Trang chủ
Giới thiệu về Fuji Electric
Những câu chuyện
Giảm thời gian và chi phí phát triển thông qua sức mạnh của khoa học tính toán

Giảm thời gian và chi phí phát triển thông qua sức mạnh của khoa học tính toán

Trong số ba giải Nobel về khoa học tự nhiên được công bố vào tháng 10 năm 2024, Giải Vật lý và Giải Hóa học đã được trao cho các nhà nghiên cứu có đóng góp vào nền tảng của máy học trong lĩnh vực AI.

AI, thứ đang thay đổi cơ bản cuộc sống của chúng ta, phân tích lượng lớn dữ liệu thực tế để đưa ra dự đoán và quyết định. Tuy nhiên, các giải pháp do AI tạo ra phải được con người kiểm tra. Điều này là do AI vẫn còn lâu mới hoàn hảo.

Mặt khác, có những lĩnh vực nghiên cứu tiếp cận khoa học theo cách rất khác với AI.

Khoa học tính toán liên quan đến việc mô phỏng thế giới vi mô bằng dữ liệu và phép tính dựa trên các định luật khoa học. Chúng tôi đã phỏng vấn ba thành viên của nhóm khoa học tính toán của Fuji Electric, những người đang cố gắng hiểu các cơ chế ở cấp độ phân tử.

Khoa học tính toán giải mã hơn 70 năm thách thức

Fuji Electric tạo ra giá trị bằng cách giúp đưa năng lượng sạch vào xu hướng chính thống. Là một phần của nỗ lực này, chúng tôi đã tham gia vào việc tạo ra năng lượng địa nhiệt, một loại năng lượng tái tạo, kể từ những năm 1960. Công ty đã là công ty hàng đầu thế giới về sản xuất tua bin hơi nước cho năng lượng địa nhiệt, nắm giữ khoảng 40% thị phần kể từ năm 2000. Ngoài việc cung cấp gần 90 tua bin hơi nước địa nhiệt tại Nhật Bản và nước ngoài, chúng tôi cũng đã đảm nhận nhiệm vụ thiết kế toàn bộ các nhà máy điện địa nhiệt.

Việc sản xuất điện địa nhiệt đã gặp phải vấn đề dai dẳng về cặn silic kể từ những năm 1950.

Chủ yếu bao gồm silicon dioxide có trong nước, cặn silica là một loại khoáng chất tích tụ hình thành khi nước bốc hơi và chỉ còn lại khoáng chất. Đó là lớp vảy trắng trên cửa sổ và gương rửa mặt có thể bị rửa trôi bằng nước, chỉ xuất hiện trở lại khi nước khô.

Các nhà máy điện địa nhiệt tạo ra điện bằng cách khai thác nước địa nhiệt có nhiệt độ cao, áp suất cao và hơi nước từ dưới lòng đất. Tuy nhiên, tắc nghẽn sẽ xảy ra do cặn silic tích tụ bên trong đường ống. Cho đến nay, chưa ai đưa ra được giải pháp triệt để. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu có xu hướng tập trung vào cách ngăn chặn lượng cặn silic tích tụ.

Vào năm 2023, nhóm khoa học tính toán của Fuji Electric đã phát hiện ra hiện tượng đằng sau vấn đề đã tồn tại trong hơn 70 năm này.

Một phòng thí nghiệm bên trong máy tính

Không giống như phân tích, bao gồm việc sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát trực tiếp các phân tử, và các thí nghiệm, trong đó kết quả được kiểm tra bằng cách kết hợp các vật liệu, khoa học tính toán bao gồm thực hiện mô phỏng cấp độ phân tử trong không gian 3D ảo bên trong máy tính. Các phép tính được xử lý bởi máy tính theo các định luật khoa học.

