影響CAE高性能計算的硬件配置解析
進(jìn)入21世紀(jì)之前，CAE的工作者一直很辛苦。只要能模擬真實世界，辛苦的工作、漫長的等待和昂貴的開銷都在所不惜。但是，面對有限發(fā)展的CAE技術(shù)和計算機(jī)資源，人們并不能如愿。為復(fù)雜產(chǎn)品建模時，分析師不得不在假設(shè)與近似之間徘徊。模擬真實世界，愿望多于現(xiàn)實。
在假設(shè)和近似之間徘徊久了，分析師便建立了一項復(fù)雜的學(xué)問——仿真分析規(guī)范，指導(dǎo)人們在有限的CAE技術(shù)和計算機(jī)資源面前，如何進(jìn)行條件假設(shè)和近似處理，才能保證分析結(jié)果最接近真實世界。規(guī)則保證了秩序，卻約束了自由。CAE的工作者一直在必然王國中掙扎，遠(yuǎn)沒進(jìn)入自由王國，直到CAE高性能計算技術(shù)得到大力發(fā)展的今天。
高性能計算（HPC：High Performance Computing）是一種可以充分利用最廣泛的計算資源進(jìn)行大型問題求解的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。CAE是高性能計算的重要陣地之一。從上世紀(jì)80年代初，ANSYS公司就在HPC研究上投入較大力量。該公司的創(chuàng)始人John Swanson博士準(zhǔn)確預(yù)測了CAE-HPC的發(fā)展趨勢，提出ANSYS的HPC發(fā)展戰(zhàn)略。2004年，ANSYS創(chuàng)紀(jì)錄地進(jìn)行了一個1億自由度的問題的計算，確立了這個CAE巨人在HPC的領(lǐng)導(dǎo)地位。
CAE-HPC的目標(biāo)是“用最低的成本模擬真實世界”，即“用最短的時間、最少的人力、最低的資金，進(jìn)行復(fù)雜單場模擬和多場耦合分析”。ANSYS的三把HPC利斧——大內(nèi)存支持、分布式并行計算和變分技術(shù)（VT），正在摧毀束縛CAE自由的堅冰。
1. 大內(nèi)存求解大問題
CAE計算需要較多的內(nèi)存已是常識。在過去32位的年代，內(nèi)存再多也用不上。現(xiàn)在，64位操作系統(tǒng)的內(nèi)存尋址范圍使得CAE應(yīng)用軟件對內(nèi)存的使用幾乎沒有上限。Windows XP-64操作系統(tǒng)的推出對普通CAE用戶來說是一大喜事，Windows畢竟是普通用戶最熟悉和最經(jīng)濟(jì)的操作系統(tǒng)。
對大內(nèi)存的支持讓CAE在前后處理方面獲得自由，使其在大模型的建立、大圖形的處理以及大數(shù)據(jù)庫的操作方面幾乎沒有障礙，用戶可以建立高保真模型。
首先，大內(nèi)存允許我們把模型建立得很精細(xì)。CAE的目標(biāo)之一是找到模型中的熱點(diǎn)，也就是危險點(diǎn)。即使同一模型，對于不同的工況，熱點(diǎn)可能不同。為了準(zhǔn)確捕捉熱點(diǎn)，通常的方法是不同工況建立不同的模型，這不但繁瑣，而且不經(jīng)濟(jì)。疲勞計算問題更嚴(yán)重，如果工況組合比較復(fù)雜，熱點(diǎn)的位置幾乎不能預(yù)測，即使我們愿意建立多種模型，但仍可能無法捕捉到所有的疲勞熱點(diǎn)。但如果建立了每一處的單元密度都很高的精細(xì)模型，我們就不會錯過任何一個熱點(diǎn)。
其次，大內(nèi)存允許我們建立整機(jī)裝配模型。過去，由于內(nèi)存限制，我們往往只提取產(chǎn)品中重要的零部件進(jìn)行分析。這里存在一個問題就是，產(chǎn)品的載荷和約束并不是直接施加在該零部件上，而是由其它零部件傳遞過來。只對單一零部件進(jìn)行分析時，就不得不做邊界條件假設(shè)。如果使用整機(jī)模型，這種問題便不存在。但是，建立整機(jī)模型卻存在另一個問題：零部件之間的接觸。復(fù)雜產(chǎn)品千百個零部件之間的接觸單元定義如果完全靠手工進(jìn)行，工作量不可想象。ANSYS軟件提供了一個非常實用的功能——自動接觸可以解決這個問題。ANSYS在讀入CAD模型時自動探測裝配關(guān)系，并自動建立接觸單元。
