計算斷層攝影軟件發(fā)掘NVIDIA Tesla潛力
數(shù)十年前有股力量令高性能計算成為科學與工程設計領域不可分割的一部分，如今還是這股力量推動著經(jīng)濟體系中各個層面的眾多公司越來越多地在小規(guī)模群集上采用高性能計算。 這股力量就是：高性能計算可幫助用戶完成之前無法完成的任務。
在科學與工程設計領域中，這就意味著在以傳統(tǒng)的實體測試流程制造出原型飛機之前就可以對新的飛機設計進行試飛，還意味著可以根據(jù)特定的理想生物學屬性來理性地尋求全新的治療性化合物，而不是通過難以把握的試驗來尋求它們。 這些進步已經(jīng)提高了我們這星球上大多數(shù)人的生活標準。 這就是大背景下的科學計算，其影響正改變著我們的文化。 盡管計算規(guī)?？赡軙。斀窀咝阅苡嬎慵夹g的采用對企業(yè)及其客戶所造成的轉變仍然具有革命意義。
最近我與North Star Imaging公司CT（計算斷層攝影）產(chǎn)品經(jīng)理Julien Noel談論了這一話題，該公司位于寒冷的明尼蘇達州羅杰斯市。 North Star Imaging (NSI)公司專門致力于研究無損測試與分析用途的工業(yè)X射線。 他們已經(jīng)親眼見證了采用高性能計算所帶來的直接效益，高性能計算的采用可以改變一家企業(yè)并為該企業(yè)及其客戶創(chuàng)造全新價值。他們采用NVIDIA GPU及其CUDA應用程序接口來擴展其計算能力。
HPCwire：North Star公司為其客戶提供哪些產(chǎn)品和服務？
Noel: 我們的二維數(shù)字X射線系統(tǒng)通常用于在整個制造過程中進行產(chǎn)品質量控制以及手動或自動化批準/拒絕應用。 我們的三維CT系統(tǒng)一般用于研究與開發(fā)、故障分析、逆向工程以及其它類似任務。
我們的產(chǎn)品和服務所面向的是需要在不損壞物體的情況下檢查其內部結構和/或外部狀態(tài)的所有客戶群體。 我們所涉足的行業(yè)包括航天、醫(yī)療設備、電子、汽車以及博物館等等，曾有機會與波音、貝爾直升機、洛克希•德馬丁、美國國家航空和航天管理局、美國陸軍、美敦力以及川崎等公司合作，而合作的公司還在不斷增加。
HPCwire：以NVIDIA的GPU為例，你們利用高性能計算解決了哪些難題？
Noel: 計算斷層攝影涉及復雜的3D重建算法。 從根本上來說，工業(yè)CT系統(tǒng)使用幾個二維數(shù)字X射線圖像并將它們重建為由三維像素或立體元素組成的三維立體形式。 這一過程使用了一種叫做“Feldkamp算法”的過濾反射影算法。
由于數(shù)字X射線技術的改進，工業(yè)CT系統(tǒng)也能夠獲得比以往任何時候都更多的X射線投影（從720到3000），此外每幅單獨的圖像還明顯變得更大。 單幅圖像現(xiàn)在已達到300至1,000萬像素并且位深度通常約為14到16位。 總的來說，CT軟件會處理巨大的數(shù)據(jù)集以及創(chuàng)建和輸出數(shù)十億三維像素尺寸的重建內容。
為了能夠處理數(shù)據(jù)以及創(chuàng)建重建內容，CT軟件需要一臺具備極強計算能力的高端計算機。 目前，該標準要么是一臺多核處理器系統(tǒng)要么就是一個計算機群集。而這兩種標準反過來又會導致高昂的硬件成本以及重建的速度限制。 基本上，CT重建速度會與處理器數(shù)量呈線性關系，也就是說8核就等于速度提升8倍。
