本文來自微信公眾號：知識自動化 （ID：zhishipai），原文標題：《林雪萍 屈凱峰 | 平民化仿真 工業(yè)軟件突破連》，作者：林雪萍 屈凱峰
算力的三個階段
計算機輔助工程 CAE 的理論基礎，起源于 20 世紀 40 年代的有限元分析法。在 1960~1970 年，CAE 軟件還處于探索時期，分析對象主要是航空航天及核電等大型裝備的強度和剛度等。此時的 CAE，只能運行在 Unix 工作站上。這是一個算力貧乏的時代。為了節(jié)省資源，連顯示器和存儲器也往往都是兩臺機器。龐大的計算機硬件僅僅看體型就讓人望而生畏，一臺計算機充滿一間屋子是常見的事情。軟件，不過是計算機硬件的附屬品。
圍繞大型機誕生的最早一代仿真軟件，有來自 NASA 的 Nastran、也有來自西屋核電的 ANSYS 和非線性軟件麻省理工的 ADINA、布朗大學的 Abaqus（跟 ANSYS 一樣，第一個客戶也是西屋核電）等。工作站作為一種昂貴的稀缺資源，也是一種集中算力的體現(xiàn)。人們只能去指定的機房，排隊等候計算的時間。熟悉方程式的科學家們，通過命令行的組合，完成特定場景下的仿真分析。既然軟件使用門檻如此高昂，脖子又被掐在硬件廠商的手里，它的發(fā)展動力自然大打折扣。軟件猶如深宮秘寶，少數(shù)身懷絕技的科學家和非凡的工程師，穿過不為人知的洞口和隧道，方能夠接近它。
從 IBM 在 1981 年推出第一臺真正意義上的 PC 機開始，桌面 PC 的浪潮來臨了。兼容機開始盛行，計算能力也得以提升。軟件也開始得以進行普及，使用門檻也大大降低。這期間，很多跟大型機緊密捆綁在一起的軟件，被逐一淘汰，獨立的軟件則嶄露頭角。Windows95 操作系統(tǒng)的圖形化界面，則更是橫掃一切可能的阻礙。在這個過程中，無論是設計 CAD 軟件，還是仿真 CAE 軟件廠商，都在忙不迭地轉(zhuǎn)換身姿，擁抱個人機時代。設計軟件 AutoCAD 成功從 Unix 系統(tǒng)轉(zhuǎn)型成功，而 Solidworks 則直接成為 Windows 的原生軟件。而 Ansys 仿真軟件，在誕生 14 年之后，從 1984 年開始推出了適配英特爾 286 的電腦。界面更友好，功能更好用。體現(xiàn)這種鳳凰變朱雀飛入尋常家的最好例子，莫過于非線性仿真軟件四大金剛的 ADINA。它早在 1975 年就在麻省理工誕生，但直到 1988 年才可以開始商業(yè)化讓更多工程師可以使用。一匹桀驁不馴的烈馬，終于有了更多的人，可以駕馭它。而目前全球排名第三的澳汰爾，就是在這個時候，隨著 PC 的普及誕生。全球第一的 Ansys 雖然創(chuàng)建于 1970 年，但直到 1996 年才經(jīng)由風投公司之手，完成在納斯達克上市。工業(yè)軟件，仿佛從宙斯的奧林匹克仙山，降落到民間的廳堂。使用門檻降低了，資本市場也開始對它有了全新的理解。一旦它巨大的用戶群潛力得以確認，資本的擁抱自然就會超乎熱情。
很容易注意到，在一種技術引發(fā)時代的劇烈變動的時候，市場格局就開始洗牌。洗牌既有死亡，也有重生。有些企業(yè)會倒下，而新生面孔也令人欣喜。正如當下的電動汽車，人們會驚訝即使如強大的 BBA 三大車系或者是日本三大汽車，都有身骨瑟瑟發(fā)抖之時，但新一代的王者如特斯拉，還有中國蔚小理等造車新勢力，已經(jīng)像從老人身邊呼嘯而過的孩子，歡騰中跑在前面迎接東方的曙光。
同樣的曙光，照射在仿真軟件的賽道。從 2010 年往后，以超算中心和云計算為代表的廉價超強算力的時代，已經(jīng)來到。算力已經(jīng)成為一種文明的軍備競賽，美國、日本和中國，在這里競相發(fā)力。這些超算中心的超級算力所要解決的問題，就是通過仿真問題，通過仿真軟件來計算核爆炸、天氣預測等多元參數(shù)、無限放大的復雜事件。
跟 Windows 時代的算力不同，云計算和超算中心看上去又重新回到了工作站時代的集中式。只不過這一次增加了一個分布式的桌面端。從表現(xiàn)形式來看，第一代算力：集中式的工作站；第二代算力是分散式的桌面應用；而第三代算力，就軟件應用而言，它回到了集中式的算力，但同時加上了分布式的桌面甚至手機應用，后者最常見的形式就是 App 應用小程序。
