有沒有辦法提前識(shí)別問題？提前知道手機(jī)這么設(shè)計(jì)容不容易摔壞？為什么容易摔壞？?jī)?yōu)化哪個(gè)地方能避免摔壞？這不是異想天開，而是有可能的，解決問題的關(guān)鍵就在于兩個(gè)字——仿真。

我們的手機(jī)摔在地上會(huì)壞嗎？在信號(hào)太差的地方通話會(huì)斷線嗎？聽音樂時(shí)音調(diào)太高會(huì)刺耳嗎？

以前，回答這些問題的唯一辦法就是測(cè)試。比如2014年，為了保證Mate7的高品質(zhì)，我們不斷用樣機(jī)來做跌落測(cè)試，每次十臺(tái)，從1米多高摔到大理石地面上，根據(jù)結(jié)果改方案、開模、試制，繼續(xù)跌。用了兩三個(gè)月，摔壞幾百臺(tái)手機(jī)才達(dá)成可靠性要求。

可這樣的“體檢”費(fèi)時(shí)費(fèi)力，只能亡羊補(bǔ)牢，不僅延長(zhǎng)了開發(fā)周期，也增加了開發(fā)成本。有沒有辦法提前識(shí)別問題？提前知道手機(jī)這么設(shè)計(jì)容不容易摔壞？為什么容易摔壞？?jī)?yōu)化哪個(gè)地方能避免摔壞？

這不是異想天開，而是有可能的，解決問題的關(guān)鍵就在于兩個(gè)字——仿真。


仿真是什么？說白了就是一種模擬，比如手機(jī)從1米高的地方跌落下來，速度太快，肉眼看不到跌落瞬間，不知道為什么手機(jī)會(huì)壞。而仿真根據(jù)圖紙，建立虛擬模型，可以在計(jì)算機(jī)里提前模擬手機(jī)跌落過程，計(jì)算出哪些器件受力最集中、可能會(huì)損壞，從而對(duì)開發(fā)提出優(yōu)化建議。

這種未卜先知給手機(jī)“算命”的能力，能代替真實(shí)的測(cè)試，可前提是仿真精度足夠高，能做到所見即所得，仿真速度也足夠快，能及時(shí)給開發(fā)提供“炮彈”。

所以，我被幾百臺(tái)Mate7砸出心頭血后，就立志要提升華為的仿真能力，我給結(jié)構(gòu)仿真團(tuán)隊(duì)布置了任務(wù)：把仿真精度提升至90%，把仿真時(shí)間從一周縮短至1天。大伙瞪大了眼睛，面面相覷：“這不可能吧，業(yè)界誰(shuí)也達(dá)不到這種水平。”我說：“一年不可能就兩年，兩年不可能就三年，一定要拿下！”

但這個(gè)要求我不只是對(duì)結(jié)構(gòu)仿真團(tuán)隊(duì)提出來的，也希望天線、音頻、熱學(xué)、光學(xué)仿真都能做到。于是，我們開始了整體仿真技術(shù)的提升之路。

 

招兵買馬，把能力提上去

為了達(dá)成目標(biāo)，我們先得找尋“外腦”，構(gòu)建起一支真正有能力有水平的隊(duì)伍。

2014年校招，我去浙江大學(xué)招聘博士，當(dāng)時(shí)華為手機(jī)品牌還沒有足夠的號(hào)召力，我講了一個(gè)多小時(shí)口干舌燥，最后滿懷期待地問：“哪位博士想來做仿真？舉個(gè)手吧！”現(xiàn)場(chǎng)沉寂，沒有一個(gè)人舉手，場(chǎng)面一度尷尬。我解釋說：“華為是一個(gè)有理想的公司，我們的目標(biāo)不只是手機(jī)從1米多高的地方摔下來摔不壞，而是做到手機(jī)自動(dòng)優(yōu)化、設(shè)計(jì)！仿真大有可為，真心希望你們能來，和我們一起實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想。”

