GPU加速仿真和AI渲染，革新沉浸式設(shè)計(jì)工作流程

通常在CAD軟件中，工作站計(jì)算能力及圖形處理能力的提高，也將概念設(shè)計(jì)中的交互性提升至新高度。如今在主流的建模程序中（如SOLIDWORKS、Autodesk Inventor、PTC Creo和Siemens PLM Software的NX等），用戶已能夠很快對(duì)CAD建模結(jié)果進(jìn)行渲染，以照片級(jí)寫實(shí)的模式查看其設(shè)計(jì)，并從美學(xué)角度進(jìn)行審視。這種近乎即時(shí)的反應(yīng)能力讓設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)快速修改。在功能足夠強(qiáng)大的工作站上，用戶甚至可以在完全渲染的模式下執(zhí)行幾何造型和建模操作，同時(shí)保持與模型的交互。

但是仿真和渲染這些計(jì)算密集型的操作也阻礙了其交互性。工程師們解除阻礙的方法之一是將仿真和渲染作業(yè)設(shè)置為在周末和下班后啟動(dòng)，這樣就不會(huì)干擾正常的設(shè)計(jì)工作流程。但是，設(shè)計(jì)軟件領(lǐng)域的最新進(jìn)展表明，有一些新的方法能夠突破仿真及可視化領(lǐng)域的這些瓶頸。

交互式仿真

軟件驅(qū)動(dòng)型的仿真通常在有限元分析(FEA)程序中以像素和字節(jié)為單位進(jìn)行，并不像實(shí)體產(chǎn)品測(cè)試那樣耗費(fèi)時(shí)間和人力，且不要求細(xì)致的設(shè)置和清除。盡管如此，鑒于其計(jì)算成本，工程師們往往很少使用數(shù)字仿真。FEA程序給計(jì)算系統(tǒng)（尤其是CPU）帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。一些工作站在處理復(fù)雜仿真場(chǎng)景時(shí)突然停止工作的情況也并非罕見。在仿真時(shí)進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或修改模型的操作也并非明智之舉。因?yàn)榧词故羌?xì)微的調(diào)整也會(huì)導(dǎo)致重新計(jì)算，會(huì)大大延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，甚至造成宕機(jī)。

但是2月份推出的ANSYS Discovery Live改變了這一現(xiàn)狀。據(jù)ANSYS公司介紹，“ANSYS Discovery Live提供即時(shí)三維仿真，能夠與直接幾何建模緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)交互設(shè)計(jì)探索及產(chǎn)品快速創(chuàng)新。這是一種交互式的體驗(yàn)，用戶能夠調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)、材料類型或物理輸入，并即時(shí)查看呈現(xiàn)效果?！?/p>

該軟件利用NVIDIA GPU并行處理能力，有效地實(shí)現(xiàn)了仿真的實(shí)時(shí)可視化。NVIDIA仿真軟件戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人Baskar Rajagopalan表示:“在NVIDIA CUDA編程平臺(tái)上，Discovery Live將設(shè)計(jì)仿真工作流程從幾天縮短到了幾小時(shí)、甚至幾秒?！?/p>

GPU并行處理能夠即時(shí)顯示復(fù)雜的流體流動(dòng)和熱結(jié)果 – 圖片由ANSYS提供

該程序支持結(jié)構(gòu)、流體動(dòng)力學(xué)和熱仿真。這種網(wǎng)格化過程是自動(dòng)化的，它主要面向新手和在仿真領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)有限的用戶。它發(fā)生在后臺(tái)，極少需要、甚至完全無需用戶干預(yù)。簡(jiǎn)單且直觀的界面和設(shè)置也是為了吸引更廣的用戶群體，而非像從前一樣僅面向仿真領(lǐng)域的專家。

ANSYS Discovery Live需要一個(gè)擁有4GB顯存和最新圖形驅(qū)動(dòng)程序的NVIDIA GPU。推薦選擇NVIDIA Quadro P4000, P5000, P6000或GP100產(chǎn)品線的專業(yè)圖形工作站。聯(lián)想、惠普、戴爾等領(lǐng)先的系統(tǒng)供應(yīng)商均配備了Quadro GPU的工作站和專業(yè)ISV的認(rèn)證。

“ANSYS Discovery Live釋放了NVIDIA GPU和CUDA并行計(jì)算的力量，首次實(shí)現(xiàn)了同時(shí)進(jìn)行可視化和仿真的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)環(huán)境，”NVIDIA專業(yè)可視化副總裁Bob Pette表示，“我們致力于與ANSYS合作，在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造方式層面取得新突破?！?/p>

