當工(gong)業軟(ruan)件(jian)化身(shen)別國手中的制(zhi)裁(cai)大棒時，國產工(gong)業軟(ruan)件(jian)亟需打響一場“突圍戰”。在突圍的背后，除了扎實的基礎(chu)學科知識積累、市(shi)場用戶的驗證、軟(ruan)件(jian)本身(shen)產品(pin)力比拼外，還有不可(ke)忽(hu)視的隱(yin)藏致勝要(yao)素(su)——算力。
在傳統工(gong)業(ye)領域，大量(liang)的(de)研(yan)發制造經(jing)驗通(tong)常存在資深人(ren)員的(de)腦袋里，通(tong)過“老師(shi)傅帶徒弟”的(de)方式來進行傳承。而工(gong)業(ye)軟(ruan)(ruan)件(jian)的(de)價值(zhi)，則體現在把這些(xie)珍(zhen)貴的(de)經(jing)驗轉變成數據和(he)算(suan)法，然后固化在軟(ruan)(ruan)件(jian)中。
曾經，工業(ye)軟件是如(ru)同“掃地僧”般(ban)的(de)存在。一方面(mian)，“他(ta)”非常低(di)調，普羅大眾幾乎(hu)不會對其給(gei)予特別的(de)關注；另(ling)一方面(mian)，“他(ta)”實力(li)強大，以人(ren)類基礎學(xue)科和(he)工程知識(shi)集大成者的(de)身份撐起了整個(ge)工業(ye)體系。
然而，近年來接連不斷的國際制裁，卻讓國產工業軟件暴露于聚光燈下，站上了風口浪尖。CAD、CAE和EDA是工業軟件賽道中最難翻越的三座大山，當前，國產產品在其中的表現可謂不容樂觀。
數據最能說明現狀的嚴峻性：EDA軟件是芯片研發(fa)過程中不(bu)可或缺(que)的關鍵設計工具，被業內稱為“芯片之母”，而美(mei)國(guo)Synopsys、美(mei)國(guo)Cadence和(he)德國(guo)Siemens EDA三巨頭卻占據了國(guo)內將近90%的市場(chang)，相比之下國(guo)產EDA廠商的份額只(zhi)有可憐的11.5%。
研(yan)發設(she)計類軟件(jian)CAD的(de)情況甚至更加糟糕(gao)，綜合多家研(yan)究(jiu)機構的(de)數據——法國(guo)達(da)索、德(de)(de)國(guo)西門子(zi)、美國(guo)PTC以及美國(guo)Autodesk在我國(guo)市(shi)(shi)場(chang)占有率高達(da)90%以上(shang)，國(guo)內數碼大(da)方、中望軟件(jian)、山大(da)華天(tian)等只占不到10%的(de)市(shi)(shi)場(chang)。和CAD關(guan)系緊密的(de)仿真CAE軟件(jian)幾乎面臨著(zhu)相同的(de)局面，全球(qiu)CAE市(shi)(shi)場(chang)基(ji)本被德(de)(de)國(guo)西門子(zi)、美國(guo)Ansys和法國(guo)達(da)索前三大(da)供應商所(suo)主導，中國(guo)CAE市(shi)(shi)場(chang)國(guo)產化率不足5%。
當工業軟件化身別國手中的制裁大棒時，國產工業軟件亟需打響一場“突圍戰”。在突圍的背后，除了扎實的基礎學科知識積累、市場用戶的驗證、軟件本身產品力比拼外，還有不可忽視的隱藏致勝要素——算力。
CAE和HPC是一對“天作之合”
任何一(yi)件工(gong)業(ye)產品(pin)(pin)在推向市場之前都必須經(jing)過反復驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)，在工(gong)程(cheng)領域，工(gong)程(cheng)師的(de)產品(pin)(pin)試驗(yan)(yan)(yan)如(ru)同是(shi)“戴(dai)著鐐(liao)銬跳舞(wu)”。一(yi)副(fu)“鐐(liao)銬”是(shi)物理試驗(yan)(yan)(yan)條件，為了滿足(zu)很多工(gong)業(ye)產品(pin)(pin)嚴苛的(de)工(gong)況，相關(guan)生產樣件往往需要環境配合進行(xing)高低溫試驗(yan)(yan)(yan)，比(bi)如(ru)等到冬(dong)天才能前往漠河開始試驗(yan)(yan)(yan)，準(zhun)備時(shi)間長、約束條件多；還有一(yi)些試驗(yan)(yan)(yan)，諸如(ru)發動(dong)機燃燒室內的(de)汽油噴(pen)射和燃燒，物理試驗(yan)(yan)(yan)條件根(gen)本(ben)(ben)無(wu)法(fa)模擬。另一(yi)副(fu)“鐐(liao)銬”是(shi)成本(ben)(ben)，為了驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)新車的(de)安(an)全性，碰撞測(ce)試必不可(ke)少(shao)，但不可(ke)能測(ce)試一(yi)次就付出報廢一(yi)輛車的(de)代價(jia)。
