CAIEC路演 | 秩益科技：新一代计算流体力学工业软件及超级计算
2022-09-28
开启CFD/CAE工业模拟仿真消费级超级计算新时代！
北京秩益科技有限责任公司
北京秩益科技有限责任公司创设于2021年5月，是全新一代计算流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）工业软件及解决方案供应商，是向工业模拟仿真提供消费级超级计算能力的高新科技初创企业。
新一代计算流体力学工业软件及超级计算
前后历经十四年研发，Dimaxer是秩益科技在创新算法求解器和全异步计算架构两个方面实现世界级突破后的重要技术产品与成果；以之为核心的全新一代计算流体力学解决方案使高阶、高精度、高置信度的工业级CFD计算及模拟仿真效能相较于国际主流商业软件算力水平直接提升了100至1000倍。这一领先于国际同行的技术使得CFD及CAE领域的消费级超级计算不仅成为可能，还一步跨进了现实。经测算，在CFD赛道，秩益科技可以使用当前的商业硬件，极低的成本直接达到NASA提出的2030工业模拟仿真高性能计算愿景目标；或者以低于1%的造价，对当前全球最快的超级计算机实现超越，且运行成本仅为后者的2.5%左右。同时，还可以进一步结合极简设计芯片，最终推出颠覆整个行业的消费级超算软硬件一体化产品。该项目在服务国产“大飞机”、服务“两机工程”、等航空航天行业“国之重器”研制和开发的同时，还可以用在车辆工程、动力工程、海洋工程、环境工程、芯片和电池散热、石化、冶金、医疗等领域。
各位评委好，我叫张扬，是秩益科技的联合创始人，今天我要介绍的项目是CFD工业软件。CFD工业软件之于现代航空制造业可类比于EDA软件之于芯片设计，它在航空工业中有设计仿真之王的称号。与此同时，CFD软件的用途除了航空工业之外，在动力机械、其他军工国防、汽车与交通、芯片及电子产品散热、海洋工程和石化冶金等方面都有非常广泛的应用。深度数字孪生给CFD软件提出了更高的要求。目前我们企业的解决方案在工业级流场的模拟仿真方面已经成为被验证的数字孪生行业应用，但是在具体的多物理场仿真方面，深度数字孪生依然有更大的市场。团队方面，卢义博士、刘凯博士和我最早是在清华大学热能工程系开始合作，之后又在斯坦福、牛津和剑桥分别有访问学者的经历。经过14年的合作和研发，我们在剑桥大学做博士后之后，开始了创业。卢义博士担任公司的CEO，刘凯博士担任CTO，我担任执行总裁一职。我们公司有两大技术壁垒，第一，我们在底层算法方面有别于其他CFD软件，采用的二阶精度有限体积或者是格子玻尔兹曼，我们是唯一一家商业化、高阶精度、通量重构算法的企业。我们可以把计算的原始加速比提高到10到100倍。第二，我们也是唯一的CFD商用化平台当中能够使用游戏显卡（即低成本显卡）GPU进行大规模并行计算的平台。2018年，我们在英国剑桥成立了自己的公司，2021年回到国内。我们曾经在AIAA大会上，当场使用一台游戏笔记本，基于RTX2080的游戏显卡，对TCV也就是湍流直接数字模拟进行了量化对比。我们只用4个GPU小时，一台游戏笔记本，计算精度就可以达到与剑桥大学团队和比利时团队1万个CPU小时相当的计算精度。除了这样学术级别的验证之外，我们还在大飞机、高超声速飞行器、无人机、火箭、导弹等高速应用场景进行了标模与风洞实验数据进行了对比。日本的富岳计算机是排名世界第二的超算，我们目前正在搭建的超算中心，在计算流体力学这一专用领域，可以用2400张左右游戏显卡的计算资源，依托我们的算法达到和超算相当，甚至超过超算的效率。但是我们的造价和运维成本只有不到富岳计算机的1%。目前我们的使用客户包括了大飞机、航空发动机、燃气轮机、商用航天、核电、冶金、以及高校国防军工项目等方面。我们也取得了一定的商业成绩，今年确定的合同金额是480万，软件产品销售、软硬件一体机以及项目工程咨询都涵盖在内。销售形式包括license、云计算、软硬件一体机、定制开发以及工程咨询服务。我们去年4月份发布了1.0的版本，今年年底我们将会发布集成更成熟前处理，也就是网格划分的第二代产品。我们从最开始创业就没有定位在一定要做国产替代性的产品，因为我们最早在英国直接面对的是欧洲Ansys的传统市场。目前国际上比较流行的6种CFD软件都被美国控制，国内95%的市场被国外公司占据，有卡脖子的问题存在。通过比较，我们在精度、效率、稳定性以及低成本方面都有自己技术上的优势。
