계산공학

계산공학(computational engineering)은 계산공학 모델 또는 CEM으로 알려진 공학을 위한 계산 모델의 개발 및 응용을 다루는 신흥 분야이다. 계산공학은 컴퓨터를 사용하여 다양한 산업에 중요한 공학 설계 문제를 해결한다. 현재, 공학 과제를 위한 계산기하학 및 가상 설계를 사용하는 것을 포함하여 시뮬레이션 기반 접근 방식과 자주 결합되는 다양한 접근 방식이 계산공학이라는 용어로 요약된다. 계산공학에서 알고리즘은 공학적 과제를 설명하는 수학적 및 논리적 모델을 해결하며, 때로는 인공지능의 일부 측면과 결합되기도 한다.

계산공학에서 공학자는 컴퓨터 프로그램에 자신의 지식을 인코딩한다. 그 결과는 다양한 입력 요구 사항에 따라 여러 다른 변형의 공학 설계를 생성할 수 있는 알고리즘, 즉 계산공학 모델이다. 그 다음 결과는 추가 수학적 모델을 통해 분석되어 알고리즘 피드백 루프를 생성할 수 있다.

이 분야와 관련된 물리 시뮬레이션은 종종 고성능 컴퓨팅과 결합되어 공학 분석 및 설계 (및 자연 현상(계산과학))에서 발생하는 복잡한 물리적 문제를 해결한다. 따라서 이는 "제3의 발견 방식"(이론 및 실험 다음으로)으로 묘사되는 계산 과학 및 공학과 관련이 있다.

계산공학에서 컴퓨터 시뮬레이션은 전통적인 실험으로는 접근할 수 없거나 전통적인 경험적 조사를 수행하는 데 비용이 너무 많이 드는 경우 피드백을 생성하는 기능을 제공한다.

계산공학은 순수한 컴퓨터 과학이나 컴퓨터 공학과 혼동되어서는 안 된다. 비록 전자의 넓은 영역(예: 특정 알고리즘, 자료 구조, 병렬 프로그래밍, 고성능 컴퓨팅)이 계산공학에서 사용되고 후자의 일부 문제는 계산공학 방법(응용 분야로서)으로 모델링되고 해결될 수 있다.

방법
계산공학 방법 및 프레임워크는 다음과 같다:

 고성능 컴퓨팅 및 효율성을 얻기 위한 기술 (컴퓨터 아키텍처, 병렬 알고리즘 등 변경을 통해)
 모델링 및 시뮬레이션
 이산 및 연속 문제를 해결하기 위한 알고리즘
 데이터 분석 및 시각화
 수학적 기초: 수치 및 응용 선형대수학, 초기 및 경계값 문제, 푸리에 분석, 최적화
 대규모 과학 데이터에서 지식을 처리하고 추출하기 위한 방법 및 알고리즘을 개발하는 데이터 사이언스

컴퓨팅과 관련하여 컴퓨터 프로그래밍, 알고리즘 및 병렬 컴퓨팅은 계산공학에서 중요한 역할을 한다. 과학 커뮤니티에서 가장 널리 사용되는 프로그래밍 언어는 FORTRAN이다. 최근에는 C++와 C가 FORTRAN보다 인기가 많아졌다. FORTRAN의 풍부한 레거시 코드와 더 간단한 구문 때문에 과학 컴퓨팅 커뮤니티는 C++를 공용어로 완전히 채택하는 데 더디다. 수학적 계산을 표현하는 매우 자연스러운 방식과 내장된 시각화 기능 때문에 독점 언어/환경인 MATLAB도 널리 사용되며, 특히 빠른 애플리케이션 개발 및 모델 검증에 사용된다. 파이썬은 외부 라이브러리(NumPy, SciPy, Matplotlib 등)와 함께 MATLAB의 자유 카피센터 대안으로 인기를 얻었다.

 오픈 소스 
계산공학을 지원하는 여러 자유-오픈 소스 소프트웨어 도구가 있다.

 오픈SCAD는 2010년에 출시되었으며 CAD 모델의 스크립트 생성을 허용하며, 이는 계산공학 모델의 기초를 형성할 수 있다.
 CadQuery는 파이썬을 사용하여 CAD 모델을 생성하며 OpenCascade 프레임워크를 기반으로 한다. 아파치 라이선스로 출시되었다.
 PicoGK는 아파치 라이선스로 출시된 계산공학을 위한 오픈 소스 프레임워크이다.

