1引言
隨著信息技術的發展，艦船設計開發逐步采用數字化技術，通過三維設計軟件建立艦船的數字模型，加載環境、力學、機、電等信息，建立具有物理、功能和性能特性的虛擬樣機，結合大量模型試驗和實船試驗得到的參數，進行CAE數字仿真分析，對產品進行虛擬測試，取代部分物理樣機的試驗，驗證艦船產品的性能，在此基礎上，建立包含設計、制造、運行和維護整個艦船產品生命周期信息的虛擬樣機，實現全過程數字化，縮短開發和試驗周期，實現柔性設計和敏捷制造，保證艦船產品的安全可靠，提高自主創新能力具有重要意義。
CAE技術在艦船結構設計中得到廣泛應用，對工程和產品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態和運行行為進行模擬，及早發現設計缺陷，并證實未來工程、產品功能和性能的可用性與可靠性。特別是測試驗證船舶總體和局部結構強度、船舶總體和局部結構振動特性、結構主要節點疲勞性能等，模型試驗、實物試驗與計算結合的，經驗方法和計算方法的結合，更正確的把握測試結果和方法。
大型快速遠洋水面艦船，產生極大的波浪載荷和靜水載荷，需進行結構疲勞和斷裂分析；大型載機艦船，其飛機起降載荷復雜，瞬間沖擊力特別大，且起降形式不同，會產生高溫熱應力，承擔沖灘登陸任務艦船，遭遇碰撞、觸礁和擱淺，對其破壞程度后評估也是高度非線性問題，另外，軍事艦船其特殊的使命，本身攜帶爆炸物、也易受各種空中、水面和水下爆炸物攻擊，研究艦船遭遇爆炸各種形式(艙內爆炸、空中、水面和水下接觸和非接觸爆炸)，預報其遭遇破壞程度，更是瞬間高度非線性問題，需要用具有顯式積分方法解決的瞬態非線性程序；而對艦船極限承載力和生命力預報和評估、艦船各種武備如導彈、火炮發射的沖擊力等分析，也需要采用各種算法好、運算速度快的高級非線性分析軟件；對于大型水面艦船設計都具有聲隱聲要求，其艦船的振動及響應、噪聲預報是一項關鍵技術，艦船噪聲覆蓋聲學分析的底頻、中頻和高頻率空氣噪聲和機械噪聲，需要有完善的解決低、中和高頻率噪聲分析的系統軟件，由于聲源除了空氣和機械外，船舶動力設備引起的船舶振動和響應，螺旋槳激勵等也是主要產生噪聲源，也需要先用CFD軟件預報激勵；整艦船進行精細強度分析。
本文的目標是建設一個公用的高性能計算支持平臺，用來進行建模與結構分析及計算流體力學等方面的數值模擬，以滿足目前計算需要，同時考慮計算規模增加、新應用程序引進所帶來的擴展性問題。
2高性能計算平臺的選型要求
2．1強大的計算能力
本文所搭建的高性能計算平臺應是一個復雜的高性能計算環境，這種計算環境不僅涉及專用計算軟件的性能、而且要涉及計算機系統的綜合運算性能。
目前64位環境下處理軟件和硬件都已經成熟，為了提高現有設備的處理能力，應采用64位高性能集群以提供更高的計算能力。處理能力應能滿足大規模網格點模型的結構與流體分析，要求單CPU及計算服務器整體具有強大的運算能力。
由于整個環境涉及面比較廣，在此僅以中央處理器(CPU)和內存的選擇為例稍作展開。
2．1．1處理器性能最大化原則
在引言需求中所列出的應用領域存在一個現象，即很多作業的運行時間很難通過增加所使用的處理器數量來減少。下面分別列出了ABAQUS和ANSYS在典型高性能計算機上不同個數處理器上運行標準測試所花費的時間。
表1 ABAQUS和ANSYS測試多處理器并行對照表
ABAQUS是典型的非線性有限元分析程序，從上表可以看出，即使使用4個CPU，也無法將計算時間縮短至只使用一個CPU時的50％。而ANSYS多處理器并行的效率更差。
即使在計算流體動力學應用中(例如Fluent)，作業運行時間也嚴重受限于計算網格數的大小，下表選擇了三個不同規模的Fluent標準測試考察多處理器并行時的加速效果。
表2 Fluent測試多處理器并行對照表
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可見在三個例題之中只有網格數達到847，000的戰斗機跨音速外流計算才能保證直到8個處理器都可以獲得比較理想的加速比。換句話說，如果解題規模或物體外形達不到上題的復雜程度，使用超過8個處理器進行并行運算是沒有必要的。
分析以上數據我們可以得出結論，若要提高工作效率，縮短作業的運行時間或者在一定的時間內運行更多的作業或更復雜的作業，首先應該盡可能提高單處理器的性能。也就是說，由8個相對性能為l的處理器構造的高性能計算系統不如使用由4個相對性能為2的處理器組成的高性能計算系統的使用效果好，理想狀態下對兩個4 CPU的作業它們的性能是一樣的，而對于一個4CPU作業來講后者只需前者一半的時間就可完成作業。
選擇性能盡可能高的處理器還有另一個好處，就是在得到同樣的運行效率的前提下，在應用軟件許可證上的花費更少。
因此，我們在設計本高性能計算平臺時首先確定的原則就是處理器性能最大化的原則。
2．1．2內存的設計
在進行了數項應用的標準測試之后，我們得出，在系統中為每個處理器配置4GB以上內存即可獲得滿意的效果，另外，需采用盡可能高速的內存，以獲得盡可能大的內存帶寬。
2．2高性能I／O
