高性能計(jì)算之六-高性能計(jì)算在工業(yè)研發(fā)計(jì)算中的發(fā)展

伴隨中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級進(jìn)程加速，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過程中正在大量使用計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、工程分析仿真驗(yàn)證（CAE）、電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）為代表的CAX研發(fā)軟件已經(jīng)成為先進(jìn)制造業(yè)及相關(guān)科研院所、設(shè)計(jì)單位不可或缺的重要研發(fā)工具。

在利用這些研發(fā)工具軟件的過程中，企業(yè)不可避免的會遭遇硬件匹配、數(shù)據(jù)存儲乃至管理機(jī)制的問題與挑戰(zhàn)，我們可以從軟件、硬件以及計(jì)算模式演變的角度逐一剖析工業(yè)研發(fā)計(jì)算的發(fā)展特點(diǎn)。

工業(yè)研發(fā)計(jì)算軟件種類繁雜，比較具有影響力并有較為廣闊應(yīng)用領(lǐng)域的主要有CAD、CAE、EDA等等，我們可以將其統(tǒng)稱為CAX研發(fā)軟件，以下篇幅簡短描述一下這些軟件的主要特點(diǎn)以及代表廠商：

CAD

CAD是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，運(yùn)用自身的知識和經(jīng)驗(yàn)，對產(chǎn)品或工程進(jìn)行方案構(gòu)思、總體設(shè)計(jì)、工程分析、圖形編輯和技術(shù)文檔整理等設(shè)計(jì)活動的總稱，是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用的新技術(shù)。CAD采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)人員完成設(shè)計(jì)的全過程，將計(jì)算機(jī)的海量數(shù)據(jù)存儲和高速數(shù)據(jù)處理能力與人的創(chuàng)造性思維和綜合分析能力有機(jī)結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自所長，使設(shè)計(jì)人員擺脫繁重的計(jì)算和繪圖工作，從而達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。CAD對加速工程和產(chǎn)品的開發(fā)、縮短設(shè)計(jì)制造周期、提高質(zhì)量、降低成本、增強(qiáng)企業(yè)創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用。

常用的國外CAD軟件有Autodesk公司的AutoCAD、Inventor，Dassault公司的Catia、Solidworks，Siemens公司的UG、Solidedge，PTC公司的Creo（Pro/ENGINEER的升級版本）等等；國內(nèi)CAD軟件有數(shù)碼大方CAXA，中望CAD/3D，開目CAD等等。

由于廣義CAD的目標(biāo)領(lǐng)域是CAD/CAE/CAPP/CAM的高度集成，因此CAD軟件公司不約而同的將產(chǎn)品線延展至PDM/PLM領(lǐng)域，寄望于利用流程系統(tǒng)約束、管理乃至協(xié)同相關(guān)軟件工具及數(shù)據(jù)，但是不同的軟件廠商的CAD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)始終存在不兼容的情況，差異系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)級耦合較難實(shí)現(xiàn)。

CAE

CAE（Computer Aided Engineering）是指工程設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算、分析仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。CAE是從CAD中分支出來的，起步稍晚，其理論和算法經(jīng)歷了從蓬勃發(fā)展到日趨成熟的過程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAE系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化中必不可少的數(shù)值計(jì)算工具；CAE技術(shù)和CAD技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員如能將CAD與CAE技術(shù)良好融合，就可以實(shí)現(xiàn)互動設(shè)計(jì)，從而保證企業(yè)從生產(chǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上達(dá)到最優(yōu)效益。分析是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)與分析集成是必然趨勢。

目前CAE技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、機(jī)械制造、汽車制造等各個工業(yè)領(lǐng)域。CAE技術(shù)作為設(shè)計(jì)人員提高工程創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新能力的得力助手和有效工具，能夠?qū)?chuàng)新的設(shè)計(jì)方案快速實(shí)施性能與可靠性分析；進(jìn)行虛擬運(yùn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)；在創(chuàng)新的同時，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。

