面向汽車工業(yè)的HPC仿真云平臺設(shè)計與實現(xiàn)

王英資 韓盼盼 方祥毅

摘 要：隨著汽車市場規(guī)模的日益擴(kuò)大，各種設(shè)計、仿真軟件所需的計算量也成倍增長。為給用戶提供按需使用高性能服務(wù)并解決用戶應(yīng)用部署的依賴性問題，提升行業(yè)整體計算能力，結(jié)合汽車行業(yè)特點，設(shè)計并實現(xiàn)了一種面向汽車工業(yè)、基于分布式架構(gòu)的高性能仿真云平臺。該平臺在充分利用硬件資源的基礎(chǔ)上，通過集成各項業(yè)務(wù)所需的仿真軟件，為用戶提供云化的高性能租用服務(wù)，解決了高性能計算資源建設(shè)周期長、成本高以及資源閑置等問題。

關(guān)鍵詞：高性能計算;仿真云平臺;分布式架構(gòu)

DOI：10. 11907/rjdk. 182787 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）009-0097-05

Design and Implement of HPC Simulation Cloud Platform for Automobile Industry

WANG Ying-zi1，HAN Pan-pan1，2，F(xiàn)ANG Xiang-yi1

（1. Chinese Automotive Technology & Research Centre，Tianjin 300300，China;

2. Department of Statistics and Data Science， Nankai University，Tianjin 300100，China）

Abstract： The scale of automobile market is expanding day by day， and the amount of calculation required by various design and simulation software increases exponentially. To provide users with on-demand using of high performance services， solve the users dependency problems of application deployment and improve the whole computing power of industry， combining the characteristics of automobile industry， this paper designs and realizes a kind of high performance simulation cloud platform for automobile industry based on the distributed architecture. The platform makes full use of hardware resources and integrates simulation software required by various businesses. It can provide the cloud with high performance rental services for users and solve the problems on high performance computing such as long resources construction cycle， huge cost and idle resources and so on.

Key Words：high performance computing; simulation cloud platform; distributed architecture

0 引言

在經(jīng)濟(jì)與科技高速發(fā)展的今天，汽車工業(yè)已成為全球規(guī)模最大，同時也是最重要的工業(yè)產(chǎn)業(yè)之一。從某種意義上來說，汽車工業(yè)的發(fā)展一定程度上帶動了國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)了GDP增長。一個國家汽車工業(yè)水平的高低反映了其綜合實力強(qiáng)弱，也體現(xiàn)了其在國際競爭中的位置。

隨著汽車市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對設(shè)計精度、合格率、多種設(shè)計方案并行等方面要求越來越高，各種設(shè)計、仿真軟件所需的計算量也成倍增長。在計算量井噴式增長的情況下，傳統(tǒng)計算設(shè)備已很難滿足作業(yè)需求。本文旨在搭建一個面向汽車工業(yè)的高性能仿真云平臺，在充分利用硬件資源的基礎(chǔ)上，通過集成各項業(yè)務(wù)所需的仿真軟件，不僅可以滿足汽車行業(yè)的計算需求，還可以為相關(guān)行業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、高等院校等提供高性能仿真服務(wù)，以大幅降低成本、提升工作效率，從而更好地促進(jìn)汽車行業(yè)發(fā)展。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢

1.1 高性能計算

高性能計算（High Performance Computing，HPC）是指利用并行處理和互聯(lián)技術(shù)將多個計算節(jié)點連接起來，從而高效、可靠、快速運(yùn)行高級應(yīng)用程序的過程[1]，其通常包含很多處理器。它是計算機(jī)科學(xué)的一個分支，常用于研究并行算法及開發(fā)相關(guān)軟件。

自1946年電子計算機(jī)ENIAC誕生之后，高性能計算的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個階段：①20世紀(jì)70年代初的并行向量處理機(jī)（PVP）;②隨著微處理器性能的不斷提高[2]，對稱式共享存儲器多處理機(jī)（SMP）應(yīng)運(yùn)而生，隨后又出現(xiàn)了分布式共享存儲器多處理機(jī)（DSM），逐漸取代了PVP;③20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)了擁有物理邏輯多地址空間的大規(guī)模并行處理機(jī)（MPP），并占據(jù)了高性能計算市場;④隨后，計算機(jī)集群通過網(wǎng)絡(luò)將本地多臺計算機(jī)緊密集成在一起，以實現(xiàn)更高的工作效率;⑤現(xiàn)階段，云計算的出現(xiàn)進(jìn)一步推動了高性能計算的發(fā)展。