為了解決這一問題，NSI公司開發(fā)了一種利用GPU技術來進行重建的全新方式。 與傳統(tǒng)CPU系統(tǒng)相比，GPU重建大大加速了這一過程，同時還幫助降低了硬件成本。 GPU技術是計算極限的未來，對NSI未來的發(fā)展也極具戰(zhàn)略意義。
我們基于GPU的CT軟件還增添了三維渲染工具，該工具用于實時顯示結果以及處理三維CT立體數(shù)據(jù)。 NVIDIA顯卡還被用于優(yōu)化渲染質量和渲染速度。
HPCwire: 為什么選擇NVIDIA®（英偉達™）以及CUDA？
Noel: 從前，我們曾使用NVIDIA顯卡來處理CT軟件的三維渲染模型。 對于我們CT再建的開發(fā)工作來說，CUDA界面簡單易用并且功能強大。因此我們的團隊就自然而然地將目光集中到NVIDIA技術上來，并利用Tesla C1060 計算處理器來處理這些計算。 而且，NVIDIA®（英偉達™）公司的工作人員一直都反應迅速，并且很樂于幫助我們，向我們的團隊提供了用于評估和開發(fā)的技術解決方案以及顯卡。 #p#page_title#e#
HPCwire：你們的客戶見證了那些改進？這些改進產(chǎn)生了怎樣的不同效果？
Noel: 通過使用我們搭載了GPU重建技術的全新CT軟件，我們的數(shù)據(jù)轉換速度遠比從前快了很多。 使用我們的efX-CT軟件時，其速度比我們的CPU版本軟件快了5到40倍。CPU版本軟件所利用的處理器的性能。而和所有其它CT軟件相比，efX-CT軟件的速度提升最高達到了100倍，具體情況視投影數(shù)量的多寡而定。
從客戶的角度來看，這一全新性能具有相當高的價值，因為現(xiàn)在每天能夠運行更多次CT掃描，而原來是做不到這一點的。 而且，這種全新性能帶來了極大的靈活性和充足的時間，讓客戶能夠嘗試多種重建設置以便對掃描質量做精細調整。
最近，一家客戶表示，其生產(chǎn)率的大幅提升是由于他們的重建時間比前幾年縮短了49倍。 他們進一步解釋稱，現(xiàn)在其數(shù)據(jù)處理一般僅需不到2分鐘，而原來需要數(shù)個小時，同時他們利用計算斷層攝影的方式已經(jīng)發(fā)生了巨大變化。
HPCwire：為了利用支持CUDA的NVIDIA GPU，North Star做出了多大的努力呢？
Noel: North Star Imaging公司的開發(fā)團隊在將GPU重建模型整合到了efX-CT軟件中，整個過程完成得非常高效。CUDA編程界面相當簡單并且非常穩(wěn)定。 代碼易于移植，其靈活性以及性能使某些軟件的運行速度非?？?。 為了優(yōu)化性能，還需要完成更多開發(fā)工作。但是總的來說，CUDA展現(xiàn)了巨大的開發(fā)前景。
HPCwire：你們已經(jīng)完成了這一項目，你覺得在貴公司的其它產(chǎn)品中或者在其它領域是否還有更多機會？
Noel: 利用NVIDIA超級計算機系統(tǒng)的GPU性能對我們的efX-CT軟件來說是一次巨大的改進。當今，大部分NSI CT系統(tǒng)客戶都正在利用GPU的強大能力。 我們現(xiàn)在正在為內聯(lián)CT檢查以及三維測量學而開發(fā)具備快速GPU重建功能的自動CT系統(tǒng)。 此外，我們還在研發(fā)更多三維渲染功能，以便利用NVIDIA產(chǎn)品實現(xiàn)實時、互動的檢查，同時還在研究快速數(shù)據(jù)過濾技術，以提升重建質量。
擁有更多核心以及增強顯存的全新NVIDIA®（英偉達™）產(chǎn)品一定會將我們的軟件乃至我們整個CT業(yè)務提升至全新的水平。 我們堅信，由NVIDIA GPU等高性能計算技術支持的三維CT必將成為工業(yè)X射線的未來。