也許是看到了我們的誠(chéng)懇，最后，兩個(gè)博士留了下來，之后越來越多的人才加入我們，目前仿真實(shí)驗(yàn)室博士占了近一半。他們來了以后，專攻仿真的三大難題：第一，研究實(shí)現(xiàn)仿真精度和自動(dòng)化的算法；第二，算出每個(gè)器件在什么樣的受力、濕度、溫度場(chǎng)等變化下會(huì)損壞；第三，研究每種器件和材料的特性。

對(duì)內(nèi)，我們與2012實(shí)驗(yàn)室、芬蘭研究所、美國(guó)研究所等頂級(jí)專家組成技術(shù)項(xiàng)目組，對(duì)外，與美國(guó)伊利諾伊大學(xué)、密蘇里科技大學(xué)等知名高校建立朋友圈。比如，我們和世界頂尖的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室合作，共同測(cè)定終端產(chǎn)品材料的高速力學(xué)性能，建立了電子行業(yè)最先進(jìn)的材料動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)庫(kù)。

在硬件上，我們大膽投入采購(gòu)設(shè)備：在結(jié)構(gòu)仿真領(lǐng)域，建立高精度的靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、材料動(dòng)態(tài)疲勞性能實(shí)驗(yàn)環(huán)境，支持仿真在材料壽命預(yù)測(cè)上持續(xù)領(lǐng)先；在天線仿真領(lǐng)域，建成全世界精度最高的暗室，真正把天線測(cè)試做到極致；在電磁仿真領(lǐng)域，為了給地球磁場(chǎng)“把脈”，定制了直徑1.1毫米的類地球線圈，精準(zhǔn)控制中心點(diǎn)的磁場(chǎng)大??；在熱仿真領(lǐng)域，開發(fā)出全場(chǎng)景熱仿真評(píng)估系統(tǒng)，評(píng)估時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)……

這就是華為的基因，一旦認(rèn)準(zhǔn)某個(gè)技術(shù)對(duì)消費(fèi)者有意義，公司愿意投入，讓業(yè)界最優(yōu)的人才、資源為我所用。

 

“行啊！仿真有兩把刷子！”

到了2016年，我們?cè)诜抡婢壬嫌辛送黄?，在結(jié)構(gòu)仿真領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)90%的定量精度。這意味著，仿真擁有了給產(chǎn)品設(shè)計(jì)“算命”的能力，可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的問題，并給出解決方案。

但自說自話可不行，怎么讓大家相信這不是吹牛？

在一款Mate手機(jī)的試制階段，雙攝像頭出現(xiàn)跌落后無法對(duì)焦、拍照模糊的情況，基本每十部樣機(jī)就有8部要出問題。我們“解剖”手機(jī)后發(fā)現(xiàn)，攝像頭馬達(dá)上的彈片裂開了，導(dǎo)致光軸偏移，無法對(duì)焦。單攝只有一個(gè)攝像頭，光軸偏了也能拍得清，但雙攝就不行，兩個(gè)攝像頭要同時(shí)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)畫面，兩個(gè)光軸必須平行，偏移不能超過0.1毫米。

質(zhì)量部門和攝像頭廠商多次溝通解決方案，對(duì)方擺擺手，一臉無奈：“沒辦法啊，從這么高的地方摔下來，裂開是正常的，不裂才是奇跡。”

項(xiàng)目一度陷入了僵局，這個(gè)問題不解決，雙攝只能成為泡影，手機(jī)就失去了一大“殺手锏”，競(jìng)爭(zhēng)力大打折扣。眼瞅著這么好的設(shè)計(jì)就要打水漂了，我拍著胸脯保證：“仿真能搞定！”