仿真軟件CAE通過將物理試驗搬到虛擬世界中，讓這些問題迎刃而解，變相地帶來了品質的提升。尤其是在產品快速迭代的當下，CAE的價值得到進一步的凸顯。
回想一下，大學時我們求解高階多變量的方程式就已經很困難了，而想要用CAE模擬更多、更復雜的物理過程，想要在虛擬世界里研究飛機的飛行，汽車的碰撞，想要擴展到多物理場乃至實現“數字孿生”，其計算量可想而知。以“制造皇冠上的明珠”——航天發動機為例，其研發過程涉及動力學、傳熱學、材料力學、理論力學、流體力學、斷裂力學、彈性力學、機械動力學等諸多學科，是牛頓力學時代所有力學的集大成，是所有科技成果的結晶。為了保障產品質量，工程師需要驗證各個部件在高溫、高壓、高轉速復雜環境下的工況，搞清楚部件相互之間如何影響，還同時要滿足高性能、長壽命、高可靠、輕重量、安全性、經濟性和日益苛刻的環保性等多維約束條件。如果每一個要素都要求解N個方程，CAE背后需要的計算量簡直難以想象，強大的超算幾乎是必不可少的武器。
說到計(ji)算(suan)(suan)，不知道大(da)家是(shi)否(fou)記得(de)當年(nian)“兩彈元(yuan)勛”鄧(deng)稼先先生(sheng)研(yan)制第一(yi)顆原(yuan)子(zi)彈的(de)故事。1959年(nian)，蘇聯(lian)(lian)(lian)停止(zhi)對(dui)華技術援助(zhu)，撤(che)回所有專家。離開前(qian)，有三位蘇聯(lian)(lian)(lian)核專家在課堂上留下(xia)了(le)一(yi)個(ge)關于內爆過程中產生(sheng)壓力的(de)技術指(zhi)標(biao)。但是(shi)，在研(yan)究人員(yuan)歷經二(er)十天的(de)計(ji)算(suan)(suan)之后，這個(ge)參(can)數出現了(le)偏差，計(ji)算(suan)(suan)工作(zuo)因此陷入僵局。為(wei)了(le)獲得(de)準確的(de)結果，鄧(deng)稼先帶(dai)領研(yan)究人員(yuan)用手(shou)搖(yao)計(ji)算(suan)(suan)機、計(ji)算(suan)(suan)尺乃至算(suan)(suan)盤(pan)反復(fu)計(ji)算(suan)(suan)，最(zui)后從(cong)理(li)論(lun)上證明蘇聯(lian)(lian)(lian)數據是(shi)有問題(ti)的(de)。正確的(de)參(can)數給原(yuan)子(zi)彈理(li)論(lun)設(she)計(ji)奠定(ding)了(le)堅實基礎，1964年(nian)10月16日(ri)，我國(guo)第一(yi)顆原(yuan)子(zi)彈爆炸(zha)成功。
國家博物館館藏(zang) 鄧稼(jia)先領導(dao)研制中國第一顆原子彈時(shi)使用的(de)手搖(yao)計算機
如今，鄧稼先用過的那臺手搖計算機正安靜躺在中國國家博物館的展臺上，時代變遷，站在前人栽種的大樹下，現代科學家和工程師們擁有了無與倫比的計算資源和條件，HPC（高性能計算）帶來的算力資源為CAE等工業軟件提供了源源不斷的算力，讓CAE求解不僅能夠算得快，海量算力讓更高精度的計算可以在可接受的時間內完成，也讓CAE算得更準。
由于各種專業的仿真軟件都需要運行在大量的算力資源上才能完成，CAE天生的求解計算從誕生之初就和HPC緊密結合。
CAE仿真過程的算力之痛
應用CAE軟件對工程或產品進行性能分析和模擬時，一般要經歷三道流程：前處理-求解-后處理。這個過程中，算力本應該是支撐其計算的加速器，但如果算力資源的使用、分配和調度存在問題，那么反而可能成為限制研發效率的桎梏。
在(zai)汽(qi)(qi)(qi)車(che)行(xing)業(ye)，近年來車(che)廠的概念車(che)層出不窮，一(yi)款款新車(che)的成功上市，意味著背后的高效(xiao)研(yan)發。而汽(qi)(qi)(qi)車(che)本身又是一(yi)種(zhong)(zhong)極其復雜的產品，研(yan)發過程需要安(an)全碰撞仿(fang)(fang)真(zhen)、NVH噪聲仿(fang)(fang)真(zhen)、CFD仿(fang)(fang)真(zhen)等……當前汽(qi)(qi)(qi)車(che)CAE分析項(xiang)種(zhong)(zhong)類(lei)最高多達600余(yu)種(zhong)(zhong)。