比較著名的CAE軟件有MSC公司的Nastran、Marc，Ansys公司的ANSYS、FLUENT、ANSOFT，Dassault公司的SIMULIA，Siemens公司的NX.Nastran、LMS、STAR-CCM+等，國外廠商占據(jù)了主流地位，近年來出現(xiàn)了CAD軟件廠商全盤收購CAE軟件的熱潮，同時也驗(yàn)證了廣義CAD的發(fā)展趨勢。

我國國內(nèi)CAE軟件基礎(chǔ)薄弱，未能出現(xiàn)具有較大影響力的CAE軟件公司，但是中科院數(shù)學(xué)所的FEPG、吉林大學(xué)的KMAS、大連理工大學(xué)的JIFEX都在力求成為中國自主可控的CAE軟件；此外，國內(nèi)也有部分商業(yè)公司正在基于CalculiX、OpenFOAM等開源軟件探索CAE在線分析服務(wù)模式創(chuàng)新；還有以北京市計(jì)算中心為代表的研究機(jī)構(gòu)基于商用CAE求解器內(nèi)核提供簡易化、模板化的行業(yè)CAE分析服務(wù)，對于中小型企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新具有投資小、見效快的明顯價(jià)值。

EDA

EDA是電子設(shè)計(jì)自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，在20世紀(jì)60年代中期從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來的。

EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言VHDL完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可操作性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動強(qiáng)度。

EDA工具軟件按照應(yīng)用場景可以分為電子電路設(shè)計(jì)與仿真工具、PCB設(shè)計(jì)軟件、IC設(shè)計(jì)軟件、PLD設(shè)計(jì)工具等：電子電路設(shè)計(jì)與仿真工具包括SPICE/PSPICE、multiSIM7、Matlab、SystemView、MMICAD LiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark等等，PCB設(shè)計(jì)軟件包括Protel、Altium Designer、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、Expedition PCB、Zuken CadStart等等，IC設(shè)計(jì)軟件主要源自Cadence、Mentor Graphics和Synopsys 三家公司，PLD設(shè)計(jì)軟件廠商主要有ALTERA、XILINX、Altium等等，……

目前國產(chǎn)EDA軟件的研發(fā)廠商較少，華大九天、青越軟件等企業(yè)正在進(jìn)行一些非常有價(jià)值的探索與嘗試。

我們細(xì)究這些CAX研發(fā)軟件的特點(diǎn)，至少可以發(fā)現(xiàn)以下共性特征：

1） 授權(quán)單價(jià)昂貴

大多數(shù)CAX軟件支持局域網(wǎng)浮動許可的方式進(jìn)行用戶或者并發(fā)數(shù)授權(quán)，單價(jià)較為昂貴，很少有國內(nèi)企業(yè)用戶有資金實(shí)力進(jìn)行軟件充足購置；

2） 硬件要求苛刻

工業(yè)研發(fā)軟件對于硬件的需求主要體現(xiàn)在CPU運(yùn)算處理能力、顯卡實(shí)時渲染能力、內(nèi)存高速緩存能力、存儲海量儲存能力，這些性能需求對比常用辦公軟件具有較大的差異性，因此國內(nèi)企業(yè)的IT部門對于CAX軟件匹配建設(shè)要求普遍感到頭疼；

3） 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)

CAX軟件產(chǎn)生大量的圖像、網(wǎng)格、文檔等文件，難以利用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行歸檔管理，這些海量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲、檢索、分發(fā)、回收等管理需求始終是行業(yè)焦點(diǎn)；

4） 單機(jī)交互模式

得益于PC的普及應(yīng)用，CAX軟件才逐漸占據(jù)研發(fā)設(shè)計(jì)人員的桌面，工程師已經(jīng)習(xí)慣于PC交互體驗(yàn)，但是PC的性能落后、數(shù)據(jù)的分散生產(chǎn)及安全控制逐漸成為工作瓶頸，應(yīng)用與管理方面的矛盾逐漸突出顯現(xiàn)。