1970年4月13日，阿波羅13號載人登月飛船的氧氣罐在距地球321,860公里外的太空發生爆炸，飛船主引擎受損，氧氣逐漸泄漏，電力系統關閉。前所未有的空間距離讓地面指揮中心的故障排除與維修工作舉步維艱，但阿波羅13號仍借助月球引力，最終順利校正返回軌道。三位宇航員于四天后重返地球家園。

這一事件被譽為“航天史上最成功的失敗”，而成功的背后離不開位于地面指揮中心的阿波羅13號訓練模擬器——它由多臺大型計算機聯網組成，包含阿波羅13號的所有核心部件，完整度與精準度極高。當時最為先進的通信技術使地面指揮中心得以持續獲取阿波羅13號的各項數據，并使用模擬器還原阿波羅13號的實際狀況，再安排后備宇航員在模擬器上進行操練。簡言之，人們在地球上為短暫漫游于太空的阿波羅13號構建了一整套鏡像系統。也正因如此，阿波羅13號被視作是全球第一例“數字孿生”（digital twin）1。

什么是數字孿生？

隨著“元宇宙”等新型虛擬空間滲透人們的日常生活，“數字孿生”這一超越現實的概念也變得愈發普及。若從概念史的角度對其追溯，2002年，Michael Grieves就產品全生命周期管理系統提出了“信息鏡像模型”（Mirrored Spaces Models）這一全新概念，其中明確了數字孿生的基本思想——通過虛擬空間與現實空間中的通訊與信息交換，在虛擬空間實現對物理空間的映射2。2010年，NASA在名為《建模、仿真、信息技術和處理路線圖》的報告中正式提出了數字孿生的概念，并將其定義為一種集成了多種物理量及多種空間尺度的概率仿真，通過使用物理模型、傳感器等，形成孿生對象的全生命周期鏡像3。

圖1：數字孿生的概念

經歷十余年的高速發展，數字孿生的定義愈發清晰，應用也更加廣泛。虛擬映射、數據運行、雙向傳輸、動態仿真、實時聯接等要素成為數字孿生的關鍵技術。它們也被用于工業制造、產品生產、城市建設等場景，貫徹于全生命周期。

由此可見，單一、靜態的鏡像呈現并不足以構成數字孿生的全部要素。當我們重新回溯阿波羅13號的返航時可以發現，正是模擬器操作、計算機系統、通訊系統、數據流的共同協作才使模擬器這一鏡像得以靈活適應、實時響應遙遠太空中的種種變數，構成一整套數字孿生系統。而在熱度極高的“元宇宙”中，與物理世界實時對應的數字空間可被視作數字孿生的應用之一；相反，完全獨立而抽離的數字世界則無法與數字孿生直接掛鉤。

數字孿生的應用場景

隨著人工智能等新興技術的發展，數字孿生技術不斷與其它技術融合，應用領域也相應拓寬。從人體結構到城市建設，數字孿生的對象由點及面，包含人、物、社會等各類存在形式。

目前，工業制造是數字孿生技術的重點應用領域，已在全球各大制造行業規模化落地，涉及制造全過程的動態仿真，覆蓋產品全生命周期及全產業鏈。在產品設計過程中，數字孿生可作為產品的虛擬原型，調整并測試不同的仿真或設計，通過減少產品生產的迭代次數來節省成本。虛擬工廠則是當下數字孿生工業應用的另一大趨勢。通過在虛擬空間中構建數字虛擬車間和數字工廠，人們可以實時預測生產過程，并對生產線進行智能化改造，保證產品質量，保障生產安全，合理化生產資源配置。此外，數字孿生還在供應鏈管理、預測性維護等方面發揮其優勢，改善制造運營。

圖2：數字孿生在工業制造領域的應用

以芯片制造工廠的全自動化運營為目標，SK海力士等芯片制造行業龍頭企業已著手研究在生產制造環節中融入數字孿生技術的方案，努力提升制造自動化水平并保障生產安全4。SK海力士DT（Digital Transformation，數字轉型）擔當旗下DT戰略企劃Team長李承默表示：“在SK海力士，我們著力導入數字孿生概念，在虛擬環境中模擬與現實相同的Fab運營場景，將相關反饋應用于實際環境進而提高對生產環節的控制程度。為將數字孿生的實際應用推至新高度，公司更著力研究將VR、AR、5G等技術相融合的解決方案，并將其初步應用于遠程員工培訓及設備維修等環節。”