既然夸下?？?，就能拿出真本事。我們根據(jù)設(shè)計(jì)圖，建構(gòu)雙攝像頭的虛擬模型，細(xì)致到連40微米厚的彈片邊緣都一清二楚。然后用計(jì)算機(jī)模擬跌落全過程，仿真軟件根據(jù)力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算，得出跌落瞬間不同零部件的受力值。在生成的跌落動(dòng)畫中，0.1秒的跌落瞬間被無限拉長(zhǎng)，我們可以像看電影一樣，一幀一幀地看每個(gè)零部件、不同位置受力值的變化。

這些不同壓力區(qū)域會(huì)顯示為不同顏色，當(dāng)受力超出風(fēng)險(xiǎn)會(huì)告警為紅色，看起來像是動(dòng)態(tài)的氣象云圖。仿真結(jié)果一下把“癥結(jié)”揪出來了——攝像頭馬達(dá)彈片拐彎的點(diǎn)顯示為紅色，壓力最大，但只要調(diào)整一下彈片形狀和拐彎角度，就能改變力的傳遞，使攝像頭不會(huì)摔壞。很快，我們就給出了精確的“治療方案”，并最終驗(yàn)證通過。

整個(gè)過程行云流水，一氣呵成?？吹嚼_了一兩個(gè)月的問題，就這么三下五除二輕松解決了，結(jié)構(gòu)工程師大跌眼鏡：“行啊！仿真有兩把刷子！”


阻止全面屏“吃”信號(hào)

不僅如此，華為手機(jī)信號(hào)好，最主要的是天線性能好，可天線極為敏感，稍微動(dòng)一下主板的布局、手機(jī)的外殼，信號(hào)就千差萬(wàn)別，所以仿真的“出場(chǎng)率”也越來越高。

比如，全面屏手機(jī)用起來很爽，卻給天線帶來麻煩：屏幕的ITO（氧化銦錫）層和FPC（柔性板）進(jìn)入“天線凈空區(qū)”，原本性能滿分的天線，加上屏幕后信號(hào)卻被“吃”掉了一半。

為了全面屏的驚艷設(shè)計(jì)，就要犧牲信號(hào)質(zhì)量？天線工程師當(dāng)然不甘心：是時(shí)候召喚出仿真“神器”了！

天線仿真團(tuán)隊(duì)一步步庖丁解牛，研究屏幕的建模方法。屏幕是手機(jī)中最大的一塊模組，看似簡(jiǎn)單卻內(nèi)有乾坤，觸摸層和顯示層都有很復(fù)雜的走線，走線寬度只有幾微米，厚度只有幾百納米。想精確地計(jì)算出屏幕的電流分布，建起一個(gè)完整的屏幕模型幾乎不可能。

既然一步到位搞不定，分步走行不行？我們想出了等效建模方案，把整個(gè)屏幕拆分成玻璃蓋板、觸摸面板、顯示面板等，然后分別等效建模，達(dá)到“1+1=2”的效果。

一般來說，銅皮能起到隔離天線和屏幕的作用，但要貼多大范圍，覆蓋哪些位置？在仿真中，我們計(jì)算出各種方案對(duì)天性性能的影響，開出了“處方單”：在中框上貼銅皮，并標(biāo)明銅片形狀、覆蓋范圍、接地方式等。經(jīng)過驗(yàn)證，天線性能改善明顯，被“吃”掉的信號(hào)全吐出來了！

讓我們驕傲的是，參與仿真的所有天線都達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，消費(fèi)者在享受全面屏帶來的視覺美感的同時(shí)，也擁有了杠杠的信號(hào)質(zhì)量。

除此，在音頻、電磁、熱學(xué)等各領(lǐng)域，仿真也都成了“香餑餑”：音頻仿真模擬了手機(jī)在360度空間中立體的聲場(chǎng)分布，優(yōu)化了各腔體的出音設(shè)計(jì)、輸入信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)“隱形”立體聲的功能；電磁仿真模擬靜電放電，針對(duì)接電話、拔插耳機(jī)線等不同場(chǎng)景對(duì)癥下藥，馴服了手機(jī)中來無影去無蹤的靜電……


