林雪萍：北京联信动力咨询公司总经理理凯峰：北京云道智造科技公司创始人
计算力的3个阶段的计算机辅助工程CAE的理论基础，来源于20世纪40年代的有限元分析法。 1960~1970年，CAE软件还处于探索时期，分析对象主要是航天和核电等大型装备的强度和刚度等。 此时，CAE只能在Unix工作站上运行。 这是一个缺乏计算能力的时代。 为了节约资源，显示器和存储器也往往是两台机器。 巨大的计算机硬件光看体型就让人害怕，一台计算机充满一个房间是很常见的事情。 软件只是计算机硬件的附件。 以大型机为中心诞生的第一代模拟软件包括NASA的Nastran、西屋核电的ANSYS和非线性软件麻省理工学院的ADINA、布朗大学的Abaqus (和ANSYS一样，最初的顾客也是西屋核电工作站作为昂贵的稀缺资源，也是集中计算能力的体现。 人们只能去指定的机房，等待计算的时间。 熟悉方程式的科学家们通过命令行组合来完成特定场景下的模拟分析。 既然软件使用门槛这么高，脖子掌握在硬件厂商手里，其发展动力自然就大大降低了。 软件就像深宫秘笈，拥有优秀技术的少数科学家和优秀技术人员可以通过不为人知的洞口和隧道，接近它。 自IBM于1981年推出第一台真正意义上的个人电脑以来，台式电脑的浪潮随之而来。 兼容机兴起，计算能力也提高了。 软件也开始普及，使用阈值也大幅下降。 在此期间，与大型机紧密捆绑的许多软件被逐一淘汰，独立软件成为焦点。 Windows95操作系统的图形界面可消除所有可能的故障。 在这个过程中，无论是设计CAD软件，还是模仿CAE软件制造商，都忙着改变样子，拥抱着电脑时代。 设计软件AutoCAD成功从Unix系统迁移，Solidworks成为Windows的本机软件。 Ansys仿真软件在诞生14年后，从1984年开始推出了符合英特尔286标准的计算机。 界面使用方便，功能使用方便。 这个凤凰变成朱雀跳进普通房子的最好的例子，不就是非线性模拟软件四大金刚的ADINA吗？ 它于1975年诞生于麻省理工学院，但直到1988年才开始商业化，供更多的工程师使用。 一匹桀骜不驯的马，终于有了很多人，可以控制它了。 目前世界排名第三的澳大利亚，就是在这个时候，随着电脑的普及而诞生的。 世界第一的Ansys成立于1970年，直到1996年经风投公司之手在纳斯达克上市。 工业软件仿佛从宙斯的奥运仙山降落到了民间大厅。 使用门槛降低，资本市场也开始对其有了全新的理解。 一旦其巨大的用户群潜力得到确认，资本的拥抱自然会超过热情。 当一项技术引起时代剧烈波动时，很容易注意到市场结构开始洗牌。 洗牌中既有死亡，也有重生。 一部分企业倒闭了，新面孔也很高兴。 即便像现在的电动车一样，人们会像强大的宝马三大汽车、日本三大汽车一样，全身发抖，但新一代的王者、特斯拉这样的特斯拉、中国的蔚小理等造车新势力，已经像一个在老人身边呼啸的孩子，欢腾地走在前面，东奔西走同样的极光照射在模拟软件的赛道上。 2010年以后，以超计算中心和云计算为代表的廉价、超强计算能力的时代到来了。 计算能力已经成为文明的军备竞赛，美国、日本、中国在这里竞相发力。 这些超算中心超算力需要解决的问题是通过仿真问题，用仿真软件计算核爆炸、天气预测等多变量参数、无限扩大的复杂事件。 与Windows时代的计算能力不同，云计算和超级计算中心看起来正在回归工作站时代的集中化。 但是，这次增加了分散的桌面端。
从表现形式看，第一代计算能力：集中式工作站； 第二代计算能力是分布式桌面APP，第三代计算能力在软件APP方面回到了集中式计算能力，但同时增加了分布式桌面和手机APP。 后者最常见的形式是APP小程序。 谋求平民化，进一步降低门槛。 模拟软件呢？ 意外地，迎来了新的春天。
精致的模拟软件从20世纪80年代到90年代PC机兴起，形成了现有软件的洗牌。 在这个过程中，众多一流的设计CAD软件厂商被洗劫一空，很多厂商退出了——品牌的衰落，是因为他们的技术落后于时代，工作站在向PC过渡的过程中，由于技术的离心力无法摆脱赛道。 他们死于两次风暴切换之间。 但是，许多CAE制造商顽强地活了下来。 这些品牌中的一些由于与CAD制造商不同的原因，更晚消失在市场上。 这些并没有在第一代计算能力向第二代计算能力转移的过程中过时，而是在最近的二十年里由于商业模式的变迁而消失了。 更大的鱼吃了。 新时代不兼容，不是技术原因而是商业原因，但还是挤进了新时代。 从某种意义上说，CAE制造商之所以表现出坚韧，是因为CAE表现出了更强的专业性。 