ANSYS高性能并行计算

ANSYS高性能并行计算

作者：安世亚太雷先华

高性能并行计算主要概念

·高性能并行计算机分类

并行计算机主要可以分为如下四类：对称多处理共享存储并行机（SMP，Symmetric Multi-Processor）、分布式共享存储多处理机（DSM，Distributied Shared Memory）、大规模并行处理机（MPP，Massively Parallel Processor）和计算机集群系统（Cluster）。

这四类并行计算机也正好反映了高性能计算机系统的发展历程，前三类系统由于或多或少需要在CPU、内存、封装、互联、操作系统等方面进行定制，因而成本非常昂贵。最后一类，即计算机集群系统，由于几乎全采用商业化的非定制系统，具有极高的性能价格比，因而成为现代高性能并行计算的主流系统。它通过各种互联技术将多个计算机系统连接在一起，利用所有被连接系统的综合计算能力来处理大型计算问题，所以又通常被称为高性能计算集群。高性能并行计算的基本原理就是将问题分为若干部分，而相连的每台计算机（称为节点）均可同时参与问题的解决，从而显著缩短解决整个问题所需的计算时间。

·集群互联网络

计算机集群系统的互联网络大体上经历了从Ethernet到Giganet、Myrinet、Infiniband、SCI、Quadrics(Q-net)等发展历程，在“延时”和“带宽”两个最主要指标上有了非常大的改善，下表即是常用的互联方式：

ANSYS主要求解器的高性能并行计算特性

ANSYS系列CAE软件体系以功能齐全、多物理场耦合求解、以及协同仿真而著称于世。其核心是一系列面向各个方向应用的高级求解器，并行计算也主要是针对这些求解器而言。

ANSYS的主要求解器包括：

Mechanical：隐式有限元方法结构力学求解器；

CFX ：全隐式耦合多重网格计算流体力学求解器；

AUTODYN：显式有限元混合方法流固耦合高度非线性动力学求解器；

LS-DYNA：显式有限元方法非线性结构动力学求解器；

FEKO：有限元法、矩量法、高频近似方法相互混合的计算电磁学求解器；

·高性能并行计算的典型应用

现代CAE计算的发展方向主要有两个：系统级多体耦合计算和多物理场耦合计算，前者摒弃了以往只注重零部件级CAE仿真的传统，将整个对象的完整系统（如整机、整车）一次性纳入计算范畴；后者在以往只注重单一物理场分析（如结构力学、流体力学）的基础上，将影响系统性能的所有物理因素一次性纳入计算范畴，考虑各物理因素综合起来对分析对象的影响。因此，可以说，高性能并行计算也是CAE的发展方向，因为它是大规模CAE 应用的基石。例如，在航空航天领域，需要高性能并行计算的典型CAE应用有：

–飞机/火箭/导弹等大型对象整体结构静力、动力响应、碰撞、安全性分析，整体外流场分析，多天线系统电磁兼容性及高频波段RCS分析，全模型流体－结构－电磁耦合分析；–航空发动机多级转子/静子联合瞬态流动分析，流体－结构－热耦合分析；

–大型运载火箭/导弹发射过程及弹道分析……

· ANSYS求解器对高性能并行计算的支持

作为大型商用CAE软件的领头雁，ANSYS在对高性能并行计算的支持方面也走在所有CAE软件的前列，其各个求解器对高性能并行系统的支持可用下表描述：

· ANSYS各求解器并行计算部分算例简况

ANSYS Structural曲轴应力计算：8CPU AMD Opteron 64bit 集群（HP-MPI 2.1.1+Voltaire Infiniband），4400万自由度。1000M Ethernet互联8CPU并行加速比为3.46，InfiniBand 互联8CPU加速比为5.36。

ANSYS CFX飞机外流场计算：32CPU AMD Opteron 64bit集群，Turbo Linux 8.0 for AMD64操作系统，1000M Ethernet互联。263万节点，256万单元。32CPU加速比为20。

ANSYS LS-DYNA汽车整车碰撞计算：32CPU AMD Opteron集群，Giganet互联，26万单元，32CPU加速比为13.4。

ANSYS AUTODYN装甲车地雷爆破冲击计算：25台Intel Pentium PC集群，1.2G Myrinet 互联，25万单元，24CPU加速比为23.36。

ANSYS FEKO大型电大尺寸反射面天线辐射特性计算：64CPU AMD Opteron集群，1000M Ethernet互联。176606未知量，32CPU加速比接近26。(end)