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高性能计算在工业工程领域的应用和发展 |
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作者：上海超级计算中心 李根国 |
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一、 工程计算概况
自计算机诞生之日起，应用对计算速度的无限要求，永远是摩尔定律难以满足的。2005年超过100Tflop/s的计算机诞生，2008年1 Pflop/s的计算机将诞生（www.top500.org ）。从某种意义上来说，计算机的历史就是一部不断追求计算速度的历史。这种速度的典型应用是生命科学研究、宇宙演化、气象数字预报、石油勘探地层模拟、航空航天器模拟、大型工程设计、以及制造业产品创新等。
这里所谓的工程计算是指利用数值计算解决工业产品全寿命周期和工程建设中的各种问题，计算机辅助工程（CAE）是工程计算中最核心的技术和手段。计算机辅助工程，从字面上讲它包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陷，改进和优化设计方案，证实未来工程/产品的可用性与可靠性。
CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。通用CAE软件主要由有限元软件、优化设计软件、计算流体软件、电磁场计算软件、最优控制软件和其它专业性的计算软件组成。
在工业制造进入信息化时代的过程中，各种计算机辅助工程起了决定性的作用，而计算机性能的提高是必要的保障条件。同时在工业产品设计和生产中，需要标准化。在CAE分析过程中采用国际上公认的大型商业软件，发展到现在，大部分国际工业界认可的计算机辅助工程软件几乎被美国垄断。高性能计算应用使美国的科技、制造业如虎添翼，这也是美国领先其它国家的主要原因之一。美国对有些国家实行高性能计算机出口限制和禁运的同时，也对高端软件出口实行限制。
二、 高性能计算在制造业领域的应用现状
近年来高性能计算在工业和制造业领域的应用越来越普遍和广泛。从TOP500的统计信息来看，工业领域所占的比例在不断增加。2005年6月，工业用户使用的高性能计算机占到52.8％。而其中的半导体和制造业用户所占的比例相当可观。表1是2005年6月发布的TOP500的应用领域的情况，其中美国半导体公司大约有70台，美国Boeing有4台, Lockheed Martin有2台，德国BMW有7台，德国VW有2台，德国Siemens有2台。许多国际著名的制造业大公司已实现了产品的虚拟化设计和制造，并实现了全球资源共享,利用全新的理念设计产品。美国GM,美国GE,日本Nissan等公司都拥有总计算能力超过10万亿次的高性能计算机用于新产品的研发。Boeing公司在上世纪90年代就实现了无纸化设计。Boeing公司已宣布利用高性能计算机对航空发动机进行全物理过程的模拟仿真。主导世界制造业方向的大集团公司目前都拥有大量的超级计算机用于产品设计和数据处理，制造业信息化是知识经济时代企业核心竞争的必要组成环节。表1： 2005年6月发布的TOP500的应用领域统计
 下面以计算流体动力学（CFD）为例，说明高性能计算机的发展对工程应用领域的极大推动作用。自二十世纪六十年代以来CFD技术得到飞速发展，其原动力是不断增长的工业需求，而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。如美国战斗机YF-23采用CFD进行气动设计后比前一代YF-17减少了60％的风洞试验量。目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。但是还有大量的问题需要更大规模的计算才能满足需求。如飞机设计中全机气动性能计算，火箭发动机复杂多变的燃烧和跨音速流动模拟，导弹的气动隐身性能评估，低阻力系数高性能汽车外形的设计和分析，透平机械复杂叶型及组合的设计分析，潜艇尾迹模拟，高超音速航天器空气动力学设计分析，核电站水蒸汽两相流流动分析，非定常状态的物理过程如飞机起飞降落、过载下空间推进剂晃动分析等。这些大规模设计计算问题不但单个作业计算量庞大，且需不断调整，重复计算。人们试图在很多场合期望放弃假设直接去求解和探索机理问题。如抛开基于统计理论的湍流简化模型直接模拟（DNS）湍流，这在计算能力有限的过去几乎是无法想象的。当前CFD问题的规模为：机理研究方面如湍流直接模拟，网格数达到了109（十亿）量级，在工业应用方面，网格数最多达到了107（千万）量级。
工程计算中的难题随着计算技术和计算机的发展而不断解决。与此同时，新的问题又会不断产生。例如，从基本材料的组份与构造到复合材料，从复合材料做成构件，再由构件装配成工程/产品，存在着从微观、细观到宏观的多尺度现象；不同的尺度服从于不同的物理、力学模型；通过对宏观模型的细分，不能导致细观和微观模型；相反，通过微观和细观模型的无限迭加，也难导致宏观模型。因此，在工程/产品的精细分析中，客观地会遇到多尺度模型的耦合问题。目前的CAE软件，都是仅限于宏观物理、力学模型的工程/产品分析。计算机性能和计算方法的限制是一个重要的因素。
