CAIEC路演 | 秩益科技：新一代計算流體力學工業(yè)軟件及超級計算
2022-09-28
開啟CFD/CAE工業(yè)模擬仿真消費級超級計算新時代！
北京秩益科技有限責任公司
北京秩益科技有限責任公司創(chuàng)設于2021年5月，是全新一代計算流體力學（CFD：Computational Fluid Dynamics）工業(yè)軟件及解決方案供應商，是向工業(yè)模擬仿真提供消費級超級計算能力的高新科技初創(chuàng)企業(yè)。
新一代計算流體力學工業(yè)軟件及超級計算
前后歷經(jīng)十四年研發(fā)，Dimaxer是秩益科技在創(chuàng)新算法求解器和全異步計算架構(gòu)兩個方面實現(xiàn)世界級突破后的重要技術產(chǎn)品與成果；以之為核心的全新一代計算流體力學解決方案使高階、高精度、高置信度的工業(yè)級CFD計算及模擬仿真效能相較于國際主流商業(yè)軟件算力水平直接提升了100至1000倍。這一領先于國際同行的技術使得CFD及CAE領域的消費級超級計算不僅成為可能，還一步跨進了現(xiàn)實。經(jīng)測算，在CFD賽道，秩益科技可以使用當前的商業(yè)硬件，極低的成本直接達到NASA提出的2030工業(yè)模擬仿真高性能計算愿景目標；或者以低于1%的造價，對當前全球最快的超級計算機實現(xiàn)超越，且運行成本僅為后者的2.5%左右。同時，還可以進一步結(jié)合極簡設計芯片，最終推出顛覆整個行業(yè)的消費級超算軟硬件一體化產(chǎn)品。該項目在服務國產(chǎn)“大飛機”、服務“兩機工程”、等航空航天行業(yè)“國之重器”研制和開發(fā)的同時，還可以用在車輛工程、動力工程、海洋工程、環(huán)境工程、芯片和電池散熱、石化、冶金、醫(yī)療等領域。
各位評委好，我叫張揚，是秩益科技的聯(lián)合創(chuàng)始人，今天我要介紹的項目是CFD工業(yè)軟件。CFD工業(yè)軟件之于現(xiàn)代航空制造業(yè)可類比于EDA軟件之于芯片設計，它在航空工業(yè)中有設計仿真之王的稱號。與此同時，CFD軟件的用途除了航空工業(yè)之外，在動力機械、其他軍工國防、汽車與交通、芯片及電子產(chǎn)品散熱、海洋工程和石化冶金等方面都有非常廣泛的應用。深度數(shù)字孿生給CFD軟件提出了更高的要求。目前我們企業(yè)的解決方案在工業(yè)級流場的模擬仿真方面已經(jīng)成為被驗證的數(shù)字孿生行業(yè)應用，但是在具體的多物理場仿真方面，深度數(shù)字孿生依然有更大的市場。團隊方面，盧義博士、劉凱博士和我最早是在清華大學熱能工程系開始合作，之后又在斯坦福、牛津和劍橋分別有訪問學者的經(jīng)歷。經(jīng)過14年的合作和研發(fā)，我們在劍橋大學做博士后之后，開始了創(chuàng)業(yè)。盧義博士擔任公司的CEO，劉凱博士擔任CTO，我擔任執(zhí)行總裁一職。我們公司有兩大技術壁壘，第一，我們在底層算法方面有別于其他CFD軟件，采用的二階精度有限體積或者是格子玻爾茲曼，我們是唯一一家商業(yè)化、高階精度、通量重構(gòu)算法的企業(yè)。我們可以把計算的原始加速比提高到10到100倍。第二，我們也是唯一的CFD商用化平臺當中能夠使用游戲顯卡（即低成本顯卡）GPU進行大規(guī)模并行計算的平臺。2018年，我們在英國劍橋成立了自己的公司，2021年回到國內(nèi)。我們曾經(jīng)在AIAA大會上，當場使用一臺游戲筆記本，基于RTX2080的游戲顯卡，對TCV也就是湍流直接數(shù)字模擬進行了量化對比。我們只用4個GPU小時，一臺游戲筆記本，計算精度就可以達到與劍橋大學團隊和比利時團隊1萬個CPU小時相當?shù)挠嬎憔?。除了這樣學術級別的驗證之外，我們還在大飛機、高超聲速飛行器、無人機、火箭、導彈等高速應用場景進行了標模與風洞實驗數(shù)據(jù)進行了對比。日本的富岳計算機是排名世界第二的超算，我們目前正在搭建的超算中心，在計算流體力學這一專用領域，可以用2400張左右游戲顯卡的計算資源，依托我們的算法達到和超算相當，甚至超過超算的效率。但是我們的造價和運維成本只有不到富岳計算機的1%。目前我們的使用客戶包括了大飛機、航空發(fā)動機、燃氣輪機、商用航天、核電、冶金、以及高校國防軍工項目等方面。我們也取得了一定的商業(yè)成績，今年確定的合同金額是480萬，軟件產(chǎn)品銷售、軟硬件一體機以及項目工程咨詢都涵蓋在內(nèi)。銷售形式包括license、云計算、軟硬件一體機、定制開發(fā)以及工程咨詢服務。我們?nèi)ツ?月份發(fā)布了1.0的版本，今年年底我們將會發(fā)布集成更成熟前處理，也就是網(wǎng)格劃分的第二代產(chǎn)品。我們從最開始創(chuàng)業(yè)就沒有定位在一定要做國產(chǎn)替代性的產(chǎn)品，因為我們最早在英國直接面對的是歐洲Ansys的傳統(tǒng)市場。目前國際上比較流行的6種CFD軟件都被美國控制，國內(nèi)95%的市場被國外公司占據(jù)，有卡脖子的問題存在。通過比較，我們在精度、效率、穩(wěn)定性以及低成本方面都有自己技術上的優(yōu)勢。
