CAE软件在云端的现状分析

1 高效能云计算的实现是否能够帮助CAE工具的推广？
现代计算机辅助工程（CAE）软件面临的最大问题是用户群太小。

最合理的解释是：购买CAE软件证书许可证以及运行CAE软件的大型计算机都需要大量金钱的投入。

也许云计算能够改变这一现象。

图1 借助软件CD-adapco STAR-CCM+建立的X-34特超声速重返模拟模型
美国国家航空和宇宙航行局X-34特超声速重返模拟，由TLG航空航天的Matt Knapp 借助软件CD-adapco STAR-CCM+建立的。

从技术角度，对于CAE供应商来说，支持云计算并不能称得上是个挑战，因为大多数的CAE系统已经能够支持高效能计算集群。

集群和云端的区别仅在具体实施上：集群使用快速相互连接的高速运行计算机；云计算是将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作。

CAE软件供应商运营云计算有不同的方式，区别在于许可证有效期和扩展性的不同。

以下是几个有趣的例子：
2 免费CAE软件，低廉计算成本
CAE云端最引人注意的是OpenFOAM和亚马逊EC2的结合。

OpenFOAM是众所周知的解决连续力学问题的开放源代码系统。

它可以解决任何复杂的流体问题如化学反应、湍流和热传递等，也可以解决刚体动力学和电子学的问题。

图2 前轮舱没有安装挡风板的车辆以每小时300英里的
速度前进时气流情况与安装挡风板时气流情况比较
上图中模拟平台为超级计算机中心，模拟内容为前轮舱没有安装挡风板的车辆以每小时300英里的速度前进时气流情况与安装挡风板时气流情况比较。

CFD模拟采用OpenFOAM 软件，后处理采用Paraview软件。

OpenFOAM区别于其他开源CAE软件在于其同时由非盈利组织（OpenFOAM基金会）和商业组织（ESI）支持。

所以，软件不仅会定期更新升级，还有强大的支持后盾。

ESI还会为全球OpenFOAM用户提供专业培训课程。

OpenFOAM完全自动并行化，无论是共享存储空间还是分配存储空间，都能够表现出高效能。

大多数并行化CFD软件，包括OpenFOAM在内，都能够以较大的随机存储存储器和高速的I/O运行计算。

典型的公共云端（比如亚马逊、谷歌等）使用标准吉比特以太网连接节点。

这个速度足以满足其他应用程序，但对于CAE软件来说，这个速度已经成为瓶颈。

图3 电池驱动前行汽车在每小时300英里速度下前行时单个车轮内的气流情况
图中仿真模拟平台为俄亥俄超级计算机中心，电池驱动前行汽车在每小时300英里速度下前行时单个车轮内的气流情况。

CFD模拟采用OpenFOAM软件，后处理采用Paraview 软件。

两三年前，亚马逊公司引入一种特殊的云端模式到EC2，目的是为了更好地支持高效能计算。

“集群计算八个超大云主机”使用两个英特尔至强E5-2670八核Sandy Bridge处理器，内存为60.5GB，10千兆以太网I/O，计算成本为2.4美元每小时。

亚马逊EC2能运行多快呢？据统计，一个使用17024核和65968GB内存的集群在世界上超级计算机中排名72位，达到354.1兆次运算。

3 付费使用CAE软件
如果客户希望得到完善的解决方案，无论是云端服务还是软件都有各种各样的选择。

虽然主流云端服务公司，尤以亚马逊为例，拥有支持CAE软件的能力，但他们没有出色的内行专家。

所以，你需要寻找专门擅长高效能云计算的公司。

Sabalcore就是这样一家公司，他们提供虚拟主机，支持软件包括OpenFOAM、
CD-Adapco’s STARCCM+、高效能计算ANSYS（包括Fluent和CFX）。

该公司的点播业务运行在Linux集群平台，高效能计算尤为出色。

节点连接采用无线宽带技术。

每个处理器每小时运行成本在0.2美元到0.29美元。

STAR-CCM+软件拥有云端友好授权机制。

STAR-CCM+/随需应变产品允许按小时使用而不限制计算机核的数量。

无论是对内部的集群或者是云计算服务，每一个许可证书的使用允许不受电脑资源的限制。

本质上来说，随需应变使用户拥有更自由的仿真能力。

4 CAE用于服务
传统的CAE软件供应商或许会支持云计算，但条件是不能超出他们正常情况下所能提
供的服务。

欧特克公司已经决定提供CAE软件的云端服务。

该公司有三类CAE软件：机械软件（压力、震动、运动），CFD软件（流体流动和热学）以及Moldflow（非常流行的塑料注塑成型仿真模拟工具）。

所有这些软件都可以在仿真360上运行服务（360是该公司云端软件作为服务产品的品牌名称）。

仿真360产品与台式机上的产品除求解器不同外，其他完全一致。

仿真360求解器运行在云端，而另一个在本地计算机上。

当使用仿真360时，按下“solve”按钮，预处理网格划分命令通过英特尔发送到公司云端进行处理。

标准的任务管理器会实时反馈仿真模拟的状态，当计算结束后，计算结果可以通过本地工作站下载下来。

图4 使用欧特克公司仿真CFD进行气流和热分析
欧特克仿真360提供年度预约服务，用户可根据需求选择：
1.Mechanical和CFD，包括120多项任务处理，每年3600美元
2.Mechanical和CFD，不受任务限制，每年7200美元
3.Mechanical、CFD和Moldflow，包含120多项任务处理，每年10000美元
4.10项任务处理，100美元
在首个版本发布时，欧特克公司提供了一个求解器运行的标准—当在云端建立任务后，运行能力相当于单个高效能8核计算机。

这并不能说明欧特克公司求解器缺乏集群运算能
力，而是由于公司希望采取保守态度对待首个版本。

时机成熟后，欧特克公司很可能会提供求解器在大型集群运行的方案。

图5 台式打印机内部机械应力仿真—欧特克仿真Mechanical
欧特克仿真360区别于其他云端CAE的是适合设计工程师的使用（分析功能除外）。

欧特克拥有庞大的CAD用户群，所以其提供的CAE服务将会更多面向CAD用户。

5 云端带来的改变
目前云端CAE存在两大不完善的地方。

一个是数据安全性问题。

尽管云计算已经拥有了较多的安全政策与应用实例，有些公司仍旧禁止工程数据流出公司防火墙。

另一个争议是当进行大型仿真计算时，数据的传送存在较大障碍。

一些CFD分析会生成大容量的数据，甚至会达到千兆字节。

相信在不久的将来，这些问题都会被克服，云端CAE得到进一步的完善。

对大多数CAE程序用户来说使用云计算的益处归根到底是不用购买和管理计算集群，
进而改变了计算机行业的经济学。

而对于欧特克仿真360，益处在于：提供便捷仿真工具，较低的预约价格，无需购买高端计算机。

欧特克仿真360值得人们继续关注，因为它会推动CAE软件在不同人群中的使用，并将引起更多的公司效仿欧特克建立CAE云计算。

参考文献：
参考资料来源：/cae/。