home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1994 March / Internet Info CD-ROM (Walnut Creek) (March 1994).iso / inet / nren / hpca.1991 / brock.txt < prev    next >
Text File  |  1991-04-17  |  16KB  |  316 lines

  1.               United States General Accounting Office
  2.  Testimony
  3.  GAO
  4.   
  5.   
  6.  Supercomputing in Industry
  7.   
  8.   
  9.  For Release on Delivery
  10.  Expected at 2:00 p.m. EST Tuesday, March 5, 1991
  11.   
  12.   
  13.  Statement for the record by 
  14.  Jack L. Brock, Jr., 
  15.  Director Government Information and Financial Management Issues
  16.  Information Management and Technology Division
  17.   
  18.   
  19.   
  20.  Before the Subcommittee on Science, Technology, and Space
  21.  Committee on Commerce, Science, and Transportation
  22.  United States Senate
  23.   
  24.   
  25.  GA/T-IMTEC-91-3
  26.   
  27.   
  28.  Messrs. Chairman and Members of the Committee and Subcommittee:
  29.   
  30.   
  31.  I am pleased to submit this statement for the record, as part of the 
  32.  Committee's hearing on the proposed High Performance Computing 
  33.  Act of 1991. The information contained in this statement reflects the 
  34.  work that GAO has conducted to date on its review of how industries 
  35.  are using supercomputers to improve productivity, reduce costs, and 
  36.  develop new products. At your request, this work has focused on 
  37.  four specific industries--oil, aerospace, automobile, and 
  38.  pharmaceutical/chemical--and was limited to determining how these 
  39.  industries use supercomputers and to citing reported benefits.
  40.   
  41.  We developed this material through an extensive review of 
  42.  published documents and through interviews with knowledgeable 
  43.  representatives within the selected industries. In some cases, our 
  44.  access to proprietary information was restricted. Since this statement 
  45.  for the record reports on work still in progress, it may not fully 
  46.  characterize industry use of supercomputers, or the full benefits 
  47.  likely to accrue from such use.
  48.   
  49.  BACKGROUND
  50.   
  51.  A supercomputer, by its most basic definition, is the most powerful 
  52.  computer available at a given time. While the term supercomputer 
  53.  does not refer to a particular design or type of computer, the basic 
  54.  design philosophy emphases vector or parallel processing, 
  55.   
  56.  [Footnote 1: Vector processing provides the capability of operating on 
  57.  arrays, or vectors, of information simultaneously. With parallel 
  58.  processing, multiple parts of a program are executed concurrently. 
  59.  Massively parallel supercomputers are currently defined as those 
  60.  having over 1,000 processors.]
  61.   
  62.  aimed at achieving high levels of calculation very rapidly. Current 
  63.  supercomputers, ranging in cost from $1 million to $30 million, are 
  64.  capable of performing hundreds of millions or even billions of 
  65.  calculations each second. Computations requiring many hours or days 
  66.  on more conventional computers may be accomplished in a few 
  67.  minutes or seconds on a supercomputer.
  68.   
  69.  The unique computational power of supercomputers makes it 
  70.  possible to find solutions to critical scientific and engineering 
  71.  problems that cannot be dealt with satisfactorily by theoretical, 
  72.  analytical, or experimental means. Scientists and engineers in many 
  73.  fields-- including aerospace, petroleum exploration, automobile 
  74.  design and testing, chemistry, materials science, and electronics--
  75.  emphasize the value of supercomputers in solving complex problems. 
  76.  Much of this work centers around scientific visualization, a technique 
  77.  allowing researchers to plot masses of raw data in three dimensions 
  78.  to create visual images of objects or systems under study. This 
  79.  enables researchers to model abstract data, allowing them to "see" 
  80.  and thus comprehend more readily what the data reveal.
  81.   
  82.  While still relatively limited in use, the number of supercomputers 
  83.  has risen dramatically over the last decade. In the early l980s, most 
  84.  of the 20 to 30 supercomputers in existence were operated by 
  85.  government agencies for such purposes as weapons research and 
  86.  weather modeling. Today about 280 supercomputers 
  87.   
