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高性能计算在工业工程领域的应用

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发表于 2014-1-21 10:23:13 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 上海
本帖最后由 djh2003 于 2014-1-21 10:42 编辑

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原文见:王普勇, 丁峻宏. 高性能计算在工业工程领域的应用. 科研信息化技术与应用. 2012, 3(6): 3-11.
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高性能计算在工业工程领域的应用实践
王普勇,丁峻宏(jhding@ssc.net.cn)
(上海超级计算中心, 上海, 201203) 
摘  要: 针对高性能计算特别是工程计算的发展和应用,本文从国内和国外两个方面进行了回顾、分析和总结。对于国外HPC(High-performance Computing)工业工程计算发展应用,侧重于整理总结美国工业企业HPC仿真应用现状,以及不同行业机构多层次深入推进HPC应用的具体举措,此外对欧洲和日本也进行了类似分析。对于国内HPC工业工程计算发展应用,总结了基于HPC的CAE(Computer Aided Engineering)技术在解决不同行业问题中的广泛应用,指出了当前推动高性能计算工程应用面临的问题,最后结合国内公共计算平台建设特别是本单位自身多年经验,围绕如何更好地为工程计算服务提出了看法和意见。
关键词:高性能计算;工程计算;工业;仿真

0 引 言
在二十世纪之前的人类文明发展史上,理论和实验这两种手段推动了人们认识物质世界和探索科学奥秘的进程。随着近现代科学活动的频繁和深入,有些复杂科学问题的解决却受制于这两种传统手段的局限性,如宇宙演化、全球气候模拟和核物理问题等。伴随着上世纪40年代电子计算机的诞生和高性能计算机的出现及迅猛发展,“计算”已发展和演变为第三种科学研究手段[1]。计算机技术和高性能计算技术正加快推进世界科技创新的步伐并日益彰显其巨大威力。
现如今在不同的科学和工程领域都可以看到高性能计算的身影,而模拟和仿真是高性能计算应用的一种主要手段。对于工业和工程领域来说,其应用主要通过计算数学特别是力学计算仿真手段来模拟实际产品设计制造、产品运行环境和工程建设环境等并发挥不可替代的作用[2]。所涉及行业领域包括航空航天、汽车制造、土木工程、钢铁工业、船舶工业以及新能源和新材料等。其中计算机辅助工程[3] (Computer Aided Engineering, CAE)是目前工程计算中最核心的技术和手段,是推动工程和产品创新的生产力。
1 国外HPC工业工程计算发展应用现状
1.1 美国
从1993年开始发布的世界TOP500排行榜是衡量各国超级计算机发展水平的晴雨表和重要标志[4]。在2012年6月份的TOP500榜单中,世界各国工业产业(Industry)类机构拥有其中256台超级计算机,是超级计算机的最主要使用者,其中归属于美国的有152台(见图1),广泛应用于物流、金融、地球物理、国防、航空、汽车等近二十个领域。

