Altair庆祝30年创新之路

Altair 拥有颠覆性技术基因，能够促使组织从根本上改变产品设计和决策制定之道。

       30 年前的梦想如今已经孕育出一家全球性企业，立足帮助组织从根本上改变产品设计和决策制定之道。当然，若非如此，Altair何以取得今日成就。自 1985 年成立以来，Altair 一直致力于为客户提供创新的产品和服务。Altair 公司不仅研发出了稳健的计算机辅助工程 (CAE) 软件，而且还通过收购与合作创建了享誉全球的仿真套件 HyperWorks®。

       Altair 公司的求解器技术帮助用户实现了更高效的结构设计。工程师们借助其快速、逼真的建模与可视化工具可研究更多的概念设计并快速地对问题进行求解。另外，通过 Altair 基于 unit 的专利许可系统，工程师们可在众多的设备上按他们想要的方式工作，对大到基于云计算的超级计算机，小到手持设备，都能有效提供支持。

一家公司从创建伊始成长为一个价值百万美元的创新实体凭借的是什么？管理层深知其中的奥秘，他们愿意分享这几十年来 Altair 如何凭借其对技术趋势的准确判断来不断实现发展壮大的所见所感。 

       1985 年，汽车工业正在从一场经济衰退中复苏，CAE 工具也开始获得了行业的认可。三位工程师，George Christ、Mark Kistner 和 Jim Scapa 共同创建了 Altair，帮助汽车制造商们慢慢地了解了这项新工程技术的益处。

       但是，这些工程咨询师和他们的团队不久便意识到，既有的 CAE 解决方案与理想中的相去甚远，因此他们在 1988 年决定开发自己的软件。截至 1990 年，公司发布了 HyperMesh®，这是一个有限元前处理和后处理工具包，可用来进行产品的虚拟设计和工程。它比竞争对手产品的运行速度快了 20 倍。

 

上世纪 90 年代的有限元模型通常都是仅包含几千个单元的粗略模型。上面显示的是大约 90 年代中期的Altair HyperMesh

       据Altair用户体验部首席技术官 James Dagg 回忆，1987 年，他在 Altair 公司的部分职责就是应用 Fortran编写软件以实现当时工具的自动化。

       Dagg 回忆说：“这一款前沿的软件利用了一些非常小的模型，大概由几千个单元构成。我们会运用线性分析对子系统中少数组件进行研究，仅考察在少数几种负载情况下的应力情况。那时要通过测量图纸上各点的坐标来构建模型，将坐标输入软件，然后主要依靠手动来创建有限元。”

       Dagg 解释说，结果几乎都是静态的。然而，在上个世纪 90 年代早期，基于 Unix 的工作站供应商引进了定制的 3D 图形，实现了基础的动画和可视化功能。由于这种机器的内存以 MB 并非以 GB 计，大模型应该少于 10 万个单元。随着时间的推移，计算能力的提高，对 OpenGL 这类图形语言的使用也越来越普遍。CAE 群体利用了这次机遇。Dagg 进一步表示，随着 HyperMesh 的发布，工程师们可以凭借其尖端的硬件和创新的用户界面，以更快的速度构建并显示更大的有限元模型。这引起了建模及仿真的速度和规模发生了巨大变化。

       在新千年中，硬件供应商开始开发具有专业图形处理单元 (GPU) 的显卡，可以迅速将图形显示在屏幕上。显卡内存的速度越来越快，运算量也随之增大。在游戏业需求的推动下，经过优化的显卡为技术社群带来了更加理想的性能。由于建模和可视化速度加快，工程师们因此能够进行更多的探索，以设计出各种不同的概念产品并对问题进行求解。据 Dagg 介绍，“当人们与软件进行交互的时候，他们总希望软件可以做出快速响应。他们不希望自己的创新思路受到任何事情的干扰。这意味着不但软件和硬件的性能要十分出色，工作流程也应该非常直观、高效并且响应及时。