其使用门槛还太高。 仿真软件一般为单物理场，只计算结构力学，只计算电磁。 要得到复杂的模拟结果，需要对多种物理场进行计算。 模拟工程师需要熟悉这些不同的物理场和不同的软件接口。 对一个企业来说，产品的设计者和模拟工程师往往是两个人。 模拟工程师远远少于设计师。 在很多情况下，设计师可以用一个软件完成所有的任务，但是模拟工程师需要在计算结构力学、计算热学、计算电磁学等不同的模拟软件之间来回切换。 就像水电站里操作阀门的工人一样，眼前的十几个阀门各自的旋转方式不同。 每个阀门都需要不同的方言密码，所以忙不过来自然是最常见的事情。 但模拟工程师的难点不在于忙于打开各种奇怪的阀门，通晓所有软件语言，更重要的是充分了解自己的行业知识。 他需要把工程任务中的行业Know-how和建模语言连接起来。 这需要相当深厚的功绩。 模拟软件再次展示了拒绝人的知识高冷型软件。 极端地说，是高级科学计算机，与行业无关。 它展示了工业软件盈利的最高模式——只做通用计算平台和建模语言，封装数学模型。针对行业的各种细微场景，模拟工程师必须自己动手。 这个阈值当然很高。 于是，一个全新的陌生客人，试图改变模拟软件难以使用的特性。
如果巨人足迹之间的间隙向单学科CAE (只解决力学、热、电、磁、光等任意一个单一物理场)的方向突围，可以说道路几乎被垄断的寡头封闭。 大型仿真软件已经通过挖掘技术战壕、收购多个不同物理场的软件，形成了一个平台化的解决方案。 于是，后发制人采用了另一种思路，从工程应用的角度出发，在看似坚固的大铁门上形成了缝隙，而不是回避单一学科去挑战巨人。 瑞典斯德哥尔摩的COMSOL仿真软件进行了工程应用仿真模块的尝试。 本质上，有限元分析、工程模拟的本质，都是在计算数学方程式。 COMSOL是从MATLAB的工具箱开始的。 COMSOL以工程模块为主，而不是学科。 公司于1986年成立，之后发表了FEMLAB。 这是第一个工程APP应用模块——结构力学。 一看这个名字，就知道简直是MatLab的寄生物。 当然，由于诉讼纠纷，后来COMSOL也重写了代码，切断了与Matlab的联系。 两年后发表了电磁学模块，随后发表了化学、传热等模块。 2005年，产品更名为COMSOL Multiphysics——，这一更名直到成立10年后，才真正形成了多物理场的概念。 此后，各种工程模块不断增加。 记录下这一日益增加的清单，就像一个无聊的账本。 但是，如果把这些APP应用模块看成是单向工作的插队，插队背后就象征着不断崛起的市场。 例如，2020年开发的燃料电池和电解槽板块应对着缓慢上升的氢燃料产业。 有多个物理现场平台作为基础，COMSOL的顶部就像不断增加的插头端口，不断插入新的行业市场。 追赶热点行业，它就像一朵阳光，向不同的方向延伸。 COMSOL的成功来自三点，其中之一是基础平台根植于数学物理理论。 从最底层的理论出发，自然表现出了求解优秀方程式的能力，其偏微分方程PDE模块非常强大。 接下来，COMSOL为工程问题提供了易于使用的软件解决方案。 产品库中的所有产品模块都是标准化的界面。 无论是电子、机械、化工等工程领域，还是传热、流体等特定物理现象，都使用相同的软件界面，操作流程也相同。 这为收购了大量软件的大型CAE公司提供了另一种选择。 大型CAE公司必须对收购的软件进行数据贯通、接口交换等工作，在相当长的时间内用户必须反复切换阀门。 更重要的是，COMSOL以工程模块为中心，封装了很多行业知识，包括电化学、等离子体等几十种APP应用模块——在内的许多模块，都是由经典的CAE软件通用的软件这些具有行业属性的工程模块，让工程师松下一口气，他们的仿真任务有行业属性的护栏，这是一个更容易使用的工具。 为行业定制了特殊的工具。 仿真软件的新突破，需要仔细研究龙足迹留下的缝隙。