大多數汽車制(zhi)造企業的CAE部門通常采(cai)用工作站模式進行單(dan)機計算，這個過程存在很多問題和挑(tiao)戰：
首先，汽車CAE仿真業務流程(cheng)因文件(jian)拷(kao)貝存(cun)在“斷點(dian)”，工程(cheng)師用(yong)個(ge)人工作(zuo)站(zhan)進行前(qian)后處理，計算前(qian)要上傳文件(jian)到HPC，計算后要下(xia)(xia)載結果到個(ge)人工作(zuo)站(zhan)，加(jia)之往往研發中心(xin)和數據(ju)中心(xin)分隔兩(liang)地(di)通過內網互聯，帶寬有限(xian)，工程(cheng)師上傳和下(xia)(xia)載數據(ju)的(de)等待時(shi)間并不增值，是妥(tuo)妥(tuo)的(de)浪(lang)費；
第二，對整車級別大型CAE模型、高(gao)(gao)精度渲染等場(chang)景，個人(ren)工(gong)作站有(you)時性能(neng)不足，共(gong)享高(gao)(gao)性能(neng)工(gong)作站既不方便，也難以維(wei)護，還(huan)帶(dai)來數據無意泄露的風險(xian)；
第三，車企在建設(she)(she)計算(suan)(suan)集群時，硬件(jian)(jian)(jian)選(xuan)型(xing)過程中，因為沒有建立專(zhuan)門的(de)(de)實驗室、也(ye)不(bu)具備采購各類設(she)(she)備進行benchmark的(de)(de)能力(li)，可(ke)用來測試的(de)(de)硬件(jian)(jian)(jian)設(she)(she)備非常有限，不(bu)同軟件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)計算(suan)(suan)模型(xing)不(bu)同，對計算(suan)(suan)資源(yuan)的(de)(de)性(xing)能要求(qiu)也(ye)不(bu)一(yi)樣(yang)，如何(he)從可(ke)獲(huo)得的(de)(de)各類硬件(jian)(jian)(jian)中選(xuan)擇(ze)出最(zui)(zui)適合目標應用、最(zui)(zui)佳性(xing)價比(bi)的(de)(de)算(suan)(suan)力(li)組合，一(yi)直是一(yi)個(ge)挑戰；
最后，項目研發(fa)過程中資源(yuan)需(xu)求必然存在波(bo)峰(feng)波(bo)谷，單(dan)項目周期超過60%的時(shi)間資源(yuan)不足，資源(yuan)按部門分配，共享難度大，作業等(deng)待時(shi)間長，而車型數據凍結后，CAE需(xu)求銳減，資源(yuan)閑置，企業也希望(wang)能進一(yi)步平抑波(bo)動提(ti)高對(dui)算(suan)力資源(yuan)的利用(yong)率，從而降低(di)HPC的擁有成本。
某(mou)中(zhong)(zhong)國高(gao)端品牌車(che)型的(de)(de)代表性企業(ye)之一(yi)，就(jiu)在高(gao)速發展過程(cheng)中(zhong)(zhong)遭遇了這些挑戰。由于(yu)組織結(jie)構和(he)(he)管理體系的(de)(de)問(wen)題(ti)，其線下HPC資(zi)源均(jun)是購買2~3年(nian)以上(shang)的(de)(de)V3和(he)(he)V4主機(ji)，設備(bei)性能不滿足業(ye)務增長要求；PamCrash碰撞(zhuang)計算需要用時超過30小時以上(shang)，研發部門工作(zuo)效(xiao)率很低(di)。面(mian)對(dui)市(shi)場的(de)(de)壓(ya)力和(he)(he)激烈的(de)(de)競爭，該企業(ye)也(ye)在積(ji)極求變，并選擇華為HPC來(lai)幫助其消(xiao)除這些煩惱。
具體而言，該企業采用國產高性能服務器，通過100G IB網絡連接。HPC資源建設在華為云廣州資源池上，從佛山分廠通過專線接入，高速訪問HPC物理機集群, 同時通過華為公有云平臺組件提供網絡安全防護服務。在公有云中批量部署彈性云服務器，作為調度任務的計算節點，計算任務從云下調度到云上執行，計算結果自動回傳到線下的NFS服務器。在這套完整解決方案的助力下，該企業取得的受益也非常顯著：其研發碰撞測試時間由原來線下30小時提高到線上18小時完成，效率提升40%。
