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云计算在计算机仿真领域的应用与实现

2016/2/12    来源:互联网    作者:王腾飞  张士存      
关键字:云计算  计算机仿真  仿真云  
文章主要介绍云计算技术在计算机仿真领域的应用方向与实现方式,首先介绍云计算和计算机仿真的概念及发展历史,然后介绍仿真云技术的基本概念和应用方向,最后介绍仿真云计算平台的构建与实现方法。

1 引言

    随着近年来云计算技术的高速发展与日趋成熟,云计算的应用已逐渐由传统的网络服务,逐渐渗透至制造、医疗、勘探等各行业领域。传统的仿真计算中心主要通过高性能的CPU、内存和仿真软件,为用户提供仿真求解计算服务,对于仿真前后处理等无法提供服务,且用户提交求解计算时操作复杂易出现错误,具有一定的局限性。将云计算应用于计算机仿真领域,构建企业级仿真云平台,不仅可以解决传统仿真计算中心存在的提交计算任务复杂易出错等难题,还能扩展仿真计算中心功能,实现仿真前后处理的远程操控,对提高计算机仿真的实际使用效率具有重要意义。

2 计算机仿真的概念与发展

    计算机数值仿真(Simulation)亦可通称为计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering),是指利用计算机辅助求解、分析复杂工程和产品的性能并进行优化工作。伴随着数值计算方法的逐步完善以及计算机处理能力的日益提高,计算机数值仿真已经成为众多工业企业及科研机构的重要研发工具,对比传统实验手段,计算机数值仿真可以帮助研发团队缩短研发周期,优化产品设计,积累研发知识,节约研发成本,提升企业核心竞争力。

    CAE的建模、前后处理工具对图形工作站要求较高,可概括为高速CPU、大内存以及高端图形显示卡,这些硬件特性将保障仿真工程师的图形操作体验,有效增强CAE仿真研发生产力。硬件生产商、图形显卡生产商不断推陈出新,持续涌现出更为丰富的图形显示技术,然而,如何有效管控这些高端图形计算设备,科学规划并节约硬件投资,已经成为众多企业面临的重要问题。

    CAE求解对计算服务器要求较高,可概括为多核CPU、大内存、高速存储,满足这些条件才使得大规模数值仿真计算成为可能,计算结果对工业设计才会更加具有参考价值。上世纪70年代以来,IT业界就针对大规模CAE计算需求而提出超级计算机的设计与产品,代表企业有Cray、IBM、NEC等;2000年以后,集群(Cluster)技术开始迅速占据CAE计算市场,通过负载均衡、高速网络互联等技术解决了数值求解规模扩展性问题,代表厂商有IBM、HP、DELL、曙光、联想、浪潮、宝德、天河。高效利用并科学管理HPC计算集群,是当前CAE研发工作提升生产效率的重要课题。

3 云计算在计算机仿真领域的应用——仿真云

    仿真云计算技术是云计算在工程仿真领域的应用实践,是将多学科仿真应用、仿真计算集群管理、三维应用虚拟化、软件许可证管控、管理门户等IT技术进行高度融合,深入贯彻企业及科研机构针对高端研发计算资源的管理需求与发展理念,为企业级仿真计算中心量身定制的具有仿真应用服务、调度及管理等功能的一体化技术。

    利用仿真云技术,可以搭建仿真云计算平台。一个完整的仿真云计算平台由几个部分组成:云平台管理软件(门户系统及相关服务组件);仿真计算服务器集群;三维图形处理服务器集群;高速网络存储系统;高速网络互联设备(万兆以太网、Infiniband网等);多学科仿真分析应用软件(含许可证管理服务器);基础数据库、通信服务器、安全认证服务器等附属设备。

    仿真云计算平台高度融合以上基本构件,将各类数值仿真应用软件(如ANSYS、ABAQUS、FLUENT、ADAMS、STAR-CCM+、LS-DYNA、HFSS等)的图形交互及计算服务,以WEB服务的形式提供给研发人员,从而将传统的仿真软件工具发展成为“研发云”中的在线计算资源,有效提升数值仿真工作效率。

4 仿真云计算平台的实现

    4.1 平台整体架构

    整个仿真云计算平台主要由仿真云、应用云、存储云三大部分组成,各部分之间通过千兆以太网连接,由以太网交换机连接至机房网络。用户通过PC客户端的网络连接至机房网络,请求计算机仿真服务。

    计算云主要提供求解计算服务,由于计算节点之间的I/O传输对网络带宽要求较高,建议部署专供计算节点数据交换用的Infiniband网络。当Infiniband网络配置完成后,具有并行求解功能的仿真软件会默认首先使用Infiniband网络进行数据交互。

    应用云提供仿真前后处理服务,对服务器的图形处理能力有较高要求,建议使用带高性能图卡的刀片服务器集群,或多台图形处理能力较强的台式工作站,以此作为仿真前后处理服务器。

    存储云主要用来提供计算数据的存储服务。为提高数据的读写效率,建议使用光纤磁盘阵列作为存储云的底层存储。为提高存储云与计算云、应用云的数据交换速率,减少因网络阻塞导致的效率降低,建议存储云与计算云、应用云的数据交互通过光纤网络来实现。

    4.2 功能组件

    平台应包含的组件及主要功能。

    4.2.1 门户

    门户系统:提供仿真云计算平台的系统登陆和界面展示服务。

    数据库:提供资源调度及运维管理所需的数据库服务。

    4.2.2 计算中心内部

    计算云:分为linux和windows两种操作系统运行环境,主要提供仿真求解计算服务。

    应用云:(1)利用Citrix虚拟桌面,提供仿真前后处理和仿真小规模试算服务;(2)仿真许可证调度和管理服务;(3)计算中心硬件使用情况监控;(4)求解计算过程远程监控;(5)软硬件资源、系统用户、仿真项目统计分析。

    存储云:提供计算数据集中存储服务。

    安全认证管理:用户认证及数据安全策略管控。

    通信服务:提供邮件、即时通信等服务。

    4.2.3 计算中心外部

    用户客户端:使用现有用户PC客户端,提交仿真任务、远程连接仿真云计算平台开展仿真分析计算。

    管理员客户端:使用现有用户PC客户端,监控运维仿真云计算平台。

责任编辑:程玥
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