图1 美国不同机构所拥有超级计算机数量及其与世界对比
从过去近二十年Top500历史统计数据发现,无论从超级计算机的总性能还是总数目来看,美国都牢牢占据了每次榜单50%以上的份额,是世界上超级计算机发展规模最大和高性能计算应用最先进的国家。了解学习以美国为首的西方国家在相关领域的发展动向和政策举措,有助于推进高性能计算更好的为我国工业工程领域服务。
1983年包括美国国家科学基金会(National Science Foundation, NSF)、美国国防部(United States Department of Defense, DoD)和美国能源部(United States Department of Energy,DoE)在内的多个部门和机构就联合向政府提出大力发展科学和工程计算的报告。美国政府也非常注重对高性能计算项目的发展,1991年提出了“高性能计算与通信(High Performance Computing and Communications, HPCC)计划”, 两年后美国科学、工程、技术联邦协调理事会向国会提交了“重大挑战项目:高性能计算与通信”的报告,也即美国总统科学战略项目。通过加强高性能计算的研究与开发,解决一批重大的科学与技术挑战问题。1994年由美国能源部发起和提出为期10年(1995~2004)的“加速战略计算创新(ASCI)”计划,后更名为“先进模拟与计算(ASC)”项目,利用超级计算机为美国核武库的建设贡献了一系列成果。1998年,美国能源部在全国范围内倡议实施"科学模拟计划"(SSP),提出要加速"燃烧系统"与全球气候系统"这两大应用领域的科学模拟研究。2002年,美国国防部高级防御研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)启动了“高生产率计算系统(HPCS)计划”,对未来20年内超级计算机体系结构的发展研制进行了规划并分阶段实施。
2006年,蓝带小组受NSF委托提交了“基于仿真的工程科学”(SBES)报告,指出了仿真理论和技术对工程领域产生的巨大影响,并强调这是一门确保国家在科学和工程中不断保持领先地位而不可或缺的学科。在美国国家竞争力委员会(Council on Competitiveness, CoC)自2000年以来整理的100多份报告刊物中,仅题名就包含High-performance Computing字眼的报告就占到30%以上,而其他在内容中提及HPC重要性和以模拟仿真技术推动工业发展和创新的报告更是比比皆是[5],其中对于工业企业而言提出的一个重要口号就是“只有在计算中胜出才能在竞争中胜出”。在相关组织机构推动下,奥巴马总统签署的美国竞争法2010年重新授权第605条款中明确指出,要从美国国策的高度来采取一切有效措施,确保联邦规划和政策鼓励并致力于在美国制造业中运用高端计算仿真和模拟[6]。利用高性能计算推动“基于仿真的制造”以期重塑其在工业制造业的世界领导者地位。
数十年来,以美国为首的西方工业强国对于HPC的重视以及推进HPC和工业企业紧密合作的一系列具体举措,已经在工业界和工程领域取得了骄人成果。以波音公司为例,其内部高级人士指出:“上世纪80年代设计767时,需要建造测试77个翼型。通过使用超级计算机来模拟机翼性能,如近年来的787和747-8,我们只需要设计7个翼型”。
2010年, 美国国家制造科学中心(National Center for Manufacturing Sciences, NCMS)对美国国内制造业321家不同企业、部门和组织开展调查后发现[7]:大型汽车类、航空航天类和重型装备制造类企业是最大的HPC使用者,全周期CAE技术被运用到从新产品研发到失效测试直至老产品的维护等多个方面。其中一半左右的CAE工作用于解决汽车和航空航天企业中固体测试和工程问题,主要包括结构分析和撞击测试,另一半应用于CFD(Computational Fluid Dynamics)和环境分析,主要包括虚拟风洞中的空气动力学测试,噪声、振动和舒适性(Noise, vibration, and harshness, NVH),以及过程工程、统计学分析等。调查同时也发现,模拟仿真硬件平台和企业规模有直接关系,人数在10000人以上企业内部员工使用如集群或服务器等HPC硬件资源来开展模拟仿真工作的比例高达调查数据的56%,而小规模企业出于风险规避角度考虑还未大量使用HPC硬件资源。
企业信息化已成为当今知识经济时代企业核心竞争力的重要组成环节。在美国各级部门和相关社会机构的重视和推动下,高性能计算在各类工业和工程领域得到了迅速发展和应用。当前主导世界制造业方向的大集团公司,其内部都拥有大量的高性能计算机用于产品设计和数据处理。此外美国为数众多的大规模超级计算中心也积极为工业领域的企业提供各种形式的计算服务,针对不同行业、规模和特点工业企业,积极组织引导并调动多方资源,深入推进多层次高性能计算的应用:
(1)由美国国家科学基金会推动的在大学超级计算中心和工业企业之间直接开展公私伙伴紧密合作,提供HPC计算资源。主要包括伊力诺伊大学美国国立超级计算应用中心(National Center for Supercomputing Applications, NCSA),匹兹堡大学超级计算机中心(Pittsburgh Supercomputer Center,PSC),加州大学圣迭戈超级计算机中心(San Diego Supercomputer Center,SDSC),得克萨斯大学得克萨斯高级计算中心(Texas Advanced Computing Center,TACC)等,受益企业代表包括PPG、微软、摩托罗拉和美国铝业等。
