从数据到虚拟空间：存储芯片助力投射数字孪生新世界

1970年4月13日，阿波罗13号载人登月飞船的氧气罐在距地球321,860公里外的太空发生爆炸，飞船主引擎受损，氧气逐渐泄漏，电力系统关闭。前所未有的空间距离让地面指挥中心的故障排除与维修工作举步维艰，但阿波罗13号仍借助月球引力，最终顺利校正返回轨道。三位宇航员于四天后重返地球家园。

这一事件被誉为“航天史上最成功的失败”，而成功的背后离不开位于地面指挥中心的阿波罗13号训练模拟器——它由多台大型计算机联网组成，包含阿波罗13号的所有核心部件，完整度与精准度极高。当时最为先进的通信技术使地面指挥中心得以持续获取阿波罗13号的各项数据，并使用模拟器还原阿波罗13号的实际状况，再安排后备宇航员在模拟器上进行操练。简言之，人们在地球上为短暂漫游于太空的阿波罗13号构建了一整套镜像系统。也正因如此，阿波罗13号被视作是全球第一例“数字孪生”（digital Twin）¹。

什么是数字孪生？

随着“元宇宙”等新型虚拟空间渗透人们的日常生活，“数字孪生”这一超越现实的概念也变得愈发普及。若从概念史的角度对其追溯，2002年，Michael Grieves就产品全生命周期管理系统提出了“信息镜像模型”（Mirrored Spaces Models）这一全新概念，其中明确了数字孪生的基本思想——通过虚拟空间与现实空间中的通讯与信息交换，在虚拟空间实现对物理空间的映射²。2010年，NASA在名为《建模、仿真、信息技术和处理路线图》的报告中正式提出了数字孪生的概念，并将其定义为一种集成了多种物理量及多种空间尺度的概率仿真，通过使用物理模型、传感器等，形成孪生对象的全生命周期镜像³。

图1：数字孪生的概念

经历十余年的高速发展，数字孪生的定义愈发清晰，应用也更加广泛。虚拟映射、数据运行、双向传输、动态仿真、实时联接等要素成为数字孪生的关键技术。它们也被用于工业制造、产品生产、城市建设等场景，贯彻于全生命周期。

由此可见，单一、静态的镜像呈现并不足以构成数字孪生的全部要素。当我们重新回溯阿波罗13号的返航时可以发现，正是模拟器操作、计算机系统、通讯系统、数据流的共同协作才使模拟器这一镜像得以灵活适应、实时响应遥远太空中的种种变数，构成一整套数字孪生系统。而在热度极高的“元宇宙”中，与物理世界实时对应的数字空间可被视作数字孪生的应用之一；相反，完全独立而抽离的数字世界则无法与数字孪生直接挂钩。

数字孪生的应用场景

随着人工智能等新兴技术的发展，数字孪生技术不断与其它技术融合，应用领域也相应拓宽。从人体结构到城市建设，数字孪生的对象由点及面，包含人、物、社会等各类存在形式。

目前，工业制造是数字孪生技术的重点应用领域，已在全球各大制造行业规模化落地，涉及制造全过程的动态仿真，覆盖产品全生命周期及全产业链。在产品设计过程中，数字孪生可作为产品的虚拟原型，调整并测试不同的仿真或设计，通过减少产品生产的迭代次数来节省成本。虚拟工厂则是当下数字孪生工业应用的另一大趋势。通过在虚拟空间中构建数字虚拟车间和数字工厂，人们可以实时预测生产过程，并对生产线进行智能化改造，保证产品质量，保障生产安全，合理化生产资源配置。此外，数字孪生还在供应链管理、预测性维护等方面发挥其优势，改善制造运营。

图2：数字孪生在工业制造领域的应用

以芯片制造工厂的全自动化运营为目标，SK海力士等芯片制造行业龙头企业已着手研究在生产制造环节中融入数字孪生技术的方案，努力提升制造自动化水平并保障生产安全⁴。SK海力士DT（Digital Transformation，数字转型）担当旗下DT战略企划Team长李承默表示：“在SK海力士，我们着力导入数字孪生概念，在虚拟环境中模拟与现实相同的Fab运营场景，将相关反馈应用于实际环境进而提高对生产环节的控制程度。为将数字孪生的实际应用推至新高度，公司更着力研究将VR、AR、5G等技术相融合的解决方案，并将其初步应用于远程员工培训及设备维修等环节。”

