1引言
随着信息技术的发展，舰船设计开发逐步采用数字化技术，通过三维设计软件建立舰船的数字模型，加载环境、力学、机、电等信息，建立具有物理、功能和性能特性的虚拟样机，结合大量模型试验和实船试验得到的参数，进行CAE数字仿真分析，对产品进行虚拟测试，取代部分物理样机的试验，验证舰船产品的性能，在此基础上，建立包含设计、制造、运行和维护整个舰船产品生命周期信息的虚拟样机，实现全过程数字化，缩短开发和试验周期，实现柔性设计和敏捷制造，保证舰船产品的安全可靠，提高自主创新能力具有重要意义。
CAE技术在舰船结构设计中得到广泛应用，对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。特别是测试验证船舶总体和局部结构强度、船舶总体和局部结构振动特性、结构主要节点疲劳性能等，模型试验、实物试验与计算结合的，经验方法和计算方法的结合，更正确的把握测试结果和方法。
大型快速远洋水面舰船，产生极大的波浪载荷和静水载荷，需进行结构疲劳和断裂分析；大型载机舰船，其飞机起降载荷复杂，瞬间冲击力特别大，且起降形式不同，会产生高温热应力，承担冲滩登陆任务舰船，遭遇碰撞、触礁和搁浅，对其破坏程度后评估也是高度非线性问题，另外，军事舰船其特殊的使命，本身携带爆炸物、也易受各种空中、水面和水下爆炸物攻击，研究舰船遭遇爆炸各种形式(舱内爆炸、空中、水面和水下接触和非接触爆炸)，预报其遭遇破坏程度，更是瞬间高度非线性问题，需要用具有显式积分方法解决的瞬态非线性程序；而对舰船极限承载力和生命力预报和评估、舰船各种武备如导弹、火炮发射的冲击力等分析，也需要采用各种算法好、运算速度快的高级非线性分析软件；对于大型水面舰船设计都具有声隐声要求，其舰船的振动及响应、噪声预报是一项关键技术，舰船噪声覆盖声学分析的底频、中频和高频率空气噪声和机械噪声，需要有完善的解决低、中和高频率噪声分析的系统软件，由于声源除了空气和机械外，船舶动力设备引起的船舶振动和响应，螺旋桨激励等也是主要产生噪声源，也需要先用CFD软件预报激励；整舰船进行精细强度分析。
本文的目标是建设一个公用的高性能计算支持平台，用来进行建模与结构分析及计算流体力学等方面的数值模拟，以满足目前计算需要，同时考虑计算规模增加、新应用程序引进所带来的扩展性问题。
2高性能计算平台的选型要求
2．1强大的计算能力
本文所搭建的高性能计算平台应是一个复杂的高性能计算环境，这种计算环境不仅涉及专用计算软件的性能、而且要涉及计算机系统的综合运算性能。
目前64位环境下处理软件和硬件都已经成熟，为了提高现有设备的处理能力，应采用64位高性能集群以提供更高的计算能力。处理能力应能满足大规模网格点模型的结构与流体分析，要求单CPU及计算服务器整体具有强大的运算能力。
由于整个环境涉及面比较广，在此仅以中央处理器(CPU)和内存的选择为例稍作展开。
2．1．1处理器性能最大化原则
在引言需求中所列出的应用领域存在一个现象，即很多作业的运行时间很难通过增加所使用的处理器数量来减少。下面分别列出了ABAQUS和ANSYS在典型高性能计算机上不同个数处理器上运行标准测试所花费的时间。
表1 ABAQUS和ANSYS测试多处理器并行对照表
ABAQUS是典型的非线性有限元分析程序，从上表可以看出，即使使用4个CPU，也无法将计算时间缩短至只使用一个CPU时的50％。而ANSYS多处理器并行的效率更差。
即使在计算流体动力学应用中(例如Fluent)，作业运行时间也严重受限于计算网格数的大小，下表选择了三个不同规模的Fluent标准测试考察多处理器并行时的加速效果。
表2 Fluent测试多处理器并行对照表
分页
可见在三个例题之中只有网格数达到847，000的战斗机跨音速外流计算才能保证直到8个处理器都可以获得比较理想的加速比。换句话说，如果解题规模或物体外形达不到上题的复杂程度，使用超过8个处理器进行并行运算是没有必要的。
分析以上数据我们可以得出结论，若要提高工作效率，缩短作业的运行时间或者在一定的时间内运行更多的作业或更复杂的作业，首先应该尽可能提高单处理器的性能。也就是说，由8个相对性能为l的处理器构造的高性能计算系统不如使用由4个相对性能为2的处理器组成的高性能计算系统的使用效果好，理想状态下对两个4 CPU的作业它们的性能是一样的，而对于一个4CPU作业来讲后者只需前者一半的时间就可完成作业。
选择性能尽可能高的处理器还有另一个好处，就是在得到同样的运行效率的前提下，在应用软件许可证上的花费更少。
因此，我们在设计本高性能计算平台时首先确定的原则就是处理器性能最大化的原则。
2．1．2内存的设计
在进行了数项应用的标准测试之后，我们得出，在系统中为每个处理器配置4GB以上内存即可获得满意的效果，另外，需采用尽可能高速的内存，以获得尽可能大的内存带宽。
2．2高性能I／O
