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云計算在計算機仿真領(lǐng)域的應用與實(shí)現論文
【摘要】隨著(zhù)云計算技術(shù)和計算機仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，將云計算技術(shù)融合至計算機仿真技術(shù)，可以顯著(zhù)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(shù)在計算機仿真領(lǐng)域的應用方向與實(shí)現方式，首先介紹云計算和計算機仿真的概念及發(fā)展歷史，然后介紹仿真云技術(shù)的基本概念和應用方向，最后介紹仿真云計算平臺的構建與實(shí)現方法。
【關(guān)鍵詞】云計算;計算機仿真;仿真云;應用
1引言
隨著(zhù)近年來(lái)云計算技術(shù)?的高速發(fā)展與日趨成熟，云計算的應用已逐漸由傳統的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，逐漸滲透至制造、醫療、勘探等各行業(yè)領(lǐng)域。傳統的仿真計算中心主要通過(guò)高性能的CPU、內存和仿真軟件，為用戶(hù)提供仿真求解計算服務(wù)，對于仿真前后處理等無(wú)法提供服務(wù)，且用戶(hù)提交求解計算時(shí)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(lǐng)域，構建企業(yè)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(wù)復雜易出錯等難題，還能擴展仿真計算中心功能，實(shí)現仿真前后處理的遠程操控，對提高計算機仿真的實(shí)際使用效率具有重要意義。
2計算機仿真的概念與發(fā)展
計算機數值仿真（Simulation）亦可通稱(chēng)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(chǎn)品的性能并進(jìn)行優(yōu)化工作。伴隨著(zhù)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(jīng)成為眾多工業(yè)企業(yè)及科研機構的重要研發(fā)工具，對比傳統實(shí)驗手段，計算機數值仿真可以幫助研發(fā)團隊縮短研發(fā)周期，優(yōu)化產(chǎn)品設計，積累研發(fā)知識，節約研發(fā)成本，提升企業(yè)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(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，持續涌現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算設備，科學(xué)規劃并節約硬件投資，已經(jīng)成為眾多企業(yè)面臨的重要問(wèn)題。
CAE求解對計算服務(wù)器要求較高，可概括為多核CPU、大內存、高速存儲，滿(mǎn)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(yè)設計才會(huì )更加具有參考價(jià)值。上世紀70年代以來(lái)，IT業(yè)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(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CAE計算市場(chǎng)，通過(guò)負載均衡、高速網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)等技術(shù)解決了數值求解規模擴展性問(wèn)題，代表廠(chǎng)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計算集群，是當前CAE研發(fā)工作提升生產(chǎn)效率的重要課題。
3云計算在計算機仿真領(lǐng)域的應用——仿真云
仿真云計算技術(shù)是云計算在工程仿真領(lǐng)域的應用實(shí)踐，是將多學(xué)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(mén)戶(hù)等IT技術(shù)進(jìn)行高度融合，深入貫徹企業(yè)及科研機構針對高端研發(fā)計算資源的管理需求與發(fā)展理念，為企業(yè)級仿真計算中心量身定制的具有仿真應用服務(wù)、調度及管理等功能的一體化技術(shù)。
利用仿真云技術(shù)，可以搭建仿真云計算平臺。一個(gè)完整的仿真云計算平臺由幾個(gè)部分組成：云平臺管理軟件（門(mén)戶(hù)系統及相關(guān)服務(wù)組件）;仿真計算服務(wù)器集群;三維圖形處理服務(wù)器集群;高速網(wǎng)絡(luò )存儲系統;高速網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)設備（萬(wàn)兆以太網(wǎng)、Infiniband網(wǎng)等）;多學(xué)科仿真分析應用軟件（含許可證管理服務(wù)器）;基礎數據庫、通信服務(wù)器、安全認證服務(wù)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(lèi)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(wù)，以WEB服務(wù)的形式提供給研發(fā)人員，從而將傳統的仿真軟件工具發(fā)展成為“研發(fā)云”中的在線(xiàn)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(shí)現
4.1平臺整體架構
整個(gè)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(guò)千兆以太網(wǎng)連接，由以太網(wǎng)交換機連接至機房網(wǎng)絡(luò )。用戶(hù)通過(guò)PC客戶(hù)端的網(wǎng)絡(luò )連接至機房網(wǎng)絡(luò )，請求計算機仿真服務(wù)。
計算云主要提供求解計算服務(wù)，由于計算節點(diǎn)之間的I/O傳輸對網(wǎng)絡(luò )帶寬要求較高，建議部署專(zhuān)供計算節點(diǎn)數據交換用的Infiniband網(wǎng)絡(luò )。當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 )默認首先使用Infiniband網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據交互。
應用云提供仿真前后處理服務(wù)，對服務(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(wù)器。
存儲云主要用來(lái)提供計算數據的存儲服務(wù)。為提高數據的讀寫(xiě)效率，建議使用光纖磁盤(pán)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(wǎng)絡(luò )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(guò)光纖網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。
4.2功能組件
平臺應包含的組件及主要功能。
4.2.1門(mén)戶(hù)
門(mén)戶(hù)系統：提供仿真云計算平臺的系統登陸和界面展示服務(wù)。
數據庫：提供資源調度及運維管理所需的數據庫服務(wù)。
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(huán)境，主要提供仿真求解計算服務(wù)。
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(wù);（2）仿真許可證調度和管理服務(wù);（3）計算中心硬件使用情況監控;（4）求解計算過(guò)程遠程監控;（5）軟硬件資源、系統用戶(hù)、仿真項目統計分析。
存儲云：提供計算數據集中存儲服務(wù)。
安全認證管理：用戶(hù)認證及數據安全策略管控。
通信服務(wù)：提供郵件、即時(shí)通信等服務(wù)。
4.2.3計算中心外部
用戶(hù)客戶(hù)端：使用現有用戶(hù)PC客戶(hù)端，提交仿真任務(wù)、遠程連接仿真云計算平臺開(kāi)展仿真分析計算。
管理員客戶(hù)端：使用現有用戶(hù)PC客戶(hù)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(xié)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(pán)：建議SAS15000rpm規格以上，推薦SSD，硬盤(pán)容量200G以上;個(gè)別求解器具有本地硬盤(pán)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(jìn)行配置。
本地磁盤(pán)：建議SAS15000rpm規格以上，推薦SSD，硬盤(pán)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：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(hù)端
設備條件：客戶(hù)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(yǔ)
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，云計算技術(shù)與我們的生活、工作結合得越來(lái)越緊密，為我們提供越來(lái)越多快速、便捷、高效的遠程應用服務(wù)。借助云計算技術(shù)的先進(jìn)理念，將云計算技術(shù)融入至傳統的計算機仿真領(lǐng)域，眾多原本繁冗復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用，必將極大促進(jìn)計算機仿真技術(shù)的快速發(fā)展，并為云計算技術(shù)的應用提供新的優(yōu)秀范例。
參考文獻：
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