算力平民化，門檻進一步降低。那么仿真軟件呢？不出意外，也正在迎來了一個全新的春天。
手忙腳亂的仿真軟件
在上個世紀八九十年代 PC 機的崛起，形成了對既有軟件的大洗牌。這個過程中，許多一流的設計 CAD 軟件廠家被大肆洗劫，很多廠家都消失了 —— 這些品牌的凋落，是因為它們的技術落伍，未能在工作站向 PC 轉(zhuǎn)型的過程中，被技術離心力甩出賽道。它們死在兩次暴風雨的切換之間。但很多 CAE 廠商卻頑強活下來了。它們有些品牌在更晚些的時候消逝在市場，原因跟 CAD 廠家有所不同。它們并非是在第一代算力向第二代算力的過程中落伍，而是在最近的二十年由于商業(yè)模式的變遷而消失：更大的魚吃掉了它們。
新的時代不能兼容它們，是因為商業(yè)原因而非技術原因，但畢竟它們還是擠進了新的時代。某種意義而言，CAE 廠商表現(xiàn)出來的韌性，是因為 CAE 表現(xiàn)了更強的專業(yè)性。它的使用門檻還是太高。仿真軟件一般都是單物理場，只計算結構力學，或者只計算電磁。而要做出復雜的仿真結果，就需要對著多種物理場進行計算。仿真工程師需要熟悉這些不同的物理場，和不同的軟件界面。
對于一個企業(yè)而言，產(chǎn)品的設計人員與仿真工程師往往是兩撥人。而且仿真工程師要遠遠少于設計師。設計師往往只需要一種軟件就可以完成全部任務；但仿真工程師則需要在計算結構力學、計算熱學、計算電磁學等不同的仿真軟件之間，進行來回切換。就像在水力站轉(zhuǎn)動閥門的操作工，眼前十幾個閥門，轉(zhuǎn)動方式各不相同。既然每個閥門都需要不同的方言口令，手忙腳亂自然是最常見的事情。
然而，仿真工程師的難點，還不在于忙于打開各種奇怪的閥門，通曉每種軟件的語言，更重要的是還要對自己的行業(yè)知識有足夠的了解。他需要將工程任務中的行業(yè) Know-how 跟建模語言，連接在一起。這需要相當深厚的功力。
仿真軟件，再次展現(xiàn)了它拒人門外的知識高冷型軟件。從極端來說，它只是一個高級的科學計算器，它與行業(yè)無關。這也展示了工業(yè)軟件盈利的最高級的一種模式，那就是只做通用計算平臺和建模語言，封裝數(shù)學模型；至于面向行業(yè)的不同瑣碎的場景，則需要由仿真工程師自行完成。
這個門檻自然很高。
于是會有一批全新的陌生客，嘗試改變了仿真軟件難用的特性。
巨人足跡間的縫隙
可以說，如果按照單學科 CAE（只解決力學、熱、電、磁、光等任何一個單一物理場）的方向進行突圍，道路基本已經(jīng)被壟斷的寡頭封死。大型仿真軟件早已通過深挖技術壕溝、并購多個不同物理場的軟件，形成了一個平臺化的解決方案。
于是，后發(fā)者采用了另外一種思路，避開單學科對巨人進行挑戰(zhàn)，而是從工程應用的角度出發(fā)，從而將看上去牢不可破的大鐵門掀起了一扇縫隙。
來自瑞典斯德哥爾摩的 COMSOL 仿真軟件，做了工程應用仿真模塊的嘗試。就本質(zhì)而言，有限元分析、工程仿真的本質(zhì)，都是在算數(shù)學方程。而 COMSOL 起源于 MATLAB 的 Toolbox。COMSOL 主打工程模塊，而不是學科。1986 年公司成立，隨后發(fā)布了 FEMLAB，這是它的第一個工程應用模塊：結構力學?？吹竭@個名字，就可以看出它簡直就是 MatLab 的寄生品。當然，因為官司糾紛，后來 COMSOL 也重寫代碼，斬斷了跟 Matlab 的聯(lián)系。兩年后發(fā)布了電磁學模塊，并隨后發(fā)布了化學、傳熱等模塊。2005 年，產(chǎn)品名稱更改為 COMSOL Multiphysics—— 可以說這個名字直到它成立 10 年之后，才真正形成了多物理場的概念。隨后，各種工程模塊不斷增加。如果記錄這個日益增長的清單，似乎是一個無聊的流水賬。然而將這些工程應用模塊看成是一面面移動的插旗，那么插旗背后則象征著不斷崛起的市場，例如它在 2020 年開發(fā)的燃料電池和電解槽板塊，正是在迎合冉冉升起的氫燃料產(chǎn)業(yè)。有了一個多物理場平臺作為基礎底座，COMSOL 的上部就像是一個不斷增長的插頭口，新的行業(yè)市場不斷被加插進來。追逐熱點行業(yè)，它就像向陽花一樣，伸向不同的方向。