       以今天的标准来看，在上世纪八、九十年代，工程师们并未实现与模型非常有效的互动。因此，Altair 将关注点放在了为工程师构建更好的用户界面上。Dagg 说：“我们的使命是使新工具更容易上手、激发使用兴趣并非常高效。”经过几十年的发展，建模的范围发生了怎样的变化呢？据 Dagg 介绍，“仿真不但要能够处理极大系统模型，如整个的石油钻井平台和完整的汽车和飞机模型，也要能够解释微小的细节，小到材料的微结构层面。Altair 软件使用户可以对材料本身的纤维和空洞进行建模，从而能让我们更好地理解并解决材料失效问题。”除此之外，工程师们不再受限于仅仅关注单一的子系统或产品，而是能够研究产品之间的交互作用以及如何对它们施加控制。Dagg 说道：“我们通常将产品放到使用环境中来系统考察产品的性能，而不是进行孤立的研究。”

       这种趋势促成了“公共模型”（而非按不同工程原则创建的多个模型）的采用，以及用户能够执行多物理量仿真的需要。Dagg 解释说：“最终，我们需要同时考虑同一个设计的各种性能特征，以得到在安全、性能、成本和可制造性等各方面都进行过权衡的、真正的最优设计。”Dagg 和他的团队还一直致力于获取海量工程知识并将其内嵌到他们的软件中。他引用了一个 Altair HyperWorks Virtual Wind Tunnel 解决方案的例子，该方案借助一个非常简单的用户界面，在风洞测试室中自动为非专业用户进行车辆的设置，但是却包含了复杂的计算流体动力学 (CFD) 技术。Dagg 说：“我们利用过去的三四年时间，深入地了解了虚拟风洞的工作人员是如何工作的，即他们需要如何对测试以及影响他们解决方案的各种因素进行设定。他们的知识是构筑在基础软件之上的。在典型情境当中，用户可以将汽车模型停在屏幕显示的风洞当中，可输入风速和若干参数。该软件在几小时之内就会给出求解结果。

Dagg 总结到：“是工程师们推动了我们的软件开发。”“Altair 是一家工程公司，这会切实我们解决方案的思路。”

        “是工程师们推动了我们的软件开发。Altair是一家工程公司，这会切实我们解决方案的思路。”

       ——Altair 用户体验部首席技术官  James Dagg

 

今天的有限元模型包含数百万个单元，可以精确地理解并优化系统级性能。全新 HyperMesh 用户体验（上图）即将发布 

       Altair 的求解器和优化部首席技术官 Üwe Schramm 回忆到，在上世纪 80 年代，一些行业的工程师在他们的分析过程中将构建只具有几千个单元的模型。通常，每个节点都需要手动输入。分析任务在昂贵的大型主机上运行，而且需要等待几天才能收到结果。

       在上世纪 90 年代，设计驱动因素是像汽车制造商那样的大公司的物理实验。按照 Schramm 的说法，那时还从未出现基于计算机仿真做出设计决策的情况。工程师们当时是将物理实验结果与仿真结果相比对，从而找出失效模式或改进计算方法。这样，逐渐涌现出一些工程专家和分析师，这些人具有解释有限元建模 (FEM) 和有限元分析 (FEA) 结果的专业知识。

       尽管求解器技术最初只是在大型主机上运行，但随着时间的推移，工程师在台式电脑上运行工作站的情况越来越普遍。由于 HyperMesh 这样的建模软件可以从市场上买到，工程师们因此开始在他们的工作站上进行仿真。Schramm 解释说，随着计算平台的改进，作为数学引擎的求解器已极大地提高了运行速度，工程师们也开始构建规模更大、更复杂的模型。这些复杂模型激发了对高性能计算 (HPC) 平台的需求，包括计算集群（大型主机技术的继承者）。

       另外，由于模型的尺寸和复杂度都有所提高，软件开发商将更多的物理场集成到求解器中，由此催生的观念是人们需要的不只是多物理场仿真，而是需要多物理场驱动的设计和优化。如今，Altair 的 HyperWorks CAE 软件套件具有对结构、碰撞、安全性、撞击和爆炸、传热、流体动力学、制造、电磁和系统仿真进行多物理场分析和优化的功能。同样在上世纪 90 年代，学术和科研群体开始研究结构优化概念，他们开始利用 CAE 的优化技术（相对手动的迭代程序）来微调设计特性以满足项目目标。Altair 意识到了这个行业的主要趋势，便开始与密歇根大学就其进行中的研究项目，即称为拓扑优化的新研究领域展开合作。简单来讲，拓扑优化也称为形态建成、生物仿生和生成设计技术，可以在给定的负载和边界条件下找到设计空间中的最佳材料分布。1993 年，Altair 发布了第一款商业版拓扑优化软件 OptiStruct® 并在 1 年后凭借这款开创性的优化软件斩获了 IndustryWeek 杂志年度最佳技术奖。

