Wir haben vier Kollegen hier bei COMSOL um eine Vorhersage gebeten, wie das kommende Jahr in Bezug auf Modellierungs- und Simulationstrends aussehen könnte. Obwohl sie alle ihre eigenen konkreten Vorstellungen und Argumente haben, zeichnen sich in ihren Antworten drei zentrale Themen ab: eine Ausweitung der derzeitigen Nutzung der Simulation, schnellere Antworten durch Ersatzmodelle und Simulations-Apps sowie Interesse, größere Modelle zu erstellen. Lesen Sie hier, was sie über das Jahr 2025 und darüber hinaus zu sagen haben.
Prognose Nr. 1: Zurück zu den Basics, aber besser
David Kan zieht ausgerechnet eine Analogie zwischen Simulation und Mode heran. „Trends sind eine seltsame Sache. Trends blicken nicht nur in die Zukunft, sondern auch in die Vergangenheit. In der Mode wird oft Altes wieder neu: der Retro-Stil, der Vintage-Stil… In der Simulation passiert etwas sehr Ähnliches, wir kehren zu den Basics zurück und lösen mit den vorhandenen Werkzeugen schwierigere, bessere und anspruchsvollere Probleme. Mit diesem Fundament erstellen wir Modelle auf eine gründlichere Art und Weise, weil wir jetzt bessere Rechenwerkzeuge haben.“
Bedeutet das, dass er denkt, dass Modellierung und Simulation in der Vergangenheit stecken geblieben sind? Nein, ganz und gar nicht. David stellt klar, dass es dank der heute verfügbaren höheren Rechenleistung und GPU-Technologie möglich ist, Iterationen schneller als bisher durchzuführen. „Man bedenke, dass wir dafür über grundlegende Rechentechnologie als solide Basis verfügen“, fügt er hinzu.
Hardware und Software haben sich seit den frühen 2000er Jahren stark weiterentwickelt.
In diesem Sinne äußert sich auch Andrew Strikwerda: „Der größte Trend im Bereich Modellierung und Simulation, den ich bisher beobachten konnte, ist die Ausbreitung von Simulationen auf immer mehr Bereiche. Immer mehr Menschen sind an Simulationsergebnissen interessiert und immer mehr Menschen erkennen den Wert dieser Ergebnisse für ihre Arbeit“, so Drew.
Ruud Börger schließt sich dieser Meinung an. „Ich denke, dass sich Modellierung und Simulation im Jahr 2025 vielfältig weiterentwickeln werden. Wir sehen, dass es große Investitionen in der Halbleiterindustrie gibt, wo die großen Weltmächte ihre Lieferkette lokalisieren wollen. Wir sehen auch, dass es derzeit eine große Nachfrage nach Simulationen im Bereich der erneuerbaren Energien gibt“, sagt er. Ruud erwartet außerdem, dass die Simulationssoftware selbst einfacher zu bedienen sein wird, was zu ihrer weiteren Verbreitung beitragen dürfte.
Prognose Nr. 2: Schnellere Antworten durch Ersatzmodelle und Apps
Es lässt sich nicht leugnen, dass heutzutage alles schnell gehen soll. Wir wünschen uns Lieferungen am selben Tag, Highspeed-Internet und sofortige Zufriedenstellung. Dieselben Erwartungen werden natürlich auch an Simulationssoftware gestellt.
Andrew bringt das Konzept der Simulations-Apps zur Sprache und wie Nutzer der Software COMSOL Multiphysics bereits benutzerfreundliche Apps erstellen und diese zur allgemeinen Nutzung verteilen. Er fährt fort: „Wir werden mehr Apps sehen, die auf Ersatzmodellen basieren. Das sind Modelle, die man auf zugrundeliegenden Datensätzen trainieren kann, sodass man durch die Leistungsfähigkeit der neuronalen Netze, die man in COMSOL Multiphysics auf von COMSOL Multiphysics generierten Daten trainieren kann, sehr, sehr schnelle Ergebnisse erhält.“
Eine App, die dank eines Ersatzmodells blitzschnelle Ergebnisse liefert.
Ed Fontes stimmt zu und ergänzt: „Was ich derzeit als größten Trend sehe, ist die Möglichkeit, hochpräzise Ersatzmodelle zu erstellen. Wie das, was wir jetzt in COMSOL Multiphysics eingeführt haben: auf Deep Neural Networks basierende Ersatzmodelle. Und die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: Man kann sie für die Systemmodellierung, die Unsicherheitsquantifizierung und die Versuchsplanung verwenden. Dies erfordert eine große Anzahl von Simulationen, aber vollständige 3D-Modelle wären zu umfassend. Man investiert also im Grunde in die Ausführung dieser 3D-Modelle, um ein Ersatzmodell oder ein Lumped-Modell zu trainieren, und verwendet dieses dann für die Systemmodellierung oder zur Implementierung in eine App“, erklärt er.
Der allgemeine Workflow für das Training eines Ersatzmodells auf der Grundlage eines vollständigen 3D-Modells.