(2)美国能源部推动的下属超一流国家实验室和工业企业进行HPC方面的合作。包括美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)、美国桑迪亚国家实验室 (Sandia National Laboratories,SNL) 和美国阿贡国家实验室 (Argonne National Laboratory,ANL),并提供项目支撑。如“创新运算冲击之理论与试验计划”(INCITE), 为固特异、梦工厂和宝洁等企业的创新发展提供帮助。
(3)美国国防部推动的工业企业HPC升级应用。提供了包括高级防御研究计划局特定资助项目,以及加强生产力和技术转移项目(PET)在内的多个项目支撑,受益企业包括美国飞行器武装公司和先锋药业等。
(4)美国国家竞争力委员会推动的地区性工业企业HPC应用:组织财政部、商务部和各类企业共同实施中西部HPC试点计划[8],利用模拟仿真技术提高美国供应链中中小型企业的竞争力、创新力和企业生产效率。
1.2 欧洲和日本
除了美国外,欧洲超级计算机的发展和应用也令人瞩目。欧洲高性能计算技术组(High Performance Computing in Europe Taskforce, HET)在2006年提出的“欧洲千万亿次超级计算”研究报告指出,前沿水平的高性能计算对于欧洲科学和经济的发展有重要战略作用。主要解决的工程类问题包括飞行器空气动力学仿真、生物医学流体仿真、燃气轮机和内燃机、以及火灾模拟等诸多方面[9]。2007年推出了“欧洲先进计算合作伙伴”计划(PRACE),该计划积极推动欧洲科学和工业研究机构开发、部署和使用高性能计算机。一个典型案例是德国斯图加特高性能计算中心(Höchstleistungsrechenzentrum,HLRS)协助德国燃煤电厂利用计算机仿真技术来优化工厂的设计运转,使得排放量、发电效率、设备使用率和安全性等指标都得到了提高。
著名市场调研公司IDC(International Data Corporation)相关研究报告指出[10],基于HPC的模拟仿真技术已经使得汽车制造商将新车型的研发从平均60个月降至24个月,同时还极大地提高了防撞性能,环保性能和乘客舒适性。空客等飞机制造商通过应用HPC,大量降低了新机物理原型,节省了数十亿欧元开支。但是中小企业在HPC技术使用上会愈发感觉到压力,不能使用数字化设计仿真工具的企业将逐渐被淘汰,因此,对这些企业来说,今后会更加借助于拥有数学软件工具解决特定模拟问题的中间商业机构。
对于另一个工业强国日本,在2011年6月,沉寂多年后日本理化学研究所与富士通共同研制的超级计算机“京”(Rmax 8.16Pflop/s,指LINPACK实测峰值,下同)重回世界第一,2012年6月更将Rmax提高至10.5P。日本希望借助这一超级计算机解决复杂计算能力突破问题,以增强其全球竞争力。政府指导下的“官、产、学”一体化依然在日本经济振兴和产业发展进程中起到积极推动作用。在HPC与新型工业技术如CAE等有效结合的新时代背景下,政府也推出了一系列制度上的保障,如2009年发布的先端研究设施共同利用促进法等。
日本文部科学省(Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology,MEXT)在此间起到了积极扶持和引导作用,始于2006年的“下一代超级计算机计划”,组织分散在日本各地的高性能计算资源建立“高性能计算基础设施”(HPCI),将其作为国家的关键技术和基础设施。在此基础上迄今已牵头资助超过40家工业企业使用大学内的计算机资源。不少非政府组织也通过举办研讨班和加强软件应用交流等形式来推动仿真模拟技术发展[11,12]。计算科学基金会(FOCUS)吸引了超过40家公司加入,主要面向关西地区的企业;促进超级计算工业委员会(ICSCP)和论坛则吸引了超过170家成员加入,主要面向制造类企业;生物网格计划(BioGrid)也针对30多家医疗企业提供药物设计上的帮助。此外一些软件厂商也联合各地大学开展合作,借助计算资源联合提供SAAS服务。
2 国内HPC工业工程计算发展应用现状
2.1 超级计算机的快速发展有力地促进了工程计算
从上个世纪 “七五”计划开始,我国政府就高度重视并积极推动高性能计算机的研究开发和应用,并在接下来的几个五年计划期间不断加大力度持续支持。近十年来,中国超级计算机迅猛发展并不断取得令世人瞩目的成绩。2001年之前默默无闻的中国在新世纪一开始就牢牢吸引了世界注意力,TOP500评选组织曾于2011年对于中国超级计算机发展的高歌猛进给出“From Zero to Hero”的积极评价。上海超级计算中心的“曙光4000A”(Rmax 10T)和魔方“曙光5000A” (Rmax 233T)曾分别于2004年和2009年两次代表中国位居当年TOP500排行榜前十;2010年6月国家超算深圳中心的“星云”(Rmax 1.27P) TOP500排名第二;国家超算天津中心的“天河一号”(Rmax 2.57P)更是历史性地位居TOP500榜首。在2012年6月TOP500排名中中国共有68台机器上榜,仅次于美国。其中归类于工业产业类机构(Industry)的有55台,其中明确为工程公司(Engineering Company)所有的有7台,具体业务和应用领域见图2。高性能计算机的大量涌现,有力促进了HPC与工程计算的紧密结合并取得大量积极有用的成果。