本文所搭建的高性能计算平台应是一个要求采用最新技术解决专业应用的复杂的生产系统，由于其本身应用的特点要求整套计算机系统运行必须稳定、技术必须成熟。这种运行稳定性包括计算机系统与专业软件系统之间的配合、I／O系统与存储系统之间的稳定性、计算机系统本身的技术成熟性等诸多内容。在运行过程中，每个作业需要约数十GB的存储空间存放中间临时文件，并对这些临时文件进行频繁的读写操作，因而对系统的I／O性能提出要求较高。
实践证明，以NASTRAN为代表的部分应用的性能与系统的磁盘I／0性能有极大的关系，正确设计磁盘系统消除I／0瓶颈后，其性能甚至可有几倍的提高。因此我们在设计本系统中将保证磁盘I／O性能与系统计算性能相匹配，其设计手法为磁盘I／0的并行化(硬件)和采用并行文件系统(软件)。
并行I／0的一个额外好处是透明的文件缓存机制可以消除交互用户在后台有大量批量作业I／0产生时出现的长响应时间，为交互客户提供了更友善的使用和更高的服务质量。
2．3强大的资源管理和作业调度功能
高性能计算机除了具有处理超大规模的计算任务外，还应有支持多用户、多作业的能力。这就要求系统具有强大的资源管理和作业调度功能，以充分、高效地使用计算机资源。系统管理员可以根据应用的具体需求制定管理规则，实现作业的自动调度、优先级管理，用户的资源分配等复杂的功能。
2．4作业的断点／续算(Checkpoint／Restart)功能
当运行较大规模的计算作业时，一个题目可能会运行几天甚至几个星期。如果在此期间需要做系统维护，或因有一个紧急的计算任务需要尽快完成，而必须停止其它正在运行的题目，那么某些应用程序就会被中断。如果这些应用程序本身没有保存中间结果的功能，或保存中间结果的时间间隔较长，那么停机会给用户造成不必要的时间浪费。为此，要求系统具有完善的断点／续算(Checkpoint／Restart)的功能，提供自动或手工为应用程序保存中间计算结果，在系统停机／重新启动后尽快恢复从断点处继续计算，减少了时间损失。同时应该提供作业挂起功能，可以将不关键的作业挂起而并不杀掉进程，为紧急的计算任务空出资源，待该任务完成后恢复计算。
2．5系统扩展能力
随着研究与业务的发展，原有应用程序的计算规模会越来越犬，同时还会有新的应用运行在高性能计算系统上。当现有的系统不能满足计算要求时，就涉及到系统扩展问题。系统扩展不应该仅仅是硬件或计算能力的增加，它要求新增系统能充分地融合到现有的系统中，并仍能充分利用老的计算系统，以保护投资。
分页
3平台架构的搭建
根据以上需求分析，核心设计系统架构将如下图所示：
图1核心设计系统架构图
其中CAD系统将运行在图形服务器(或工作站)上，不同的设计人员将采用其独自的系统。CAE系统同样运行在图形服务器(或工作站)上，但由于CAE的计算量巨大，因此核心处理和计算将运行在高性能计算集群平台上。CAD和CAE的数据可存放在其系统存储上，如果采用了PDM管理平台，CAD和CAE的数据将通过PDM系统存放在由PDM系统所管理的存储服务器中，从而使数据得到更好的管理和应用。
从系统平台的选择上来看，对于负责CAE系统核心处理和计算高性能计算的服务器集群，我们采用由4个高性能计算服务器节点组成的服务器集群，4个高性能节点将通过统一的高性能交换机进行连接、数据交换和沟通。对于PDM应用服务器和数据库服务器，由于其重要性和对可靠性的要求，可采用不同的服务器来运行，运行应用系统的服务器和运行数据库系统的服务器将组成HACMP高可靠性集群来保证服务器的高可靠性和可服务性。PDM系统的数据(包括CAD和CAE的数据)将被存储在集中的存储服务器中，PDM数据库将通过SAN网络来将数据保存到SAN存储服务器上。
SAN存储服务器上将分配不同的存储区域存储不同应用的数据，如存放PDM数据的存储空间和存放OA数据的存储空间。当然，如果CAB应用和CAE应用如果有数据需不通过PDM
而直接存放在本地的，则也可以通过加装光纤卡来实现存放于SAC存储服务器上。此外，由于对数据的可靠性要求很高，建议另外设置一个存储服务器作为工作存储服务器的备份。2个存储服务器之间将通过镜像方式实现数据的同步复制，即任何存放在工作存储服务器上的重要数据将被同步拷贝到另外一个存储服务器上。这样的话，即使将来工作存储服务器发生问题时，所有的数据在备份存储服务器上都有备份。再加上磁带库备份，人大降低了数据丢失的风险。
图2高性能计算平台架构图
4结束语
作为高性能计算应用的主要领域之一，舰船设计领域人量采用了CAE和CAD技术，对计算机系统的达算性能、运行稳定性有着很高的要求。随着新技术的不断推出，如何升级完善高性能计算平台的话题也会不断地被提出。然而高性能计算平台的构建并没有一个绝对的模式，评价它成功与否的标准还在于是否满足自身的实际需求。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：高性能计算平台架构搭建之浅见
相关文章