除了ANSYS Discovery Live，使用GPU進(jìn)行仿真的優(yōu)勢(shì)也得到了業(yè)界認(rèn)可——特別是在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)操作中。大量存在的并行計(jì)算使其更適合采用GPU進(jìn)行加速。ANSYS Fluent正是其中一個(gè)支持GPU加速的CFD軟件。

ANSYS稱：“AmgX是NVIDIA開發(fā)的GPU加速求解器庫(kù)，通過將GPU添加到現(xiàn)有的集群和工作站中，工程師能夠?qū)⒔鉀Q問題所需的時(shí)間縮減50%。此外，與只使用CPU的解決方案相比，GPU的能耗也更低?！?/p>

AI加速渲染

除仿真之外，照片級(jí)寫實(shí)的渲染可以說是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中計(jì)算最密集的操作。雖然以前照片級(jí)寫實(shí)的渲染往往被視為“華而不實(shí)”，但如今，逼真的效果圖已成為關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審中的一部分，尤其是對(duì)于汽車制造商。AR和VR設(shè)備的日益普及也體現(xiàn)出實(shí)時(shí)、即時(shí)渲染的需求將很快成為常態(tài)。

NVIDIA的AI加速渲染技術(shù)專門針對(duì)去噪運(yùn)算，計(jì)算并解決光線反射和粒子位置的問題，確保所構(gòu)建的物體在物理層面的精確度。

現(xiàn)有的高質(zhì)量去噪算法每幀需要花費(fèi)幾秒到幾分鐘的時(shí)間，因此不適合交互式應(yīng)用程序。在圖像完成最終渲染前，NVIDA Iray AI能通過部分完成結(jié)果預(yù)測(cè)最終圖像，并制作精確、逼真的模型。SOLIDWORKS CAD軟件的內(nèi)置渲染工具SOLIDWORKS Visualize支持GPU加速。

在今年的SOLIDWORKS Word大會(huì)上，NVIDIA在SOLIDWORKS Visualize中演示了NVIDIA Optix 5.0全新AI去噪功能。SOLIDWORKS用戶能借助此功能使其設(shè)計(jì)速度提高10倍。

SOLIDWORKS 2019功能預(yù)覽，可以清楚展示SOLIDWORKS Visualize基于NVIDIA GPU的AI去噪功能 - 圖片由SOLIDWORKS提供

“在SolidWorks World 2018上，我測(cè)試了SOLIDWORKS Visualize預(yù)覽版，并對(duì)此留下了深刻的印象”，戴爾行業(yè)策略師Scott Hamilton表示，“多年來，我使用了許多基于物理的渲染系統(tǒng)，完全處理圖像像素所需的時(shí)間問題一直存在。AI去噪功能解決了這個(gè)問題。AI去噪的加速大大縮短了項(xiàng)目周期?！?/p>

加快產(chǎn)品開發(fā)

在包括汽車和航空制造業(yè)等許多行業(yè)中，行業(yè)佼佼者傾向于盡可能多地在數(shù)字領(lǐng)域進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。面對(duì)更復(fù)雜的需求，降低成本和加速產(chǎn)品開發(fā)的雙重愿望使得這個(gè)傾向更加明顯。

COMSOL產(chǎn)品管理副總裁Bjorn Sjodin表示，“汽車配備攝像頭、傳感器、觸屏、計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備的需求日益增加，現(xiàn)代汽車變成了大型智能手機(jī)?！?/p>

在航空航天領(lǐng)域，制造商與美國(guó)聯(lián)邦航空管理局合作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量（且昂貴）的物理測(cè)試進(jìn)行仿真。另一方面，制造商也在模擬新技術(shù)的影響，如通過生成式設(shè)計(jì)和增材制造實(shí)現(xiàn)輕量化。

“我們將創(chuàng)新設(shè)計(jì)、形狀優(yōu)化和先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，這對(duì)于下一代更省油、更可持續(xù)發(fā)展的飛機(jī)來說絕對(duì)是必不可少的，”空中客車公司創(chuàng)新經(jīng)理Bastian Schaefer說道。

這些新設(shè)計(jì)需要進(jìn)行仿真，以盡可能高效地進(jìn)行制造，同時(shí)確保安全、并節(jié)省相關(guān)物理測(cè)試成本。因此，工程師對(duì)仿真和可視化的依賴性將會(huì)增加。GPU加速仿真和基于AI的渲染，縮短了設(shè)計(jì)周期，大大革新了沉浸式設(shè)計(jì)工作流程。