關(guān)鍵字：CAE，F(xiàn)EA，HPC，SMP，CLUSTER

 

 一、CAE高性能計(jì)算簡介

        計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE，Computer Aided Engineering）是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。CAE從60年代初在工程上開始應(yīng)用到今天，現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中（如航空、航天、機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域）必不可少的數(shù)值計(jì)算工具，同時(shí)也是分析連續(xù)介質(zhì)力學(xué)各類問題的一種重要手段。

        近年來，高性能計(jì)算作為大規(guī)模CAE應(yīng)用的基石，在工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍和廣泛。從TOP500的統(tǒng)計(jì)信息來看，工業(yè)領(lǐng)域所占的比例在不斷增加。2005年6月，工業(yè)用戶使用的高性能計(jì)算機(jī)占到52.8％。而其中的半導(dǎo)體和制造業(yè)用戶所占的比例相當(dāng)可觀。其中美國半導(dǎo)體公司大約有70臺(tái)，美國Boeing有4臺(tái)，Lockheed Martin有2臺(tái)，德國BMW有7臺(tái)，德國VW有2臺(tái)，德國Siemens有2臺(tái)。許多國際著名的制造業(yè)大公司已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的虛擬化設(shè)計(jì)和制造，并實(shí)現(xiàn)了全球資源共享，利用全新的理念設(shè)計(jì)產(chǎn)品。美國GM、美國GE、日本Nissan等公司都擁有總計(jì)算能力超過10萬億次的高性能計(jì)算機(jī)用于新產(chǎn)品的研發(fā)。Boeing公司在上世紀(jì)90年代就實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)。Boeing公司已宣布利用高性能計(jì)算機(jī)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全物理過程的模擬仿真。主導(dǎo)世界制造業(yè)方向的大集團(tuán)公司目前都擁有大量的超級(jí)計(jì)算機(jī)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，制造業(yè)信息化是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代企業(yè)核心競爭的必要組成環(huán)節(jié)。

         中國在世界上有“世界制造中心”的稱號(hào)，但是實(shí)際上我們的制造還大多數(shù)屬于很簡單的淺層面。更多的時(shí)候，通常的做法是產(chǎn)品在國外設(shè)計(jì)研發(fā)，在國內(nèi)生產(chǎn)。不過，在如今，國內(nèi)的制造業(yè)一方面有了自己的進(jìn)步，另一方面，國外的知名企業(yè)也紛紛將自己的研發(fā)中心設(shè)置在了國內(nèi)。在開始階段，在國內(nèi)作的研發(fā)可能還更多的出于本地化需求，不過，相信在不久的以后，會(huì)有更多的分析和研發(fā)需求會(huì)在中國出現(xiàn)。從設(shè)計(jì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到研發(fā)到制造，整個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)。目前，在汽車領(lǐng)域，國內(nèi)的CAE進(jìn)展的比較早。比如汽車的沖撞試驗(yàn)。

 

二、CAE應(yīng)用軟件的特點(diǎn)

        一般說來，CAE分析主要包括前處理、計(jì)算分析和后處理這3個(gè)過程。前處理主要是建立問題的幾何模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、建立用于計(jì)算分析的數(shù)值模型、確定模型的邊界條件和初始條件等；計(jì)算分析是對(duì)所建立的數(shù)值模型進(jìn)行求解，經(jīng)常需要求解大型的線性方程組，這個(gè)過程是CAE分析中計(jì)算量最大、對(duì)硬件性能要求最高的部分；后處理則是以圖形化的方式對(duì)所得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢查和處理。

         CAE分析的一個(gè)重要特點(diǎn)是，主要采用國際上公認(rèn)的大型商業(yè)軟件進(jìn)行分析和計(jì)算。目前，大部分國際工業(yè)界認(rèn)可的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件幾乎被美國壟斷。比如ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、MSC.NASTRAN、PAM-CRASH等。大型商業(yè)軟件通常都有自己的前后處理模塊。此外也有一些通用的前、后處理軟件，提供了對(duì)以上軟件的接口，讓用戶只需要熟悉一個(gè)統(tǒng)一的操作界面，比如Hypermesh、MSC.PATRAN等。 #p#page_title#e#