三、 Cluster体系的高性能计算机推动了工程计算
在超级计算机发展中，随着Cluster架构的日渐成熟及其系统管理技术和软件的逐步完善，并借助于Linux系统的不断发展，其构建的系统规模在不断扩大。在TOP500中，Cluster已经成为主流结构，且发展势头强劲。2005年6月发布的排名中，Cluster架构的机器已有304台，占60.8％。
工业和制造业在计算和数据处理方面的应用，由于其资金、规模以及实际解题的规模限制，对计算机机型并非越大越好，往往采用中型或小型规模的超级计算机达到的效果和加速比可能比大规模的更好。正是这样的原因，制造业新产品研发选择制造成本低，可扩展性极强，容易构造和维护，对运行环境要求低的Cluster体系的高性能计算机。另一方面，Cluster体系的高性能计算机的发展推动了工程计算的发展，工业和制造业使用高性能计算机的门槛不断降低，几乎得到了普遍的应用。
制造业领域的另外一个主要特点是利用行业公认的商业软件进行分析和计算，特别是涉及到大型工业产品设计，如飞机，船舶，汽车等，所用软件必须得到行业标准的认可。随着高性能计算机的广泛应用和快速发展，近年来CAE软件开发公司纷纷支持高性能计算，例如MSC, ANSYS, Fluent等大型工程分析软件公司，纷纷推出并行计算版本，支持高性能计算机的应用，特别是对基于Linux操作系统的Cluster体系的支持，推动了广大制造业大规模计算应用的发展。
四、 完整的工业体系对高性能计算有大量的需求
以上海为龙头的长江三角洲地区是中国大型制造业的基地，在航天航空，汽车，船舶，核电工程等领域有举足轻重的地位。上海地区完整的工业体系的信息化，特别是产品设计和研发过程对高性能计算的需求非常迫切。
在航天领域，国家已启动中国新一代无毒、无污染运载火箭的研制工作，该火箭研制成功后将全面进入全球商用运载市场的竞争。上海航天局将承担部分总体和分系统研制工作。航天工业是高性能计算应用开展最早、应用最广泛的工业领域，有大量的问题，例如高超音速飞行器外形空气动力学设计和分析、飞行器气动热、结构耦合分析、不同载荷条件下推进剂行为模拟、火箭电磁兼容性分析等都需要大规模的计算和仿真。航天工业是中国大力发展的高新技术产业,它的发展将直接带动相关产业。
在航空方面，中航商用飞机有限公司和中航一集团第一研究院承担的国家重点项目支线飞机的研发，高性能计算在数值风洞、气动气弹、结构强度、载荷疲劳等方面有大量的应用，进行民用飞机、军用飞机和通用飞机的组件、部件、全机的计算、分析、研究和模拟等。
在核电工程方面，上海核工程研究院承担的国产100万千瓦压水堆核电站前期设计及国内多个核电站的设计任务，在核反应堆堆芯热工水力分析，核反应堆保护和控制分析，核反应堆主冷系统流固耦合分析，核级设备应力分析与抗震力学分析等方面需要大规模的计算。
在船舶制造方面，上海年造船能力将从150万吨提高到1200万吨，在自主设计能力方面也必须有大力的提升，高性能计算是必然的选择手段。《经济参考报》2005年04月08日刊登的文章“设计落后拖中国造船业后腿，水平与日本相差15年”指出，计算手段落后是我国船舶设计水平与国外有巨大差距的一个重要原因。
在汽车制造方面，上汽集团汽车工程研究院承担的具有自主知识产权的汽车设计、泛亚汽车和大众汽车向整车研发的大步推进带来的巨大的汽车设计任务。在汽车设计中整车碰撞仿真，虚拟制造（三维虚拟装配、冲压仿真等），整车空气动力学设计，虚拟试车场等需要高性能计算作为支撑条件。
中国目前是一个制造大国，正在向制造强国的方向努力，工业产品研发和设计能力至关重要，作为必需工具的高性能计算机及其相关的软件和工程化的体系将得到重视，但工程计算的应用需要一个比较长期的积累过程才能与产品设计有机地关联起来，发挥强大的作用。目前从上述工业制造业项目无法直接推算出一个精确的计算能力需求，上海超级计算中心通过市场调研，得到2006年上海地区大型制造业设计和研发对高性能计算机的峰值计算能力需求（非平均计算能力需求）将达到15.7T Flops。
五、 上海超级计算中心在工程计算领域的应用和发展
从TOP500分析可见，前100名大型超级计算机，多数是美国、日本以及欧洲那些安装在国家核心部门和由国家支持的以科研为主的超级计算中心或数据中心，主要用于学术和科研和国家信息安全。而大量的安装在工业和企业的超级计算机规模并不特别大，主要用于处理商业数据和制造业产品设计中的工程计算，由企业根据实际需求投资建设。