Ví dụ về màn hình mô phỏng cho thấy sự hình thành cặn silica trong nước

Cô Okada thuộc Nhóm Khoa học tính toán của Fuji Electric

Bà Okada, một thành viên của nhóm khoa học tính toán gia nhập Fuji Electric vào năm 2011, giải thích rằng, “Chúng tôi đóng góp vào quá trình phát triển sản phẩm bằng cách tạo ra các giả thuyết của riêng mình, chạy mô phỏng trên máy tính và đề xuất kết quả xác minh và các biện pháp cải tiến cho bộ phận kinh doanh. Nếu chúng tôi biết trước các đặc tính của một vật liệu nhất định, chẳng hạn như vật liệu đó nhạy cảm với nhiệt, chúng tôi có thể giảm đáng kể số lượng các thí nghiệm mà bộ phận kinh doanh phải thực hiện hoặc số lượng nguyên mẫu mà họ phải tạo ra.”

Khoa học tính toán rút ngắn thời gian phát triển và giảm chi phí phát triển. Nó cũng giúp dự đoán các phản ứng hóa học có khả năng gây hại, bao gồm các hiện tượng dẫn đến sự suy thoái vật liệu hoặc hình thành tạp chất, từ đó góp phần tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao hơn, bền hơn.

Vượt qua giới hạn của thử nghiệm thông qua khoa học tính toán

Tiến sĩ Jiang của Nhóm khoa học tính toán Fuji Electric

Phòng Nghiên cứu Công nghệ Phân tích, có một nhóm khoa học tính toán, đóng vai trò thúc đẩy nghiên cứu và phát triển bằng cách phân tích tất cả các vật liệu được sử dụng trên toàn Fuji Electric và đề xuất cải tiến sản phẩm như một phần trong nỗ lực hiện thực hóa một xã hội không phát thải carbon và dựa trên tái chế.

Liên quan đến vảy silica đã đề cập trước đó, nhóm khoa học tính toán đã xác định được cơ chế đằng sau sự hình thành của nó theo yêu cầu của bộ phận phụ trách sản xuất điện địa nhiệt. Đây chính là điều đã làm nảy sinh ý tưởng về một giải pháp.

Tiến sĩ Jiang, người gia nhập công ty vào năm 2021 sau thời gian làm giảng viên đại học trong lĩnh vực hóa học, kể lại: “Làm công việc liên quan trực tiếp đến giải pháp cho các vấn đề xã hội khiến mỗi ngày trở nên thú vị”.

“Các thí nghiệm và khoa học tính toán đều có điểm mạnh và hạn chế của chúng. Đối với vấn đề về vảy silica, chúng tôi đã làm mọi thứ có thể thông qua các thí nghiệm, đưa chúng tôi đến ngõ cụt. Vào thời điểm này, chúng tôi chuyển sang góc nhìn của khoa học tính toán, cho phép chúng tôi tạo ra một 'phương trình dự đoán' cho quá trình dẫn đến sự hình thành vảy silica. Khoa học tính toán là khoa học biến cái vô hình thành hữu hình.”

Đóng góp vào quá trình khử cacbon bằng khoa học tính toán ở tuyến đầu

Ông Saeki của Nhóm Khoa học tính toán Fuji Electric

Mặc dù khoa học tính toán dựa trên các định luật khoa học, nó vẫn có thể tạo ra những kết quả vượt xa mong đợi của con người.
Ông Saeki, người đã rời một nhà sản xuất ô tô vào năm 2021 để làm việc với cô Okada và Tiến sĩ Jiang về khoa học tính toán, giải thích.

“Thỉnh thoảng, bạn gặp phải một kết quả khiến bạn nghĩ rằng, 'Phản ứng hóa học này không được phép xảy ra.' Khi gặp khó khăn trong việc diễn giải dữ liệu, tôi cố gắng hiểu dữ liệu bằng cách đọc các bài báo nghiên cứu để thu thập thông tin hoặc thảo luận với các giáo sư tại các viện nghiên cứu đối tác của chúng tôi.”

Tiến sĩ Jiang gật đầu đồng ý với ông Saeki, nói thêm, “Khi bộ phận kinh doanh tham khảo ý kiến của chúng tôi về một lỗi sản phẩm mà họ không thể xác định được nguyên nhân, chúng tôi đề xuất các giải pháp theo góc nhìn của khoa học tính toán. Họ thường trả lời bằng cách hỏi, 'Bạn có chắc là giải pháp đó sẽ hiệu quả không?' Chúng tôi đảm bảo với họ rằng đừng lo lắng, nhưng mỗi lần như vậy, tôi luôn hồi hộp cho đến khi có kết quả thực sự.”

