算力的三個(gè)階段

　　計(jì)算機(jī)輔助工程CAE的理論基礎(chǔ)，起源于20世紀(jì)40年代的有限元分析法。在1960~1970年，CAE軟件還處于探索時(shí)期，分析對(duì)象主要是航空航天及核電等大型裝備的強(qiáng)度和剛度等。此時(shí)的CAE，只能運(yùn)行在Unix工作站上。這是一個(gè)算力貧乏的時(shí)代。為了節(jié)省資源，連顯示器和存儲(chǔ)器也往往都是兩臺(tái)機(jī)器。龐大的計(jì)算機(jī)硬件僅僅看體型就讓人望而生畏，一臺(tái)計(jì)算機(jī)充滿一間屋子是常見(jiàn)的事情。軟件，不過(guò)是計(jì)算機(jī)硬件的附屬品。

　　圍繞大型機(jī)誕生的最早一代仿真軟件，有來(lái)自NASA的Nastran、也有來(lái)自西屋核電的ANSYS和非線性軟件麻省理工的ADINA、布朗大學(xué)的Abaqus(跟ANSYS一樣，第一個(gè)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(jī)房，排隊(duì)等候計(jì)算的時(shí)間。熟悉方程式的科學(xué)家們，通過(guò)命令行的組合，完成特定場(chǎng)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(dòng)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(xué)家和非凡的工程師，穿過(guò)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(tái)真正意義上的PC機(jī)開(kāi)始，桌面PC的浪潮來(lái)臨了。兼容機(jī)開(kāi)始盛行，計(jì)算能力也得以提升。軟件也開(kāi)始得以進(jìn)行普及，使用門檻也大大降低。這期間，很多跟大型機(jī)緊密捆綁在一起的軟件，被逐一淘汰，獨(dú)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(gè)過(guò)程中，無(wú)論是設(shè)計(jì)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(gè)人機(jī)時(shí)代。設(shè)計(jì)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(gè)時(shí)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(fēng)投公司之手，完成在納斯達(dá)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(chǎng)也開(kāi)始對(duì)它有了全新的理解。一旦它巨大的用戶群潛力得以確認(rèn)，資本的擁抱自然就會(huì)超乎熱情。

　　很容易注意到，在一種技術(shù)引發(fā)時(shí)代的劇烈變動(dòng)的時(shí)候，市場(chǎng)格局就開(kāi)始洗牌。洗牌既有死亡，也有重生。有些企業(yè)會(huì)倒下，而新生面孔也令人欣喜。正如當(dāng)下的電動(dòng)汽車，人們會(huì)驚訝即使如強(qiáng)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(shí)，但新一代的王者如特斯拉，還有中國(guó)蔚小理等造車新勢(shì)力，已經(jīng)像從老人身邊呼嘯而過(guò)的孩子，歡騰中跑在前面迎接?xùn)|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(jì)算為代表的廉價(jià)超強(qiáng)算力的時(shí)代，已經(jīng)來(lái)到。算力已經(jīng)成為一種文明的軍備競(jìng)賽，美國(guó)、日本和中國(guó)，在這里競(jìng)相發(fā)力。這些超算中心的超級(jí)算力所要解決的問(wèn)題，就是通過(guò)仿真問(wèn)題，通過(guò)仿真軟件來(lái)計(jì)算核爆炸、天氣預(yù)測(cè)等多元參數(shù)、無(wú)限放大的復(fù)雜事件。

　　跟Windows時(shí)代的算力不同，云計(jì)算和超算中心看上去又重新回到了工作站時(shí)代的集中式。只不過(guò)這一次增加了一個(gè)分布式的桌面端。從表現(xiàn)形式來(lái)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(yīng)用;而第三代算力，就軟件應(yīng)用而言，它回到了集中式的算力，但同時(shí)加上了分布式的桌面甚至手機(jī)應(yīng)用，后者最常見(jiàn)的形式就是APP應(yīng)用小程序。

