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云計(jì)算在計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)論文
【摘要】隨著云計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，將云計(jì)算技術(shù)融合至計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以顯著提高傳統(tǒng)仿真計(jì)算中心的使用效率。文章主要介紹云計(jì)算技術(shù)在計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域的應(yīng)用方向與實(shí)現(xiàn)方式，首先介紹云計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真的概念及發(fā)展歷史，然后介紹仿真云技術(shù)的基本概念和應(yīng)用方向，最后介紹仿真云計(jì)算平臺(tái)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)方法。
【關(guān)鍵詞】云計(jì)算;計(jì)算機(jī)仿真;仿真云;應(yīng)用
1引言
隨著近年來(lái)云計(jì)算技術(shù)?的高速發(fā)展與日趨成熟，云計(jì)算的應(yīng)用已逐漸由傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，逐漸滲透至制造、醫(yī)療、勘探等各行業(yè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的仿真計(jì)算中心主要通過(guò)高性能的CPU、內(nèi)存和仿真軟件，為用戶提供仿真求解計(jì)算服務(wù)，對(duì)于仿真前后處理等無(wú)法提供服務(wù)，且用戶提交求解計(jì)算時(shí)操作復(fù)雜易出現(xiàn)錯(cuò)誤，具有一定的局限性。將云計(jì)算應(yīng)用于計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域，構(gòu)建企業(yè)級(jí)仿真云平臺(tái)，不僅可以解決傳統(tǒng)仿真計(jì)算中心存在的提交計(jì)算任務(wù)復(fù)雜易出錯(cuò)等難題，還能擴(kuò)展仿真計(jì)算中心功能，實(shí)現(xiàn)仿真前后處理的遠(yuǎn)程操控，對(duì)提高計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)際使用效率具有重要意義。
2計(jì)算機(jī)仿真的概念與發(fā)展
計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真（Simulation）亦可通稱為計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（ComputerAidedEngineering），是指利用計(jì)算機(jī)輔助求解、分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的性能并進(jìn)行優(yōu)化工作。伴隨著數(shù)值計(jì)算方法的逐步完善以及計(jì)算機(jī)處理能力的日益提高，計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真已經(jīng)成為眾多工業(yè)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)的重要研發(fā)工具，對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段，計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真可以幫助研發(fā)團(tuán)隊(duì)縮短研發(fā)周期，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，積累研發(fā)知識(shí)，節(jié)約研發(fā)成本，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。
CAE的建模、前后處理工具對(duì)圖形工作站要求較高，可概括為高速CPU、大內(nèi)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(yàn)，有效增強(qiáng)CAE仿真研發(fā)生產(chǎn)力。硬件生產(chǎn)商、圖形顯卡生產(chǎn)商不斷推陳出新，持續(xù)涌現(xiàn)出更為豐富的圖形顯示技術(shù)，然而，如何有效管控這些高端圖形計(jì)算設(shè)備，科學(xué)規(guī)劃并節(jié)約硬件投資，已經(jīng)成為眾多企業(yè)面臨的重要問(wèn)題。
CAE求解對(duì)計(jì)算服務(wù)器要求較高，可概括為多核CPU、大內(nèi)存、高速存儲(chǔ)，滿足這些條件才使得大規(guī)模數(shù)值仿真計(jì)算成為可能，計(jì)算結(jié)果對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)更加具有參考價(jià)值。上世紀(jì)70年代以來(lái)，IT業(yè)界就針對(duì)大規(guī)模CAE計(jì)算需求而提出超級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品，代表企業(yè)有Cray、IBM、NEC等;2000年以后，集群（Cluster）技術(shù)開(kāi)始迅速占據(jù)CAE計(jì)算市場(chǎng)，通過(guò)負(fù)載均衡、高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等技術(shù)解決了數(shù)值求解規(guī)模擴(kuò)展性問(wèn)題，代表廠商有IBM、HP、DELL、曙光、聯(lián)想、浪潮、寶德、天河。高效利用并科學(xué)管理HPC計(jì)算集群，是當(dāng)前CAE研發(fā)工作提升生產(chǎn)效率的重要課題。
3云計(jì)算在計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域的應(yīng)用——仿真云
仿真云計(jì)算技術(shù)是云計(jì)算在工程仿真領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐，是將多學(xué)科仿真應(yīng)用、仿真計(jì)算集群管理、三維應(yīng)用虛擬化、軟件許可證管控、管理門戶等IT技術(shù)進(jìn)行高度融合，深入貫徹企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)針對(duì)高端研發(fā)計(jì)算資源的管理需求與發(fā)展理念，為企業(yè)級(jí)仿真計(jì)算中心量身定制的具有仿真應(yīng)用服務(wù)、調(diào)度及管理等功能的一體化技術(shù)。
利用仿真云技術(shù)，可以搭建仿真云計(jì)算平臺(tái)。一個(gè)完整的仿真云計(jì)算平臺(tái)由幾個(gè)部分組成：云平臺(tái)管理軟件（門戶系統(tǒng)及相關(guān)服務(wù)組件）;仿真計(jì)算服務(wù)器集群;三維圖形處理服務(wù)器集群;高速網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng);高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備（萬(wàn)兆以太網(wǎng)、Infiniband網(wǎng)等）;多學(xué)科仿真分析應(yīng)用軟件（含許可證管理服務(wù)器）;基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、通信服務(wù)器、安全認(rèn)證服務(wù)器等附屬設(shè)備。
