電動車和自動駕駛車輛仰賴模擬來加速開發和提高安全性。
在致力於讓更多電動車 (EV) 和自動駕駛車輛 (AV) 上路的競賽中，縮短上市時間可能是一項巨大的競爭優勢，這意味著汽車工程師必須把握每分每秒。
雖然仰賴模擬來加速研發和最佳化的週期並提高產品安全性並不是什麼新鮮事，但過去的單核心運算環境難以因應複雜的 EV 和 AV 設計所需的大規模硬體密集型運算模型。
在針對數百萬種情境中車輛元件的交互作用建立模型，或模擬先進駕駛輔助系統 (ADAS) 時，傳統的處理方法可能太過耗時。因為各種限制 (無論是軟體或硬體相關的限制) 都可能會分散工程師的注意力，因此 Ansys 不斷探索如何為不同的求解器提供最佳的 CP 值。Ansys 與汽車軟體和作業系統開發、人工智慧 (AI) 運算和雲端解決方案領域的一些知名企業合作，成功展示了如何提供高可靠度模擬，有時速度甚至比以往快 53 倍。
突破極限
雖然電動車和內燃機 (ICE) 車輛都非常依賴軟體，但電動車通常努力突破軟體定義功能的極限。
考慮關鍵任務系統，例如電子控制單元 (ECU)。由於這些裝置負責管理引擎的運作、安全措施、煞車系統、快速入口和駕駛舒適度，因此必須能即時回應事件。這項需求使得工作分配和同步成為嵌入式軟體工程師開發程式碼時的重要考量。
此外，ECU 必須符合 AUTOSAR，即 AUTomotive Open System ARchitecture，車輛開放系統架構。AUTOSAR 是汽車製造商和軟體公司的全球開發合作夥伴關係，旨在為汽車 ECU 建立標準化軟體架構。
這些密集運算的挑戰不僅需要更複雜的軟體工程，解決這些挑戰本身就是一個緩慢的過程。Ansys 與 AUTOSAR 專家 Elektrobit 的合作，提供了簡化 ECU 開發的新方法。而且其效力之高，在實際的測試案例中，它將處理時間縮短了 60%。
透過結合能自動產生符合程式碼軟體的 Ansys SCADE 嵌入式軟體產品系列，與 Elektrobit tresos Safety 作業系統 (確保符合 AUTOSAR 標準的軟體堆疊)，兩家公司建立了一個自動化程序，在多核心環境產生和驗證嵌入式軟體核心。這種方法可最佳化工作的同步和排序，產生經驗證的軟體程式碼，並在滿足 AUTOSAR 嚴格標準的同時，盡量降低投入的時間、金錢和運算資源。
作為證明，Ansys-Elektrobit 團隊對電池管理系統 (BMS) 進行了測試。BMS 對於確保電動車的安全運作至關重要。它們負責監看和控制參數，例如電池電壓、溫度和充電狀態 (SOC)，以防止熱失控、過度充電和其他潛在危險。
眾所周知，由於物理、化學和電子過程複雜的交互作用，此系統的模擬難度極高。
在 BMS 測試案例中，在單一處理核心上進行運算的執行時間為 4.64 毫秒。然而，在多核心環境中，相同的運算只需 1.9 毫秒，亦即處理時間縮短了 60%，為負擔過重的軟體工程團隊節省了大量成本，也是加快上市速度的關鍵。
使用 HPC 叢集
雖然正確的軟體和多核心環境可以加速嵌入式軟體工程師的創新工作，但對於許多其他的工程師來說，實現加速模擬的解答在於高效能運算 (HPC) 叢集，互連的電腦協同工作以解決單一問題。
HPC 環境可以高速處理大量資料並執行複雜的運算，主要是透過在整個處理陣列中分配工作的方式。但即使具備這些優勢，還是有可能需要大量的執行時間才能跟上汽車使用案例。此外，HPC 叢集通常很昂貴且會迅速地過時。因此出現了兩種替代方案：使用圖形處理器 (GPU) 運算，或是使用由不斷更新的雲端所驅動的多個特定應用求解器。
