高性能计算之六-高性能计算在工业研发计算中的发展

 

伴随中国制造业转型升级进程加速，工业产品设计研发过程中正在大量使用计算机辅助创新技术，以计算机辅助设计（CAD）、工程分析仿真验证（CAE）、电子设计自动化（EDA）、计算机辅助工艺设计（CAPP）为代表的CAX研发软件已经成为先进制造业及相关科研院所、设计单位不可或缺的重要研发工具。

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在利用这些研发工具软件的过程中，企业不可避免的会遭遇硬件匹配、数据存储乃至管理机制的问题与挑战，我们可以从软件、硬件以及计算模式演变的角度逐一剖析工业研发计算的发展特点。

工业研发计算软件种类繁杂，比较具有影响力并有较为广阔应用领域的主要有CAD、CAE、EDA等等，我们可以将其统称为CAX研发软件，以下篇幅简短描述一下这些软件的主要特点以及代表厂商：

CAD

CAD是指工程技术人员以计算机为工具，运用自身的知识和经验，对产品或工程进行方案构思、总体设计、工程分析、图形编辑和技术文档整理等设计活动的总称，是一门多学科综合应用的新技术。CAD采用计算机系统辅助设计人员完成设计的全过程，将计算机的海量数据存储和高速数据处理能力与人的创造性思维和综合分析能力有机结合起来，充分发挥各自所长，使设计人员摆脱繁重的计算和绘图工作，从而达到最佳设计效果。CAD对加速工程和产品的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业创新能力发挥着重要作用。

常用的国外CAD软件有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的升级版本）等等；国内CAD软件有数码大方CAXA，中望CAD/3D，开目CAD等等。

由于广义CAD的目标领域是CAD/CAE/CAPP/CAM的高度集成，因此CAD软件公司不约而同的将产品线延展至PDM/PLM领域，寄望于利用流程系统约束、管理乃至协同相关软件工具及数据，但是不同的软件厂商的CAD数据结构始终存在不兼容的情况，差异系统之间的数据级耦合较难实现。

CAE

CAE（Computer Aided Engineering）是指工程设计中的分析计算、分析仿真和结构优化。CAE是从CAD中分支出来的，起步稍晚，其理论和算法经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程。随着计算机技术的不断发展，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为工程和产品结构分析、校核及结构优化中必不可少的数值计算工具；CAE技术和CAD技术的结合越来越紧密，在产品设计中，设计人员如能将CAD与CAE技术良好融合，就可以实现互动设计，从而保证企业从生产设计环节上达到最优效益。分析是设计的基础，设计与分析集成是必然趋势。

目前CAE技术已被广泛应用于国防、航空航天、机械制造、汽车制造等各个工业领域。CAE技术作为设计人员提高工程创新和产品创新能力的得力助手和有效工具，能够对创新的设计方案快速实施性能与可靠性分析；进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计；在创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研发周期。

比较著名的CAE软件有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，国外厂商占据了主流地位，近年来出现了CAD软件厂商全盘收购CAE软件的热潮，同时也验证了广义CAD的发展趋势。

我国国内CAE软件基础薄弱，未能出现具有较大影响力的CAE软件公司，但是中科院数学所的FEPG、吉林大学的KMAS、大连理工大学的JIFEX都在力求成为中国自主可控的CAE软件；此外，国内也有部分商业公司正在基于CalculiX、OpenFOAM等开源软件探索CAE在线分析服务模式创新；还有以北京市计算中心为代表的研究机构基于商用CAE求解器内核提供简易化、模板化的行业CAE分析服务，对于中小型企业的研发创新具有投资小、见效快的明显价值。

EDA

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。

EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。

EDA工具软件按照应用场景可以分为电子电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具等：电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE、multiSIM7、Matlab、SystemView、MMICAD LiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark等等，PCB设计软件包括Protel、Altium Designer、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、Expedition PCB、Zuken CadStart等等，IC设计软件主要源自Cadence、Mentor Graphics和Synopsys 三家公司，PLD设计软件厂商主要有ALTERA、XILINX、Altium等等，……

目前国产EDA软件的研发厂商较少，华大九天、青越软件等企业正在进行一些非常有价值的探索与尝试。

我们细究这些CAX研发软件的特点，至少可以发现以下共性特征：

1） 授权单价昂贵

大多数CAX软件支持局域网浮动许可的方式进行用户或者并发数授权，单价较为昂贵，很少有国内企业用户有资金实力进行软件充足购置；

2） 硬件要求苛刻

工业研发软件对于硬件的需求主要体现在CPU运算处理能力、显卡实时渲染能力、内存高速缓存能力、存储海量储存能力，这些性能需求对比常用办公软件具有较大的差异性，因此国内企业的IT部门对于CAX软件匹配建设要求普遍感到头疼；

3） 非结构化数据

CAX软件产生大量的图像、网格、文档等文件，难以利用传统结构化数据库技术进行归档管理，这些海量的非结构化数据的存储、检索、分发、回收等管理需求始终是行业焦点；

4） 单机交互模式

得益于PC的普及应用，CAX软件才逐渐占据研发设计人员的桌面，工程师已经习惯于PC交互体验，但是PC的性能落后、数据的分散生产及安全控制逐渐成为工作瓶颈，应用与管理方面的矛盾逐渐突出显现。

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