再次，大內(nèi)存可提高建模速度。通常，CAE讀入CAD模型的時候需要刪除細(xì)小特征（Defeature），以使得CAE單元減少。有時還需要對于薄細(xì)結(jié)構(gòu)抽中面和抽中線，用以建立梁或殼單元。大內(nèi)存允許我們可以使用細(xì)小的尺寸在CAD模型上直接劃分網(wǎng)格，梁或殼單元可以用實體單元來替代，并不影響精度，而且在結(jié)構(gòu)連接部位的結(jié)果更精確。
最后，在大模型進(jìn)行計算時，大內(nèi)存允許中間數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中而不需要和硬盤交換數(shù)據(jù)，可以減少I/O頻度，明顯提高速度。有時I/O問題可能是大問題求解得殺手。因此，大內(nèi)存是求解大問題的基礎(chǔ)。 #p#page_title#e#
2. 分布式并行提高計算速度
并行計算是未來計算機(jī)的唯一高速公路。過去，計算機(jī)提高速度的方法主要靠提高CPU的時鐘速度。而今，CPU的時鐘速度已經(jīng)接近極限，計算機(jī)性能提高的唯一通路是發(fā)展多核計算機(jī)。雙核及四核處理器已經(jīng)推出，并行計算即將成為人們的每日工作。
集群（Cluster）是并行計算架構(gòu)中成本最低的一種。即使性能不高的計算機(jī)構(gòu)成的集群仍然可以獲得良好的并行性能。因此，集群模式的并行算法將是任何并行計算程序的必由之路，而集群只能是分布式的，因此分布式并行計算也自然而然成為ANSYS的選擇。
微軟公司于2006年6月推自己的集群操作系統(tǒng)WCCS2003（Windows Cluster Computing Server 2003），為集群的普及起到推動作用。WCCS2003因其簡化的群集部署和管理功能，降低了HPC的門檻，人們不是必須面對不熟悉的Unix或Linux。而且經(jīng)過我們大量案例的測試證明，WCCS2003的并行效率與Unix和Linux不相上下?？梢灶A(yù)見，集群模式的HPC將快速走向普及。在WCCS研制的階段，ANSYS公司就開始與微軟深入合作，共同優(yōu)化ANSYS@WCCS2003的性能。在2005年全球矚目的美國西雅圖超級計算大會上，ANSYS成功地在微軟WCCS2003實現(xiàn)了完整演示。
DANSYS求解器是ANSYS的分布式并行計算的核心。該求解器可以自動將大型問題拆分為多個子域，分發(fā)給集群的不同節(jié)點(diǎn)(CPU)求解，在切割邊界交換信息以得到總體解。而且DANSYS在CAE全過程都采用并行算法，而不僅僅是方程求解過程。矩陣形成和單元結(jié)果回代過程的并行處理可以明顯減少墻鐘時間。同時DANSYS采用了負(fù)載均衡技術(shù)，即使集群中各節(jié)點(diǎn)的性能不同，也能得到優(yōu)秀的加速比。
分布式并行可以明顯減少計算時間，使得大型問題的求解得以松綁，讓CAE向自由王國邁進(jìn)了一大步。在一個經(jīng)典案例中，在單CPU上求解2000萬自由度需要12個小時，但采用8個CPU分布式并行計算只需要3個小時。12個小時意味著即使一上班就投入計算，你仍然在當(dāng)天看不到計算結(jié)果。而3個小時意味著你在一天內(nèi)可以進(jìn)行2~3次計算，這對產(chǎn)品研發(fā)速度的提高很有價值。
3. 變分技術(shù)減少迭代次數(shù)