       OptiStruct 的开发人员从一开始就在软件的易用性和功能性上下足了功夫，为今后的市场推广提供助力。他们关注的一个领域是将制造约束条件引入到设计过程中。Schramm 解释说，如今这一点得到印证：OptiStruct 开发的最强大背景驱动因素包括增材制造 (AM，也称 3D 打印）和新材料引进，包括复合材料。AM 可将通过材料分布优化构想出的设计实际生产出来，并且几乎无需返工。一些过程甚至可以实现在单个部件上使用多种材料。3D 打印过程可辅助 OptiStruct 实现最有效的结构设计。Schramm 指出，使用复合材料时，可以根据具体使用情况和负载条件实现对设计的高度定制。计算机仿真和优化可以联合实现对无限不同情形的评估，通过考虑层合板的形状、位置、方向、材料和层叠顺序来获得满足产品性能、重量和成本目标的最佳解决方案。Schramm 说：“我们正在创造的每个产品，如计算机或汽车，其实都是一个系统，而这正是影响我们技术发展的主要因素。这就解释了我们为何要从系统层面来寻找设计方案，因为我们需要对系统的各种问题进行仿真。是设计的整体观导致我们将所有事物组合在一起考虑。”据 Schramm 预测，未来的仿真软件将会拥有更精确的建模能力，从而使用户能够执行更多的仿真和开发出更好的产品。另外，软件将以愈发强大的计算资源为依托，进一步缩短完成复杂建模任务的时间。

 

像 Altair FEKO 这样的电磁仿真求解器已发展到可以求解诸多复杂问题 

 

借助 Altair RADIOSS 的流体结构耦合 (FSI) 可实现同时对流体（气体或液体）和结构行为进行仿真

       30 年前，处理能力更像处于幼儿期。超级计算机（具有顶尖处理能力的机器）作为一个平台，主要被政府、科研和学术机构租用。由于其价格极其昂贵，私有公司很少购买、运行并维护它。

       20 世纪末，诸如大型汽车公司这些原始设备制造商开始利用这些高性能计算 (HPC) 平台——超级计算机和“迷你超级计算机”——处理复杂的任务。这些共享的 HPC 资源使工程师们可以运行更多的虚拟仿真并对其设计进行验证，这在提高了产品质量的同时，也使得产品能够更快上市，但是通常成本不菲。新千年出现了新的计算景观，为工程师们提供了从高端的 HPC 系统到低端的移动设备，这样前所未有的丰富硬件资源。Altair HPC/云部首席技术官 Sam Mahalingam 解释到，随着处理能力、内存、网络等的性能提升，价格变得更加低廉，加之互联网无处不在，Altair 为工程师们提供了另一种选择，即在“云端”进行工作。

       Mahalingam 解释说，当前主要有两种趋势在驱动云市场的发展，使用户可以更低廉的价格购买到 HPC 平台。第一种趋势是可扩展性，即投入大量的资源一起来解决极其复杂的问题。第二种趋势是“公有云”的出现，将软件即服务 (SaaS)、平台即服务 (PaaS)和基础设施即服务 (IaaS) 整合在一起，以此来降低资本消耗，提高可变成本。（相比之下，“私有云”通常设置在公司内部的防火墙后，资源被视为受到限制。）若要利用公有云解决方案开发产品，公司要面临两个难题，一是要研究海量的技术问题，二是缺乏安全感。另外，公司需要估算他们愿意付出多少资金来解决问题。在公有云中，硬件资源被看作是无限的，但是对软件资源来说并非完全如此。Mahalingam 说：“通常来讲，挑战在于软件许可证数量和公司在软件上的资金投入。”一家公司可能声称：‘我能在 5 分钟内获得结果，但我需要使用 2 万个节点。’这 2 万个节点又需要多少程序许可证呢？”这就是为什么 Altair 利用其现有的产品和服务为客户提供私有的和公有的云方案。据 Mahalingam 介绍，Altair 大量的应用程序组合以及丰富的 HPC 负载管理解决方案可以帮助大、中和小型客户利用私有云或公有云计算策略。