图2  国内超级计算机不同业务应用领域装机数对比
从实际应用情况看,基于HPC的CAE应用已经被广泛运用到诸多工业工程领域,并随着研究问题的深入越来越多的用来解决复杂问题。上海超算中心十多年来参与了很多国家和地方不同工业及工程领域中重大课题的攻关研究,取得了大量优秀成果。
在航空领域,主要应用在飞行器总体设计分析(包括模态分析,失稳分析、飞鸟撞击、总体气动性能、发动机气动匹配等),机身子系统设计分析(加工成型、动力响应、复合材料设计、起落架机构运动等)等方面,流体计算还可用于处理湍流构型阻力、增升装置性能预测、发动机空气系统设计以及重要的气动-声学风洞模拟等问题,典型应用见图3。

图3  民机全机构型验算
在航天领域,工程计算解决的问题主要包括卫星设计、电池组托架应力分析、太阳能帆板展开机构分析、运输引起的冲击损伤仿真、返回舱设计和热烧蚀模拟、发动机壳体纤维缠绕问题等。流体计算主要涉及气动热问题和高马赫数湍流模型问题,典型应用见图4。

图4  纤维缠绕压力容器工艺模拟
在汽车工业领域,工程计算已经比较成熟,渗透到整车、大小总成及零部件设计的方方面面。结构分析涉及刚度和强度分析、NVH分析、机构运动分析、主被动碰撞安全性分析、板材冲压成型、疲劳寿命分析和虚拟试验场整车分析等。流体分析涉及汽车外流场、进排气系统、空调系统以及风振噪声等问题的模拟仿真,典型应用见图5。

图5  整车测向碰撞安全性模拟
在土木建筑工程领域,结构计算研究问题包括岩土和混凝土结构本构关系、渗流固结问题,高层及超高层建筑结构设计和抗震性能分析、计算风工程、大型复杂工程施工模拟、混凝土高坝仿真分析等。流体计算主要应用在建筑通风、空调暖通、烟气扩散以及大型建筑内人群安全疏散等问题的研究上,典型应用见图6。

图6  大型盾构隧道施工仿真
在船舶领域,船舶结构设计中利用工程计算可解决解决相关强度和刚度分析、稳定性分析、振动计算、爆炸冲击、机械和水动噪声等问题。流体计算已用于模拟的问题包括船舶阻力性能预测、线型优化、浆舵干扰、艉部伴流、风帆助航等方面,典型应用见图7。

