浅谈船舶行业的高性能仿真计算

    朱江

    摘 要：仿真计算在船舶的设计和制造中具备举足轻重的地位，本文从高性能仿真计算所存在的问题分析出发，并结合国内外高性能计算发展现状，提出了适合船舶行业的高性能仿真计算架构，该分析过程对于提升船舶行业的设计、制造水平具备一定的指导意义。

    关键词：高性能；仿真计算

    0 引言

    船舶的设计和制造单位对高性能计算以及可视化的需求主要集中在整机及零部件的设计、模拟仿真计算方面，即利用传统的CAD方法进行前后处理，将设计好的模型传到高性能计算机中进行CAE模拟。CAD过程中往往需要处理大量的模型旋转、移动等操作，需要高端的图形处理卡，而模拟过程中则对CPU计算性能和内存有很大的依赖性。传统的使用方法中，CAD设计平台与CAE计算平台往往是独立的。设计人员在本地配置具备高端图形处理卡的工作站，对设计模型在本地进行渲染，得到的结果通过网络传到远程的高性能计算机中进行求解，高性能计算机得到的结果再通过网络返回本地工作站进行后处理。

    1 高性能仿真计算

    1.1 建设方案

    （一）整体系统架构

    通过统一的WEB服务门户或命令行接口，为用户提供面向CAE仿真的高性能计算平台服务。重要应用程序有FORAN、ANSYS、MSC、ANSOFT、FLUENT、CADDS等等。

    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，在这里不再赘述。

    （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 Power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：

    a.系统内的CPU共享并可以直接访问所有的内存；

    b.由一个操作系统管理整个系统；

    c.支持共享内存方式的并行模式，如OpenMP、pthreads等；

    d.支持消息传递方式的并行模式，如MPI、PVM等

    e.系统的价格相对较高；

    f.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Tivoli Workload Scheduler Loadleveler等。

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

    Cluster结构是近年来发展势头很好的一种体系结构。这类机型的技术起点比较低，用户甚至可以自己将一些服务器或微机通过以太网连接起来，配以相应的管理、通讯软件来搭建Cluster。Cluster系统通常具有以下特点：

    a.系统由多个独立的服务器（在Cluster概念下称为节点）通过交换机连接在一起。每个节点拥有各自的内存，某个节点的CPU不能直接访问另外一个节点的内存；

    b.每个节点拥有独立的操作系统；

    c.需要一系列的集群软件来完成整个系统的管理与运行，包括：Cluster系统管理软件，如IBM的xCat等；消息传递库，如MPI、PVM等；作业管理与调度系统，如IBM Platform LSF等；并行文件系统，如IBM GPFS、PVFS等；

    d.支持消息传递方式的并行模式，如MPI、PVM等；

    e.只能在单个节点内部支持共享内存方式的并行模式，如OpenMP、pthreads等；

    f.性能价格比好。

    因此，对于高性能计算机系统，应该采用PC集群和胖节点系统混合架构的解决方案、来满足不同CAE应用人员对计算能力和计算规模的需求。计算节点间通过网络高速互连形成高性能计算集群，并配置管理节点，登录节点和I/O节点等，通过基于高速InfiniBand交换机的高速数据网络和基于千兆交换机的管理网络进行互联。I/O节点通过光纤通道卡连接到SAN中，由高速存储设备提供足够的存储空间，并配置GPFS通用并行文件系统，来满足高性能计算环境对存储性能和空间的高需求。

    （二）功能简述

    （1）数据统一存储和统一管理

    新的平台在数据管理方面要进行统一，将数据集中管理、集中备份。通过配置性能较好的专业存储阵列硬件和并行文件系统软件，可以有效地提升CAD的工作效率，同时大大降低数据损坏的概率。

    （2）HPC高性能计算和图形工作站的硬件统一部署

    X86架构服务器可以配置高性能CPU、高容量内存组建HPC高性能计算集群平台，为用户提供更高的仿真计算能力。同时，X86架构服务器还能够配置更多的PCI-EX16高速接口，以全速的方式提供显卡的数据传输通路，可以配置高端GPU图形处理卡，提供3D/2D图形处理和可视化显示服务。

    （3）采用远程3D/2D处理技术

    通过企业内部网络连接起来的CAD服务器和用户客户端之间，配置专用的3D/2D远程处理软件，可以将在远程服务器端渲染好的3D/2D图形结果，传输到客户端显示。

    （4）统一服务的Web门户

    向所有用户提供面向HPC高性能计算平台和远程图形工作站资源的统一的WEB服务接口门户，向用户提供一个统一的接入和使用平台，向管理员提供一个统一的管理和维护平台。

    在未来的业务发展过程中，可以无缝地进行系统扩容，增加HPC高性能计算资源，增加3D/2D图形可视化处理资源，扩充高效安全的磁盘存储空间，保证整个平台的高性能、友好性和可用性。

    2 建设意义

    建立船舶设计和制造高性能仿真计算系统，可以有效提升CAD的工作效率，大大降低数据损坏的概率；可以无缝地进行系统扩容，增加HPC高性能计算资源和3D/2D图形可视化处理资源，扩充高效安全的磁盘存储空间，保证整个平台的高性能、友好性和可用性；夯实企业高性能计算业务的基础，提升科研和生产水平。

    参考文献：

    [1]应用于仿真计算的高性能计算中心选型与实现.

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

    [2]基于仿真的船舶建造业务流程再造研究.

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