  88.  [Footnote 2: This figure includes only high-end supercomputers such 
  89.  as those manufactured by Cray Research, Inc. Including International 
  90.  Business Machines (IBM) mainframes with vector facilities would 
  91.  about double this number.]
  92.   
  93.  are in use worldwide. Government (including defense-related 
  94.  industry) remains the largest user, although private industry has 
  95.  been the fastest growing user segment for the past few years and is 
  96.  projected to remain so.
  97.   
  98.  The industries we are examining enjoy a reputation for using 
  99.  supercomputers to solve complex problems for which solutions might 
  100.  otherwise be unattainable. Additionally, they represent the largest 
  101.  group of supercomputer users. Over one-half of the 280 
  102.  supercomputers in operation are being used for oil exploration; 
  103.  aerospace modeling, testing, and development; automotive testing 
  104.  and design; and chemical and pharmaceutical applications.
  105.   
  106.  THE OIL INDUSTRY
  107.   
  108.  The oil industry uses supercomputers to better determine the 
  109.  location of oil reservoirs and to maximize the recovery of oil from 
  110.  those reservoirs. Such applications have become increasingly 
  111.  important because of the low probability of discovering large oil 
  112.  fields in the continental United States. New oil fields are often small, 
  113.  hard to find, and located in harsh environments making exploration 
  114.  and production difficult. The oil industry uses two key 
  115.  supercomputer applications, seismic data processing and reservoir 
  116.  simulation, to aid in oil exploration and production. These 
  117.  applications have saved money and increased oil production.
  118.   
  119.  Seismic data processing increases the probability of determining 
  120.  where oil reservoirs are located by analyzing large volumes of 
  121.  seismic data
  122.   
  123.  [Footnote 3:  Seismic data are gathered by using sound-recording 
  124.  devices to measure the speed at which vibrations travel through the 
  125.  earth.]
  126.   
  127.  and producing two and three- dimensional images of subsurface 
  128.  geology. Through the study of these images, geologists can better 
  129.  understand the characteristics of the area, and determine the 
  130.  probability of oil being present. More accurately locating oil 
  131.  reservoirs is important because the average cost of drilling a well is 
  132.  estimated at about $5.5 million and can reach as high as $50 million. 
  133.  Under the best of circumstances, most test wells do not result in 
  134.  enough oil to make drilling cost-effective. Thus, avoiding drilling one 
  135.  dry well can save millions of dollars. The industry representatives 
  136.  who agreed to share cost estimates with us said that supercomputer 
  137.  use in seismic data processing reduces the number of dry wells 
  138.  drilled by about 10 percent, at a savings of hundreds of millions of 
  139.  dollars over the last 5 years.
  140.   
  141.  Reservoir simulation is used to increase the amount of oil that can be 
  142.  extracted from a reservoir. Petroleum reservoirs are accumulations 
  143.  of oil, water, and gas within the pores of rocks, located up to several 
  144.  miles beneath the earth's surface. Reservoir modeling predicts the 
  145.  flow of fluids in a reservoir so geologists can better determine how 
  146.  oil should be extracted.  Atlantic Richfield and Company (ARCO) 
  147.  representatives estimate that reservoir simulation used for the oil 
  148.  field at Prudhoe Bay, Alaska--the largest in production in the United 
  149.  States--has resulted in increased oil production worth billions of 
  150.  dollars.
  151.   
  152.  THE AEROSPACE INDUSTRY
  153.   
  154.  Engineers and researchers also use supercomputers to design, 
  155.  develop, and test aerospace vehicles and related equipment. In 
  156.  particular, computational fluid dynamics, which is dependent upon 
  157.  supercomputing, enables engineers to simulate the flow of air and 
  158.  fluid around proposed design shapes and then modify designs 
  159.  accordingly. The simulations performed using this application are 
  160.  valuable in eliminating some of the traditional wind tunnel tests 
  161.  used in evaluating the aerodynamics of airplanes. Wind tunnels are 
  162.  expensive to build and maintain, require costly construction of 
  163.  physical models, and cannot reliably detect certain airflow 
  164.  phenomena. Supercomputer-based design has thus resulted in 
  165.  significant time and cost savings, as well as better designs, for the 
  166.  aerospace industry.