首先是飛行器領域。我們在大飛機項目中有DES級別的仿真，在計算時間以及硬件成本方面都有顯著的下降。在高超聲速飛行器以及火箭和導彈等超聲速的運行范圍，我們有非常好的激波捕捉功能，并且具備了網(wǎng)格自適應加密的功能。在機翼的激波抖振方面，可以看到左圖是我們量化對比的結(jié)果，右圖是我們對激波捕捉生成的云圖效果。去年，我們還參與了商飛C919空速管的公開標模競標。當時的要求是在10個工作日給出DES級別精度的解析解，我們是6個參賽單位中唯一一個在10個工作日內(nèi)提供DES精度結(jié)果的單位，并且在10個工作日內(nèi)提供了6個點，平均1.5天計算出一個DES結(jié)果，并且所有的數(shù)據(jù)誤差都在百分之二以內(nèi)，其他的進口軟件在大側(cè)風狀態(tài)下都已經(jīng)嚴重失真了。其次是航空發(fā)動機領域。航空發(fā)動機的CFD模擬面對比較大的挑戰(zhàn)是近喘振點，比如小折合流量的情況下，以及航空發(fā)動機壓氣機內(nèi)部比較復雜的脫體渦，還有角窩的數(shù)值模擬，可以看到圖上綠色的點，我們已經(jīng)非常逼近近喘振點，并且在工作工況以及高流量工況下和實驗結(jié)果都有非常好的吻合。在航空發(fā)動機葉片的尾跡以及激波細節(jié)結(jié)構(gòu)解析方面，我們也和實驗結(jié)果進行了對比，并且取得了非常好的穩(wěn)定性。發(fā)展規(guī)劃方面，我們2021年回到國內(nèi)，完成了天使輪的融資。2022年到2023年，我們最重要的計劃是進一步完成優(yōu)化我們的前處理，因為我們在武漢也有自己專門的前處理開發(fā)團隊，也就是網(wǎng)格生成團隊，形成自己集成化的軟件平臺，更成熟的版本。我們現(xiàn)在進行的是pre-A輪。公司將在第一階段也就是2023年年底達到60人左右的規(guī)模。在2023年到2024年，我們將結(jié)合國產(chǎn)GPU（目前的合作伙伴是摩爾線程）以及國產(chǎn)CPU（目前的合作伙伴是華為鯤鵬系統(tǒng)），在CFD軟件和超算中心，尤其是在私有云搭建的小型計算中心方面，實現(xiàn)軟件和硬件的全部國產(chǎn)化。在2024年之后，我們這一套通用的底層偏微分方程組的求解器可以推廣到電磁仿真、固體力學仿真等其他偏微分方程多物理場模擬的領域，并且我們并不是單獨模塊區(qū)分，而是整個集成的環(huán)境。
評委提問&點評
你們現(xiàn)在這個軟件平臺包括軟件對于算力的要求是什么樣的？我舉個例子，像您用GPU算，如果用像分子動力學比較擅長的Anton 2 超算，這兩種芯片對我們平臺算力包括算法、時間有什么樣的影響嗎？
張揚：我們目前只能夠在CPU加GPU的硬件平臺上進行仿真，并且一張GPU卡在20Tflops單精度浮點計算以上的性能上，要搭配至少8個線程2.2GHz以上的CPU。CPU對數(shù)據(jù)進行打包分組，在GPU上進行重的計算。其他的計算平臺、硬件平臺我們暫時不支持，只支持CPU加GPU的平臺。
張揚：十灃科技、南京天洑這兩家主要是做計算流體。計算流體的公司還有前沿動力、蘇州舜云，但它們用的是粒子群的仿真方法，不是通用的CFD求解器。所以，主要的競爭對手還是十灃科技和南京天洑這兩家。國產(chǎn)開源平臺有空氣動力研究院做的“風雷”。
據(jù)我了解，中航工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)也有做得非常成熟的CFD，你們有沒有了解過或者是和他們做過什么比較嗎？
張揚：據(jù)我們了解，目前也有國內(nèi)院所開發(fā)的仿真平臺，主要針對的方法還是二階精度有限體積或者格子玻爾茲曼。我們目前主要的切入點是二階精度有限體積和格子玻爾茲曼沒有辦法非常好發(fā)揮出優(yōu)勢的領域，比如說DES、LES的高速仿真，GPU的大規(guī)模并行，在氣動、噪聲等領域。如果采用傳統(tǒng)的算法，模擬時間基本上都是以月為單位，我們目前可以幫助消費者(用戶)在采購4節(jié)點8卡GPU硬件的情況下，達到以工作日為單位，產(chǎn)出DES和LES的工業(yè)級仿真結(jié)果。
在國際上，你們有沒有目標的對標軟件？你覺得和它們差距大嗎？
張揚：國際上主要是Ansys公司的FLUENT、CFX、NUMECA、CD-adapco公司的Star-CCM+ 和達索公司的POWERFLOW。
目前我們在通用的底層算法上，速度是比這些公司的產(chǎn)品二階精度有限體積或和格子玻爾茲曼快的。但這些公司主要的優(yōu)勢在于有更廣泛的燃燒、多相模型，以及更好的人機操作界面、圖形圖像處理等。這一方面我覺得需要我們國產(chǎn)軟件公司特別是工業(yè)軟件公司更長時間的積累。
本文根據(jù)嘉賓在【第六屆中國航空創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總決賽】上的發(fā)言整理、刪減。(查看更多完整視頻請掃描二維碼)
