林雪萍：北京聯(lián)訊動(dòng)力咨詢公司總經(jīng)理

屈凱峰：北京云道智造科技公司創(chuàng)始人

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的事情,。軟件,，不過是計(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(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(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)開始,，桌面PC的浪潮來臨了,。兼容機(jī)開始盛行，計(jì)算能力也得以提升,。軟件也開始得以進(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)過程中,，無論是設(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(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(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，市場格局就開始洗牌,。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?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(jì)算核爆炸、天氣預(yù)測等多元參數(shù),、無限放大的復(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,。只不過這一次增加了一個(gè)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(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,，形成了對既有軟件的大洗牌,。這個(gè)過程中，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)活下來了,。它們有些品牌在更晚些的時(shí)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(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，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，就需要對著多種物理場進(jìn)行計(jì)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(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的事情,。

然而,，仿真工程師的難點(diǎn)，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(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,。從極端來說，它只是一個(gè)高級的科學(xué)計(jì)算器,，它與行業(yè)無關(guān),。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(jì)算平臺(tái)和建模語言,，封裝數(shù)學(xué)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(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,，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）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深挖技術(shù)壕溝、并購多個(gè)不同物理場的軟件,，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,，避開單學(xué)科對巨人進(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,，就可以看出它簡直就是MatLab的寄生品。當(dāng)然,，因?yàn)楣偎炯m紛,，后來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——可以說這個(gè)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(gè)日益增長的清單,，似乎是一個(gè)無聊的流水賬,。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,，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(gè)多物理場平臺(tái)作為基礎(chǔ)底座,，COMSOL的上部就像是一個(gè)不斷增長的插頭口,，新的行業(yè)市場不斷被加插進(jìn)來。追逐熱點(diǎn)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(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(biāo)準(zhǔn)化的界面,。無論是電子、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(jìn)行數(shù)據(jù)打通,、界面更換等工作,，在相當(dāng)長時(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

仿真軟件的應(yīng)用，在不斷簡化,。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,，并且跟行業(yè)相結(jié)合,，使得應(yīng)用工程師可以輕松面對自己的行業(yè)進(jìn)行仿真開發(fā)。

但這也并非終點(diǎn)。更加簡化的CAE軟件,，繼續(xù)來到,。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),，只做無刷電機(jī)或直流電機(jī)，這意味著更小巧的APP將被開發(fā)出來,，直接面向個(gè)性化的設(shè)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(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(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(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，在中國的市場乘風(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(tái)之上,，建立廣泛的工程應(yīng)用模塊和APP應(yīng)用程序,，為正在崛起的中國制造提供一個(gè)更低門檻的使用機(jī)會(huì)。

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(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。越來越向地氣靠攏了,，人們抬頭可見,。

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),。如果能將開發(fā)平臺(tái)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(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,，將多物理場的仿真平臺(tái)開放出來,，并且聯(lián)合開發(fā)或者由第三方進(jìn)行工程模塊和APP開發(fā)。云道基于通用底層平臺(tái)開發(fā)了電子散熱仿真軟件Simetherm,，已實(shí)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(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),，開發(fā)行業(yè)模塊，面向國內(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(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(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。國內(nèi)的上海數(shù)巧,、北京藍(lán)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(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(jìn)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(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,。