仿真云計(jì)算平臺(tái)高度融合以上基本構(gòu)件，將各類數(shù)值仿真應(yīng)用軟件（如ANSYS、ABAQUS、FLUENT、ADAMS、STAR-CCM+、LS-DYNA、HFSS等）的圖形交互及計(jì)算服務(wù)，以WEB服務(wù)的形式提供給研發(fā)人員，從而將傳統(tǒng)的仿真軟件工具發(fā)展成為“研發(fā)云”中的在線計(jì)算資源，有效提升數(shù)值仿真工作效率。
4仿真云計(jì)算平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
4.1平臺(tái)整體架構(gòu)
整個(gè)仿真云計(jì)算平臺(tái)主要由仿真云、應(yīng)用云、存儲(chǔ)云三大部分組成，各部分之間通過(guò)千兆以太網(wǎng)連接，由以太網(wǎng)交換機(jī)連接至機(jī)房網(wǎng)絡(luò)。用戶通過(guò)PC客戶端的網(wǎng)絡(luò)連接至機(jī)房網(wǎng)絡(luò)，請(qǐng)求計(jì)算機(jī)仿真服務(wù)。
計(jì)算云主要提供求解計(jì)算服務(wù)，由于計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的I/O傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，建議部署專供計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換用的Infiniband網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)Infiniband網(wǎng)絡(luò)配置完成后，具有并行求解功能的仿真軟件會(huì)默認(rèn)首先使用Infiniband網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
應(yīng)用云提供仿真前后處理服務(wù)，對(duì)服務(wù)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(wù)器集群，或多臺(tái)圖形處理能力較強(qiáng)的臺(tái)式工作站，以此作為仿真前后處理服務(wù)器。
存儲(chǔ)云主要用來(lái)提供計(jì)算數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)服務(wù)。為提高數(shù)據(jù)的讀寫效率，建議使用光纖磁盤陣列作為存儲(chǔ)云的底層存儲(chǔ)。為提高存儲(chǔ)云與計(jì)算云、應(yīng)用云的數(shù)據(jù)交換速率，減少因網(wǎng)絡(luò)阻塞導(dǎo)致的效率降低，建議存儲(chǔ)云與計(jì)算云、應(yīng)用云的數(shù)據(jù)交互通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.2功能組件
平臺(tái)應(yīng)包含的組件及主要功能。
4.2.1門戶
門戶系統(tǒng)：提供仿真云計(jì)算平臺(tái)的系統(tǒng)登陸和界面展示服務(wù)。
數(shù)據(jù)庫(kù)：提供資源調(diào)度及運(yùn)維管理所需的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。
4.2.2計(jì)算中心內(nèi)部
計(jì)算云：分為linux和windows兩種操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，主要提供仿真求解計(jì)算服務(wù)。
應(yīng)用云：（1）利用Citrix虛擬桌面，提供仿真前后處理和仿真小規(guī)模試算服務(wù);（2）仿真許可證調(diào)度和管理服務(wù);（3）計(jì)算中心硬件使用情況監(jiān)控;（4）求解計(jì)算過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)控;（5）軟硬件資源、系統(tǒng)用戶、仿真項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)分析。
存儲(chǔ)云：提供計(jì)算數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)服務(wù)。
安全認(rèn)證管理：用戶認(rèn)證及數(shù)據(jù)安全策略管控。
通信服務(wù)：提供郵件、即時(shí)通信等服務(wù)。
4.2.3計(jì)算中心外部
用戶客戶端：使用現(xiàn)有用戶PC客戶端，提交仿真任務(wù)、遠(yuǎn)程連接仿真云計(jì)算平臺(tái)開(kāi)展仿真分析計(jì)算。
管理員客戶端：使用現(xiàn)有用戶PC客戶端，監(jiān)控運(yùn)維仿真云計(jì)算平臺(tái)。
4.3設(shè)備推薦
4.3.1計(jì)算云
CPU：支持X64架構(gòu)，建議采用低功耗高性能處理器。
協(xié)處理器：建議根據(jù)求解器特性、系統(tǒng)功耗等要求選擇NVidiaTesla或IntelXeonPhi。
本地磁盤：建議SAS15000rpm規(guī)格以上，推薦SSD，硬盤容量200G以上;個(gè)別求解器具有本地硬盤容量要求，可酌情配置。
網(wǎng)絡(luò)：建議采用萬(wàn)兆或Infiniband進(jìn)行互聯(lián)。
4.3.2應(yīng)用云
CPU：應(yīng)支持X64架構(gòu)，4核以上。
顯卡：推薦采用NVIDIAQuadro4000/5000/6000，NVIDIAGridK1/K2（支持GPU虛擬化）。
內(nèi)存：建議按4GB/Core規(guī)則進(jìn)行配置。
本地磁盤：建議SAS15000rpm規(guī)格以上，推薦SSD，硬盤容量200G以上。
網(wǎng)絡(luò)：建議采用萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。
操作系統(tǒng)：支持WindowsServer200864-bit、Windows764-bit，推薦采用Windows764-bit。
4.3.3存儲(chǔ)云
設(shè)備條件：推薦2T以上存儲(chǔ)容量，若較大規(guī)模的集群或需要較高的計(jì)算性能，推薦使用NAS存儲(chǔ)或SAN存儲(chǔ)，甚至并行文件系統(tǒng)存儲(chǔ)。
4.3.4客戶端
設(shè)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(jié)束語(yǔ)
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，云計(jì)算技術(shù)與我們的生活、工作結(jié)合得越來(lái)越緊密，為我們提供越來(lái)越多快速、便捷、高效的遠(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)。借助云計(jì)算技術(shù)的先進(jìn)理念，將云計(jì)算技術(shù)融入至傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域，眾多原本繁冗復(fù)雜的操作變得異乎尋常的方便簡(jiǎn)單。仿真云概念的提出與應(yīng)用，必將極大促進(jìn)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，并為云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用提供新的優(yōu)秀范例。
參考文獻(xiàn)：
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