【解決方案】當模擬資源永遠不夠用時，研發工程該如何應對？

By Dr. Andrew Tweedie

關於本次客座作者Dr. Andrew Tweedie 是 Kogsys 的創辦人兼執行長，該公司專注於超音波技術解決方案的顧問服務。他在工程、研發與新創領域擁有超過二十年的經驗，曾共同創辦雲端工程模擬平台 OnScale。

我職涯的大部分時間都在思考工程模擬：我們該如何讓它變得更好？如何讓工程師獲得更多他們真正需要的東西？理想的模擬工具應該是什麼樣子？

在與其他工程師交流時，我發現對此的需求非常龐大。傳統模擬工具中存在許多瓶頸，不僅拖慢設計流程，還限制了創新。因此我絕不是孤軍奮戰。

然而，偶爾我也會聽到一些評論，例如「我不需要更多模擬能力」或「我只跑一個模擬就很滿意了」。我的反應總是：「你怎麼會這麼說！？我永遠都覺得不夠用，而且短期內看不出會有什麼改變。」

也許這樣的反應有點嚴厲，但請容我解釋……

解析模型的威力

在使用有限元素法（FEM）和有限差分法（FD）等數值方法之前，我花了很多時間在解析模型上。當時，我的工作是設計超音波換能器，而有些一維解析模型可以對許多簡單設計提供相當不錯的近似結果。這些模型雖然相對原始，但能在毫秒內完成運算，因此我可以非常快速地模擬數千種設計變化。只要我有時間撰寫所有自訂的後處理流程，要在多個變數上進行大規模設計研究根本不成問題！

這樣的流程很快就成為我設計方法的核心，通常會依照以下步驟進行：

1. 選擇一個初始設計，可能是來自過去經驗的熟悉設計，或至少在直覺上可行的方案。

2. 針對這個起點進行設計研究，找出不同參數如何影響元件性能。

3. 與同事討論結果，決定最佳的前進方向：

   • 或許其中某個設計就已經解決問題了；

   • 如果沒有，至少我們對問題有了更深入的理解，並可調整設計以追求更佳性能。

除了能提供豐富的設計空間資訊之外，我一直覺得這種方法是工程師能接觸到的最佳學習工具。它讓人直接體會到驅動元件運作的因果關係。身為一位非常重視實作的學習者，我透過這種方法獲得的理解，遠遠超過僅靠閱讀文獻所能得到的。

邁向有限元素法（FEM）與對更多資源的渴望

幾年過後，我們所開發的裝置變得更加複雜，設計挑戰也隨之增加。我們已無法再依賴對這些結構有效的解析模型。我們需要更通用的工具，而 FEM 正是為此而生。但想像一下，我當時對這種方法有多麼抗拒——因為它的計算成本極高，導致整個專案中往往只能執行極少數幾次模擬！最終，我還是妥協了，並開始著手改善 FEM 模擬的整體體驗。從那時起，可以說這成了我畢生的志業。

雲端運算的革命性改變

對我而言，真正的轉捩點是雲端運算。我從事雲端工程模擬的工作已超過十年。雲端運算解決了傳統 FEM 面臨的數個核心問題：

• 能同時執行多組模擬，實現大規模平行運算

• 消除硬體資源的瓶頸

• 在像 Quanscient Allsolve 這類先進平台上，能橫跨數千核心加速大型模擬

• 擺脫傳統 FEM 軟體常見的授權限制

• 讓多位工程師能共同協作於同一專案，不再是各自為戰！

目前 Allsolve 是我進行 FEM 模擬的首選工具。自從二十多年前我第一次用 FEM 模擬超音波換能器以來，Allsolve 現在能將這個工作加速超過 1,000 倍。它讓我能在多個變數上進行大規模設計研究，也讓我能進行蒙地卡羅分析（Monte Carlo analysis）來評估設計的穩健性。從本質上來說，它讓我能提出更宏觀的問題、探索可能性並持續學習——而這些，正是我認為一位優秀工程師應該具備的能力。

對「更多」的追求

這樣就「夠了」嗎？老實說，只要你給我更多模擬能力，我永遠都會想要用上它。但就目前而言，這已經非常接近我長久以來所追求的目標了。

所以當我聽到工程師說他們不需要更多模擬時，我總會反問一句：如果你能即時執行任意數量的模擬，你會做些什麼？你會想探索哪些設計可能性？這會如何提升你的設計效能，縮短產品上市時間？

這些才是工程師應該提出的問題。而作為模擬領域的創新者，我們的職責，就是提供能讓他們做到這些事的工具。