COMSOL 的成功得益于三點，其一是基礎平臺植根于數(shù)學物理理論。從最底層的理論出發(fā)，自然表現(xiàn)出杰出的方程求解能力，它的偏微分方程 PDE 模塊非常強大。其次 COMSOL 為工程問題提供易于使用的軟件解決方案。產(chǎn)品庫中的所有產(chǎn)品模塊，都是標準化的界面。無論是電子、機械、化工等工程領域，或者是傳熱、流體等特定物理現(xiàn)象，都使用了同一個軟件界面，而操作流程也都一樣。這對于那些收購了大量軟件的大型 CAE 公司，提供了另外一種選擇。大型 CAE 公司不得不對收購的軟件，進行數(shù)據(jù)打通、界面更換等工作，在相當長時間內(nèi)，用戶不得不反復切換閥門。更重要的是，COMSOL 主打工程模塊，很多行業(yè)知識封裝在其中，包括電化學、等離子體等幾十款應用模塊 —— 很多模塊往往是經(jīng)典 CAE 軟件作為通用軟件平臺所難以擁有的功能模塊。這些帶有行業(yè)屬性的工程模塊，讓工程師松下一口氣，他們的仿真任務有了行業(yè)屬性的護欄，這是一件更容易上手的工具。它為行業(yè)，定制了特殊的工具。
仿真軟件的新突破，需要精心研究巨龍足跡所留下的縫隙。
第三波浪潮呼之欲來
仿真軟件的應用，在不斷簡化。仿真軟件的第一波浪潮，專用性很強，底層特性很強。它往往都是面向單一學科的通用仿真軟件，如流體、電磁、熱、結構等都是各自分離。用戶需要分別購買不同款的學科軟件。第二波軟件則更加專注于行業(yè)。以 COMSOL 的工程應用模塊為典型代表，它底層構建了多物理場，并且跟行業(yè)相結合，使得應用工程師可以輕松面對自己的行業(yè)進行仿真開發(fā)。
但這也并非終點。更加簡化的 CAE 軟件，繼續(xù)來到。它們更加專注一個行業(yè)，專門為一個行業(yè)進行仿真。最為典型的是在 1998 年成立的 MotorCAD，它只瞄準先進電機的開發(fā)，提供了電磁、熱、機械和電機效率與性能優(yōu)化這四個最關鍵的功能模塊。
好用啊，它可以實現(xiàn)全扭矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的多物理仿真設計。于是，它在電機行業(yè)一統(tǒng)天下就不足為奇，全球主要的電機生產(chǎn)商、科研機構都在使用。而如果采用經(jīng)典的仿真軟件，由于過于聚焦通用性，大量的功能其實都是不需要的。而 MotorCAD 的所有模塊，則可以被吸干榨盡，它就是為電機而生。
既然面向行業(yè)的專用軟件已經(jīng)證明可行，下一步，更小的顆粒度在哪里，更低的門檻會是什么？那就是直接面向設備，甚至面向設備的零件。例如，可以面向某一款電機，只做無刷電機或直流電機，這意味著更小巧的 App 將被開發(fā)出來，直接面向個性化的設備。如果說，COMSOL 代表了以多物理場為底層的功能模塊的崛起，那么 MotorCAD 則是在功能模塊的基礎上直接面向垂直行業(yè)。而在此基礎上，可以構建更多的個性化場景應用 App，面向特定的設備，也就順理成章了。
第三波 CAE 軟件，正在呈現(xiàn)新的輪廓。
COMSOL 已經(jīng)嗅到了這種味道，它在將自己的軟件變得更加“App 碎片化”。2014 年它發(fā)布的版本中，包含“App 開發(fā)器”，并發(fā)布了服務器，支持 App 分發(fā)，讓各地不同的用戶都可以在它的服務器上，運行這些專業(yè)應用程序。最讓工程師開心的是，App 開發(fā)器包含完全圖形化的編程功能，用戶可以自如的創(chuàng)建 App。到了 2018 年 COMSOL 終于為自己在互聯(lián)網(wǎng)時代定下基調(diào)，發(fā)布了編譯器。用戶可以自行將在母平臺所開發(fā)的程序，轉(zhuǎn)換為獨立運行的仿真 App。運行時候，則無需安裝 COMSOL 軟件。事情變得越來越簡化。