Khoa học tính toán có thể tiếp cận được ngay cả với những người không có kinh nghiệm

Cô Okada đã học tổng hợp hữu cơ khi còn là sinh viên đại học và hình ảnh phân tử khi còn là sinh viên sau đại học. Sau khi gia nhập công ty, cô đã tham gia vào quá trình phát triển cảm biến. Năm 2019, cô được chuyển đến khoa hiện tại, nơi cô lần đầu tiên được giới thiệu về khoa học tính toán.

“Khoa học tính toán là một lĩnh vực nghiên cứu mới. Có rất ít chuyên gia trong công ty, vì vậy tôi đã học tập chăm chỉ bằng cách đọc sách, tham dự các hội thảo bên ngoài và trải qua khóa đào tạo của công ty. Ngay cả những người thiếu kinh nghiệm cũng có thể tiếp cận được miễn là họ nỗ lực. Bây giờ, tôi thậm chí có thể nhờ một cựu giảng viên đại học (Tiến sĩ Jiang) dạy tôi”, cô Okada nói.

Bằng cách kết nối với máy tính của công ty từ nhà, bà Okada có thể truy cập hệ thống tính toán từ xa. Là một bà mẹ hai con, bà có thể làm việc tại nhà trong khi khám phá về thế giới vi mô.

Nhóm khoa học tính toán hiện có sáu thành viên. Một trong số họ đang học tại Đại học Công nghệ Vienna ở Áo, nơi đang có những bước tiến trong nghiên cứu khoa học tính toán.

Chúng tôi đã yêu cầu ba nhân viên viết tin nhắn cho học sinh.
Tiến sĩ Jiang (bên trái) đã viết một thành ngữ có nghĩa là “sự giản dị và kiên cường”. Ông giải thích, “Đây là một cụm từ mà một giáo sư đã hướng dẫn tôi kể từ thời còn học đại học đã chia sẻ với tôi. Sự tiến bộ đều đặn, siêng năng là điều cần thiết đối với khoa học tính toán”. Cô Okada (ở giữa) đã viết, “Phát triển sự quan tâm đến nhiều chủ đề khác nhau”. Cô kể lại, “Làm như vậy sẽ dẫn đến những nhận thức bất ngờ và những khám phá hấp dẫn vượt xa những gì bạn tưởng tượng”. Ông Saeki (bên phải) đã viết từ “thư giãn”, đồng thời nói thêm, “Thật khó để đưa ra những ý tưởng hay khi bạn đang lo lắng. Điều này đặc biệt quan trọng cần ghi nhớ khi bạn đang giải quyết một lĩnh vực đầy thách thức”.

Khai thác sức mạnh của khoa học tính toán

Người ta nói rằng khoa học tính toán, dựa trên các định luật khoa học, cuối cùng sẽ khiến mọi thứ trên thế giới trở nên có thể dự đoán được.

“Khoa học tính toán rất hấp dẫn vì nó có thể được sử dụng để mô phỏng các phản ứng hóa học, bao gồm chuyển động của các nguyên tử, mà không thể nhìn thấy bằng kính hiển vi điện tử. Chúng tôi muốn tiếp tục khám phá về thế giới vi mô”, ông Saeki giải thích. Tiến sĩ Jiang nói thêm, “Chúng tôi muốn thúc đẩy khoa học tính toán như một 'gói sản phẩm' sẽ góp phần vào sự phát triển của vật liệu và kéo dài tuổi thọ của sản phẩm”.

Nghiên cứu về việc mở rộng phạm vi khoa học tính toán bằng cách kết hợp nó với AI cũng đang được tiến hành. "Tôi muốn thấy mọi người từ nhiều lĩnh vực khác nhau bước vào thế giới khoa học tính toán", cô Okada chia sẻ.

Không chỉ có AI. Sức mạnh của khoa học tính toán cũng dẫn đến những khám phá mới.