1引言

    隨著信息技術(shù)的發(fā)展，艦船設(shè)計開發(fā)逐步采用數(shù)字化技術(shù)，通過三維設(shè)計軟件建立艦船的數(shù)字模型，加載環(huán)境、力學(xué)、機、電等信息，建立具有物理、功能和性能特性的虛擬樣機，結(jié)合大量模型試驗和實船試驗得到的參數(shù)，進行CAE數(shù)字仿真分析，對產(chǎn)品進行虛擬測試，取代部分物理樣機的試驗，驗證艦船產(chǎn)品的性能，在此基礎(chǔ)上，建立包含設(shè)計、制造、運行和維護整個艦船產(chǎn)品生命周期信息的虛擬樣機，實現(xiàn)全過程數(shù)字化，縮短開發(fā)和試驗周期，實現(xiàn)柔性設(shè)計和敏捷制造，保證艦船產(chǎn)品的安全可靠，提高自主創(chuàng)新能力具有重要意義。

    CAE技術(shù)在艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，對工程和產(chǎn)品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并證實未來工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性與可靠性。特別是測試驗證船舶總體和局部結(jié)構(gòu)強度、船舶總體和局部結(jié)構(gòu)振動特性、結(jié)構(gòu)主要節(jié)點疲勞性能等，模型試驗、實物試驗與計算結(jié)合的，經(jīng)驗方法和計算方法的結(jié)合，更正確的把握測試結(jié)果和方法。

    大型快速遠洋水面艦船，產(chǎn)生極大的波浪載荷和靜水載荷，需進行結(jié)構(gòu)疲勞和斷裂分析；大型載機艦船，其飛機起降載荷復(fù)雜，瞬間沖擊力特別大，且起降形式不同，會產(chǎn)生高溫?zé)釕?yīng)力，承擔(dān)沖灘登陸任務(wù)艦船，遭遇碰撞、觸礁和擱淺，對其破壞程度后評估也是高度非線性問題，另外，軍事艦船其特殊的使命，本身攜帶爆炸物、也易受各種空中、水面和水下爆炸物攻擊，研究艦船遭遇爆炸各種形式(艙內(nèi)爆炸、空中、水面和水下接觸和非接觸爆炸)，預(yù)報其遭遇破壞程度，更是瞬間高度非線性問題，需要用具有顯式積分方法解決的瞬態(tài)非線性程序；而對艦船極限承載力和生命力預(yù)報和評估、艦船各種武備如導(dǎo)彈、火炮發(fā)射的沖擊力等分析，也需要采用各種算法好、運算速度快的高級非線性分析軟件；對于大型水面艦船設(shè)計都具有聲隱聲要求，其艦船的振動及響應(yīng)、噪聲預(yù)報是一項關(guān)鍵技術(shù)，艦船噪聲覆蓋聲學(xué)分析的底頻、中頻和高頻率空氣噪聲和機械噪聲，需要有完善的解決低、中和高頻率噪聲分析的系統(tǒng)軟件，由于聲源除了空氣和機械外，船舶動力設(shè)備引起的船舶振動和響應(yīng)，螺旋槳激勵等也是主要產(chǎn)生噪聲源，也需要先用CFD軟件預(yù)報激勵；整艦船進行精細強度分析。

    本文的目標(biāo)是建設(shè)一個公用的高性能計算支持平臺，用來進行建模與結(jié)構(gòu)分析及計算流體力學(xué)等方面的數(shù)值模擬，以滿足目前計算需要，同時考慮計算規(guī)模增加、新應(yīng)用程序引進所帶來的擴展性問題。

2高性能計算平臺的選型要求

    2．1強大的計算能力

    本文所搭建的高性能計算平臺應(yīng)是一個復(fù)雜的高性能計算環(huán)境，這種計算環(huán)境不僅涉及專用計算軟件的性能、而且要涉及計算機系統(tǒng)的綜合運算性能。

    目前64位環(huán)境下處理軟件和硬件都已經(jīng)成熟，為了提高現(xiàn)有設(shè)備的處理能力，應(yīng)采用64位高性能集群以提供更高的計算能力。處理能力應(yīng)能滿足大規(guī)模網(wǎng)格點模型的結(jié)構(gòu)與流體分析，要求單CPU及計算服務(wù)器整體具有強大的運算能力。

    由于整個環(huán)境涉及面比較廣，在此僅以中央處理器(CPU)和內(nèi)存的選擇為例稍作展開。

    2．1．1處理器性能最大化原則

    在引言需求中所列出的應(yīng)用領(lǐng)域存在一個現(xiàn)象，即很多作業(yè)的運行時間很難通過增加所使用的處理器數(shù)量來減少。下面分別列出了ABAQUS和ANSYS在典型高性能計算機上不同個數(shù)處理器上運行標(biāo)準(zhǔn)測試所花費的時間。