图3：SK海力士无尘室内部环境及OHT设备

基于人工智能和数字孪生技术所提供的预测方案，业界希望提高生产预测的准确度，提升生产效率和良品率，并降低成本。SK海力士DT担当旗下P&S系统PI的郑惟仁PL表示：“在芯片制造领域，我们主要将数字孪生的概念应用在模拟包括Fab制造、OHT（ Overhead hoist transport）运行计划等在内的生产运营环节。通过模拟各种情境进而筛选出在运转周期（TAT，Turn Around Time）、产量等指标上表现最优秀的逻辑。”

与此同时，城市建设作为数字孪生的另一核心应用领域，发展势头强劲。IDC报告显示，至2024年，中国将有70%的城市采用数字孪生技术，以实现城市的可持续发展，提高城市运行效率，改善城市环境质量，达到碳排放目标⁵。如今，数字孪生港口通过可视化演算确定最佳成本/吞吐量比例；交通指挥中心借助数字孪生技术制定复杂路口拥堵解决方案；智慧工地的出现以数字孪生技术解决传统施工现场劳动密集和管理粗放的问题……运用数字孪生技术，人们可对城市人流、物流、能量流、信息流进行分析，由此优化城市空间布局，洞悉城市运行方案，降低城市治理成本。以信息基础设施为底座，数字孪生城市还可整合城市平台与数据资源，最大化城市自有优势。

其中，虚拟新加坡（Virtual Singapore）是一个动态的三维（3D）城市模型和协作数据平台。它建立在地形和实时动态数据之上，是新加坡的 3D 数字复制品。完成后，虚拟新加坡将成为供政府/企业/私人/研究部门使用的权威3D数字平台，可用于模拟和虚拟测试城市规划问题的新解决方案，帮助来自不同领域的用户开发复杂的工具和应用程序，解决新加坡面临的新兴和复杂挑战。

图4：数字孪生城市案例 – 虚拟新加坡（Virtual Singapore）

此外，在医疗保健领域，科学家已成功创建人类细胞的数字孪生，以评估药物反应；对医院整体条件进行数字孪生，模拟医院环境，降低环境风险。在生活娱乐方面，5G、XR等技术的普及为人们提供沉浸式的虚拟文娱环境，创造个人化的数字孪生体验；移动端设备的普及则进一步扩大数字孪生场域——未来，人们或许在行走间即可肆意穿梭于数字孪生世界。

数字孪生的技术需求

研究数据显示，全球数字孪生市场规模在2020年为45亿美元，而到2030年，这一数字将有望达1,581亿美元⁶，发展前景颇为广阔。有别于当下在特定领域的重点发展，数字孪生技术将逐步开拓更多应用场景，推动数字世界与现实世界在各个方面进一步密切融合，走向全局未来。其中，数据作为核心媒介与载体，规模压力相应激增。

图5：数字孪生全球市场规模发展趋势

要使得虚拟空间中的“世界”真正为现实服务，数字孪生系统必然庞大且内部交错。相应地，系统的采集、存储、设计和应用也更为复杂，对系统的软硬件要求也随之升高。可靠、高性能的存储器与存储解决方案成为整个系统中的关键一环。比如，SK海力士于近期成功开发行业首款将计算功能与CXL（Compute Express Link）存储器相结合的CMS（Computational Memory Solution），它能更有效地整合并运用存储器及GPU、AI加速器等多种解决方案，有望提升系统性能和能源效率。此外，SK海力士的HBM3 DRAM高带宽内存芯片的数据处理速度可达 819GB/s，可有效增强加速计算性能，快速处理迅猛增长的数据量，成为全面建构起数字孪生虚拟世界的基础结构。

图6 & 图7：SK海力士的CMS解决方案及HBM3

实时性也是数字孪生技术的重点之一。持续输出的数据流需要在两个世界间及时反馈，“速度”在此成为了关键词。SK海力士于今年全球首发的238层 512Gb TLC 4D NAND闪存，数据传输速度为2.4Gbps，相比前一代产品提高了50%。它采用4D架构，单元面积更小，生产效率更高，标志着SK海力士在持续创新过程中的又一突破，预计在2023年上半年正式投入量产。