云計算在計算機仿真領域的應用與實現論文

云計算在計算機仿真領域的應用與實現論文

　　【摘要】隨著云計算技術和計算機仿真技術的不斷發展，將云計算技術融合至計算機仿真技術，可以顯著提高傳統仿真計算中心的使用效率。文章主要介紹云計算技術在計算機仿真領域的應用方向與實現方式，首先介紹云計算和計算機仿真的概念及發展歷史，然后介紹仿真云技術的基本概念和應用方向，最后介紹仿真云計算平臺的構建與實現方法。

　　【關鍵詞】云計算;計算機仿真;仿真云;應用

　　1引言

　　隨著近年來云計算技術?的高速發展與日趨成熟，云計算的應用已逐漸由傳統的網絡服務，逐漸滲透至制造、醫療、勘探等各行業領域。傳統的仿真計算中心主要通過高性能的CPU、內存和仿真軟件，為用戶提供仿真求解計算服務，對于仿真前后處理等無法提供服務，且用戶提交求解計算時操作復雜易出現錯誤，具有一定的局限性。將云計算應用于計算機仿真領域，構建企業級仿真云平臺，不僅可以解決傳統仿真計算中心存在的提交計算任務復雜易出錯等難題，還能擴展仿真計算中心功能，實現仿真前后處理的遠程操控，對提高計算機仿真的實際使用效率具有重要意義。

　　2計算機仿真的概念與發展

　　計算機數值仿真（Simulation）亦可通稱為計算機輔助工程CAE（ComputerAidedEngineering），是指利用計算機輔助求解、分析復雜工程和產品的性能并進行優化工作。伴隨著數值計算方法的逐步完善以及計算機處理能力的日益提高，計算機數值仿真已經成為眾多工業企業及科研機構的重要研發工具，對比傳統實驗手段，計算機數值仿真可以幫助研發團隊縮短研發周期，優化產品設計，積累研發知識，節約研發成本，提升企業核心競爭力。

　　CAE的建模、前后處理工具對圖形工作站要求較高，可概括為高速CPU、大內存以及高端圖形顯示卡，這些硬件特性將保障仿真工程師的圖形操作體驗，有效增強CAE仿真研發生產力。硬件生產商、圖形顯卡生產商不斷推陳出新，持續涌現出更為豐富的圖形顯示技術，然而，如何有效管控這些高端圖形計算設備，科學規劃并節約硬件投資，已經成為眾多企業面臨的重要問題。

　　CAE求解對計算服務器要求較高，可概括為多核CPU、大內存、高速存儲，滿足這些條件才使得大規模數值仿真計算成為可能，計算結果對工業設計才會更加具有參考價值。上世紀70年代以來，IT業界就針對大規模CAE計算需求而提出超級計算機的設計與產品，代表企業有Cray、IBM、NEC等;2000年以后，集群（Cluster）技術開始迅速占據CAE計算市場，通過負載均衡、高速網絡互聯等技術解決了數值求解規模擴展性問題，代表廠商有IBM、HP、DELL、曙光、聯想、浪潮、寶德、天河。高效利用并科學管理HPC計算集群，是當前CAE研發工作提升生產效率的重要課題。

　　3云計算在計算機仿真領域的應用——仿真云

　　仿真云計算技術是云計算在工程仿真領域的應用實踐，是將多學科仿真應用、仿真計算集群管理、三維應用虛擬化、軟件許可證管控、管理門戶等IT技術進行高度融合，深入貫徹企業及科研機構針對高端研發計算資源的管理需求與發展理念，為企業級仿真計算中心量身定制的具有仿真應用服務、調度及管理等功能的一體化技術。

　　利用仿真云技術，可以搭建仿真云計算平臺。一個完整的仿真云計算平臺由幾個部分組成：云平臺管理軟件（門戶系統及相關服務組件）;仿真計算服務器集群;三維圖形處理服務器集群;高速網絡存儲系統;高速網絡互聯設備（萬兆以太網、Infiniband網等）;多學科仿真分析應用軟件（含許可證管理服務器）;基礎數據庫、通信服務器、安全認證服務器等附屬設備。

　　仿真云計算平臺高度融合以上基本構件，將各類數值仿真應用軟件（如ANSYS、ABAQUS、FLUENT、ADAMS、STAR-CCM+、LS-DYNA、HFSS等）的圖形交互及計算服務，以WEB服務的形式提供給研發人員，從而將傳統的仿真軟件工具發展成為“研發云”中的在線計算資源，有效提升數值仿真工作效率。