    表1 ABAQUS和ANSYS測試多處理器并行對照表

    ABAQUS是典型的非線性有限元分析程序，從上表可以看出，即使使用4個CPU，也無法將計算時間縮短至只使用一個CPU時的50％。而ANSYS多處理器并行的效率更差。

    即使在計算流體動力學(xué)應(yīng)用中(例如Fluent)，作業(yè)運行時間也嚴重受限于計算網(wǎng)格數(shù)的大小，下表選擇了三個不同規(guī)模的Fluent標(biāo)準(zhǔn)測試考察多處理器并行時的加速效果。

    表2 Fluent測試多處理器并行對照表

    可見在三個例題之中只有網(wǎng)格數(shù)達到847，000的戰(zhàn)斗機跨音速外流計算才能保證直到8個處理器都可以獲得比較理想的加速比。換句話說，如果解題規(guī)模或物體外形達不到上題的復(fù)雜程度，使用超過8個處理器進行并行運算是沒有必要的。

    分析以上數(shù)據(jù)我們可以得出結(jié)論，若要提高工作效率，縮短作業(yè)的運行時間或者在一定的時間內(nèi)運行更多的作業(yè)或更復(fù)雜的作業(yè)，首先應(yīng)該盡可能提高單處理器的性能。也就是說，由8個相對性能為l的處理器構(gòu)造的高性能計算系統(tǒng)不如使用由4個相對性能為2的處理器組成的高性能計算系統(tǒng)的使用效果好，理想狀態(tài)下對兩個4 CPU的作業(yè)它們的性能是一樣的，而對于一個4CPU作業(yè)來講后者只需前者一半的時間就可完成作業(yè)。

    選擇性能盡可能高的處理器還有另一個好處，就是在得到同樣的運行效率的前提下，在應(yīng)用軟件許可證上的花費更少。

    因此，我們在設(shè)計本高性能計算平臺時首先確定的原則就是處理器性能最大化的原則。

    2．1．2內(nèi)存的設(shè)計

    在進行了數(shù)項應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)測試之后，我們得出，在系統(tǒng)中為每個處理器配置4GB以上內(nèi)存即可獲得滿意的效果，另外，需采用盡可能高速的內(nèi)存，以獲得盡可能大的內(nèi)存帶寬。

    2．2高性能I／O

    本文所搭建的高性能計算平臺應(yīng)是一個要求采用最新技術(shù)解決專業(yè)應(yīng)用的復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，由于其本身應(yīng)用的特點要求整套計算機系統(tǒng)運行必須穩(wěn)定、技術(shù)必須成熟。這種運行穩(wěn)定性包括計算機系統(tǒng)與專業(yè)軟件系統(tǒng)之間的配合、I／O系統(tǒng)與存儲系統(tǒng)之間的穩(wěn)定性、計算機系統(tǒng)本身的技術(shù)成熟性等諸多內(nèi)容。在運行過程中，每個作業(yè)需要約數(shù)十GB的存儲空間存放中間臨時文件，并對這些臨時文件進行頻繁的讀寫操作，因而對系統(tǒng)的I／O性能提出要求較高。

    實踐證明，以NASTRAN為代表的部分應(yīng)用的性能與系統(tǒng)的磁盤I／0性能有極大的關(guān)系，正確設(shè)計磁盤系統(tǒng)消除I／0瓶頸后，其性能甚至可有幾倍的提高。因此我們在設(shè)計本系統(tǒng)中將保證磁盤I／O性能與系統(tǒng)計算性能相匹配，其設(shè)計手法為磁盤I／0的并行化(硬件)和采用并行文件系統(tǒng)(軟件)。

    并行I／0的一個額外好處是透明的文件緩存機制可以消除交互用戶在后臺有大量批量作業(yè)I／0產(chǎn)生時出現(xiàn)的長響應(yīng)時間，為交互客戶提供了更友善的使用和更高的服務(wù)質(zhì)量。

    2．3強大的資源管理和作業(yè)調(diào)度功能

    高性能計算機除了具有處理超大規(guī)模的計算任務(wù)外，還應(yīng)有支持多用戶、多作業(yè)的能力。這就要求系統(tǒng)具有強大的資源管理和作業(yè)調(diào)度功能，以充分、高效地使用計算機資源。系統(tǒng)管理員可以根據(jù)應(yīng)用的具體需求制定管理規(guī)則，實現(xiàn)作業(yè)的自動調(diào)度、優(yōu)先級管理，用戶的資源分配等復(fù)雜的功能。

