制造行业CAE对高性能计算平台的选择

时间:2009-01-30   来源:   网友评论:0   人气: 497 作者:

高性能计算(HPC)正逐步进入制造行业,承担诸多关键的计算应用。该领域中用户主要分成两类,一类是实际制造企业,如汽车设计制造厂商、航空工业企业、电力企业及消费产品生产商等。这一类用户通过高性能计算技术来提高产品的性能,减低成本,同时缩短产品的设计、生产周期,以使企业在市场上更具竞争力,另一类是研发单位,如政府、国防和大学中涉及制造行业的部门或专业。这一类用户的目标是利用高性能计算技术改善设计方法,提高设计水平从而为实际生产服务。

    图1给出了制造行业中采用计算机进行产品开发的流程,包括建模、前处理(模型修改和网格生成)、计算分析、交叉学科综合及后处理几个部分。其中高性能计算主要应用于计算分析部分,统称为计算机辅助工程(CAE)。图1是CAE的分析过程。
 

图1 计算机主要在CAE分析过程的后期解算部分发挥作用

    制造行业CAE应用程序的特点

     制造行业CAE的应用可以分为隐式有限元分析(IFEA)、显式有限元分析(EFEA)和计算流体动力学(CFD)三个子学科。几乎所有的制造企业的高性能计算都依赖于独立软件开发商(ISV)提供的商业软件,只有流体动力学算题中结构网格计算类型的部分软件是用户自己开发的。因此制造行业用户在购买硬件平台的同时通常会购买相应的科学计算软件产品。而在某种程度上,往往是应用软件的特性决定了硬件平台的选择。

    下表给出了常用的CAE软件,并列出这些软件的特点,包括并行方式和可扩展性。

常用分析软件

     从上表中我们可以了解到CAE应用软件具有以下特点:

    (1)IFEA类应用软件(如ABAQUS、ANSYS和MSC Nastran)硬件平台支持的可扩展性不是很好。当使用超过8个CPU来处理一个任务时,通常不会再有性能上的提升;

    (2)IFEA类应用软件通常使用共享内存方式(pthreads或OpenMP),进行并行处理,其中ABAQUS不支持消息传递方式(MPI)的并行;

    (3)EFEA类应用软件(如LS-DYNA、PAM-CRASH和RADIOSS)和计算流体动力学软件(如FLUENT、STAR-CD和PowerFlow)的硬件平台支持的扩展性相对较好;

    (4)EFEA类应用软件和CFD软件以采用消息传递并行方式(MPI)为主。

    高性能计算(HPC)服务器体系结构分类及特点

    目前市场上常用的高性能计算服务器大致可以分为以下3种体系结构,即:

    1.并行向量处理机(PVP)

    PVP系统含有为数不多、功能强大的定制向量处理器(VP),以及定制的高带宽纵横交叉开关和高速数据访问。由于这类系统对程序编制的要求较高,价格很昂贵且难于管理,因此,这种类型计算机主要集中在一些大型国家关键部门,在本文中不再赘述。

    2.对称多处理机(SMP)

    SMP系统采用商品化的处理器,这些处理器通过总线或交叉开关连接到共享存储器。今天市场上常见的机型有IBM p系列服务器、HPQ的SuperDome、Alpha的ES、GS系列及SGI公司的Altix系列。SMP系统通常具有以下特点:

    (1)系统内的CPU共享并可以直接访问所有的内存;

    (2)由一个操作系统管理整个系统;

    (3)支持共享内存方式的并行模式,如OpenMP、pthreads等;

    (4)支持消息传递方式的并行模式,如MPI、PVM等

    (5)系统的价格相对较高;

    (6)为提高系统的使用效率,需要有功能强大的资源管理软件和作业调度软件配合进行系统管理。如LSF、PBS及IBM的WLM和LoadLeveler等。

    3.工作站集群(COW,Cluster Of Workstation,简称Cluster)


 

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