“神工坊”——高性能计算技术赋能，助力自主工程仿真跨越发展！
华为芯片的断供危机，让更多人关注到了国产自研产品发展的艰难与紧迫。芯片领域之外，工业软件也一直是发生“卡脖子”问题的“重灾区”。今天，我们聚焦工业软件皇冠上最亮的明珠——CAE软件。
CAE（Comouter Aided Engineering），即计算机辅助工程，是广泛应用于工业制造业产品研发设计过程中的一种技术软件。CAE以实体建模为基础，在产品设计阶段开始，通过模拟产品在结构强度、热传导、刚度、运动学等方面的工作状态和表现，为产品功能、性能的可用性和可靠性提供依据，从而实现产品设计的优化。目前CAE已广泛应用于汽车、航空航天、电子装备、国防军工等领域。
以航空行业为例，航空结构分析CAE软件作为航空装备研制过程中不可或缺的工具之一，已经融入到航空装备设计、制造、试验和服役等全生命周期中，应用于结构方案优化、响应分析、工艺仿真、强度评估和修理方案评价等多个应用场景，用于解决装备研制过程中面临的结构完整性问题。
仿真的本质是物理建模与模拟计算，其底层主要的数学方法是控制方程数值离散和求解。基于国产超级计算机，“神工坊”团队开发了一系列数值计算方法库，以超大规模非结构代数求解库UNAP（点击了解详情）为代表。
代数求解库UNAP的组织架构
UNAP根据国产超算异构处理器异构特点，开发了计算/通信混合的迭代算法，根据异构众核处理器浮点计算性能高而带宽受限的特点，通过增加计算比例来降低全局集 合通信代价的计算方法；集成了高可扩展矩阵预处理方法，结合异构众核处理器多级并行的特点和稀疏矩阵迭代解法的需求，初步探索了各种预处理方法在众核异构平台上的并行实现技术。目前UNAP已经在神威·太湖之光上实现了对美国国家实验室Hypre、PETSc等代数求解库的国产替代。
这些自主可控的中间件构成了支撑工业高保真数值模拟的底层支撑，并可以自动实现高保真数值模拟工业应用在“神威·太湖之光”超级计算机上的适配。
该技术与传统手动适配和并行优化技术相比，实现了并行优化和架构适配的自动化，大幅降低研发的难度，缩短研发周期，大大提高工业仿真应用的高性能改造研发的效率和质量，实现自主可控高性能仿真应用的快速开发和高效实现。
“神工坊”产品结构
ConRodSim界面
TankSim界面
WTSim界面
IceSIM界面
近年来，国家陆续出台了多项支持工业软件发展的重大政策，为中国自主工业软件发展营造了良好的政策环境，同时大量新型装备的研制以及工业数字化转型为工业软件发展提供了庞大的需求市场，这些都为自主CAE软件发展带来了前所未有的机遇。“神工坊”团队紧抓机遇，攻坚克难，以实际行动推动国产自主工程仿真计算生态可持续、高质量发展。
参考文献：
[1]王彬文,陈先民,苏运来,等.中国航空工业疲劳与结构完整性研究进展与展望[J].航空学报.2021,42(5):524651.
[2]中国工业技术软件化产业联盟,中国工业软件产业白 皮 书(2020)[EB/0L].(2021-06-09)[2022-05-17].
[3]国家自然科学基金委员会，中国科学院.未来10年中国学科发展战略·力学[M].北京:科学出版社,2012:40-12.
[4]许成伟.张小雯.仿真流程和数据管理方法研究与应用[J].智能制造，2020(4):39-43.
[5]王彬文,段世慧,聂小华,郭瑜超.航空结构分析CAE软件发展现状与未来挑战[J].航空学报,2022,43(06):28-51.
[6]张峰.工业软件——推进智能制造的原动力[J].工程技术(文摘版).建筑,2016(23):36-37.
十四五期间，工业数字化将是工业转型升级的主路线。“神工坊”秉持“算力赋能、协同创新”的理念，争做“先进算力到仿真算能的转换器”、“离散机理和垂直仿真场景的连接器”，助力我国工程仿真技术实现跨越发展，支撑重大装备研制创新和工业设计研发数字化转型。
--神工坊--
撰稿 | 曹凯宁
编辑 | 汪穗铃
审核 | 任虎