本文所搭建的高性能計算平臺應是一個要求采用最新技術解決專業應用的復雜的生產系統，由于其本身應用的特點要求整套計算機系統運行必須穩定、技術必須成熟。這種運行穩定性包括計算機系統與專業軟件系統之間的配合、I／O系統與存儲系統之間的穩定性、計算機系統本身的技術成熟性等諸多內容。在運行過程中，每個作業需要約數十GB的存儲空間存放中間臨時文件，并對這些臨時文件進行頻繁的讀寫操作，因而對系統的I／O性能提出要求較高。
實踐證明，以NASTRAN為代表的部分應用的性能與系統的磁盤I／0性能有極大的關系，正確設計磁盤系統消除I／0瓶頸后，其性能甚至可有幾倍的提高。因此我們在設計本系統中將保證磁盤I／O性能與系統計算性能相匹配，其設計手法為磁盤I／0的并行化(硬件)和采用并行文件系統(軟件)。
并行I／0的一個額外好處是透明的文件緩存機制可以消除交互用戶在后臺有大量批量作業I／0產生時出現的長響應時間，為交互客戶提供了更友善的使用和更高的服務質量。
2．3強大的資源管理和作業調度功能
高性能計算機除了具有處理超大規模的計算任務外，還應有支持多用戶、多作業的能力。這就要求系統具有強大的資源管理和作業調度功能，以充分、高效地使用計算機資源。系統管理員可以根據應用的具體需求制定管理規則，實現作業的自動調度、優先級管理，用戶的資源分配等復雜的功能。
2．4作業的斷點／續算(Checkpoint／Restart)功能
當運行較大規模的計算作業時，一個題目可能會運行幾天甚至幾個星期。如果在此期間需要做系統維護，或因有一個緊急的計算任務需要盡快完成，而必須停止其它正在運行的題目，那么某些應用程序就會被中斷。如果這些應用程序本身沒有保存中間結果的功能，或保存中間結果的時間間隔較長，那么停機會給用戶造成不必要的時間浪費。為此，要求系統具有完善的斷點／續算(Checkpoint／Restart)的功能，提供自動或手工為應用程序保存中間計算結果，在系統停機／重新啟動后盡快恢復從斷點處繼續計算，減少了時間損失。同時應該提供作業掛起功能，可以將不關鍵的作業掛起而并不殺掉進程，為緊急的計算任務空出資源，待該任務完成后恢復計算。
2．5系統擴展能力
隨著研究與業務的發展，原有應用程序的計算規模會越來越犬，同時還會有新的應用運行在高性能計算系統上。當現有的系統不能滿足計算要求時，就涉及到系統擴展問題。系統擴展不應該僅僅是硬件或計算能力的增加，它要求新增系統能充分地融合到現有的系統中，并仍能充分利用老的計算系統，以保護投資。
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3平臺架構的搭建
根據以上需求分析，核心設計系統架構將如下圖所示：
圖1核心設計系統架構圖
其中CAD系統將運行在圖形服務器(或工作站)上，不同的設計人員將采用其獨自的系統。CAE系統同樣運行在圖形服務器(或工作站)上，但由于CAE的計算量巨大，因此核心處理和計算將運行在高性能計算集群平臺上。CAD和CAE的數據可存放在其系統存儲上，如果采用了PDM管理平臺，CAD和CAE的數據將通過PDM系統存放在由PDM系統所管理的存儲服務器中，從而使數據得到更好的管理和應用。
從系統平臺的選擇上來看，對于負責CAE系統核心處理和計算高性能計算的服務器集群，我們采用由4個高性能計算服務器節點組成的服務器集群，4個高性能節點將通過統一的高性能交換機進行連接、數據交換和溝通。對于PDM應用服務器和數據庫服務器，由于其重要性和對可靠性的要求，可采用不同的服務器來運行，運行應用系統的服務器和運行數據庫系統的服務器將組成HACMP高可靠性集群來保證服務器的高可靠性和可服務性。PDM系統的數據(包括CAD和CAE的數據)將被存儲在集中的存儲服務器中，PDM數據庫將通過SAN網絡來將數據保存到SAN存儲服務器上。
SAN存儲服務器上將分配不同的存儲區域存儲不同應用的數據，如存放PDM數據的存儲空間和存放OA數據的存儲空間。當然，如果CAB應用和CAE應用如果有數據需不通過PDM
而直接存放在本地的，則也可以通過加裝光纖卡來實現存放于SAC存儲服務器上。此外，由于對數據的可靠性要求很高，建議另外設置一個存儲服務器作為工作存儲服務器的備份。2個存儲服務器之間將通過鏡像方式實現數據的同步復制，即任何存放在工作存儲服務器上的重要數據將被同步拷貝到另外一個存儲服務器上。這樣的話，即使將來工作存儲服務器發生問題時，所有的數據在備份存儲服務器上都有備份。再加上磁帶庫備份，人大降低了數據丟失的風險。
圖2高性能計算平臺架構圖
4結束語
作為高性能計算應用的主要領域之一，艦船設計領域人量采用了CAE和CAD技術，對計算機系統的達算性能、運行穩定性有著很高的要求。隨著新技術的不斷推出，如何升級完善高性能計算平臺的話題也會不斷地被提出。然而高性能計算平臺的構建并沒有一個絕對的模式，評價它成功與否的標準還在于是否滿足自身的實際需求。
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本文標題：高性能計算平臺架構搭建之淺見
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