图7  推进器桨舵干扰仿真研究
在核能领域,结构计算已用于解决反应堆热应力、压力容器安全性分析、核燃料跌落、核电站地震响应、管道分析等方面的问题。流体计算主要应用在核主泵全流场湍流模拟,堆芯或组件内部三维紊流和传热模拟、堆芯外空腔混合流动、流致振动等问题上,典型应用见图8。

图8  燃料格架跌落分析
在动力机械领域,如解决柴油机设计开发中遇到的零部件应力分析、曲轴连杆系统运动分析、缸内气场和流场分析和整机振动冲击问题;再如蒸汽/燃气轮机的叶片造型建模、动静叶片干涉、非均匀进气、流固耦合、冷凝器内相变、叶片冷却和燃烧稳定性问题等,典型应用见图9。

图9  曲轴连杆机构动力学仿真
在电子电器领域,通过仿真进行产品设计指导、验证、寿命及实效分析。如电子产品的电子封装、冲击振动、疲劳蠕变等问题,雷达天线设计中的结构静动力学、热分析、压电分析和元器件电磁性能分析,家用电器的声固耦合、跌落碰撞和流场分析,电子产品的电磁场和电磁兼容/干扰问题,以及MEMS(微电子机械系统)装置分析,典型应用见图10。

          图10  机载天线阵列一体化仿真
总的来看,十年来随着计算机软硬件水平的飞速发展,高性能计算在中国工业和工程领域中的应用在模拟仿真的深度和广度上都取得了长足的进步,HPC的概念逐步深入人心。
2.2 高性能计算工程应用面临的问题
虽然我国高性能计算机系统装机峰值和数量均已位居世界前列,并取得了一批应用成果,但与西方先进国家相比,在不少方面仍有较大差距。
当前国内HPC工程计算面临的问题主要表现在三个方面:①应用软件是主要制约因素,当前仿真问题难度的深入、并行规模和并行效率的提高都远远落后于硬件发展;②专业人才数量不足,专业培训机构相对较少,模拟仿真技术人才队伍建设及其与研发创新结合的力度还要加强;③解决问题的层次不够,高性能计算机的应用落后于西方国家,国内使用HPC计算资源解决工业工程领域问题的复杂程度上还存在一定差距;④HPC资源利用的不均衡,国内高性能计算机多集中在重点城市和重要领域,面向全国范围内各领域不同规模工业企业服务的途径及形式需要增加和完善。
应用软件是高性能计算的基础,一般高性能计算机的生命周期才不过五年左右,而应用软件的生命周期一般可持续几十年[13],可以说应用软件的研制和发展是重中之重,其对高性能计算应用发展具有举足轻重的地位。
当前我国HPC应用软件发展面临的主要挑战[14,15]可以概括为:①西方国家对高端CAE软件实施垄断或出口限制,而国产CAE软件业发展缓慢,需要国家加大对自主大规模计算仿真软件研发支持力度;②多CPU/多核/GPU并行算法需要改进和突破,才能实现更大规模、更高精度的仿真计算;③目前的CAE软件多着力于单一宏观物理分析,但CAE功能发展趋势则要求多尺度、多目标和多物理场耦合模拟仿真手段的开发。
HPC的发展和实际应用离不开国家和地方政府的一贯扶持,多年来在“攀登计划”、“863”计划和“973”计划等项目中都始终给予了这方面的专项支持,其中不少项目和重大工程领域难题紧密结合。比如“十一五”期间通过“863”计划支持了航空、石油、核工程、铁路、大型机械、生物医药、工业应用社区等工业工程应用和平台开发,推动了我国工业应用水平的提高。在“十二五”“863”计划中也将高效能计算机系统的研制和多领域应用软件研发结合起来,重点解决包括航空及航天飞行器全流场模拟、工程设备结构力学计算、复杂电磁环境模拟、真实感动漫渲染、新药研发和蛋白质折叠模拟等在内的一系列重大科学发现和重要行业应用难题。
2.3 高性能计算公共平台建设引发的思考