　　4仿真云計算平臺的實現

　　4.1平臺整體架構

　　整個仿真云計算平臺主要由仿真云、應用云、存儲云三大部分組成，各部分之間通過千兆以太網連接，由以太網交換機連接至機房網絡。用戶通過PC客戶端的網絡連接至機房網絡，請求計算機仿真服務。

　　計算云主要提供求解計算服務，由于計算節點之間的I/O傳輸對網絡帶寬要求較高，建議部署專供計算節點數據交換用的Infiniband網絡。當Infiniband網絡配置完成后，具有并行求解功能的仿真軟件會默認首先使用Infiniband網絡進行數據交互。

　　應用云提供仿真前后處理服務，對服務器的圖形處理能力有較高要求，建議使用帶高性能圖卡的刀片服務器集群，或多臺圖形處理能力較強的臺式工作站，以此作為仿真前后處理服務器。

　　存儲云主要用來提供計算數據的存儲服務。為提高數據的讀寫效率，建議使用光纖磁盤陣列作為存儲云的底層存儲。為提高存儲云與計算云、應用云的數據交換速率，減少因網絡阻塞導致的效率降低，建議存儲云與計算云、應用云的數據交互通過光纖網絡來實現。

　　4.2功能組件

　　平臺應包含的組件及主要功能。

　　4.2.1門戶

　　門戶系統：提供仿真云計算平臺的系統登陸和界面展示服務。

　　數據庫：提供資源調度及運維管理所需的數據庫服務。

　　4.2.2計算中心內部

　　計算云：分為linux和windows兩種操作系統運行環境，主要提供仿真求解計算服務。

　　應用云：（1）利用Citrix虛擬桌面，提供仿真前后處理和仿真小規模試算服務;（2）仿真許可證調度和管理服務;（3）計算中心硬件使用情況監控;（4）求解計算過程遠程監控;（5）軟硬件資源、系統用戶、仿真項目統計分析。

　　存儲云：提供計算數據集中存儲服務。

　　安全認證管理：用戶認證及數據安全策略管控。

　　通信服務：提供郵件、即時通信等服務。

　　4.2.3計算中心外部

　　用戶客戶端：使用現有用戶PC客戶端，提交仿真任務、遠程連接仿真云計算平臺開展仿真分析計算。

　　管理員客戶端：使用現有用戶PC客戶端，監控運維仿真云計算平臺。

　　4.3設備推薦

　　4.3.1計算云

　　CPU：支持X64架構，建議采用低功耗高性能處理器。

　　協處理器：建議根據求解器特性、系統功耗等要求選擇NVidiaTesla或IntelXeonPhi。

　　本地磁盤：建議SAS15000rpm規格以上，推薦SSD，硬盤容量200G以上;個別求解器具有本地硬盤容量要求，可酌情配置。

　　網絡：建議采用萬兆或Infiniband進行互聯。

　　4.3.2應用云

　　CPU：應支持X64架構，4核以上。

　　顯卡：推薦采用NVIDIAQuadro4000/5000/6000，NVIDIAGridK1/K2（支持GPU虛擬化）。

　　內存：建議按4GB/Core規則進行配置。

　　本地磁盤：建議SAS15000rpm規格以上，推薦SSD，硬盤容量200G以上。

　　網絡：建議采用萬兆網絡進行互聯。

　　操作系統：支持WindowsServer200864-bit、Windows764-bit，推薦采用Windows764-bit。

　　4.3.3存儲云

　　設備條件：推薦2T以上存儲容量，若較大規模的集群或需要較高的計算性能，推薦使用NAS存儲或SAN存儲，甚至并行文件系統存儲。

　　4.3.4客戶端

　　設備條件：客戶端要求具備普通顯卡功能模塊，瀏覽器需IE6.0以上。

　　5結束語

　　在科學技術飛速發展的今天，云計算技術與我們的生活、工作結合得越來越緊密，為我們提供越來越多快速、便捷、高效的遠程應用服務。借助云計算技術的先進理念，將云計算技術融入至傳統的計算機仿真領域，眾多原本繁冗復雜的操作變得異乎尋常的方便簡單。仿真云概念的提出與應用，必將極大促進計算機仿真技術的快速發展，并為云計算技術的應用提供新的優秀范例。

　　參考文獻：

　　[1]劉鵬.云計算（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2011.

　　[2][美]KaiHwang，[美]GeoffreyC.Fox，[美]JackJ.Dongarra著;武永衛，秦中元，李振宇譯.云計算與分布式系統：從并行處理到物聯網[M].北京：機械工業出版社，2013.

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