COMSOL 的商業(yè)邏輯，就是面向?qū)I(yè)細分領域，包括三十多個工程應用功能模塊，而不是通用軟件，在中國的市場乘風破浪。用戶已經(jīng)在此基礎上，建立了 1000 多個 App 案例。在 ANSYS、Altair、MSC 所籠罩的陰影之下，COMSOL 找到屬于自己的地盤。
同樣在國內(nèi)，北京云道智造也是避開經(jīng)典 CAE 的通用軟件路線，而是在自己底層的多物理場仿真平臺之上，建立廣泛的工程應用模塊和 App 應用程序，為正在崛起的中國制造提供一個更低門檻的使用機會。
如果說第一代 ANSYS、Nastran 所代表的軟件使用難度用高度來比喻，它就像是上海中心大廈的最高層第 127 層。那么從這里看下去，COMSOL 的工程應用模塊離地面只有 20 層樓的高度。而現(xiàn)在 COMSOL 和云道的 App 應用，將使得它位于第 10 層的位置。越來越向地氣靠攏了，人們抬頭可見。
隨著超算和云計算能力的普及，更加便利的方式在出現(xiàn)。如果能將開發(fā)平臺也面向行業(yè)用戶開發(fā)，讓用戶自己開發(fā) App，那么這些應用將會出現(xiàn)在第一層樓的位置，觸手可及。云道正在采用更加激進的云化方式，下沉到這個位置，將多物理場的仿真平臺開放出來，并且聯(lián)合開發(fā)或者由第三方進行工程模塊和 App 開發(fā)。云道基于通用底層平臺開發(fā)了電子散熱仿真軟件 Simetherm，已實現(xiàn)對主流商業(yè)軟件 Flotherm、ICEPAK 的部分替代；上海一家專門做航空復合材料輕量化的專業(yè)咨詢公司，就是直接調(diào)用這個底層平臺，開發(fā)行業(yè)模塊，面向國內(nèi)的飛機工廠。以前分布在不同人手里的知識，正在一個個像攤裂開來的湯圓，各種芝麻餡、五仁餡都四散開來，混在一起。更加平民化的仿真，從來沒有如此靠近過大眾人群。
小記：一代算力，一代仿真
工業(yè)軟件的市場，從全球格局看，就像是一個發(fā)育成熟的成人，進入了一個高度穩(wěn)定的結構。這種穩(wěn)定是由寡頭壟斷所決定的，它們幾乎可以采用“閉眼點菜”的方式，通過并購將各種具備創(chuàng)新的初創(chuàng)公司吞食。但在中國市場則不同，它似乎剛剛開始呈現(xiàn)自己舒展少年筋骨的地方。CAE 軟件如何選擇突破方向，是一個極具策略的考量。采用軟件即服務的 SaaS 化，是其中的一條路線。國內(nèi)的上海數(shù)巧、北京藍威和德國的 SimScale 都在采用這種路線。同一陣營的 SaaS 的仿真軟件 OnScale 僅僅成立五年，就在今年被 ANSYS 收購，意味著這條云化的方向已經(jīng)得到了老牌仿真廠商的認可。而云道除了也在走 SaaS 化的路線之外，進一步推出了工程應用模塊與 App 聯(lián)動的方式，采用“平臺即服務”的 PaaS 化，緊密地跟行業(yè)應用結合在一起。它大大降低了使用者的門檻，使得平民化仿真成為可能。瑞典的 COMSOL 已經(jīng)證明了它的可行性。而中國現(xiàn)在很多新興行業(yè)如鋰電池、碳化硅，都提出了全新的場景需求，國外仿真軟件也并無成熟的工程模塊。如果能夠進一步降低使用門檻，國產(chǎn) CAE 軟件正可以大展身手。
2015 年在國際工程建模、分析和仿真社區(qū)協(xié)會 NAFEMS 的研討會上，業(yè)內(nèi)專家提出了仿真大眾化、民主化的議題，成為國際上倡導“普惠仿真”的先聲。基于超算 / 云計算與專業(yè)化仿真 App 的廣泛應用，將引發(fā)仿真技術的普惠化革命。
憑借第三次算力浪潮的助力，第三代仿真軟件或許也可以隨之躍起。這一次，算力普及，仿真普惠。
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