高性能计算公共平台的主要作用之一,就是要服务于企业的信息化建设和创新转型,加快产品研发设计,降低生产制造成本,从而增强制造业的技术水平和竞争能力。近年来中央和地方各级政府均加大了对高性能计算公共平台的建设投入,“十一五”在科技部的推动下,分别建成了P级国家超级计算天津中心、深圳中心、山东中心、湖南中心,同时上海超算中心、中科院超算中心等地方和行业中心也得到了加强。国家级和省市级超级计算中心纷纷涌现,正在为对应地区工业企业系统仿真水平的提高和重大工程建设难题的解决做出积极贡献。
作为国内运营较为成功的公共计算平台之一,上海超算中心已经走过了十多个年头,工程计算已成为中心重要主营业务之一。从多年计算资源使用率来看,80%以上用户是科研机构和大学;工业界的用户只占20%左右,仍存在较大的提升和拓展空间。对于高性能计算公共平台发展和建设以及如何促进工业和工程领域内的仿真应用,有着自己的认识和体会。
当前影响公共计算平台资源工程应用和发展的因素主要包括:①建设规划和功能定位方面,国家层面上的科学规划和管理协调有待加强,出现局部区域重复投资、辐射面重叠,各自特色和效用都不明显;②可持续发展方面,HPC的基本建设、软硬件投资以及越来越庞大突出的运行维护与管理经费问题,导致可持续发展面临挑战,目前来看离不开政府的多方面支持;③新型商业模式,方兴未艾的“云计算”将对现有高性能工程计算的推动和变革带来积极影响。
从公共计算平台实际运维来看,影响工程计算应用推广的还有一些具体技术因素:比如信息安全保障措施和相应资质,技术能力和服务质量,网络带宽,软硬件综合性能,以及软件功能种类、并行性能和版本持续升级能力等。特别要指出的是软硬件综合性能因素,当前计算机硬件发展速度要快于软件发展速度,针对中小规模工业用户的HPC硬件门槛在不断降低,如果应用软件配置问题解决的话,企业内部工程计算能力短时间内提升速度很快,而超级计算机从研发、部署直至运行需要长达几年时间,时间越久公共平台仿真计算并行加速性能比较优势越不明显,因此今后如何巩固和提高技术水平,提升服务质量并拓宽服务形式显得愈发重要。
3 结 语
对于工业和工程领域的企业而言,高性能计算仿真的重要作用,不仅降低了物理原型和实验的数量和成本,而且还提高了设计质量和效率,提升了企业解决复杂技术难题的手段和能力,最终通过缩短新产品上市时间并加快新产品推出种类,增强企业在相关行业内的国内国际竞争力水平。
高性能计算是新世纪世界各国高精尖技术领域竞相争夺的焦点之一,基于HPC的工程计算和仿真技术将逐渐成为制衡工业工程领域企业和研究机构创新进步的重要利器。当前,信息化和工业化之间的“两化融合”正不断深入,“创新驱动,转型发展”已成为“十二五”期间上海经济发展的主题,面对日趋激烈的国内国际行业竞争,以往纯粹制造类企业转型为设计“智造”类企业是必然的选择和趋势,高性能计算和仿真技术应用的进一步结合将持续为企业发展转型提供动力加速和技术保障,并在蓬勃发展的国防和国民经济建设当中发挥越来越大的作用。
目前,“第三次工业革命”初现端倪,世界正走进一个以数字化制造为核心和以信息、新能源、新材料等多项技术应用为代表的新时代,我国也正在为建设国家创新体系并增强企业创新能力而努力。随着国家战略性新兴产业布局的加快,一批对高性能计算需求较大的产业正在快速培育中,这些都将为超级计算支撑创新和发展带来新的机遇,超级计算的应用将面临更大需求、更高要求以及更广阔的未来。

            
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