„Mit Apps möchte man die Antwort sofort haben. Es muss fast interaktiv sein“, fährt Ed fort. „Mit einem Ersatzmodell, das auf das vollständige 3D-Multiphysik-Modell trainiert ist, kann man die Antwort tatsächlich in Millisekunden erhalten. Und keiner erwartet in der heutigen Zeit, zehn Minuten auf die Ergebnisse warten müssen. Das ist der größte Trend: Auch wenn man es mit riesigen 3D-Modellen zu tun hat, erhält man die Antwort sofort.“
Zum Thema Apps sagt Ruud: „Immer mehr Menschen erstellen Simulations-Apps. Dadurch können auch Menschen, die keine Erfahrung mit numerischer Simulation haben, von den Vorteilen der Simulation profitieren. Ich denke, dass [im Jahr 2025] mehr Apps für die Nutzung von Simulationen eingesetzt werden.“
Prognose Nr. 3: Größere Modelle
Ruud erwartet außerdem, dass immer größere Modelle gebaut werden. Er erklärt, dass „früher nur einzelne Komponenten simuliert wurden, während heute Simulationen von mehreren Komponenten oder großen Teilen, etwa einer Fertigungsmaschine oder sogar eines vollständigen Hörgeräts, durchgeführt werden.“
Ein Akustikmodell eines vollständigen Hörgeräts.
Ähnlich äußert sich David, der der Meinung ist, dass „es darum geht, weiterhin mehr Rechenleistung und bessere Rechenalgorithmen zu entwickeln, mehr zu produzieren und den Ingenieuren mehr Möglichkeiten zu geben, viel, viel mehr Iterationen ihrer Simulationen durchzuführen. Und dadurch können sie mehr Informationen erhalten.“ Er fährt fort: “Menschen nutzen COMSOL aus vielen Gründen. Einer davon ist das Verständnis neuer Physik. Ein anderer ist die Nutzung für die Produktion, für die Forschung und Entwicklung und das Design. Und im Laufe der Zeit werden immer mehr Berechnungen durchgeführt werden müssen. Das ist die größte Entwicklung, die sich auch im Jahr 2025 fortsetzen wird.“
Ein Blick über 2025 hinaus
Und wie könnte die langfristige Zukunft über 2025 hinaus aussehen? Ruud und Ed überlegen, wie die breite Bevölkerung in Zukunft Simulationen nutzen könnte.
„Die langfristige Zukunft von Modellierung und Simulation ist natürlich schwer vorherzusagen“, antwortet Ruud. „Ich sehe, dass die Anwendungsmöglichkeiten von Simulations-Apps zunehmen. Im Moment werden sie von Design- und Fertigungsingenieuren genutzt. Ich denke, dass auch Verbraucher sie immer häufiger nutzen werden. Wenn Sie jetzt beispielsweise Ihr Haus streichen, gibt es eine Art Faustregel: Alle fünf Jahre streichen Sie die Wände, die der Sonne ausgesetzt sind. Aber vielleicht bekommt man in Zukunft beim Kauf von Farbe auch eine Simulations-App dazu, mit der man ein Foto seines Hauses machen kann und die dann im Hintergrund eine Simulation durchführt, um zu sehen, welche Bereiche in welchem Maße der Sonne ausgesetzt sind, und dann mit einer chemischen Simulation untersucht, wie lange diese Farbe hält und unter welchen Bedingungen und an welchen Orten“, erklärt Ruud.
Ruud ergänzt: „Es gibt viele Beispiele dieser Art. Wenn Sie etwa einen Router kaufen, wie sieht es dann mit dem elektromagnetischen Feld in jedem Raum Ihres Hauses aus? Wie viele brauchen Sie? Wo brauchen Sie sie? Ähnlich verhält es sich mit der Akustik von Lautsprechern. Ich denke, es wird viele Verbraucheranwendungen geben, bei denen wir derzeit noch nicht wissen, dass sie möglich sind, aber ein großer Bedarf dafür besteht. Und ich denke, dass diese Nachfrage in Zukunft gedeckt werden wird.“
Ed vermutet, dass die langfristige Zukunft von Modellierung und Simulation in die gleiche Richtung gehen würde wie die Trends von 2025. „Diese neuen Methoden, diese neuen Fähigkeiten, tatsächlich sofort eine Antwort zu erhalten, werden Simulationen nützlicher machen“, sagt er. In Bezug auf einen Artikel über Landwirte, die Simulations-Apps zur Vorhersage der Frische von Obst und Gemüse verwenden, fährt er fort: „Vor zehn Jahren hätte niemand erwartet, dass Modellierung und Simulation mal für diese Art von Anwendung eingesetzt werden. Das war zu aufwendig. Wer würde so etwas auf einem Supercomputer laufen lassen? Jetzt kann man es einfach auf einem Server laufen lassen und es benötigt nicht viel Strom.“
„Mit diesen neuen Technologien und mit Ersatzmodellen und dergleichen werden viel mehr Verbraucheranwendungen aufkommen, bei denen man Dinge im Voraus wissen und vorhersagen möchte, und hier können Modellierung und Simulation mit Prüfmodellen gute Dienste leisten. Wir werden diese Art von Apps nicht entwickeln, aber unsere Kunden werden das tun. Es handelt sich also um sekundäre App-Nutzer. Und das haben wir bereits vor zwanzig Jahren vorausgesehen.“
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