　　算力平民化，門檻進(jìn)一步降低。那么仿真軟件呢?不出意外，也正在迎來(lái)了一個(gè)全新的春天。

　　手忙腳亂的仿真軟件

　　在上個(gè)世紀(jì)八九十年代PC機(jī)的崛起，形成了對(duì)既有軟件的大洗牌。這個(gè)過(guò)程中，許多一流的設(shè)計(jì)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?yàn)樗鼈兊募夹g(shù)落伍，未能在工作站向PC轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，被技術(shù)離心力甩出賽道。它們死在兩次暴風(fēng)雨的切換之間。但很多CAE廠商卻頑強(qiáng)活下來(lái)了。它們有些品牌在更晚些的時(shí)候消逝在市場(chǎng)，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(guò)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(shí)代不能兼容它們，是因?yàn)樯虡I(yè)原因而非技術(shù)原因，但畢竟它們還是擠進(jìn)了新的時(shí)代。某種意義而言，CAE廠商表現(xiàn)出來(lái)的韌性，是因?yàn)镃AE表現(xiàn)了更強(qiáng)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(chǎng)，只計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)，或者只計(jì)算電磁。而要做出復(fù)雜的仿真結(jié)果，就需要對(duì)著多種物理場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。仿真工程師需要熟悉這些不同的物理場(chǎng)，和不同的軟件界面。

　　對(duì)于一個(gè)企業(yè)而言，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員與仿真工程師往往是兩撥人。而且仿真工程師要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于設(shè)計(jì)師。設(shè)計(jì)師往往只需要一種軟件就可以完成全部任務(wù);但仿真工程師則需要在計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算熱學(xué)、計(jì)算電磁學(xué)等不同的仿真軟件之間，進(jìn)行來(lái)回切換。就像在水力站轉(zhuǎn)動(dòng)閥門的操作工，眼前十幾個(gè)閥門，轉(zhuǎn)動(dòng)方式各不相同。既然每個(gè)閥門都需要不同的方言口令，手忙腳亂自然是最常見(jiàn)的事情。

　　然而，仿真工程師的難點(diǎn)，還不在于忙于打開(kāi)各種奇怪的閥門，通曉每種軟件的語(yǔ)言，更重要的是還要對(duì)自己的行業(yè)知識(shí)有足夠的了解。他需要將工程任務(wù)中的行業(yè)Know-how跟建模語(yǔ)言，連接在一起。這需要相當(dāng)深厚的功力。

　　仿真軟件，再次展現(xiàn)了它拒人門外的知識(shí)高冷型軟件。從極端來(lái)說(shuō)，它只是一個(gè)高級(jí)的科學(xué)計(jì)算器，它與行業(yè)無(wú)關(guān)。這也展示了工業(yè)軟件盈利的最高級(jí)的一種模式，那就是只做通用計(jì)算平臺(tái)和建模語(yǔ)言，封裝數(shù)學(xué)模型;至于面向行業(yè)的不同瑣碎的場(chǎng)景，則需要由仿真工程師自行完成。

　　這個(gè)門檻自然很高。

　　于是會(huì)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(shuō)，如果按照單學(xué)科CAE(只解決力學(xué)、熱、電、磁、光等任何一個(gè)單一物理場(chǎng))的方向進(jìn)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(guò)深挖技術(shù)壕溝、并購(gòu)多個(gè)不同物理場(chǎng)的軟件，形成了一個(gè)平臺(tái)化的解決方案。

　　于是，后發(fā)者采用了另外一種思路，避開(kāi)單學(xué)科對(duì)巨人進(jìn)行挑戰(zhàn)，而是從工程應(yīng)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(lái)自瑞典斯德哥爾摩的COMSOL仿真軟件，做了工程應(yīng)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(xué)方程。而COMSOL起源于MATLAB的Toolbox。COMSOL主打工程模塊，而不是學(xué)科。1986年公司成立，隨后發(fā)布了FEMLAB，這是它的第一個(gè)工程應(yīng)用模塊：結(jié)構(gòu)力學(xué)?？吹竭@個(gè)名字，就可以看出它簡(jiǎn)直就是MatLab的寄生品。當(dāng)然，因?yàn)楣偎炯m紛，后來(lái)COMSOL也重寫代碼，斬?cái)嗔烁鶰atlab的聯(lián)系。兩年后發(fā)布了電磁學(xué)模塊，并隨后發(fā)布了化學(xué)、傳熱等模塊。2005年，產(chǎn)品名稱更改為COMSOL Multiphysics——可以說(shuō)這個(gè)名字直到它成立10年之后，才真正形成了多物理場(chǎng)的概念。隨后，各種工程模塊不斷增加。如果記錄這個(gè)日益增長(zhǎng)的清單，似乎是一個(gè)無(wú)聊的流水賬。然而將這些工程應(yīng)用模塊看成是一面面移動(dòng)的插旗，那么插旗背后則象征著不斷崛起的市場(chǎng)，例如它在2020年開(kāi)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(gè)多物理場(chǎng)平臺(tái)作為基礎(chǔ)底座，COMSOL的上部就像是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的插頭口，新的行業(yè)市場(chǎng)不斷被加插進(jìn)來(lái)。追逐熱點(diǎn)行業(yè)，它就像向陽(yáng)花一樣，伸向不同的方向。

