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