  167.   
  168.  Lockheed Aerospace used computational fluid dynamics on a 
  169.  supercomputer to develop a computer model of the Advanced 
  170.  Tactical Fighter for the U.S. Air Force. By using this approach, 
  171.  Lockheed was able to display a full-vehicle computer model of the 
  172.  fighter after approximately 5 hours of supercomputer processing 
  173.  time. This approach allowed Lockheed to reduce the amount of wind-
  174.  tunnel testing by 80 hours, resulting in savings of about half a 
  175.  million dollars.
  176.   
  177.  The Boeing Aircraft Company used a Cray 1S-2000 supercomputer to 
  178.  redesign the 17-year old 737-200 aircraft in the early 1980s. Aiming 
  179.  to create a more fuel-efficient plane, Boeing decided to make the 
  180.  body design longer and replace the engines with larger but more 
  181.  efficient models. To determine the appropriate placement of these 
  182.  new engines, Boeing used the supercomputer to simulate a wind-
  183.  tunnel test. The results of this simulation--which were much more 
  184.  detailed than would have been available from an actual wind-tunnel 
  185.  test--allowed the engineers to solve the engine placement problem 
  186.  and create a more fuel-efficient aircraft.
  187.   
  188.  THE AUTOMOBILE INDUSTRY
  189.   
  190.  Automobile manufacturers have been using supercomputers 
  191.  increasingly since 1985 as a design tool to make cars safer, lighter, 
  192.  more economical, and better built. Further, the use of 
  193.  supercomputers has allowed the automobile industry to achieve 
  194.  these design improvements at significant savings.
  195.   
  196.  One supercomputer application receiving increasing interest is 
  197.  automobile crash-simulation. To meet federally mandated crash-
  198.  worthiness requirements, the automobile industry crashes large 
  199.  numbers of pre-prototype vehicles head-on at 30 miles per hour into 
  200.  rigid barriers. Vehicles for such tests can cost from $225,000 to 
  201.  $750,000 each. Crash simulation using supercomputers provides 
  202.  more precise engineering information, however, than is typically 
  203.  available from actually crashing vehicles. In addition, using 
  204.  supercomputers to perform this type of structural analysis reduces 
  205.  the number of actual crash tests required by 20 to 30 percent, saving 
  206.  the companies millions of dollars each year. Simulations such as this 
  207.  were not practical prior to the development of vector 
  208.  supercomputing because of the volume and complexity of data 
  209.  involved.
  210.   
  211.  Automobile companies credit supercomputers with improving 
  212.  automobile design in other ways as well. For example, Chrysler 
  213.  Corporation engineers use linear analysis and weight optimization 
  214.  software on a Cray X-MP supercomputer to improve the design of its 
  215.  vehicles. The resulting designs--which, according to a Chrysler 
  216.  representative, would not have been practical without a 
  217.  supercomputer--will allow Chrysler to achieve an annual reduction 
  218.  of about $3 million in the cost of raw materials for manufacturing its 
  219.  automobiles. In addition, one automobile's body was made 10 
  220.  percent more rigid (which will improve ride and handling) and 11 
  221.  percent lighter (which will improve fuel efficiency). According to the 
  222.  Chrysler representative, this is typical of improvements that are 
  223.  being achieved through the use of its supercomputer.
  224.   
  225.  THE CHEMICAL AND PHARMACEUTICAL INDUSTRIES
  226.   
  227.  Supercomputers play a growing role in the chemical and 
  228.  pharmaceutical industries, although their use is still in its infancy. 
  229.  From computer-assisted molecular design to synthetic materials 
  230.  research, companies in these fields increasingly rely on 
  231.  supercomputers to study critical design parameters and more 
  232.  quickly and accurately interpret and refine experimental results. 
  233.  Industry representative told us that, as a result, the use of 
  234.  supercomputing will result in new discoveries that may not have 
  235.  been possible otherwise.
  236.   