首先是飞行器领域。我们在大飞机项目中有DES级别的仿真，在计算时间以及硬件成本方面都有显著的下降。在高超声速飞行器以及火箭和导弹等超声速的运行范围，我们有非常好的激波捕捉功能，并且具备了网格自适应加密的功能。在机翼的激波抖振方面，可以看到左图是我们量化对比的结果，右图是我们对激波捕捉生成的云图效果。去年，我们还参与了商飞C919空速管的公开标模竞标。当时的要求是在10个工作日给出DES级别精度的解析解，我们是6个参赛单位中唯一一个在10个工作日内提供DES精度结果的单位，并且在10个工作日内提供了6个点，平均1.5天计算出一个DES结果，并且所有的数据误差都在百分之二以内，其他的进口软件在大侧风状态下都已经严重失真了。其次是航空发动机领域。航空发动机的CFD模拟面对比较大的挑战是近喘振点，比如小折合流量的情况下，以及航空发动机压气机内部比较复杂的脱体涡，还有角窝的数值模拟，可以看到图上绿色的点，我们已经非常逼近近喘振点，并且在工作工况以及高流量工况下和实验结果都有非常好的吻合。在航空发动机叶片的尾迹以及激波细节结构解析方面，我们也和实验结果进行了对比，并且取得了非常好的稳定性。发展规划方面，我们2021年回到国内，完成了天使轮的融资。2022年到2023年，我们最重要的计划是进一步完成优化我们的前处理，因为我们在武汉也有自己专门的前处理开发团队，也就是网格生成团队，形成自己集成化的软件平台，更成熟的版本。我们现在进行的是pre-A轮。公司将在第一阶段也就是2023年年底达到60人左右的规模。在2023年到2024年，我们将结合国产GPU（目前的合作伙伴是摩尔线程）以及国产CPU（目前的合作伙伴是华为鲲鹏系统），在CFD软件和超算中心，尤其是在私有云搭建的小型计算中心方面，实现软件和硬件的全部国产化。在2024年之后，我们这一套通用的底层偏微分方程组的求解器可以推广到电磁仿真、固体力学仿真等其他偏微分方程多物理场模拟的领域，并且我们并不是单独模块区分，而是整个集成的环境。
评委提问&点评
你们现在这个软件平台包括软件对于算力的要求是什么样的？我举个例子，像您用GPU算，如果用像分子动力学比较擅长的Anton 2 超算，这两种芯片对我们平台算力包括算法、时间有什么样的影响吗？
张扬：我们目前只能够在CPU加GPU的硬件平台上进行仿真，并且一张GPU卡在20Tflops单精度浮点计算以上的性能上，要搭配至少8个线程2.2GHz以上的CPU。CPU对数据进行打包分组，在GPU上进行重的计算。其他的计算平台、硬件平台我们暂时不支持，只支持CPU加GPU的平台。
张扬：十沣科技、南京天洑这两家主要是做计算流体。计算流体的公司还有前沿动力、苏州舜云，但它们用的是粒子群的仿真方法，不是通用的CFD求解器。所以，主要的竞争对手还是十沣科技和南京天洑这两家。国产开源平台有空气动力研究院做的“风雷”。
据我了解，中航工业系统内也有做得非常成熟的CFD，你们有没有了解过或者是和他们做过什么比较吗？
张扬：据我们了解，目前也有国内院所开发的仿真平台，主要针对的方法还是二阶精度有限体积或者格子玻尔兹曼。我们目前主要的切入点是二阶精度有限体积和格子玻尔兹曼没有办法非常好发挥出优势的领域，比如说DES、LES的高速仿真，GPU的大规模并行，在气动、噪声等领域。如果采用传统的算法，模拟时间基本上都是以月为单位，我们目前可以帮助消费者(用户)在采购4节点8卡GPU硬件的情况下，达到以工作日为单位，产出DES和LES的工业级仿真结果。
在国际上，你们有没有目标的对标软件？你觉得和它们差距大吗？
张扬：国际上主要是Ansys公司的FLUENT、CFX、NUMECA、CD-adapco公司的Star-CCM+ 和达索公司的POWERFLOW。
目前我们在通用的底层算法上，速度是比这些公司的产品二阶精度有限体积或和格子玻尔兹曼快的。但这些公司主要的优势在于有更广泛的燃烧、多相模型，以及更好的人机操作界面、图形图像处理等。这一方面我觉得需要我们国产软件公司特别是工业软件公司更长时间的积累。
本文根据嘉宾在【第六届中国航空创新创业大赛全国总决赛】上的发言整理、删减。(查看更多完整视频请扫描二维码)