          根據(jù)求解算法的不同，CAE分析軟件總體上可以分為隱式和顯式兩類。采用隱式算法的軟件主要有ABAQUS/Standard、ANSYS、MSC.NASTRAN等，適合求解靜力、模態(tài)、屈曲等問題；采用顯式算法的軟件主要有ABAQUS/Explicit、LS-DYNA、PAM-CRASH等，適合求解接觸、碰撞、沖擊等問題。

           從對(duì)計(jì)算資源的需求來說，隱式解法的基本特點(diǎn)是內(nèi)存占用多、磁盤IO大、進(jìn)程通信量大，因此，隱式解法要求系統(tǒng)的內(nèi)存容量大、訪存帶寬高、磁盤IO速度快、通信延遲低；相對(duì)而言，顯式解法對(duì)內(nèi)存、磁盤IO和通信延遲的要求要低一些。

從軟件的擴(kuò)展性上來說，隱式算法和顯式算法有明顯的區(qū)別。采用隱式算法的軟件，擴(kuò)展性比較差，計(jì)算性能在8-16 CPU以上就很難獲得進(jìn)一步的提升；而采用顯式算法的軟件，擴(kuò)展性就要好得多，在64-128 CPU以內(nèi)都能獲得較好的并行性能。

           從并行技術(shù)的角度來說，隱式算法通常采用OpenMP或者Pthreads等共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)，而顯式算法通常采用MPI或者PVM等消息傳遞方式實(shí)現(xiàn)。采用共享內(nèi)存方式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)容易，性能較高，但只能運(yùn)行在SMP結(jié)構(gòu)的服務(wù)器上；而消息傳遞方式則可適用于SMP或者DMP結(jié)構(gòu)的服務(wù)器上。不過，隨著集群計(jì)算的發(fā)展，SMP平臺(tái)上的大多數(shù)算法也已移植到了DMP平臺(tái)上，雖然并不完全。比如ABAQUS/Standard的Direct求解器和Lanczos特征值求解器就只支持Threads模式，因此必須采用SMP平臺(tái)才能實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。

顯式算法和隱式算法的比較

	隱式算法	顯式算法
典型的軟件	ABAQUS/Standard、ANSYS、MSC.NASTRAN	ABAQUS/Explicit、LS-DYNA、PAM-CRASH
求解的問題	靜力、模態(tài)、屈曲等	接觸、碰撞、沖擊等
算法的特點(diǎn)	內(nèi)存占用多、磁盤IO大、進(jìn)程通信量大	相對(duì)而言，內(nèi)存、IO和通信量要少一些
對(duì)硬件的要求	內(nèi)存容量大、訪存帶寬高、磁盤IO速度快、通信延遲低	相對(duì)而言，系統(tǒng)硬件配置可低一些
算法的擴(kuò)展性	8-16 CPU	64-128 CPU

 

---

 

三、CAE硬件平臺(tái)的選擇

        CAE硬件平臺(tái)的選擇對(duì)CAE項(xiàng)目的成功實(shí)施至關(guān)重要，它直接影響到CAE項(xiàng)目的運(yùn)行、管理和維護(hù)。對(duì)于用戶來講，往往是在軟件選型已經(jīng)完成之后，才開始考慮硬件選型。因此在硬件平臺(tái)的選擇上，必須綜合考慮不同應(yīng)用軟件的特點(diǎn)，才能確定最佳配置方案。

 