　　COMSOL的成功得益于三點(diǎn)，其一是基礎(chǔ)平臺(tái)植根于數(shù)學(xué)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(qiáng)大。其次COMSOL為工程問(wèn)題提供易于使用的軟件解決方案。產(chǎn)品庫(kù)中的所有產(chǎn)品模塊，都是標(biāo)準(zhǔn)化的界面。無(wú)論是電子、機(jī)械、化工等工程領(lǐng)域，或者是傳熱、流體等特定物理現(xiàn)象，都使用了同一個(gè)軟件界面，而操作流程也都一樣。這對(duì)于那些收購(gòu)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(duì)收購(gòu)的軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)打通、界面更換等工作，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，用戶不得不反復(fù)切換閥門。更重要的是，COMSOL主打工程模塊，很多行業(yè)知識(shí)封裝在其中，包括電化學(xué)、等離子體等幾十款應(yīng)用模塊——很多模塊往往是經(jīng)典CAE軟件作為通用軟件平臺(tái)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(wù)有了行業(yè)屬性的護(hù)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(lái)

　　仿真軟件的應(yīng)用，在不斷簡(jiǎn)化。仿真軟件的第一波浪潮，專用性很強(qiáng)，底層特性很強(qiáng)。它往往都是面向單一學(xué)科的通用仿真軟件，如流體、電磁、熱、結(jié)構(gòu)等都是各自分離。用戶需要分別購(gòu)買不同款的學(xué)科軟件。第二波軟件則更加專注于行業(yè)。以COMSOL的工程應(yīng)用模塊為典型代表，它底層構(gòu)建了多物理場(chǎng)，并且跟行業(yè)相結(jié)合，使得應(yīng)用工程師可以輕松面對(duì)自己的行業(yè)進(jìn)行仿真開(kāi)發(fā)。

　　但這也并非終點(diǎn)。更加簡(jiǎn)化的CAE軟件，繼續(xù)來(lái)到。它們更加專注一個(gè)行業(yè)，專門為一個(gè)行業(yè)進(jìn)行仿真。最為典型的是在1998年成立的MotorCAD，它只瞄準(zhǔn)先進(jìn)電機(jī)的開(kāi)發(fā)，提供了電磁、熱、機(jī)械和電機(jī)效率與性能優(yōu)化這四個(gè)最關(guān)鍵的功能模塊。

　　好用啊，它可以實(shí)現(xiàn)全扭矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的多物理仿真設(shè)計(jì)。于是，它在電機(jī)行業(yè)一統(tǒng)天下就不足為奇，全球主要的電機(jī)生產(chǎn)商、科研機(jī)構(gòu)都在使用。而如果采用經(jīng)典的仿真軟件，由于過(guò)于聚焦通用性，大量的功能其實(shí)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(jī)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(huì)是什么?那就是直接面向設(shè)備，甚至面向設(shè)備的零件。例如，可以面向某一款電機(jī)，只做無(wú)刷電機(jī)或直流電機(jī)，這意味著更小巧的APP將被開(kāi)發(fā)出來(lái)，直接面向個(gè)性化的設(shè)備。如果說(shuō)，COMSOL代表了以多物理場(chǎng)為底層的功能模塊的崛起，那么MotorCAD則是在功能模塊的基礎(chǔ)上直接面向垂直行業(yè)。而在此基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建更多的個(gè)性化場(chǎng)景應(yīng)用APP，面向特定的設(shè)備，也就順理成章了。

　　第三波CAE軟件，正在呈現(xiàn)新的輪廓。

　　圖 仿真平民化的演化

　　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(kāi)發(fā)器”，并發(fā)布了服務(wù)器，支持APP分發(fā)，讓各地不同的用戶都可以在它的服務(wù)器上，運(yùn)行這些專業(yè)應(yīng)用程序。最讓工程師開(kāi)心的是，APP開(kāi)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(shí)代定下基調(diào)，發(fā)布了編譯器。用戶可以自行將在母平臺(tái)所開(kāi)發(fā)的程序，轉(zhuǎn)換為獨(dú)立運(yùn)行的仿真APP。運(yùn)行時(shí)候，則無(wú)需安裝COMSOL軟件。事情變得越來(lái)越簡(jiǎn)化。