    2．4作業(yè)的斷點／續(xù)算(Checkpoint／Restart)功能

    當(dāng)運行較大規(guī)模的計算作業(yè)時，一個題目可能會運行幾天甚至幾個星期。如果在此期間需要做系統(tǒng)維護，或因有一個緊急的計算任務(wù)需要盡快完成，而必須停止其它正在運行的題目，那么某些應(yīng)用程序就會被中斷。如果這些應(yīng)用程序本身沒有保存中間結(jié)果的功能，或保存中間結(jié)果的時間間隔較長，那么停機會給用戶造成不必要的時間浪費。為此，要求系統(tǒng)具有完善的斷點／續(xù)算(Checkpoint／Restart)的功能，提供自動或手工為應(yīng)用程序保存中間計算結(jié)果，在系統(tǒng)停機／重新啟動后盡快恢復(fù)從斷點處繼續(xù)計算，減少了時間損失。同時應(yīng)該提供作業(yè)掛起功能，可以將不關(guān)鍵的作業(yè)掛起而并不殺掉進程，為緊急的計算任務(wù)空出資源，待該任務(wù)完成后恢復(fù)計算。

    2．5系統(tǒng)擴展能力

    隨著研究與業(yè)務(wù)的發(fā)展，原有應(yīng)用程序的計算規(guī)模會越來越犬，同時還會有新的應(yīng)用運行在高性能計算系統(tǒng)上。當(dāng)現(xiàn)有的系統(tǒng)不能滿足計算要求時，就涉及到系統(tǒng)擴展問題。系統(tǒng)擴展不應(yīng)該僅僅是硬件或計算能力的增加，它要求新增系統(tǒng)能充分地融合到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，并仍能充分利用老的計算系統(tǒng)，以保護投資。

3平臺架構(gòu)的搭建

    根據(jù)以上需求分析，核心設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)將如下圖所示：

    圖1核心設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)圖

    其中CAD系統(tǒng)將運行在圖形服務(wù)器(或工作站)上，不同的設(shè)計人員將采用其獨自的系統(tǒng)。CAE系統(tǒng)同樣運行在圖形服務(wù)器(或工作站)上，但由于CAE的計算量巨大，因此核心處理和計算將運行在高性能計算集群平臺上。CAD和CAE的數(shù)據(jù)可存放在其系統(tǒng)存儲上，如果采用了PDM管理平臺，CAD和CAE的數(shù)據(jù)將通過PDM系統(tǒng)存放在由PDM系統(tǒng)所管理的存儲服務(wù)器中，從而使數(shù)據(jù)得到更好的管理和應(yīng)用。

    從系統(tǒng)平臺的選擇上來看，對于負責(zé)CAE系統(tǒng)核心處理和計算高性能計算的服務(wù)器集群，我們采用由4個高性能計算服務(wù)器節(jié)點組成的服務(wù)器集群，4個高性能節(jié)點將通過統(tǒng)一的高性能交換機進行連接、數(shù)據(jù)交換和溝通。對于PDM應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，由于其重要性和對可靠性的要求，可采用不同的服務(wù)器來運行，運行應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)器和運行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的服務(wù)器將組成HACMP高可靠性集群來保證服務(wù)器的高可靠性和可服務(wù)性。PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)(包括CAD和CAE的數(shù)據(jù))將被存儲在集中的存儲服務(wù)器中，PDM數(shù)據(jù)庫將通過SAN網(wǎng)絡(luò)來將數(shù)據(jù)保存到SAN存儲服務(wù)器上。

    SAN存儲服務(wù)器上將分配不同的存儲區(qū)域存儲不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)，如存放PDM數(shù)據(jù)的存儲空間和存放OA數(shù)據(jù)的存儲空間。當(dāng)然，如果CAB應(yīng)用和CAE應(yīng)用如果有數(shù)據(jù)需不通過PDM

    而直接存放在本地的，則也可以通過加裝光纖卡來實現(xiàn)存放于SAC存儲服務(wù)器上。此外，由于對數(shù)據(jù)的可靠性要求很高，建議另外設(shè)置一個存儲服務(wù)器作為工作存儲服務(wù)器的備份。2個存儲服務(wù)器之間將通過鏡像方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步復(fù)制，即任何存放在工作存儲服務(wù)器上的重要數(shù)據(jù)將被同步拷貝到另外一個存儲服務(wù)器上。這樣的話，即使將來工作存儲服務(wù)器發(fā)生問題時，所有的數(shù)據(jù)在備份存儲服務(wù)器上都有備份。再加上磁帶庫備份，人大降低了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。

    圖2高性能計算平臺架構(gòu)圖

4結(jié)束語

    作為高性能計算應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一，艦船設(shè)計領(lǐng)域人量采用了CAE和CAD技術(shù)，對計算機系統(tǒng)的達算性能、運行穩(wěn)定性有著很高的要求。隨著新技術(shù)的不斷推出，如何升級完善高性能計算平臺的話題也會不斷地被提出。然而高性能計算平臺的構(gòu)建并沒有一個絕對的模式，評價它成功與否的標(biāo)準(zhǔn)還在于是否滿足自身的實際需求。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：高性能計算平臺架構(gòu)搭建之淺見

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