正面偏位耐撞性評估是 Ansys LS-DYNA 非線性動力學結構模擬軟體的常見應用。
使用 GPU
GPU 原本設計用於圖形渲染，但其高度平行的架構和同時執行數千個獨立運算的能力，使其廣泛適用於多種應用。包括提高計算流體動力學 (CFD) 模擬的處理量。
Ansys Fluent 流體模擬軟體廣泛用於汽車設計，用於建模和分析流體現象。Fluent CFD 以其高效的 HPC 功能聞名，可擴充至數千個中央處理器 (CPU) 核心。然而，為了確定最佳的運算環境以加速求解器的模擬，Ansys 最近與 NVIDIA 和 Supermicro 一起參與了一項關於外部汽車空氣動力學的基準研究。這些公司的研究發現證明，GPU 型運算可以為 CFD 等複雜模擬大幅提升效能。
模擬模型涉及車輛外型的詳細呈現，以 2 億 5 千萬個單獨的網格來定義幾何形狀。這種詳細程度對於準確捕捉車輛周圍的複雜流動模式至關重要，會顯著影響其空氣動力效能。
我們的 HPC 合作夥伴 MVConcept 使用四個 NVIDIA H100 GPU 執行大型渦流模擬 (一種用於模擬紊流流動的 CFD 技術) 時，速度是 512 個 CPU 核心的 12.6 倍。若將 GPU 數量翻倍到八個，則求解時間幾乎縮短一半。從 12.6 倍到 24.2 倍的線性趨勢顯示，增加更多 GPU 可以持續大幅改善求解時間。
線性擴充意味著， Ansys Fluent使用四個 NVIDIA H100 GPU 上實現的 12.6 倍加速，幾乎會在使用八個 NVIDIA H100 GPU 時翻倍至 24.2。
求解時間加快
Ansys、NVIDIA 和 Supermicro 也合作進行基準研究，以評估配備 NVIDIA Grace CPU超級晶片的 Supermicro ARS-121LDNR 運算環境中的 Ansys LS-DYNA 非線性動力學結構模擬軟體。
LS-DYNA 軟體是一種顯式模擬應用程式，亦即它主要用於分析突發影響，例如碰撞、摔落、爆炸和其他嚴重負載事件。它產生了一些現今執行過數一數二規模最大的模擬，使用由數百萬個元素或節點組成的模型來評估數百個虛擬測試情境。NVIDIA Grace CPU Superchip 是一款全新的處理器，專為資料中心規模的運算所設計，相較於傳統 CPU，效能有顯著提升。
此研究涉及再現虛擬正面車輛碰撞，以評估車輛撞擊偏位變形障礙物時的安全合規性。利用這種強大的軟硬體組合可使速度提升 4 倍。
透過 NVIDIA Grace CPU Superchip，使用 LS-DYNA 軟體的工程師可大幅縮短求解時間，評估更多碰撞情境，從而提高安全性，並減少實體測試的時間和費用。
以 AI 的速度預測
模擬也可用於提升 AI 訓練的速度。AI 的訓練速度越快，這些模擬也會變得更加快速準確。Ansys AI 產品包括適用於現有模擬產品的 Ansys SimAI 平台和 Ansys AI+ 附加模組。
結合 AI 和模擬可利用先前設計階段或前代車輛所使用的 CFD 模擬，即使幾何結構不一致也能加速預測各設計變更的空氣動力性能，且速度可提升 10 至 100 倍。
結合模擬軟體、AI 和 HPC，成果更令人刮目相看。在與 NVIDIA 和 Supermicro 合作進行的基準測試中，Ansys optiSLang AI+ 最佳化軟體的速度大幅提升。透過使用從可能需要數日才能建立的小型參數設計研究中衍生的模擬資料來訓練 optiSLang 軟體，使用不同變數的多個 AI 模型可以在幾分鐘或幾秒鐘內完成執行。基準結果的計算方式是在 12 個 CPU 核心和 8 個 GPU 上使用 HFSS 軟體進行模擬，找出兩個 5G 毫米波天線模組產生 80 個設計點所需的時間。當使用 optiSLang AI+ 模型計算產生相同數量的設計點所需的時間時，基準測試驚人地顯示速度提升 1600 倍。