第三波试图模拟软件的应用，不断简化。 仿真软件第一波，专用性强，基础特性强。 大多是面向流体、电磁、热、结构等单一学科的通用仿真软件。 用户需要分别购买不同学科的软件。 第二波软件集中在行业。 以COMSOL的工程APP应用模块为代表，在此基础上构建了多个物理场，并与行业相结合，使APP应用工程师可以轻松面对自己的行业进行仿真开发。 但这也不是终点。 更简单的CAE软件，继续来。 集中在一个行业，专门针对一个行业进行模拟。 最典型的是成立于1998年的MotorCAD，它只瞄准先进的电机开发，提供电磁、热、机械和电机效率和性能优化四个最重要的功能模块。 啊，它可以实现全转矩转速范围内的多物理仿真设计。 因此，在电机行业统一世界并不奇怪，世界主要的电机制造商、科研机构都在使用。 采用经典的仿真软件，由于过于聚焦通用性，很多功能实际上是不需要的。 MotorCAD的所有模块都将被吸取和榨取。 那是为马达而生的。 既然面向行业的专用软件已经被证明是可行的，那么下一步，更小的粒度在哪里，更低的阈值又是什么呢？ 那是直接面向设备，甚至是面向设备的零件。 例如，可以面向某个电机，只制造无刷电机和直流电机。 这意味着将开发更小的APP，直接面向个性化设备。 如果说COMSOL代表了基于多物理场的功能模块的兴起，那么MotorCAD基于功能模块直接面向垂直行业。 在此基础上，可以建立更多的个性化场景APP，针对特定设备也是合情合理的。 第三波CAE软件，呈新轮廓。
图模拟平民化的演变
COMSOL已经闻到了这个气味，它把自己的软件变成了更“APP碎片”。 2014年发布的版本包括“APP开发人员”，该版本发布了支持APP分发的服务器，以便各地的不同用户可以在这些服务器上执行这些专业的APP演示。 让工程师最高兴的是，APP开发器包括完全图形化的编程功能，用户可以自由地创建APP。 到了2018年，COMSOL终于为互联网时代定下了基调，发行了编译器。 用户可以将自己在父平台开发的程序转换为独立运行的仿真APP。 在运行时不需要安装COMSOL软件。 事情越来越简化了。 COMSOL的商业逻辑是在中国市场上随波逐流，面向包含30多个工程APP和应用功能模块的专业领域，而不是通用软件。 用户已经在此基础上建立了1000多个APP案例。 在被ANSYS、Altair、MSC包围的阴影下，COMSOL找到了属于自己的地盘。 在国内，北京云道智造也避开了经典的CAE通用软件路线，在自身基础的多物理场仿真平台上，建立了广泛的APP应用模块和app APP应用，为正在崛起的中国制造提供了更低的使用门槛以第一代ANSYS、Nastran为代表的软件的使用难度，如果用高度来比喻的话，就像是上海中心大厦的最高层127层。 从这里看，COMSOL的工程APP模块距离地面只有20层楼高。 现在，COMSOL和云的app APP应用程序位于第10层。 越来越接近朴素，人们在仰望。 随着超级计算和云计算的普及，出现了更方便的方法。 如果开发平台也面向行业用户开发，用户可以自己开发APP，这些APP软件就会出现在一楼的位置，触手可及。 云采用了更为激进的云化方式，下沉至此，开放多物理场仿真平台，进行协同开发或者第三方工程模块和APP开发。 云基于通用基础平台开发电子热模拟软件Simetherm，实现了部分主流商业软件Flotherm、ICEPAK的替代； 上海一家专门从事航空复合材料轻量化的专业咨询公司直接调用该基础平台，开发行业模块，面向国内飞机工厂。 以前分布在不同人手里的知识，就像一碗碗碗碎汤，各种芝麻馅、五仁馅错落有致。 在更平民的模拟中，从未如此接近大众。
(世代计算能力、世代模拟产业软件的市场，从世界格局来看，像成熟的大人一样，进入了高度稳定的格局。 这种稳定是由垄断决定的，他们几乎可以采取“闭目点菜”的方式，通过并购来吞并创新型初创企业。 但在中国市场却不一样，似乎才刚刚开始展现出少年筋骨的舒展。 CAE软件如何选择突破的方向是一个非常战略的考虑因素。 采用软件作为服务的SaaS化是其路线之一。 国内的上海数巧、北京蓝威、德国的SimScale都采用了这条路线。 同一阵营的SaaS的模拟软件OnScale成立仅5年，今年就被ANSYS收购了。 这意味着这个云化方向得到了老字号仿真厂商的认可。 云除了走SaaS化路线外，还推出了APP应用模块与APP联动的方式，采用“平台即服务”的PaaS化，与行业APP应用紧密结合。 这大大降低了使用者的门槛，使平民化模拟成为可能。 瑞典的COMSOL证明了这种可能性。 中国目前锂电池、碳化硅等许多新兴行业提出了新的场景需求，国外的模拟软件也没有成熟的工控模块。 如果能进一步降低使用门槛，国产CAE软件就能大显身手。 2015年，在国际工程建模、分析、模拟社区协会NAFEMS研讨会上，业内专家提出模拟大众化、民主化的议题，成为国际上倡导“泛在模拟”的第一声基于超计算/云计算和专业化仿真APP的广泛应用，将引发仿真技术的一般化革命。 在第三次计算力的波浪力下，第三代模拟软件也许也能随之跳跃。 这次，计算力普及，模拟普适性。
