GPU加速仿真和AI渲染，革新沉浸式设计工作流程

通常在CAD软件中，工作站计算能力及图形处理能力的提高，也将概念设计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），用户已能够很快对CAD建模结果进行渲染，以照片级写实的模式查看其设计，并从美学角度进行审视。这种近乎即时的反应能力让设计师能够实现快速修改。在功能足够强大的工作站上，用户甚至可以在完全渲染的模式下执行几何造型和建模操作，同时保持与模型的交互。

但是仿真和渲染这些计算密集型的操作也阻碍了其交互性。工程师们解除阻碍的方法之一是将仿真和渲染作业设置为在周末和下班后启动，这样就不会干扰正常的设计工作流程。但是，设计软件领域的最新进展表明，有一些新的方法能够突破仿真及可视化领域的这些瓶颈。

交互式仿真

软件驱动型的仿真通常在有限元分析(FEA)程序中以像素和字节为单位进行，并不像实体产品测试那样耗费时间和人力，且不要求细致的设置和清除。尽管如此，鉴于其计算成本，工程师们往往很少使用数字仿真。FEA程序给计算系统（尤其是CPU）带来了沉重的负担。一些工作站在处理复杂仿真场景时突然停止工作的情况也并非罕见。在仿真时进行移动、旋转或修改模型的操作也并非明智之举。因为即使是细微的调整也会导致重新计算，会大大延长运行时间，甚至造成宕机。

但是2月份推出的ANSYS Discovery Live改变了这一现状。据ANSYS公司介绍，“ANSYS Discovery Live提供即时三维仿真，能够与直接几何建模紧密结合，实现交互设计探索及产品快速创新。这是一种交互式的体验，用户能够调整几何结构、材料类型或物理输入，并即时查看呈现效果。”

该软件利用NVIDIA GPU并行处理能力，有效地实现了仿真的实时可视化。NVIDIA仿真软件战略负责人Baskar Rajagopalan表示:“在NVIDIA CUDA编程平台上，Discovery Live将设计仿真工作流程从几天缩短到了几小时、甚至几秒。”

GPU并行处理能够即时显示复杂的流体流动和热结果 – 图片由ANSYS提供

该程序支持结构、流体动力学和热仿真。这种网格化过程是自动化的，它主要面向新手和在仿真领域经验有限的用户。它发生在后台，极少需要、甚至完全无需用户干预。简单且直观的界面和设置也是为了吸引更广的用户群体，而非像从前一样仅面向仿真领域的专家。

ANSYS Discovery Live需要一个拥有4GB显存和最新图形驱动程序的NVIDIA GPU。推荐选择NVIDIA Quadro P4000, P5000, P6000或GP100产品线的专业图形工作站。联想、惠普、戴尔等领先的系统供应商均配备了Quadro GPU的工作站和专业ISV的认证。

“ANSYS Discovery Live释放了NVIDIA GPU和CUDA并行计算的力量，首次实现了同时进行可视化和仿真的实时设计环境，”NVIDIA专业可视化副总裁Bob Pette表示，“我们致力于与ANSYS合作，在新产品的设计与制造方式层面取得新突破。”

除了ANSYS Discovery Live，使用GPU进行仿真的优势也得到了业界认可——特别是在计算流体动力学(CFD)操作中。大量存在的并行计算使其更适合采用GPU进行加速。ANSYS Fluent正是其中一个支持GPU加速的CFD软件。

ANSYS称：“AmgX是NVIDIA开发的GPU加速求解器库，通过将GPU添加到现有的集群和工作站中，工程师能够将解决问题所需的时间缩减50%。此外，与只使用CPU的解决方案相比，GPU的能耗也更低。”

AI加速渲染

除仿真之外，照片级写实的渲染可以说是产品设计中计算最密集的操作。虽然以前照片级写实的渲染往往被视为“华而不实”，但如今，逼真的效果图已成为关键设计评审中的一部分，尤其是对于汽车制造商。AR和VR设备的日益普及也体现出实时、即时渲染的需求将很快成为常态。

NVIDIA的AI加速渲染技术专门针对去噪运算，计算并解决光线反射和粒子位置的问题，确保所构建的物体在物理层面的精确度。

现有的高质量去噪算法每帧需要花费几秒到几分钟的时间，因此不适合交互式应用程序。在图像完成最终渲染前，NVIDA Iray AI能通过部分完成结果预测最终图像，并制作精确、逼真的模型。SOLIDWORKS CAD软件的内置渲染工具SOLIDWORKS Visualize支持GPU加速。

在今年的SOLIDWORKS Word大会上，NVIDIA在SOLIDWORKS Visualize中演示了NVIDIA Optix 5.0全新AI去噪功能。SOLIDWORKS用户能借助此功能使其设计速度提高10倍。

SOLIDWORKS 2019功能预览，可以清楚展示SOLIDWORKS Visualize基于NVIDIA GPU的AI去噪功能 - 图片由SOLIDWORKS提供

“在SolidWorks World 2018上，我测试了SOLIDWORKS Visualize预览版，并对此留下了深刻的印象”，戴尔行业策略师Scott Hamilton表示，“多年来，我使用了许多基于物理的渲染系统，完全处理图像像素所需的时间问题一直存在。AI去噪功能解决了这个问题。AI去噪的加速大大缩短了项目周期。”

加快产品开发

在包括汽车和航空制造业等许多行业中，行业佼佼者倾向于尽可能多地在数字领域进行仿真和验证。面对更复杂的需求，降低成本和加速产品开发的双重愿望使得这个倾向更加明显。

COMSOL产品管理副总裁Bjorn Sjodin表示，“汽车配备摄像头、传感器、触屏、计算机和其他电子设备的需求日益增加，现代汽车变成了大型智能手机。”

在航空航天领域，制造商与美国联邦航空管理局合作，以实现对大量（且昂贵）的物理测试进行仿真。另一方面，制造商也在模拟新技术的影响，如通过生成式设计和增材制造实现轻量化。

“我们将创新设计、形状优化和先进制造技术相结合，这对于下一代更省油、更可持续发展的飞机来说绝对是必不可少的，”空中客车公司创新经理Bastian Schaefer说道。

这些新设计需要进行仿真，以尽可能高效地进行制造，同时确保安全、并节省相关物理测试成本。因此，工程师对仿真和可视化的依赖性将会增加。GPU加速仿真和基于AI的渲染，缩短了设计周期，大大革新了沉浸式设计工作流程。