高性能并行計算主要概念

· 高性能并行計算機(jī)分類

并行計算機(jī)主要可以分為如下四類：對稱多處理共享存儲并行機(jī)（SMP，Symmetric Multi-Processor）、分布式共享存儲多處理機(jī) （DSM，Distributied Shared Memory）、大規(guī)模并行處理機(jī)（MPP，Massively Parallel Processor）和計算機(jī)集群系統(tǒng)（Cluster）。

這四類并行計算機(jī)也正好反映了高性能計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷程，前三類系統(tǒng)由于或多或少需要在CPU、內(nèi)存、封裝、互聯(lián)、操作系統(tǒng)等方面進(jìn)行定制，因而成本非常昂貴。最后一類，即計算機(jī)集群系統(tǒng)，由于幾乎全采用商業(yè)化的非定制系統(tǒng)，具有極高的性能價格比，因而成為現(xiàn)代高性能并行計算的主流系統(tǒng)。它通過各種互聯(lián)技術(shù)將多個計算機(jī)系統(tǒng)連接在一起，利用所有被連接系統(tǒng)的綜合計算能力來處理大型計算問題，所以又通常被稱為高性能計算集群。高性能并行計算的基本原理就是將問題分為若干部分，而相連的每臺計算機(jī)（稱為節(jié)點(diǎn)）均可同時參與問題的解決，從而顯著縮短解決整個問題所需的計算時間。

· 集群互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

計算機(jī)集群系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)大體上經(jīng)歷了從Ethernet到Giganet、Myrinet、Infiniband、SCI、Quadrics(Q-net)等發(fā)展歷程，在“延時”和“帶寬”兩個最主要指標(biāo)上有了非常大的改善，下表即是常用的互聯(lián)方式：

ANSYS主要求解器的高性能并行計算特性

ANSYS系列CAE軟件體系以功能齊全、多物理場耦合求解、以及協(xié)同仿真而著稱于世。其核心是一系列面向各個方向應(yīng)用的高級求解器，并行計算也主要是針對這些求解器而言。

ANSYS的主要求解器包括：

Mechanical： 隱式有限元方法結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器；
CFX ： 全隱式耦合多重網(wǎng)格計算流體力學(xué)求解器；
AUTODYN： 顯式有限元混合方法流固耦合高度非線性動力學(xué)求解器；
LS-DYNA： 顯式有限元方法非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)求解器；
FEKO： 有限元法、矩量法、高頻近似方法相互混合的計算電磁學(xué)求解器；

· 高性能并行計算的典型應(yīng)用

現(xiàn)代CAE計算的發(fā)展方向主要有兩個：系統(tǒng)級多體耦合計算和多物理場耦合計算，前者摒棄了以往只注重零部件級CAE仿真的傳統(tǒng)，將整個對象的完整系統(tǒng)（如整機(jī)、整車）一次性納入計算范疇；后者在以往只注重單一物理場分析（如結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)）的基礎(chǔ)上，將影響系統(tǒng)性能的所有物理因素一次性納入計算范疇，考慮各物理因素綜合起來對分析對象的影響。因此，可以說，高性能并行計算也是CAE的發(fā)展方向，因為它是大規(guī)模CAE應(yīng)用的基石。例如，在航空航天領(lǐng)域，需要高性能并行計算的典型CAE應(yīng)用有：

– 飛機(jī)/火箭/導(dǎo)彈等大型對象整體結(jié)構(gòu)靜力、動力響應(yīng)、碰撞、安全性分析，整體外流場分析，多天線系統(tǒng)電磁兼容性及高頻波段RCS分析，全模型流體－結(jié)構(gòu)－電磁耦合分析；
– 航空發(fā)動機(jī)多級轉(zhuǎn)子/靜子聯(lián)合瞬態(tài)流動分析，流體－結(jié)構(gòu)－熱耦合分析；
– 大型運(yùn)載火箭/導(dǎo)彈發(fā)射過程及彈道分析 ……

· ANSYS求解器對高性能并行計算的支持

作為大型商用CAE軟件的領(lǐng)頭雁，ANSYS在對高性能并行計算的支持方面也走在所有CAE軟件的前列，其各個求解器對高性能并行系統(tǒng)的支持可用下表描述：

· ANSYS各求解器并行計算部分算例簡況

ANSYS Structural曲軸應(yīng)力計算：8CPU AMD Opteron 64bit 集群（HP-MPI 2.1.1+Voltaire Infiniband），4400萬自由度。1000M Ethernet互聯(lián)8CPU并行加速比為3.46，InfiniBand互聯(lián)8CPU加速比為5.36。

ANSYS CFX飛機(jī)外流場計算：32CPU AMD Opteron 64bit集群，Turbo Linux 8.0 for AMD64操作系統(tǒng)，1000M Ethernet互聯(lián)。263萬節(jié)點(diǎn)，256萬單元。32CPU加速比為20。

ANSYS LS-DYNA汽車整車碰撞計算：32CPU AMD Opteron集群，Giganet互聯(lián)，26萬單元，32CPU加速比為13.4。

ANSYS AUTODYN裝甲車地雷爆破沖擊計算：25臺Intel Pentium PC集群，1.2G Myrinet互聯(lián)，25萬單元，24CPU加速比為23.36。 #p#page_title#e#

ANSYS FEKO大型電大尺寸反射面天線輻射特性計算：64CPU AMD Opteron集群，1000M Ethernet互聯(lián)。176606未知量，32CPU加速比接近26。