1 高效能云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)是否能夠幫助CAE工具的推廣？

    現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件面臨的最大問(wèn)題是用戶群太小。最合理的解釋是：購(gòu)買(mǎi)CAE軟件證書(shū)許可證以及運(yùn)行CAE軟件的大型計(jì)算機(jī)都需要大量金錢(qián)的投入。也許云計(jì)算能夠改變這一現(xiàn)象。

圖1 借助軟件CD-adapco STAR-CCM+建立的X-34特超聲速重返模擬模型

    美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局X-34特超聲速重返模擬，由TLG航空航天的Matt Knapp借助軟件CD-adapco STAR-CCM+建立的。

    從技術(shù)角度，對(duì)于CAE供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，支持云計(jì)算并不能稱(chēng)得上是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的CAE系統(tǒng)已經(jīng)能夠支持高效能計(jì)算集群。集群和云端的區(qū)別僅在具體實(shí)施上：集群使用快速相互連接的高速運(yùn)行計(jì)算機(jī)；云計(jì)算是將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類(lèi)型的存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)應(yīng)用軟件集合起來(lái)協(xié)同工作。

    CAE軟件供應(yīng)商運(yùn)營(yíng)云計(jì)算有不同的方式，區(qū)別在于許可證有效期和擴(kuò)展性的不同。以下是幾個(gè)有趣的例子：

2 免費(fèi)CAE軟件，低廉計(jì)算成本

    CAE云端最引人注意的是OpenFOAM和亞馬遜EC2的結(jié)合。

    OpenFOAM是眾所周知的解決連續(xù)力學(xué)問(wèn)題的開(kāi)放源代碼系統(tǒng)。它可以解決任何復(fù)雜的流體問(wèn)題如化學(xué)反應(yīng)、湍流和熱傳遞等，也可以解決剛體動(dòng)力學(xué)和電子學(xué)的問(wèn)題。

圖2 前輪艙沒(méi)有安裝擋風(fēng)板的車(chē)輛以每小時(shí)300英里的
速度前進(jìn)時(shí)氣流情況與安裝擋風(fēng)板時(shí)氣流情況比較

    上圖中模擬平臺(tái)為超級(jí)計(jì)算機(jī)中心，模擬內(nèi)容為前輪艙沒(méi)有安裝擋風(fēng)板的車(chē)輛以每小時(shí)300英里的速度前進(jìn)時(shí)氣流情況與安裝擋風(fēng)板時(shí)氣流情況比較。CFD模擬采用OpenFOAM軟件，后處理采用Paraview軟件。

    OpenFOAM區(qū)別于其他開(kāi)源CAE軟件在于其同時(shí)由非盈利組織（OpenFOAM基金會(huì)）和商業(yè)組織（ESI）支持。所以，軟件不僅會(huì)定期更新升級(jí)，還有強(qiáng)大的支持后盾。ESI還會(huì)為全球OpenFOAM用戶提供專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)課程。

    OpenFOAM完全自動(dòng)并行化，無(wú)論是共享存儲(chǔ)空間還是分配存儲(chǔ)空間，都能夠表現(xiàn)出高效能。大多數(shù)并行化CFD軟件，包括OpenFOAM在內(nèi)，都能夠以較大的隨機(jī)存儲(chǔ)存儲(chǔ)器和高速的I/O運(yùn)行計(jì)算。典型的公共云端（比如亞馬遜、谷歌等）使用標(biāo)準(zhǔn)吉比特以太網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)。這個(gè)速度足以滿足其他應(yīng)用程序，但對(duì)于CAE軟件來(lái)說(shuō)，這個(gè)速度已經(jīng)成為瓶頸。

圖3 電池驅(qū)動(dòng)前行汽車(chē)在每小時(shí)300英里速度下前行時(shí)單個(gè)車(chē)輪內(nèi)的氣流情況

    圖中仿真模擬平臺(tái)為俄亥俄超級(jí)計(jì)算機(jī)中心，電池驅(qū)動(dòng)前行汽車(chē)在每小時(shí)300英里速度下前行時(shí)單個(gè)車(chē)輪內(nèi)的氣流情況。CFD模擬采用OpenFOAM軟件，后處理采用Paraview軟件。

    兩三年前，亞馬遜公司引入一種特殊的云端模式到EC2，目的是為了更好地支持高效能計(jì)算。“集群計(jì)算八個(gè)超大云主機(jī)”使用兩個(gè)英特爾至強(qiáng)E5-2670八核Sandy Bridge處理器，內(nèi)存為60.5GB，10千兆以太網(wǎng)I/O，計(jì)算成本為2.4美元每小時(shí)。亞馬遜EC2能運(yùn)行多快呢？據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)使用17024核和65968GB內(nèi)存的集群在世界上超級(jí)計(jì)算機(jī)中排名72位，達(dá)到354.1兆次運(yùn)算。

3 付費(fèi)使用CAE軟件

    如果客戶希望得到完善的解決方案，無(wú)論是云端服務(wù)還是軟件都有各種各樣的選擇。雖然主流云端服務(wù)公司，尤以亞馬遜為例，擁有支持CAE軟件的能力，但他們沒(méi)有出色的內(nèi)行專(zhuān)家。所以，你需要尋找專(zhuān)門(mén)擅長(zhǎng)高效能云計(jì)算的公司。

