагаемых технологий имеют более 200 пользователей по всему миру.
 Предлагаемые технологии не имеют прямых аналогов на рынке по многоуровневости, степени
интеграции, широте охвата, простоте и удобству пользования.
 Высокий интерес ведущих западных и российских компаний к разрабатываемым технологиям.