       例如，HyperWorks Unlimited 实体应用是一种私有云解决方案，提供全面配置的硬件和软件，用户可无限使用应用（容易实现的装置）内所有的 Altair 软件。通过租赁给用户，可将 HPC 投资资金转换为 HPC 运营费用。该统包系统加载有 Altair 应用程序和 HPC 工具，部署更简单。同时，凭借其开放式架构，用户只需每月缴纳一定费用，即可在自带许可证 (BYOL) 模式下实现第三方求解器的完全集成。

       Mahalingam 解释到，用于亚马逊网络服务的 HyperWorks Unlimited　– Virtual (HWUL-V) 是公有云解决方案，其将 Saas、PaaS 和 IaaS 用户汇集到一个门户。它将不限制使用的 HyperWorks CAE 套件与 PBS Professional®、Altair 的HPC负载管理器以及可实现大数据HPC访问和远程可视化的智能应用感知门户融为一体。Mahalingam表示，“虚拟应用真正的亮点在于，公司不需要本地部署服务器基础设施，即可以直接使用公有云基础设施。他们只需要一台笔记本电脑和一个浏览器，就可以开始对他们的设计进行仿真。”那些本地部署了服务器的公司，在达到峰值负荷，内部计算资源用尽时，可以利用虚拟应用；也可以在自己的服务器网络中部署 HWUL 虚拟应用使其在私有云环境中运行。

Altair的HPC云解决方案的创新之处在于其设计简单并与Altair的软件许可模式相匹配。Mahalingam介绍到，“通过将硬件和软件结合到一个应用方案中，大、中和小型公司都能即时优化其设计，迅速向市场推出优质产品。”

 

云 CAE 应用将推动大规模仿真和多物理场优化。上图显示的是使用 Altair AcuSolve 计算的一个具有 10 亿单元的 CFD 仿真

       Altair公司董事长兼首席执行官Jim Scapa在上世纪七十年代末就在底特律汽车行业开始了他的职业生涯，至今仍记得使用企业自身开发的代码对汽车制动器进行测试与仿真的历史。当他和他的同事们组建Altair时，Unix工作站和个人电脑才刚刚开始进入工程应用。

      Scapa说道，“当我们引进HyperMesh时，它还是一款创新软件，因为它利用了新的计算架构。我们把模型存入到内存中，在那里处理图形的速度很快。当我们将HyperMesh移植到Unix工作站后，软件的运行速度快了20倍。”

       他认为公司成功的部分原因是对技术发展趋势的利用，例如计算基础设施。“我们已经处于采用新技术和引进创新理念的前沿，”Scapa说到。此外，Altair通过合作、并购或商业化研究（如 OptiStruct）寻找新技术来保持领先地位。虽然最初并没有看到拓扑结构优化的市场空间，然而今天它却成为一种主流技术，并且从未如此贴近市场，因为它补充了3D打印且能够塑造有机形状和结构。

       Scapa解释说，公司在向市场推出前沿技术之前，往往耗时数年进行研究：“我们有丰富的经验，有能力创造无论是业务还是技术层面的精品，因为我们产品与服务延伸了我们多年的专业积累。”他引用了 Altair数据分析和云计算的解决方案作为例子。Scapa认为未来十年有若干前沿领域将经历转型。他说：“我们预计真正的仿真驱动设计将成为产品开发过程的核心。它将释放人类的创造力，通过与设计人员交互得出最佳方案。CAD将是这整个过程的一小部分。”他解释说，虽然目前CAD工具常用来记录设计，但是在未来它们将只是仿真工具的“检查程序”。未来对企业市场的软件开发（特别是在计算、流程和数据管理方面）起到关键作用的一个新兴趋势将是开源工具和技术。据Scapa介绍，相较追求专有解决方案的公司来说，开源社区将能够更快地加速企业市场的技术发展。为此，Altair已经宣布要向开源社区公开 PBS Professional 的代码（见 22 页，Altair 即将公开PBS Professional HPC技术的源代码）。开源社区还将在促进机器学习和分析方面起重要作用。就工具而言，机器学习算法库更有可能出现在开源社区，而构建仿真解决方案的应用程序和建立应用程序的工具将仍然更为专有化。