變分技術(shù)（VT: Variational Technology）是ANSYS的專利技術(shù)。過去，人們進(jìn)行What-if研究時，需要對大量樣本進(jìn)行計算，形成整個設(shè)計空間的響應(yīng)面。而采用VT技術(shù)，只需“一次求解”就可以得到整個設(shè)計空間的響應(yīng)面。而且不論設(shè)計變量有多少，這“一次求解”的時間都是普通有限元求解的5倍左右。所以，設(shè)計變量越多，VT技術(shù)的優(yōu)勢越明顯。
VT技術(shù)實際上是深入到CAE程序內(nèi)核，將CAE矩陣（剛度陣、質(zhì)量陣等）的各元素改造成設(shè)計變量的函數(shù)（經(jīng)典CAE中各矩陣的元素是數(shù)值），把CAE分析過程從“數(shù)值計算”改造成“函數(shù)計算”，計算結(jié)果也自然是設(shè)計變量的函數(shù)。因此，只需“一次求解”就可以得到整個設(shè)計空間的響應(yīng)面。
VT技術(shù)在ANSYS公司的許多模塊都有應(yīng)用。最早應(yīng)用在優(yōu)化計算中，一次求解可獲得最優(yōu)設(shè)計，而不像其他的優(yōu)化程序，需要進(jìn)行千百次的迭代。在電磁模塊中進(jìn)行S參數(shù)求解時需要掃頻計算，利用VT技術(shù)只需一次計算即可完成整個頻段的上百個頻點(diǎn)的S參數(shù)計算。在Mechanical的非線性迭代或動力學(xué)多載荷步計算中，通過歷史迭代信息形成下步迭代最佳預(yù)測，可使總迭代數(shù)最少。更為高效的是，當(dāng)計算過一種設(shè)計方案后，如果設(shè)計參數(shù)、材料參數(shù)或工況參數(shù)變更，重新計算一次所需要的迭代數(shù)更少。在一個典型的非線性計算案例中，如不采用VT技術(shù)，迭代150次收斂，耗時2750秒。采用VT技術(shù)，只需30次即可收斂，耗時775秒。改變設(shè)計參數(shù)后重新計算，只需9次即可收斂，耗時240秒。 #p#page_title#e#
如果說并行計算技術(shù)加快了單次計算速度，那么VT技術(shù)則減少了迭代次數(shù)。復(fù)雜物理現(xiàn)象的仿真需要非線性、動力學(xué)、流體力學(xué)甚至他們之間的耦合計算，這類計算總是需要進(jìn)行大量迭代。VT可以讓這種復(fù)雜物理現(xiàn)象的模擬變得快速，使CAE模擬真實世界成為可能。
總之，變分技術(shù)進(jìn)一步釋放了CAE對復(fù)雜問題模擬潛能，為CAE最終進(jìn)入自由王國打開了最后一扇大門。
為自由而戰(zhàn)
ANSYS公司HPC三步戰(zhàn)略：大內(nèi)存求解大問題、分布式并行提高單次計算速度、變分技術(shù)減少迭代次數(shù)，讓ANSYS的用戶從必然王國進(jìn)入了自由王國，實現(xiàn)了她對用戶的承諾：Free Your Simulation！
然而，戰(zhàn)斗并沒有就此結(jié)束。世界各國高性能計算機(jī)的發(fā)展日新月異，對這些機(jī)器的支持是國際CAE軟件面對的另一塊堅冰。中國硬件制造商和高性能計算機(jī)的擁有者都把安世亞太作為最佳合作伙伴之一。ANSYS公司總部向安世亞太開放編譯中間文件，使得國產(chǎn)計算機(jī)可以很快運(yùn)行ANSYS軟件。上海超級計算中心擁有海量CPU的國產(chǎn)機(jī)器——曙光機(jī)，ANSYS公司是其最大的CAE軟件提供商。
其實，這個戰(zhàn)斗永遠(yuǎn)也不會結(jié)束，求異是CAE行業(yè)永恒的精神。一個軟件進(jìn)入自由王國并不代表整個CAE行業(yè)的解放。我們期待這個行業(yè)每一個戰(zhàn)士都武裝起來，為CAE之自由而戰(zhàn)！