仿真技術(shù)“唯快不破”

仿真出馬機(jī)會(huì)越來越多，可速度還跟不上開發(fā)周期，常常有開發(fā)人員追著我們要仿真結(jié)果。所以，我們一直在想辦法，把原本由人完成的建模和數(shù)據(jù)分析工作交給機(jī)器，實(shí)現(xiàn)仿真自動(dòng)化。

要讓計(jì)算機(jī)自己“畫”模型沒那么容易。簡(jiǎn)單的二維圖像，電腦程序很容易識(shí)別，但手機(jī)是三維立體的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果不告訴機(jī)器，機(jī)器怎么知道手機(jī)的“眼睛”在哪兒，“鼻子”在哪兒？只能抓瞎，畫出非常粗略的模型。

這個(gè)難題一度成為瓶頸。但我覺著，不能只盯著眼前，要抬頭看業(yè)界，只要有借鑒意義的都可以拿過來試。一次，我和Z高校的一個(gè)博士聊天，無意聽他說起正在讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別土方車，阻止車進(jìn)入限定區(qū)域。我眼睛一下就亮了：“既然可以識(shí)別土方車，那識(shí)別手機(jī)里的音箱、麥克風(fēng)不也小菜一碟嗎？”

我們很快和Z自動(dòng)化研究所合作，掌握了三維模型識(shí)別的技術(shù)，并在這個(gè)基礎(chǔ)上優(yōu)化。機(jī)器要足夠聰明，必須不斷學(xué)習(xí)。常規(guī)方法是人不停地給機(jī)器“喂”案例，把機(jī)器養(yǎng)大，但我們創(chuàng)新地把三維模型識(shí)別技術(shù)和仿真平臺(tái)結(jié)合起來，只要平臺(tái)蹦出案例，機(jī)器就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，把建模過程進(jìn)一步智能化。

此外，仿真數(shù)據(jù)的分析也耗時(shí)費(fèi)力。比如做一輪整機(jī)的結(jié)構(gòu)仿真要做26個(gè)跌落方向，會(huì)產(chǎn)生26個(gè)計(jì)算結(jié)果，每個(gè)結(jié)果都有幾十個(gè)G的數(shù)據(jù)。如果一個(gè)個(gè)打開看，找具體哪里的數(shù)值比較高，判斷是不是超過了風(fēng)險(xiǎn)，速度太慢。所以，我們定義了分析數(shù)據(jù)的規(guī)則，讓程序自動(dòng)分析計(jì)算結(jié)果，并通過優(yōu)化算法，改變一個(gè)CPU分析一個(gè)作業(yè)的做法，同一時(shí)間用幾十個(gè)CPU來分析同一個(gè)作業(yè)，幾十倍地提升了效率。

這樣一來，做一次仿真只要不到12個(gè)小時(shí)，今年會(huì)縮短至8小時(shí)，架構(gòu)設(shè)計(jì)今天提出一個(gè)想法，仿真當(dāng)天就能給預(yù)測(cè)結(jié)果，保證設(shè)計(jì)快速優(yōu)化，趨近極致，這在其他公司是根本無法想象的。


不同于產(chǎn)品技術(shù)，在產(chǎn)品上不能一眼看出仿真技術(shù)的水平，但它卻能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)，支持華為在研發(fā)能力上快人一步，具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。希望在不久的將來，只要提設(shè)想，機(jī)器就能自動(dòng)設(shè)計(jì)出性能最好的產(chǎn)品，給消費(fèi)者帶來最好的體驗(yàn)。

以上文章被中國(guó)計(jì)算網(wǎng)收錄于2018年12月5日，轉(zhuǎn)自https://bbs.hupu.com/21817901.html，歡迎CAE與計(jì)算機(jī)行業(yè)人士投稿于中國(guó)計(jì)算網(wǎng)
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