联想CAE仿真计算HPC解决方案

CAE仿真HPC解决方案广泛适用于航空，航天，汽车，船帕，核，电等领域。

CAE仿真应用分析

CAE高性能运算的应用可以分为隐式有限元分析(IFEA)、显式有限元分析(EFEA)和计算流体动力学(CFD）三个子学科。采用隐式算法的软件主要有ABAQUS/Standard、ANSYS、MSC.NASTRAN等，适合求解静力、模态、屈曲等问题；采用显式算法的软件主要有ABAQUS/Explicit、LS-DYNA、PAM-CRASH等，适合求解接触、碰撞、冲击等问题。

几乎所有的CAE高性能计算都依赖于独立软件开发商(ISV)提供的商业软件，只有流体动力学算题中结构网格计算类型的部分软件是用户自己开发的。因此制造行业用户在购买硬件平台的同时通常会购买相应的科学计算软件产品。而在某种程度上，往往是应用软件的特性决定了硬件平台的选择。

从对计算资源的需求来说，隐式解法的基本特点是内存占用多、磁盘/O大、进程通信量大，因此，隐式解法要求系统的内存容量大、访存带宽高、磁盘/O速度快、通信延迟低；相对而言，显式解法对内存、磁盘I/O和通信延迟的要求要低一些。

从软件的扩展性上来说，隐式算法和显式算法有明显的区别。采用隐式算法的软件，扩展性相对较差，计算性能在4到8个物理CPU以上就很难获得进一步的提升。而采用显式算法的软件，扩展性就要好得多，在64到128CPU以内都能获得较好的并行性能，伴随设计和仿真的需求，目前联想已经在国内用户部署了单户超过1000台服务器的案例。

下表给出了常用的CAE软件，并列出这些软件的特点，包括并行方式和可扩展性。

从上表中我们可以了解到CAE应用软件具有以下特点：

①IFEA类应用软件（如ABAQUS、ANSYS和MSC Nastran)硬件平台支持的可扩展性不是很好。Nastran对内存，/O性能要求高;

②IFEA类应用软件通常使用共享内存方式(pthreads或OpenMP),进行并行处理，其中ABAQUS不支持消息传递方式(MPI)的并行；

③EFEA类应用软件（如RADIOSS、LS-DYNA和PAM-CRASH)和计算流体动力学软件（如FLUENT、STAR-CD和PowerFlow)的硬件平台支持的扩展性相对较好。RADIOSSS/LSDYNA对CPU,I/O性能要求高；

④EFEA类应用软件和CFD软件以采用消息传递并行方式(MPI)为主。

CAE仿真应用处理流程

在数字化设计过程中，主要包含几个过程：

前处理主要用于对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型（包括建立问题的几何模型、进行网格划分、建立用于计算分析的数值模型、确定模型的边界条件和初始条件等)。

仿真计算主要是对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成，该过程涉及对所建立的数值模型进行求解，经常需要求解大型的线性方程组，这个过程是CE分析中计算量最大、对硬件性能要求最高的部分。而后处理部分则根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户以便对所得的计算结果进行检查和处理，辅助用户判定计算结果

与设计方案的合理性。

结合数字化设计流程，仿真高性能计算以计算服务器、机架式图形服务器为中心，将企业已有的设计、仿真（计算、前后处理)应用集中到高性能仿真中心上面。因此，涵盖数字化设计的整个过程。

联想CAE仿真高性能计算平台提供并通过浏览器，用一个统一的门户实现以下功能：

①CAD设计和CAE前后处理等应用软件的使用和调度管理；

②仿真类及优化类应用软件的使用和调度管理：

联想CAE仿真高性能计算平台涵盖设计、仿真、前后处理的统一T综合应用服务平台，为设计师提供高效的计算、设计环境。

CAE仿真HPC参考系统架构

①联想CAE仿真高性能计算平台分为5个分系统：计算分系统、管理分系统、前后处理分系统、网络分系统、存储分系统：

②计算分系统主要用于仿真计算和优化类应用软件的模型求解，设备包含2路计算服务器、4路计算服务器和8路计算服务器也可以包含GPU加速节点：

③管理分系统主要是资源管理、作业调度、集群管理等管理平台，向设计师和管理员提供统一使用、管理平台，设备包含管理服务器、资源管理软件、集群管理软件，以及

搭建并行环境所需的软件；

④前后处理分系统主要用于CAE前后处理及CAD模型设计类应用软件的交互式设计操作，设备包含机架式图形服务器；

⑤网络分系统主要用于搭建该项目所有基础网络，设备主要包含各种网络交换机：

⑥存储分系统主要用于向计算分系统和前后处理分系统提供数据存储服务，设备主要包含存储设备、存储节点及并行文件系统。

联想仿真一体机解决方案LICP

随着“中国制造2025”国家计划的提出，中国制造业正在由“中国制造”走向“中国质造”。如何运用数字化技术缩短研发周期、降低研究成本、提高产品质量，具有十分重要的意义。具体到航空、航天、兵器、船帕、汽车、手机、机械等多个行业，其科研、生产广泛使用的仿真计算与设计平台建设存在以下问题：

² 传统“孤岛式”IT系统

² 大量使用桌面工作站，利用率低，投资大

² 各种信息系统独自建设，用户数据多点存放，不同系统间需要频繁切换

² 仿真计算、三维设计、研发流程脱节，使用不流畅

² 专业软件工具分散部署，低效使用，版本不统一

² 不利于协同研发的开展，管理维护也非常困难

联想针对行业现状与痛点提出了“联想智算管理平台”(“Lenovo Intelligent Computing Platform”,简称LICP)解决方案，为用户提供一站式业务平台，LICP为实现高质量、高效率的仿真与设计工作提供以下服务：

² 简单方便的“一站式”应用平台，而非计算平台

² 直接从研发流程中调用资源进行仿真、设计、优化等工作

² 桌面轻量化，从工作站到瘦客户机

² IT运维简化，桌面机零维护、零安装

² 研发工具软件标准化、云化、全面覆盖研发需求

² 复杂环境和网络条件下集中管理和使用

² 安全保密

² 图形服务器空闲时用于仿真计算，充分利用GPU卡的运算能力

² 仿真设计过程中的快速协同

² 更好的用户体验、尊重用户使用习惯能适应向大数据和人工智能平台的扩展

联想总结多年制造业HPC系统经验，致力于解决用户使用图形工作站和高性能计算系统的痛点，提升用户协同

研发能力和效率，提高投资回报。

方案内容

联想智算管理平台说明

平台覆盖范围

仿真与设计的一体化主要体现在以下几个方面：

²HPC+HPG,高性能计算和高性能图形融合

²仿真设计一体化

²数据无缝流转，单一数据源，避免频繁上传下载

²涵盖数字化设计全流程

²应用集中，客户机零安装、零维护，开机即用

联想智算管理平台与研发体系融合：

融合后的仿真设计一体化研发体系

联想智算管理平台功能架构：

LICP功能架构

联想智算管理平台产品组合：

LICP产品组合

联想智算管理平台典型部署架构：

LICP典型部署架构

体现以下特点：

²一个核心—以数据为核心

²两种能力一提供远程协同设计能力和仿真计算能力

²五个原则—安全性原则、易用性原则、先进性原则、经济性原则、可分析性原则

仿真设计一体化应用场景：