응용
섬네일|right|유한요소법을 사용하여 펌프 케이싱 모델에 대한 열 방정식의 수치 해.

계산공학은 다음과 같은 다양한 분야에 적용된다:

 항공우주공학 및 기계공학: 연소 시뮬레이션, 구조 동역학, 전산 유체 역학, 계산 열역학, 계산 고체 역학, 차량 충돌 시뮬레이션, 생체 역학, 위성 궤도 계산
 천체 물리학 시스템
 전투 시뮬레이션 및 군사 게임, 국토 안보, 비상 대응
 생물학 및 의학: 단백질 접힘 시뮬레이션 (및 기타 거대 분자), 생명 정보학, 유전체학, 계산 신경 모델링, 생물학적 시스템 모델링 (예: 생태 시스템), 3D CT 초음파, MRI 영상, 분자 생체 네트워크, 암 및 발작 제어
 화학: 화학 화합물/분자 및 고체의 구조 및 특성 계산, 계산화학/화학 정보학, 분자 역학 시뮬레이션, 고체물리학의 계산 화학 방법, 화학 오염 물질 운송
 토목공학: 유한요소해석, 임의 하중을 받는 구조물, 건설 공학, 상수도 시스템, 운송/차량 모델링
 컴퓨터 공학, 전기공학 및 전기 통신: VLSI, 수치 전자기학, 반도체 모델링, 마이크로 일렉트로닉스 시뮬레이션, 에너지 인프라, RF 시뮬레이션, 네트워크
 역학: 인플루엔자 확산
 환경공학 및 수치 예보: 기후 연구, 계산 지구 물리학 (지진 처리), 자연재해 모델링
 금융: 파생 상품 가격 책정, 위험 관리
 산업공학: 이산 사건 및 몬테카를로 시뮬레이션 (예: 물류 및 제조 시스템), 큐잉 네트워크, 수학적 최적화
 재료 과학: 유리 제조, 고분자 및 결정
 원자력공학: 원자로 모델링, 방사선 차폐 시뮬레이션, 핵융합 시뮬레이션
 석유공학: 석유 저장고 모델링, 석유 및 가스 탐사
 물리학: 계산 입자 물리학, 입자 상호 작용 또는 붕괴의 자동 계산, 플라즈마 모델링, 우주론 시뮬레이션
 교통

소프트웨어

 화학 소프트웨어
 전자기 시뮬레이션 소프트웨어 비교
 분자 역학 모델링 소프트웨어 비교
 시스템 다이내믹스 소프트웨어 비교
 건설 소프트웨어
 데이터 분석 소프트웨어
 3차원 모델링 소프트웨어 목록
 BIM 소프트웨어 목록
 생명정보학 소프트웨어 목록
 화학 공정 시뮬레이터 목록
 컴퓨터 지원 공학 소프트웨어 목록
 컴퓨터 지원 제조 소프트웨어 목록
 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어 목록

 이산 사건 시뮬레이션 소프트웨어 목록
 전기공학 소프트웨어 목록
 유한요소 소프트웨어 패키지 목록
 오픈 소스 공학 소프트웨어 목록
 HDL 시뮬레이터 목록
 수학 소프트웨어 목록
 최적화 소프트웨어 목록
 원자력공학 소프트웨어 목록
 구조공학 소프트웨어 목록
 수치해석 소프트웨어
 물리학 소프트웨어
 전력 공학 소프트웨어

 같이 보기 
 응용수학
 계산과학
 계산 수학
 전산 유체 역학
 수치 전자기학
 공업수학
 고성능 컴퓨팅
 그랜드 챌린지
 모델링 및 시뮬레이션
 다중 물리

 각주 

 외부 링크 
 오든 계산공학 및 과학 연구소
 계산공학의 범위
 산업 및 응용 수학 학회
 국제 계산공학 센터 (IC2E)
 조지아 공과대학교, 미국, 계산 과학 및 공학 석사/박사 프로그램
 채터누가 테네시 대학교의 대학원 프로그램
 리우데자네이루 주립대학교의 계산 모델링 석사 및 박사 프로그램
 사이랩을 이용한 계산 과학 및 공학
 공학 수치 방법 국제 센터 (CIMNE)

분류:계산과학
분류:계산 학문 분야