    Sabalcore就是這樣一家公司，他們提供虛擬主機(jī)，支持軟件包括OpenFOAM、CD-Adapco’s STARCCM+、高效能計(jì)算ANSYS（包括Fluent和CFX）。該公司的點(diǎn)播業(yè)務(wù)運(yùn)行在Linux集群平臺(tái)，高效能計(jì)算尤為出色。節(jié)點(diǎn)連接采用無(wú)線寬帶技術(shù)。每個(gè)處理器每小時(shí)運(yùn)行成本在0.2美元到0.29美元。

    STAR-CCM+軟件擁有云端友好授權(quán)機(jī)制。STAR-CCM+/隨需應(yīng)變產(chǎn)品允許按小時(shí)使用而不限制計(jì)算機(jī)核的數(shù)量。無(wú)論是對(duì)內(nèi)部的集群或者是云計(jì)算服務(wù)，每一個(gè)許可證書(shū)的使用允許不受電腦資源的限制。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，隨需應(yīng)變使用戶擁有更自由的仿真能力。

4 CAE用于服務(wù)

    傳統(tǒng)的CAE軟件供應(yīng)商或許會(huì)支持云計(jì)算，但條件是不能超出他們正常情況下所能提供的服務(wù)。歐特克公司已經(jīng)決定提供CAE軟件的云端服務(wù)。該公司有三類(lèi)CAE軟件：機(jī)械軟件（壓力、震動(dòng)、運(yùn)動(dòng)），CFD軟件（流體流動(dòng)和熱學(xué)）以及Moldflow（非常流行的塑料注塑成型仿真模擬工具）。所有這些軟件都可以在仿真360上運(yùn)行服務(wù)（360是該公司云端軟件作為服務(wù)產(chǎn)品的品牌名稱(chēng)）。

    仿真360產(chǎn)品與臺(tái)式機(jī)上的產(chǎn)品除求解器不同外，其他完全一致。仿真360求解器運(yùn)行在云端，而另一個(gè)在本地計(jì)算機(jī)上。當(dāng)使用仿真360時(shí)，按下“solve”按鈕，預(yù)處理網(wǎng)格劃分命令通過(guò)英特爾發(fā)送到公司云端進(jìn)行處理。標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)管理器會(huì)實(shí)時(shí)反饋仿真模擬的狀態(tài)，當(dāng)計(jì)算結(jié)束后，計(jì)算結(jié)果可以通過(guò)本地工作站下載下來(lái)。

圖4 使用歐特克公司仿真CFD進(jìn)行氣流和熱分析

    歐特克仿真360提供年度預(yù)約服務(wù)，用戶可根據(jù)需求選擇：

    1.Mechanical和CFD，包括120多項(xiàng)任務(wù)處理，每年3600美元

    2.Mechanical和CFD，不受任務(wù)限制，每年7200美元

    3.Mechanical、CFD和Moldflow，包含120多項(xiàng)任務(wù)處理，每年10000美元

    4.10項(xiàng)任務(wù)處理，100美元

    在首個(gè)版本發(fā)布時(shí)，歐特克公司提供了一個(gè)求解器運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)—當(dāng)在云端建立任務(wù)后，運(yùn)行能力相當(dāng)于單個(gè)高效能8核計(jì)算機(jī)。這并不能說(shuō)明歐特克公司求解器缺乏集群運(yùn)算能力，而是由于公司希望采取保守態(tài)度對(duì)待首個(gè)版本。時(shí)機(jī)成熟后，歐特克公司很可能會(huì)提供求解器在大型集群運(yùn)行的方案。

圖5 臺(tái)式打印機(jī)內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力仿真—歐特克仿真Mechanical

    歐特克仿真360區(qū)別于其他云端CAE的是適合設(shè)計(jì)工程師的使用（分析功能除外）。歐特克擁有龐大的CAD用戶群，所以其提供的CAE服務(wù)將會(huì)更多面向CAD用戶。

5 云端帶來(lái)的改變

    目前云端CAE存在兩大不完善的地方。一個(gè)是數(shù)據(jù)安全性問(wèn)題。盡管云計(jì)算已經(jīng)擁有了較多的安全政策與應(yīng)用實(shí)例，有些公司仍舊禁止工程數(shù)據(jù)流出公司防火墻。另一個(gè)爭(zhēng)議是當(dāng)進(jìn)行大型仿真計(jì)算時(shí)，數(shù)據(jù)的傳送存在較大障礙。一些CFD分析會(huì)生成大容量的數(shù)據(jù)，甚至?xí)�達(dá)到千兆字節(jié)。相信在不久的將來(lái)，這些問(wèn)題都會(huì)被克服，云端CAE得到進(jìn)一步的完善。

    對(duì)大多數(shù)CAE程序用戶來(lái)說(shuō)使用云計(jì)算的益處歸根到底是不用購(gòu)買(mǎi)和管理計(jì)算集群，進(jìn)而改變了計(jì)算機(jī)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)學(xué)。而對(duì)于歐特克仿真360，益處在于：提供便捷仿真工具，較低的預(yù)約價(jià)格，無(wú)需購(gòu)買(mǎi)高端計(jì)算機(jī)。

    歐特克仿真360值得人們繼續(xù)關(guān)注，因?yàn)樗鼤?huì)推動(dòng)CAE軟件在不同人群中的使用，并將引起更多的公司效仿歐特克建立CAE云計(jì)算。

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本文標(biāo)題：CAE軟件在云端的現(xiàn)狀與前景

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