  237.  The pharmaceutical industry is beginning to use supercomputers as a 
  238.  research tool in developing new drugs. Development of a new drug 
  239.  may require up to 30,000 compounds being synthesized and 
  240.  screened, at a cost of about $5,000 per synthesis. As such, up to $150 
  241.  million, before clinical testing and other costs, may he invested in 
  242.  discovering a new drug, according to an E.I. du Pont de Nemours and 
  243.  Company representative. Scientists can now eliminate some of this 
  244.  testing by using simulation on a supercomputer. The supercomputer 
  245.  analyzes and interprets complex data obtained from experimental 
  246.  measurements. Then, using workstations, scientists can construct 
  247.  three-dimensional models of the large, complex human proteins and 
  248.  enzymes on the computer screen and rotate these images to gain 
  249.  clues regarding biological activity and reactions to various potential 
  250.  drugs.
  251.   
  252.  Computer simulations are also being used in the chemical industry to 
  253.  replace or enhance more traditional laboratory measurements. Du 
  254.  Pont is currently working to develop replacements for 
  255.  chlorofluorocarbons, compounds used as coolants for refrigerators 
  256.  and air conditioners, and as cleansing agents for electronic 
  257.  equipment. These compounds are generally thought to contribute to 
  258.  the ozone depletion of the atmosphere and are being phased out. Du 
  259.  Pont is designing a new process to produce substitute compounds in 
  260.  a safe and cost- effective manner. These substitutes will be more 
  261.  reactive in the atmosphere and subject to faster decomposition. Du 
  262.  Pont is using a supercomputer to calculate the thermodynamic data 
  263.  needed for developing the process. These calculations can be 
  264.  completed by the supercomputer in a matter of days, at an 
  265.  approximate cost of $2,000 to $5,000. Previously, such tests--using 
  266.  experimental measurements conducted in a laboratory--would 
  267.  require up to 3 months to conduct, at a cost of about $50,000. Both 
  268.  the cost and time required would substantially limit the amount of 
  269.  testing done.
  270.   
  271.  BARRIERS TO GREATER USE OF SUPERCOMPUTERS
  272.   
  273.  These examples demonstrate the significant advantages in terms of 
  274.  cost savings, product improvements, and competitive opportunity 
  275.  that can he realized through supercomputer use. However, such use 
  276.  is still concentrated in only a few industries. Our industry contacts 
  277.  identified significant, interrelated barriers that individually or 
  278.  collectively, limit more widespread use of supercomputers.
  279.   
  280.  Cost.  Supercomputers are expensive. A supercomputer's cost of 
  281.  between $1 million and $30 million does not include the cost of 
  282.  software development, maintenance, or trained staff.
  283.   
  284.   
  285.  Cultural resistance.  Simulation on supercomputers can not only 
  286.  reduce the physical testing, measurement, and experimentation, but 
  287.  can provide information that cannot otherwise be attained. For many 
  288.  scientists and managers this represents a dramatic break with past 
  289.  training, experience, generally accepted methods, or common 
  290.  doctrine. For some, such a major shift in research methodology is 
  291.  difficult to accept. These new methods are simply resisted or ignored.
  292.   
  293.  Lack of application software. Supercomputers can be difficult to use. 
  294.  For many industry applications, reliable software has not yet been 
  295.  developed. This is particularly true for massively parallel 
  296.  supercomputers.
  297.   
  298.  Lack of trained scientists in supercomputing. Between 1970 and 
  299.  1985, university students and professors performed little of their 
  300.  research on supercomputers. For 15 years, industry hired students 
  301.  from universities who did not bring supercomputing skills and 
  302.  attitudes into their jobs. Now, as a result, many high-level scientists, 
  303.  engineers, and managers in industry have little or no knowledge of 
  304.  supercomputing.
  305.   
  306.  In conclusion, our work to date suggests that the use of 
  307.  supercomputers has made substantial contributions in key U.S. 
  308.  industries. While our statement has referred to benefits related to 
  309.  cost reduction and time savings, we believe that supercomputers will 
  310.  increasingly be used to gain substantive competitive advantage.  
  311.  Supercomputers offer the potential--still largely untapped--to 
  312.  develop new and better products more quickly. This potential is just 
  313.  beginning to be explored, as are ways around the barriers that 
  314.  prevent supercomputers from being more fully exploited.
  315.   
  316.