         目前市場上的高性能服務(wù)器主要有共享內(nèi)存的SMP和分布式內(nèi)存的Cluster兩種體系結(jié)構(gòu)。在共享內(nèi)存的系統(tǒng)中，所有的處理器通過公用的總線可以使用一個(gè)共同的物理內(nèi)存空間，因此，每個(gè)CPU和其他CPU共享所有內(nèi)存。常見的產(chǎn)品有SGI的Altix和Origin系列、HP的SuperDome系列等。在分布式內(nèi)存的系統(tǒng)中，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)擁有屬于自己的內(nèi)存，不能由其他計(jì)算節(jié)點(diǎn)使用。節(jié)點(diǎn)之間由專用的高速通信網(wǎng)絡(luò)連接，通過消息傳遞接口MPI進(jìn)行通信。常見的產(chǎn)品有曙光天潮系列、聯(lián)想深騰系列等。 #p#page_title#e#

采用共享內(nèi)存的SMP架構(gòu)的服務(wù)器，既可以支持OpenMP和Pthreads并行，也可以支持MPI和PVM并行，能夠利用軟件的所有并行功能。但SMP系統(tǒng)的價(jià)格相對(duì)而言較高，而且對(duì)于主要采用隱式算法的軟件而言，最多只能利用8-16顆CPU，因此配置CPU數(shù)更多的SMP服務(wù)器并沒有太大的意義，反而會(huì)造成投資的浪費(fèi)。

        分布式內(nèi)存的Cluster系統(tǒng)是近年來迅速普及的一種高性能服務(wù)器體系。集群是一組獨(dú)立的計(jì)算機(jī)（節(jié)點(diǎn)）的集合體，節(jié)點(diǎn)間通過高性能的互連網(wǎng)絡(luò)連接，可以協(xié)同工作并表現(xiàn)為一個(gè)單一的、集中的計(jì)算資源（單一系統(tǒng)映象）供并行計(jì)算任務(wù)使用。構(gòu)建這類服務(wù)器的成本比較低，具有良好的性價(jià)比和可擴(kuò)放性。集群作為當(dāng)前高性能計(jì)算機(jī)的主流架構(gòu)，在Top 500中占據(jù)了75%以上的份額。因此，當(dāng)前主流的CAE軟件都提供了對(duì)集群架構(gòu)和MPI的支持。當(dāng)前市場上的集群系統(tǒng)大多是采用4-8路的SMP服務(wù)器作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，因此也支持OpenMP。

 

        處理器是CAE計(jì)算服務(wù)器的核心。當(dāng)前用于高性能計(jì)算的處理器大體上可分為RISC架構(gòu)和CISC架構(gòu)兩種類型。基于RISC架構(gòu)的處理器主要有Power、MIPS、PA-RISC、SPARC等，基于CISC架構(gòu)的處理器則有我們熟悉的Intel和AMD。CISC處理器以其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)成為高性能計(jì)算機(jī)中的主流CPU，在Top 500中有75%以上的系統(tǒng)采用了CISC處理器。

       作為CAE計(jì)算服務(wù)器，對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算性能要求較高，因此大多數(shù)服務(wù)器均采用了最新的雙核處理器技術(shù)，包括Intel的Woodcrest 5100系列和AMD的Opteron 200/2000系列。它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

Woodcrest和Opteron的對(duì)應(yīng)關(guān)系

型號(hào)	主頻	型號(hào)	主頻	型號(hào)	主頻
Woodcrest 5160	3.0 GHz	Opteron 290	2.8 GHz	Opteron 2220	2.8 GHz
Woodcrest 5150	2.66 GHz	Opteron 285	2.6 GHz	Opteron 2218	2.6 GHz
Woodcrest 5140	2.33 GHz	Opteron 280	2.4 GHz	Opteron 2216	2.4 GHz
Woodcrest 5130	2.0 GHz	Opteron 275	2.2 GHz	Opteron 2214	2.2 GHz

 

          應(yīng)該說，Woodcrest的雙總線架構(gòu)和Opteron的直連架構(gòu)，各有特色。那么在CAE高性能計(jì)算中，那種架構(gòu)性能更好呢？我們來看一下Intel官方網(wǎng)站上對(duì)LS-Dyna和Fluent的測(cè)試數(shù)據(jù)。（網(wǎng)址： #p#page_title#e#http://www.intel.com/performance/server/xeon/hpcapp.htm）