從中我們可以看出，華為HPC方案的本質是將其30余年積累的ICT技術和數字化實踐，以云的方式開放分享給企業客戶，為企業構建穩定可靠、安全可信、可持續發展的新一代ICT基礎設施，這帶給(gei)客戶的優勢顯而(er)易見。
客(ke)戶可以基于極致性(xing)能的(de)(de)(de)產品獲得業(ye)(ye)務增(zeng)長所需(xu)的(de)(de)(de)算力。例如，華為TaiShan 200 Pro2480高性(xing)能服務器(qi)基于鯤鵬920處理器(qi)，最(zui)高能夠提供(gong)256核、3.0GHz主(zhu)頻的(de)(de)(de)計(ji)算能力和(he)最(zui)多25個SSD硬盤，適合(he)(he)為企(qi)業(ye)(ye)關鍵業(ye)(ye)務提供(gong)澎湃的(de)(de)(de)高可靠算力。而這(zhe)些算力如同(tong)從水(shui)龍(long)頭(tou)里取水(shui)一(yi)樣方便——既(ji)免(mian)去了高昂的(de)(de)(de)建設、管理成本，又能避免(mian)算力資源在項目的(de)(de)(de)各個階段以及各部門之間分(fen)配不合(he)(he)理的(de)(de)(de)情況，讓算力資源充分(fen)適配不同(tong)業(ye)(ye)務場(chang)景對高性(xing)能計(ji)算的(de)(de)(de)需(xu)求。從長期來(lai)看，這(zhe)將幫助企(qi)業(ye)(ye)帶來(lai)效(xiao)率的(de)(de)(de)增(zeng)長和(he)OPEX的(de)(de)(de)降低。
CAE“算力”國產化敲響警鐘
正(zheng)因為算(suan)力(li)如此重要，所以限制算(suan)力(li)也(ye)能(neng)成為扼制的手段。
數據(ju)顯示，2021年(nian)所有(you)國(guo)(guo)內服(fu)務(wu)器操(cao)作(zuo)(zuo)系(xi)統(tong)裝機(ji)量中(zhong)，Linux市場(chang)占有(you)率達到79.1%，CentOS是Linux生態下的(de)(de)優(you)秀開(kai)發(fa)版(ban)本之一(yi)。據(ju)媒體(ti)報道，2021年(nian)12月31日，CentOS Linux 8 停止(zhi)(zhi)維護，CentOS Linux 7于2020年(nian)第(di)四季(ji)度停止(zhi)(zhi)更新(xin)(xin)，并(bing)將(jiang)于2024年(nian)6月30日停止(zhi)(zhi)維護，這意味(wei)著使用廣泛的(de)(de)CentOS服(fu)務(wu)器系(xi)統(tong)即將(jiang)停服(fu)。CentOS作(zuo)(zuo)為免費的(de)(de)、開(kai)源(yuan)的(de)(de)、可以重新(xin)(xin)分發(fa)的(de)(de)開(kai)源(yuan)操(cao)作(zuo)(zuo)系(xi)統(tong)，在(zai)國(guo)(guo)內服(fu)務(wu)器操(cao)作(zuo)(zuo)系(xi)統(tong)的(de)(de)占有(you)率非(fei)常高，涉及到各個(ge)行業。對于用戶來(lai)(lai)講，CentOS停服(fu)后將(jiang)無法得到官方的(de)(de)系(xi)統(tong)升級和補丁安裝支持(chi)，一(yi)旦發(fa)現新(xin)(xin)的(de)(de)安全(quan)漏洞并(bing)被黑客利用，將(jiang)帶來(lai)(lai)宕機(ji)、服(fu)務(wu)中(zhong)斷、數據(ju)泄露等(deng)風險，網絡信息安全(quan)風險陡增。
