淺談船舶行業(yè)的高性能仿真計算

朱江

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

關(guān)鍵詞：高性能；仿真計算

0 引言

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

1 高性能仿真計算

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仿真的高性能計算平臺服務(wù)。重要應(yīng)用程序有FORAN、ANSYS、MSC、ANSOFT、FLUENT、CADDS等等。

目前市場上常用的高性能計算服務(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（PVP）

PVP系統(tǒng)含有為數(shù)不多、功能強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)對程序編制的要求較高，價格很昂貴且難于管理，因此，這種類型計算機主要集中在一些大型國家關(guān)鍵部門，在這里不再贅述。

（2）對稱多處理機（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)連接到共享存儲器。今天市場上常見的機型有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：

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

b.由一個操作系統(tǒng)管理整個系統(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)的價格相對較高；

f.為提高系統(tǒng)的使用效率，需要有功能強大的資源管理軟件和作業(yè)調(diào)度軟件配合進行系統(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)展勢頭很好的一種體系結(jié)構(gòu)。這類機型的技術(shù)起點比較低，用戶甚至可以自己將一些服務(wù)器或微機通過以太網(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：

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

b.每個節(jié)點擁有獨立的操作系統(tǒng)；

c.需要一系列的集群軟件來完成整個系統(tǒng)的管理與運行，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.只能在單個節(jié)點內(nèi)部支持共享內(nèi)存方式的并行模式，如OpenMP、pthreads等；

f.性能價格比好。

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

（二）功能簡述

（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲和統(tǒng)一管理

新的平臺在數(shù)據(jù)管理方面要進行統(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，同時大大降低數(shù)據(jù)損壞的概率。

（2）HPC高性能計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高性能計算集群平臺，為用戶提供更高的仿真計算能力。同時，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遠程處理軟件，可以將在遠程服務(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高性能計算平臺和遠程圖形工作站資源的統(tǒng)一的WEB服務(wù)接口門戶，向用戶提供一個統(tǒng)一的接入和使用平臺，向管理員提供一個統(tǒng)一的管理和維護平臺。

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

2 建設(shè)意義

建立船舶設(shè)計和制造高性能仿真計算系統(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；可以無縫地進行系統(tǒng)擴容，增加HPC高性能計算資源和3D/2D圖形可視化處理資源，擴充高效安全的磁盤存儲空間，保證整個平臺的高性能、友好性和可用性；夯實企業(yè)高性能計算業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，提升科研和生產(chǎn)水平。

參考文獻：

[1]應(yīng)用于仿真計算的高性能計算中心選型與實現(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.