朱江

摘 要：仿真計(jì)算在船舶的設(shè)計(jì)和制造中具備舉足輕重的地位，本文從高性能仿真計(jì)算所存在的問題分析出發(fā)，并結(jié)合國內(nèi)外高性能計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀，提出了適合船舶行業(yè)的高性能仿真計(jì)算架構(gòu)，該分析過程對(duì)于提升船舶行業(yè)的設(shè)計(jì)、制造水平具備一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：高性能；仿真計(jì)算

0 引言

船舶的設(shè)計(jì)和制造單位對(duì)高性能計(jì)算以及可視化的需求主要集中在整機(jī)及零部件的設(shè)計(jì)、模擬仿真計(jì)算方面，即利用傳統(tǒng)的CAD方法進(jìn)行前后處理，將設(shè)計(jì)好的模型傳到高性能計(jì)算機(jī)中進(jìn)行CAE模擬。CAD過程中往往需要處理大量的模型旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等操作，需要高端的圖形處理卡，而模擬過程中則對(duì)CPU計(jì)算性能和內(nèi)存有很大的依賴性。傳統(tǒng)的使用方法中，CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)與CAE計(jì)算平臺(tái)往往是獨(dú)立的。設(shè)計(jì)人員在本地配置具備高端圖形處理卡的工作站，對(duì)設(shè)計(jì)模型在本地進(jìn)行渲染，得到的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)程的高性能計(jì)算機(jī)中進(jìn)行求解，高性能計(jì)算機(jī)得到的結(jié)果再通過網(wǎng)絡(luò)返回本地工作站進(jìn)行后處理。

1 高性能仿真計(jì)算

1.1 建設(shè)方案

（一）整體系統(tǒng)架構(gòu)

通過統(tǒng)一的WEB服務(wù)門戶或命令行接口，為用戶提供面向CAE仿真的高性能計(jì)算平臺(tái)服務(wù)。重要應(yīng)用程序有FORAN、ANSYS、MSC、ANSOFT、FLUENT、CADDS等等。

目前市場(chǎng)上常用的高性能計(jì)算服務(wù)器大致可以分為以下3種體系結(jié)構(gòu)，即：

（1）并行向量處理機(jī)（PVP）

PVP系統(tǒng)含有為數(shù)不多、功能強(qiáng)大的定制向量處理器（VP），以及定制的高帶寬縱橫交叉開關(guān)和高速數(shù)據(jù)訪問。由于這類系統(tǒng)對(duì)程序編制的要求較高，價(jià)格很昂貴且難于管理，因此，這種類型計(jì)算機(jī)主要集中在一些大型國家關(guān)鍵部門，在這里不再贅述。

（2）對(duì)稱多處理機(jī)（SMP）

SMP系統(tǒng)采用商品化的處理器，這些處理器通過總線或交叉開關(guān)連接到共享存儲(chǔ)器。今天市場(chǎng)上常見的機(jī)型有IBM Power系列服務(wù)器、HPQ的SuperDome、Alpha的ES、GS系列及SGI公司的Altix系列。SMP系統(tǒng)通常具有以下特點(diǎn)：

a.系統(tǒng)內(nèi)的CPU共享并可以直接訪問所有的內(nèi)存；

b.由一個(gè)操作系統(tǒng)管理整個(gè)系統(tǒng)；

c.支持共享內(nèi)存方式的并行模式，如OpenMP、pthreads等；

d.支持消息傳遞方式的并行模式，如MPI、PVM等

e.系統(tǒng)的價(jià)格相對(duì)較高；

f.為提高系統(tǒng)的使用效率，需要有功能強(qiáng)大的資源管理軟件和作業(yè)調(diào)度軟件配合進(jìn)行系統(tǒng)管理。如LSF、PBS及IBM的WLM和Tivoli Workload Scheduler Loadleveler等。

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

Cluster結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展勢(shì)頭很好的一種體系結(jié)構(gòu)。這類機(jī)型的技術(shù)起點(diǎn)比較低，用戶甚至可以自己將一些服務(wù)器或微機(jī)通過以太網(wǎng)連接起來，配以相應(yīng)的管理、通訊軟件來搭建Cluster。Cluster系統(tǒng)通常具有以下特點(diǎn)：

a.系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器（在Cluster概念下稱為節(jié)點(diǎn)）通過交換機(jī)連接在一起。每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有各自的內(nèi)存，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的CPU不能直接訪問另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存；