　　COMSOL的商業(yè)邏輯，就是面向?qū)I(yè)細(xì)分領(lǐng)域，包括三十多個(gè)工程應(yīng)用功能模塊，而不是通用軟件，在中國(guó)的市場(chǎng)乘風(fēng)破浪。用戶已經(jīng)在此基礎(chǔ)上，建立了1000多個(gè)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(guó)內(nèi)，北京云道智造也是避開(kāi)經(jīng)典CAE的通用軟件路線，而是在自己底層的多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)之上，建立廣泛的工程應(yīng)用模塊和APP應(yīng)用程序，為正在崛起的中國(guó)制造提供一個(gè)更低門檻的使用機(jī)會(huì)。

　　如果說(shuō)第一代ANSYS、Nastran所代表的軟件使用難度用高度來(lái)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(yīng)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(yīng)用，將使得它位于第10層的位置。越來(lái)越向地氣靠攏了，人們抬頭可見(jiàn)。

　　隨著超算和云計(jì)算能力的普及，更加便利的方式在出現(xiàn)。如果能將開(kāi)發(fā)平臺(tái)也面向行業(yè)用戶開(kāi)發(fā)，讓用戶自己開(kāi)發(fā)APP，那么這些應(yīng)用將會(huì)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(jìn)的云化方式，下沉到這個(gè)位置，將多物理場(chǎng)的仿真平臺(tái)開(kāi)放出來(lái)，并且聯(lián)合開(kāi)發(fā)或者由第三方進(jìn)行工程模塊和APP開(kāi)發(fā)。云道基于通用底層平臺(tái)開(kāi)發(fā)了電子散熱仿真軟件Simetherm，已實(shí)現(xiàn)對(duì)主流商業(yè)軟件Flotherm、ICEPAK的部分替代;上海一家專門做航空復(fù)合材料輕量化的專業(yè)咨詢公司，就是直接調(diào)用這個(gè)底層平臺(tái)，開(kāi)發(fā)行業(yè)模塊，面向國(guó)內(nèi)的飛機(jī)工廠。以前分布在不同人手里的知識(shí)，正在一個(gè)個(gè)像攤裂開(kāi)來(lái)的湯圓，各種芝麻餡、五仁餡都四散開(kāi)來(lái)，混在一起。更加平民化的仿真，從來(lái)沒(méi)有如此靠近過(guò)大眾人群。

　　小記：一代算力，一代仿真

　　工業(yè)軟件的市場(chǎng)，從全球格局看，就像是一個(gè)發(fā)育成熟的成人，進(jìn)入了一個(gè)高度穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。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(diǎn)菜”的方式，通過(guò)并購(gòu)將各種具備創(chuàng)新的初創(chuàng)公司吞食。但在中國(guó)市場(chǎng)則不同，它似乎剛剛開(kāi)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(gè)極具策略的考量。采用軟件即服務(wù)的SaaS化，是其中的一條路線。國(guó)內(nèi)的上海數(shù)巧、北京藍(lán)威和德國(guó)的SimScale都在采用這種路線。同一陣營(yíng)的SaaS的仿真軟件OnScale僅僅成立五年，就在今年被ANSYS收購(gòu)，意味著這條云化的方向已經(jīng)得到了老牌仿真廠商的認(rèn)可。而云道除了也在走SaaS化的路線之外，進(jìn)一步推出了工程應(yīng)用模塊與APP聯(lián)動(dòng)的方式，采用“平臺(tái)即服務(wù)”的PaaS化，緊密地跟行業(yè)應(yīng)用結(jié)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(guó)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(chǎng)景需求，國(guó)外仿真軟件也并無(wú)成熟的工程模塊。如果能夠進(jìn)一步降低使用門檻，國(guó)產(chǎn)CAE軟件正可以大展身手。

　　2015年在國(guó)際工程建模、分析和仿真社區(qū)協(xié)會(huì)NAFEMS的研討會(huì)上，業(yè)內(nèi)專家提出了仿真大眾化、民主化的議題，成為國(guó)際上倡導(dǎo)“普惠仿真”的先聲?；诔?云計(jì)算與專業(yè)化仿真APP的廣泛應(yīng)用，將引發(fā)仿真技術(shù)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。