精準分析，用CUDA打造建築成為家庭與事業發展的堅固堡壘

堅固的建築物如住宅大樓，可以為人們遮風避雨；橋樑、公路等也能促進交通系統運作，這些建築在設計施工時，都必須考量許多外在環境因素，確保建築物在遇到各種天災時受到的損害可降至最低。以台灣為例，位處環太平洋板塊地震帶上，地震活動相當頻繁，建築物必須克服頻繁的地震，才能保障結構物內部的生命財產安全無虞。

精準研究結果有助於建築抗震法規的制定

國立台北科技大學土木工程系副教授楊元森博士指出，建築物的結構設計是依循相關法規，而目前耐震相關規範也會依最新耐震科技與相關研究成果而不斷更新。「結構工程師設計房屋時，是遵循法規訂立標準而設計的，而法規制定的參考依據，是國內外對於最新工程技術與電腦模擬技術而進行各種實驗測試與研究成果。」

地震工程專家與學者不斷努力的目標，就是要打造出震災發生時，建築結構具有小震不壞、中震可修，以及大震不倒的特性，但目前現行的設計規範與研究階段中的設計方法，對於大震不倒的分析模擬方法，一直難以建立完整而可靠的論述。由於模擬結構崩塌行為的非線性動力分析非常繁瑣，大規模的模擬分析需要非常龐大的運算能量，而簡單的小規模數值模型又不易用來闡述結構細部行為，使得許多新一代的耐震設計觀念不易推行。

工程分析仰賴龐大資料運算，精準與效率無法兼得

楊元森教授表示，建築工程研究上常用到的非線性動力分析，就是用來測試建築結構受到地震侵襲時，結構可能產生的破壞行為。進行分析模擬時會將測試建築結構切分成較細緻的元素網格，再模擬各種不同類型的地震情況，了解結構在遇到各式地震時受力狀況與變化，進而了解到建築物遭遇各種地震時，設計出來的建築結構是否禁得起地牛考驗，例如發電廠結構遭受到相當於七級地震的侵襲時，各部位的損壞程度，進而評估是否會影響承載的發電機組運作。

「越詳細的分析結果其參考價值越高，對法規制定也更有幫助，而要有詳細的結果，需要輸入更精準的材料參數，同時也要將分析結構切分成更細小的模型，才能獲得更精準的分析結果。另一方面，若要追求高精準度的複雜分析，也得耗費很多的時間去運算。從務實角度來看，雖說詳細的分析結果對房屋抗震設計有很多幫助，但花費過多時間在等待電腦分析，也可能會延誤工程進度。因此崩塌行為的非線性動力複雜分析必須要借助龐大的運算能力，讓工程師在有限的時間內分析出安全可靠的建築結構。」

CUDA融入工程研究，結構分析精準度提升數百倍

由於大型工程與科學研究對電腦運算能力相當依賴，因此楊元森教授也在高速平行運算上投入許多精神研究，從早期昂貴的超級電腦、叢集式運算架構，以及後來的3D繪圖運算加速。其中3D繪圖運算的核心運算方式，是大量的數值浮點運算與工程計算的相同，而且每張繪圖卡裡面有8～512個處理器，本身就是一個效能強大的平行運算系統，讓楊教授投入GPGPU(General-Purpose computing on Graphics Processing Units)研究，發現眾多GPGPU的開發標準中，NVIDIA CUDA不論是其開發語法，或是附屬數學運算功能，例如cuBLAS矩陣運算、cuSPARSE大型稀疏矩陣運算等程式庫工具，都是其他開發系統無法相比的，加上NVIDIA CUDA持續地不斷強化程式庫，對日新月異的結構分析研究也非常有幫助，都是他決定採用NVIDIA CUDA搭配NVIDIA Tesla GPU來進行建築結構分析模擬的原因。

將分析工具改由NVIDIA CUDA開發後，藉由NVIDIA Tesla GPU的超高速平行運算能力，讓建築結構在非線性動力分析中的分子可以切分更細，分析模擬可輸入的假設條件也更多，在相同時間內可處理的資料量超過10倍，運算結果也更有參考價值。楊元森教授指出，對於大型結構分析模擬，許多結構工程師可以接受的電腦運算等待時間為一個隔夜 (overnight)，也就是從當天下班開始交付電腦分析，隔日上班前完成。在相同時間之內，若能使用更有效的平行運算技術，充份運用更多的運算能量，就有機會可以進行更複雜的非線性動力分析。

引進NVIDIA CUDA與NVIDIA Tesla GPU超多核心運算技術，可加速建築工程分析結果產出，有效縮短地震工程研究中，大型結構崩塌數值模擬所需的時間成本。楊元森教授表示，採用平行運算技術不但有助於縮短分析時間，分析精準度也會提升，進而提供更完整的研究內容以助於建立「大震不倒」的可靠論述，協助耐震規範的研擬，保護建築物內的生命財產安全。而CUDA開發出來的分析工具，若能融入專業分析軟體中，幫助工程師或研究人員，以更有效率的方式分析建築結構，用更快且更有材料效率的方式，打造安全、永續的居住環境。