如何提升CAE/CFD的高性能計算應用效率？

2017-04-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

CAE(Computer Aided Engineering)是指利用計算機對工程及工業(yè)產(chǎn)品的結構、性能及運行狀態(tài)等進行仿真。

CFD(Computational Fluid Dynamics)是指利用計算機數(shù)值求解流體力學問題。

目前,基于高性能計算機的CAE/CFD仿真在航空航天、汽車船舶、石油化工、土木建筑等領域有廣泛的應用。并且,隨著計算機技術的不斷發(fā)展,CAE/CFD在上述領域的作用愈漸重要,特別是在航空航天領域,CAE/CFD已經(jīng)成為與理論分析和風洞實驗并列的三種研究手段之一。美國航天局NASA預測,航空航天飛行器的設計會在不遠的將來發(fā)生革命性的變化,即實現(xiàn)在基于CAE/CFD仿真數(shù)據(jù)的數(shù)值風洞中的虛擬飛行。

CAE/CFD仿真分析圖

高性能計算在CAE/CFD上應用的首要目標是用最低的成本獲取最接近真實的結果。目前,CAE/CFD行業(yè)軟件眾多,客戶對這些軟件的應用要求也是千差萬別,難以形成統(tǒng)一的解決方案。

高性能計算CAE/CFD中應如何應用優(yōu)化

CAE/CFD特征分析

CAE/CFD軟件基本上采用有限元法或有限體積法求解控制方程,在計算時涉及大量的前后時間步迭代以及交界區(qū)域處理,屬于計算密集型,對CPU性能的要求自然是越高越好。

一般來講,采用顯式時間格式的CAE/CFD軟件對內存容量的要求一般,而采用隱式時間格式的CAE/CFD軟件對內存容量有比較高的要,至于對內存帶寬的要求則是與單節(jié)點內的進程數(shù)直接關聯(lián)的,進程數(shù)越多,內存帶寬要求越高。

CAE/CFD對客機分析圖

在I/O層面上,多數(shù)CAE/CFD軟件在讀操作時,由主進程讀入數(shù)據(jù),然后向從進程分發(fā)數(shù)據(jù);在寫操作時,由主進程統(tǒng)一收集從進程的數(shù)據(jù),然后主進程寫出數(shù)據(jù)。也就是說,只有主進程直接負責I/O操作。因此,CAE/CFD對I/O存儲的壓力一般。

如前所述,由于CAE/CFD軟件在計算時要做前后時間步迭代和交界區(qū)域處理,因此,對網(wǎng)絡通信也比較高,宜采用InfiniBand網(wǎng)絡。

如何進行CAE/CFD運行優(yōu)化

由于CAE/CFD多為商業(yè)軟件,一般只能做硬件級優(yōu)化與運行級優(yōu)化。

考慮到前文的特征分析,在硬件級優(yōu)化層面,我們可以通過配置高主頻CPU和四通道內存來分別提高CPU、內存的性能,更可以通過對網(wǎng)絡接連拓撲,路由選擇算法以及RDMA等方面進行優(yōu)化來提升InfiniBand網(wǎng)絡的通信能力。

在運行級優(yōu)化層面,一般是采用MPI優(yōu)化的策略。例如,MPI進程綁定優(yōu)化,MPI消息傳遞機制優(yōu)化,以及MPI通信共享內存優(yōu)化等。隨著PGAS(Partitioned Global Address Space)編程模型,以及GPU、MIC等加速協(xié)處理器的發(fā)展,上述傳統(tǒng)算法將會被極大改進。

以Fluent算例為例,浪潮使用其自主開發(fā)的“天眼”高性能應用特征監(jiān)控分析系統(tǒng)(英文:Teye),監(jiān)測和分析了Fluent的應用特征。在Intel Xeon E5-2680v3 CPU平臺上和144個進程下,計算了1000萬網(wǎng)格規(guī)模的Fluent算例。

在下圖中,通過浪潮天眼可以看出Fluent 的CPU利用率接近100%,參與計算的物理核心基本上在滿載運行,說明了Fluent屬于計算密集型。

浪潮天眼分析Fluent算例的CPU利用率

在內存帶寬方面,天眼監(jiān)測到Fluent的內存帶寬需求主要發(fā)生在網(wǎng)格構建、合并及劃分之后總內存帶寬約為45GB/s。其中,讀內存帶寬約為40GB/s,寫內存帶寬約為5GB/s。Fluent由主進程讀入和寫出數(shù)據(jù),從進程不直接參與I/O操作。另外,數(shù)據(jù)讀寫量與Fluent算例大小成正關系。

浪潮天眼分析Fluent算例的內存帶寬

此外,我們還可以看到除開始階段主節(jié)點的讀操作速率達到40MB/s外,在Fluent的整個計算過程中,I/O操作壓力比較小。作為典型的CFD軟件,Fluent需要采用InfiniBand網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信。

浪潮天眼監(jiān)測Fluent算例的磁盤讀寫操作情況

在計算初期,Fluent通過網(wǎng)絡進行大量的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收操作。在之后的計算過程中,數(shù)據(jù)發(fā)送與接收呈現(xiàn)連續(xù)流特征,其速率維持在60MB/s ~ 100 MB/s。由此可見,Fluent是一款網(wǎng)絡密集型軟件。