滿足複雜性的需求
提升效能至關重要，超越競爭對手的速度也一樣重要。但是就深入的汽車產品研究而言，固定運算基礎架構可能缺乏進行大型模擬的容量，或需要數天、數週甚至數月的時間才能獲得高傳真度的結果。雖然市面上有升級選擇存在，但必須平衡成本與預算限制的考量，可能會使許多工程部門無法採用這些選擇。
為了最佳化執行時間和成本，Ansys 與雲端服務供應商 Amazon Web Services (AWS) 合作，提供採用 AWS 雲端工程解決方案的 Ansys Gateway，這是一個專為滿足複雜模擬需求而建構的可擴充平台，具有隨插即用的簡單性。
透過採用 AWS 技術的 Ansys Gateway 解決方案，產品開發團隊可以在雲端輕鬆且有效率地解決大型複雜問題。訂閱者可以靈活且經濟實惠地取得最先進的一流軟體 (包括一些預先設定以供輕鬆部署的軟體) 和硬體，並從一系列可用的處理器類型、處理核心和節點組態中進行選擇。採用 AWS 技術的 Ansys Gateway 解決方案使 Ansys 模擬軟體能夠同時在數千個電腦處理器上執行。這可大幅加快模擬速度，而不需要昂貴的硬體或增加成本。
為了確認採用 AWS 技術的 Ansys Gateway 解決方案之效能，Ansys 使用 LS-DYNA 軟體完成了兩項研究。其中使用了三輛車正面撞擊模擬的模型，包含超過 2000 萬個元素。Ansys 發現在使用雲端時，組態很重要。與 Amazon EC2 c6i.32xlarge 和 Amazon EC2 c5n.18xlarge 實例類型相比，AWS 實例類型 Amazon EC2 hpc6a.48xlarge 能以更低的成本更快實現成果。透過最佳化的雲端組態，Ansys 發現使用者能以更低的成本實現最多快 11 倍的模擬執行時間。
由於 Ansys 軟體與 AWS 雲端緊密整合，並與雲端中的其他模擬工作流程工具一併執行，因此工程師可以避免在平台之間來回切換以完成工作。因此，採用 AWS 技術的 Ansys Gateway 解決方案不僅能縮短求解時間，還能簡化工作提交、交接和其他程序步驟。
效率、強大、快速
使用 GPU Supercomputing 加速創新
Ansys 最近宣佈了另一項令人興奮的里程碑，也就是與 NVIDIA 和德州先進運算中心 (TACC) 合作實現的 CFD 模擬。這項工作涉及在 TACC 的 Vista 超級電腦上使用 320 個 NVIDIA GH200 Grace Hopper Superchip 節點，執行高度複雜的汽車外部空氣動力學模擬。
此模擬針對 24 億網格的模型取得了非凡的成果，包括比傳統 CPU 型方法的速度提高 110 倍，效能相當於超過 225,000 個 CPU 核心。這項突破將模擬時間從將近一個月縮短到僅僅六個多小時，重新定義了夜間進行高保真度 CFD 分析的潛力，並協助在業界樹立全新標準。
對於從事工程和產品開發的人來說，這項 GPU 驅動的躍進不僅加快產生結果的速度，還有助於邁向規模和複雜度前所未有的模擬，有望帶來先前無法觸及的深入見解。
工程師意識到模擬比建立原型更有效率。但 EV 和 AV 等精密車輛比前代車輛需要更多的運算資源。透過大幅縮短求解時間，Ansys 讓汽車工程師有能力評估更多安全駕駛情境，同時減少實體測試的時間和費用。
深入瞭解
下載電子書《如何使用統包式硬體系統加速 Ansys 多重物理量模擬軟體》。