b.每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有獨(dú)立的操作系統(tǒng)；

c.需要一系列的集群軟件來完成整個(gè)系統(tǒng)的管理與運(yùn)行，包括：Cluster系統(tǒng)管理軟件，如IBM的xCat等；消息傳遞庫，如MPI、PVM等；作業(yè)管理與調(diào)度系統(tǒng)，如IBM Platform LSF等；并行文件系統(tǒng)，如IBM GPFS、PVFS等；

d.支持消息傳遞方式的并行模式，如MPI、PVM等；

e.只能在單個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部支持共享內(nèi)存方式的并行模式，如OpenMP、pthreads等；

f.性能價(jià)格比好。

因此，對(duì)于高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)該采用PC集群和胖節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)混合架構(gòu)的解決方案、來滿足不同CAE應(yīng)用人員對(duì)計(jì)算能力和計(jì)算規(guī)模的需求。計(jì)算節(jié)點(diǎn)間通過網(wǎng)絡(luò)高速互連形成高性能計(jì)算集群，并配置管理節(jié)點(diǎn)，登錄節(jié)點(diǎn)和I/O節(jié)點(diǎn)等，通過基于高速InfiniBand交換機(jī)的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和基于千兆交換機(jī)的管理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。I/O節(jié)點(diǎn)通過光纖通道卡連接到SAN中，由高速存儲(chǔ)設(shè)備提供足夠的存儲(chǔ)空間，并配置GPFS通用并行文件系統(tǒng)，來滿足高性能計(jì)算環(huán)境對(duì)存儲(chǔ)性能和空間的高需求。

（二）功能簡述

（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)和統(tǒng)一管理

新的平臺(tái)在數(shù)據(jù)管理方面要進(jìn)行統(tǒng)一，將數(shù)據(jù)集中管理、集中備份。通過配置性能較好的專業(yè)存儲(chǔ)陣列硬件和并行文件系統(tǒng)軟件，可以有效地提升CAD的工作效率，同時(shí)大大降低數(shù)據(jù)損壞的概率。

（2）HPC高性能計(jì)算和圖形工作站的硬件統(tǒng)一部署

X86架構(gòu)服務(wù)器可以配置高性能CPU、高容量內(nèi)存組建HPC高性能計(jì)算集群平臺(tái)，為用戶提供更高的仿真計(jì)算能力。同時(shí)，X86架構(gòu)服務(wù)器還能夠配置更多的PCI-EX16高速接口，以全速的方式提供顯卡的數(shù)據(jù)傳輸通路，可以配置高端GPU圖形處理卡，提供3D/2D圖形處理和可視化顯示服務(wù)。

（3）采用遠(yuǎn)程3D/2D處理技術(shù)

通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接起來的CAD服務(wù)器和用戶客戶端之間，配置專用的3D/2D遠(yuǎn)程處理軟件，可以將在遠(yuǎn)程服務(wù)器端渲染好的3D/2D圖形結(jié)果，傳輸?shù)娇蛻舳孙@示。

（4）統(tǒng)一服務(wù)的Web門戶

向所有用戶提供面向HPC高性能計(jì)算平臺(tái)和遠(yuǎn)程圖形工作站資源的統(tǒng)一的WEB服務(wù)接口門戶，向用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的接入和使用平臺(tái)，向管理員提供一個(gè)統(tǒng)一的管理和維護(hù)平臺(tái)。

在未來的業(yè)務(wù)發(fā)展過程中，可以無縫地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)容，增加HPC高性能計(jì)算資源，增加3D/2D圖形可視化處理資源，擴(kuò)充高效安全的磁盤存儲(chǔ)空間，保證整個(gè)平臺(tái)的高性能、友好性和可用性。

2 建設(shè)意義

建立船舶設(shè)計(jì)和制造高性能仿真計(jì)算系統(tǒng)，可以有效提升CAD的工作效率，大大降低數(shù)據(jù)損壞的概率；可以無縫地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)容，增加HPC高性能計(jì)算資源和3D/2D圖形可視化處理資源，擴(kuò)充高效安全的磁盤存儲(chǔ)空間，保證整個(gè)平臺(tái)的高性能、友好性和可用性；夯實(shí)企業(yè)高性能計(jì)算業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，提升科研和生產(chǎn)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]應(yīng)用于仿真計(jì)算的高性能計(jì)算中心選型與實(shí)現(xiàn).

http：//www.xzbu.com/8/view-3607238.htm.

[2]基于仿真的船舶建造業(yè)務(wù)流程再造研究.

http：//www.ciotimes.com/application/bpm/bpm20100120951.html.