我国特殊的国情决定了企业的科研投入十分有限，目前还没有企业建立高性能计算中心的案例，但企业产品创新和可持续发展，需要现代化的设计分析工具。上海超级计算中心在支持科学研究领域的高性能计算应用的同时，为广大的工业和制造业企业提供工程计算方面的服务和应用。上海超级计算中心在拥有峰值计算能力每秒11万亿次的高性能计算机（见附件一说明）的同时，配备了得到世界上大型制造业认可的，广泛应用于工程计算的大规模商业软件（见附件二），例如用于CFD的软件Fluent、CFX，用于结构分析的Ansys、Nastran等，用于非线性动力学分析的LS-Dyna、Pam-Crash等。四年多来，已经在航天航空、汽车、船舶、核电工程、钢铁、市政工程等领域开展了大量的应用推广工作，积累了工程计算方面大量的实践经验。根据业务需要，上海超级计算中心正在建设专业领域的综合设计分析平台，将零散的软件集成起来，根据行业的特点，提供功能更加强大，更加专业化的平台。目前正在建设的有面向汽车、飞机和船舶设计的三个专业综合服务平台，将提升上海超级计算中心在工程计算领域的服务水平和能力，更好地发挥公共服务平台的作用，为上海科教兴市主战略服务，为加快我国工业和大型制造业信息化进程做贡献。
附件一：上海超级计算中心高性能计算资源
硬件资源-曙光4000A
曙光4000A(DAWNING 4000A)系统主要技术指标
[系统峰值] 10.2Tflops
[计算结点] 512个4路AMD Opteron处理器，主频2.4GHz
[存储结点] 16个4路AMD Opteron处理器，主频2.4GHz
[接入结点] 4个4路AMD Opteron处理器，主频2.4GHz
[CPU]AMD Opteron 850处理器，主频2.4GHz, 总共2128个CPU
[系统内存总容量] 4256 GB
[磁盘总容量] 95TB，包括75TB的SAN存储
[体系架构] 集群系统、Myrinet 2000
[操作系统] Turbo Linux 8.0
[语言] C, C++, Fortran 77, Fortran 90
[编译器] GNU gcc/g77 3.3, Java1.2, tcl/tk, perl5.0，PGI 6.0
[数学库] NAG，Scalapack
[并行环境] BCL4通信系统，DPVM/DMPI，Socket-KVIA, JIAJIA/OpenMP
[工具软件] gdb5.3, OpenLDAP2.2, Python2.3, X-window
[机群文件系统] 曙光机群文件系统DCFS-2，NFS
[系统管理] LSF，曙光机群操作系统DCOS，其中包括DCMS机群管理软件，DCIS机群部署软件，DCMM系统监视软件，MTerm并行终端软件；曙光大规模视频切换系统SKVM
硬件资源--神威-I
神威-I(SW-1)的系统主要技术指标
系统峰值[Peak performance]384GFlops
计算节点[Computing Nodes] 96 computing nodes each node composed of 4CPUs and 1 message-processing CPU
CPU [CPU] Alpha,500MHZ,480 CPUs totally
前端机[Front End Computer]6 Alpha servers
系统内存总容量[System Memory] 48GB
磁盘总容量[System Storage]1.28TB
I/O节点[I/O Nodes]16 nodes
体系架构[Architecture]MPP
操作系统[Operating System]64bits UNIX
语言[Language]C, C++, Fortran77/90,HPF
数学库[Mathematic Libraries] SW-1 Scientific Libraries
并行环境[Parallel Environment] PVM，MPI，OpenMP
硬件资源--神威新世纪
神威新世纪-64P(SW-64P)系统主要技术指标
系统峰值[Peak Performance] 302.4Gflops
计算结点[Computing Nodes] 32 Dual-processor nodes
服务结点[Service Nodes] 1 Dual-processor node
CPU [CPU] Inter P4 Xeon,2.4GHz,66CPUs totally
系统内存总容量[System Memory] 66GB
磁盘总容量[System Storage] 2.7TB
体系架构[Architecture] Cluster,Gig-Ethernet
操作系统[Operating System] Redhat Linux 7.3
语言[Language] C,C++,Fortran 77,Fortran 90
并行环境[Parallel Environment] PVM，MPI
系统管理[System Administration] OPENPBS
附件二：上海超级计算中心大规模分析软件资源软件资源列表
 (end)
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(12/1/2005) |
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