不(bu)只是軟件和(he)操(cao)作系(xi)統，硬件方面的(de)(de)烏云也久久不(bu)散。2020年4月，英(ying)偉(wei)達(da)官方宣布正式(shi)完成對(dui)Mellanox 70億美元的(de)(de)收(shou)購。Mellanox是一家(jia)以色(se)列(lie)芯(xin)片(pian)(pian)廠商，數(shu)十年來(lai)(lai)一直在(zai)InfiniBand和(he)以太網互聯產品的(de)(de)研發(fa)領域深耕(geng)。2010年底，Mellanox曾收(shou)購著名Infiniband交換機廠商Voltaire，這一收(shou)購成就了其在(zai)高性能(neng)計算(suan)、云計算(suan)、數(shu)據中心、企業(ye)計算(suan)、存儲市場(chang)上的(de)(de)全(quan)面業(ye)務(wu)能(neng)力。眾所周(zhou)知，今(jin)年9月，英(ying)偉(wei)達(da)和(he)AMD將對(dui)中國進行(xing)高算(suan)力GPU斷(duan)供的(de)(de)消息刷(shua)屏各大科(ke)技媒體，雖然初期斷(duan)供范(fan)圍只是高端芯(xin)片(pian)(pian)，未來(lai)(lai)涉及的(de)(de)范(fan)圍難以預估(gu)。
市場上主流的(de)CAE軟件(jian)中(zhong)，歐美商業軟件(jian)居多，這(zhe)些(xie)軟件(jian)都已適配x86硬件(jian)架(jia)構，但是(shi)對于新崛起的(de)ARM架(jia)構來(lai)說，至少還需(xu)要重新編譯才(cai)能(neng)使用。然而，編譯和性能(neng)優化是(shi)需(xu)要源代碼的(de)，讓這(zhe)些(xie)歐美軟件(jian)開放源碼，似乎是(shi)不(bu)可能(neng)的(de)事情(qing)。
這些事件為工業軟件“算力”國產化敲響警鐘，未來工業軟件之戰的背后還有暗潮洶涌的算力戰爭。從這個角度來說，產業呼喚國產自主的HPC產品。而華為(wei)HPC基于華為(wei)自(zi)主(zhu)(zhu)(zhu)研制的算(suan)、存、管、網、智5類芯片(pian)，具備硬件層的自(zi)主(zhu)(zhu)(zhu)可控能(neng)力；支(zhi)持(chi)國內(nei)唯(wei)一自(zi)主(zhu)(zhu)(zhu)演進(jin)(jin)的openEuler操作系統(tong)，從系統(tong)層面支(zhi)持(chi)自(zi)主(zhu)(zhu)(zhu)可控，免去(qu)卡(ka)脖子風險。垂(chui)直的全棧(zhan)技(ji)術能(neng)力，才是算(suan)力和軟件持(chi)續演進(jin)(jin)的堅實保障。
基(ji)于全棧的(de)優勢(shi)，華為100G AI Fabiric RoCE交換機針對高(gao)性(xing)(xing)能并行計算(suan)場景下常用的(de)MPI協議進行適配，通過在網(wang)計算(suan)、AI動態水(shui)線等黑科(ke)技，將IP網(wang)絡做(zuo)到和IB網(wang)絡差不多(duo)的(de)性(xing)(xing)能，微秒(miao)級時延(yan)，滿負(fu)載(zai)下0丟(diu)包，成為平替Infiniband的(de)選(xuan)擇。其自研的(de)多(duo)瑙(nao)調(diao)度系統也憑借0信任和支持多(duo)集群(qun)混(hun)合調(diao)度等特(te)性(xing)(xing)贏得(de)客戶(hu)青睞，從(cong)國外(wai)IBM Spectrum LSF以及Altair PBS Pro的(de)包圍中贏得(de)了屬(shu)于自己的(de)份額(e)，成為國產(chan)調(diao)度系統的(de)新秀。
寫在最后
《外交評論(lun)》雜志的(de)一文(wen)中提及：當前，國(guo)(guo)家間地緣經濟競爭(zheng)模式隨(sui)著(zhu)生產(chan)方式的(de)變(bian)革而變(bian)化，數據、硬件與(yu)算法已成為數字時代(dai)最核(he)心的(de)生產(chan)資(zi)源(yuan)，構成了國(guo)(guo)家的(de)數字資(zi)源(yuan)。
數字化的底層競爭是計算，計算的最終形態是智能。不僅限于前文提及的工業軟件，泛在計算都可以用HPC提供算力——諸如圖形渲染、AI訓練、大數據計算等場景，只要能用“命令行”啟動的任務，都可以跑在調度系統上面，分時復用集群計算資源。
未來在數字經濟時代占據高地，國人必須從底層構建自己的計算平臺，因為中國的鋼鐵長城決不能建立在它國的沙子堆之上。自主(zhu)創(chuang)新是(shi)一(yi)條漫長但必須(xu)堅持的路(lu)，前路(lu)依然(ran)任重道遠，依然(ran)荊棘叢(cong)(cong)叢(cong)(cong)，但我們已經(jing)啟程(cheng)。