基于人工智能和數字孿生技術所提供的預測方案，業界希望提高生產預測的準確度，提升生產效率和良品率，并降低成本。SK海力士DT擔當旗下P&S系統PI的鄭惟仁PL表示：“在芯片制造領域，我們主要將數字孿生的概念應用在模擬包括Fab制造、OHT（ Overhead hoist transport）運行計劃等在內的生產運營環節。通過模擬各種情境進而篩選出在運轉周期（TAT，Turn Around Time）、產量等指標上表現最優秀的邏輯。”

與此同時，城市建設作為數字孿生的另一核心應用領域，發展勢頭強勁。IDC報告顯示，至2024年，中國將有70%的城市采用數字孿生技術，以實現城市的可持續發展，提高城市運行效率，改善城市環境質量，達到碳排放目標5。如今，數字孿生港口通過可視化演算確定最佳成本/吞吐量比例；交通指揮中心借助數字孿生技術制定復雜路口擁堵解決方案；智慧工地的出現以數字孿生技術解決傳統施工現場勞動密集和管理粗放的問題……運用數字孿生技術，人們可對城市人流、物流、能量流、信息流進行分析，由此優化城市空間布局，洞悉城市運行方案，降低城市治理成本。以信息基礎設施為底座，數字孿生城市還可整合城市平臺與數據資源，最大化城市自有優勢。

其中，虛擬新加坡（Virtual Singapore）是一個動態的三維（3D）城市模型和協作數據平臺。它建立在地形和實時動態數據之上，是新加坡的 3D 數字復制品。完成后，虛擬新加坡將成為供政府/企業/私人/研究部門使用的權威3D數字平臺，可用于模擬和虛擬測試城市規劃問題的新解決方案，幫助來自不同領域的用戶開發復雜的工具和應用程序，解決新加坡面臨的新興和復雜挑戰。

此外，在醫療保健領域，科學家已成功創建人類細胞的數字孿生，以評估藥物反應；對醫院整體條件進行數字孿生，模擬醫院環境，降低環境風險。在生活娛樂方面，5G、XR等技術的普及為人們提供沉浸式的虛擬文娛環境，創造個人化的數字孿生體驗；移動端設備的普及則進一步擴大數字孿生場域——未來，人們或許在行走間即可肆意穿梭于數字孿生世界。

數字孿生的技術需求

研究數據顯示，全球數字孿生市場規模在2020年為45億美元，而到2030年，這一數字將有望達1,581億美元6，發展前景頗為廣闊。有別于當下在特定領域的重點發展，數字孿生技術將逐步開拓更多應用場景，推動數字世界與現實世界在各個方面進一步密切融合，走向全局未來。其中，數據作為核心媒介與載體，規模壓力相應激增。

圖5：數字孿生全球市場規模發展趨勢

要使得虛擬空間中的“世界”真正為現實服務，數字孿生系統必然龐大且內部交錯。相應地，系統的采集、存儲、設計和應用也更為復雜，對系統的軟硬件要求也隨之升高。可靠、高性能的存儲器與存儲解決方案成為整個系統中的關鍵一環。比如，SK海力士于近期成功開發行業首款將計算功能與CXL（Compute Express Link）存儲器相結合的CMS（Computational Memory Solution），它能更有效地整合并運用存儲器及GPU、AI加速器等多種解決方案，有望提升系統性能和能源效率。此外，SK海力士的HBM3 DRAM高帶寬內存芯片的數據處理速度可達 819GB/s，可有效增強加速計算性能，快速處理迅猛增長的數據量，成為全面建構起數字孿生虛擬世界的基礎結構。

實時性也是數字孿生技術的重點之一。持續輸出的數據流需要在兩個世界間及時反饋，“速度”在此成為了關鍵詞。SK海力士于今年全球首發的238層 512Gb TLC 4D NAND閃存，數據傳輸速度為2.4Gbps，相比前一代產品提高了50%。它采用4D架構，單元面積更小，生產效率更高，標志著SK海力士在持續創新過程中的又一突破，預計在2023年上半年正式投入量產。

自古以來，人類不斷望向天空，試圖接近某片星河。隨著科學技術的發展，人們開始太空探索，尋找另一個宜居的星球。如今，以數字孿生為代表的虛擬空間成為人類揮灑想象與志向的工具，打造實現更多可能性的場域。

于半導體企業而言，智能化與數字化的趨勢是機遇，也是激勵。由各類創新應用所建構起的美好生活，是企業與社會共擔的愿景。SK海力士始終堅持創新，積極開展相關業務，不斷突破技術瓶頸，以先進的產品與技術打造充滿可能性的未來世界。

審核編輯 ：李倩