美國、歐洲等一些發(fā)達(dá)國家都非常重視高性能計算技術(shù)的研究與應(yīng)用，美國一直將發(fā)展高性能計算作為國家的戰(zhàn)略重點，在克林頓時代即大力推行HPCC計劃，并取得了顯著成效[3]。在2011年6月的全球高性能計算Top500排名中，美國共擁有256臺超級計算機(jī)，以遠(yuǎn)超其它國家的優(yōu)勢穩(wěn)居世界第一。中國也在不斷加大高性能計算領(lǐng)域的投入，從“863計劃”到“973計劃”，再到2015年國家科學(xué)技術(shù)部提出的“國家重點研發(fā)計劃”，“十三五”階段國家高性能計算環(huán)境整合資源的能力得到進(jìn)一步提升，共聚集了19個單位[4]，經(jīng)過多年的不懈努力，中國的高性能計算水平已躋身世界前列[5]。曙光5000A和“天河一號”的問世，使中國一躍成為高性能計算強(qiáng)國[6]。在2017年11月的全球高性能計算Top500排名中，中國以202臺超級計算機(jī)的優(yōu)勢超過了美國，中國研制的“神威·太湖之光”連續(xù)4次位居榜首。

高性能計算用戶群體遍布軍事、航空航天、經(jīng)濟(jì)、氣象等領(lǐng)域，其在汽車工業(yè)領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。從汽車造型設(shè)計，到零部件與發(fā)動機(jī)制造，再到汽車組裝及出廠前汽車性能的一系列測試，都離不開高性能計算。具體應(yīng)用如表1所示。

徐光憲院士曾提出：“進(jìn)入21世紀(jì)以來，計算方法與分子模擬、虛擬實驗，已經(jīng)成為繼實驗方法、理論方法之后第3個重要的科學(xué)方法，對未來科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展將起到越來越重要的作用。”當(dāng)理論模型較為復(fù)雜甚至尚未建立，或?qū)嶒炠M(fèi)用昂貴，可能無法進(jìn)行時，計算則成為求解問題的唯一或主要手段[7]。因此，高性能計算的不斷普及已是大勢所趨。

1.2 仿真云

“云”是對網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)的一種比喻，過去在圖中往往用云表示電信網(wǎng)，后來也用來表示互聯(lián)網(wǎng)和底層基礎(chǔ)設(shè)施的抽象[8]。目前，云計算正成為信息領(lǐng)域的研究熱點[9]，但至今尚沒有對云計算的明確定義?，F(xiàn)階段被廣為接受的是NIST的定義：云計算是一種按使用量付費(fèi)的模式，該模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進(jìn)入可配置的計算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用軟件、服務(wù)）[10]，這些資源能夠被快速提供，只需很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互。目前，云計算主要包含3個層次的服務(wù)：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）與軟件即服務(wù)（SaaS）。

為了滿足用戶日益增長的個性化需求，李伯虎等[11]在2005年提出“云仿真”概念，將云計算與仿真相結(jié)合。“云平臺”也稱為“云計算平臺”，該平臺允許程序員們將寫好的程序放在“云”里運(yùn)行，或使用“云”提供的服務(wù)。云仿真平臺是一種新的基于云計算理念的網(wǎng)絡(luò)化建模仿真平臺，是對仿真網(wǎng)格的進(jìn)一步發(fā)展。其支持一種新的仿真模式——“云仿真”模式，利用網(wǎng)絡(luò)和云仿真平臺按需組織各種仿真資源，為用戶提供各種建模和仿真服務(wù)[11]。

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對仿真云平臺進(jìn)行了大量研究，也取得了一定成果，例如：劉俊文[12]通過分析電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心仿真云平臺開發(fā)現(xiàn)狀，針對現(xiàn)存問題及需求提出部署方案，以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)健性;杜靜[13]對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行探索，為實現(xiàn)高性能仿真提供了可借鑒的理論依據(jù);趙繼叢[14]以仿真模型重用為目標(biāo)設(shè)計并實現(xiàn)了一個面向模型重用的仿真云服務(wù)平臺（SCSP）;張亞琦[15]在分析云應(yīng)用服務(wù)特點基礎(chǔ)上，結(jié)合教育服務(wù)資源分布不均及資源利用率低等問題，建立教育云平臺服務(wù)架構(gòu)，實現(xiàn)了對資源的整合利用。國內(nèi)也有很多知名云平臺，如阿里云、騰訊、百度云、新浪、京東、華為等。一個具有良好可擴(kuò)展性與適用性的云計算平臺，可為用戶及第三方服務(wù)提供商提供良好的云計算服務(wù)接入環(huán)境。

工業(yè)設(shè)計仿真云是一個能涵蓋企業(yè)PDM/PLM產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、CAD設(shè)計、CAE模擬仿真、制造過程管理等多個方面的綜合技術(shù)。CAD是以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)對實物進(jìn)行模擬設(shè)計的一種技術(shù)手段，能展示物體的結(jié)構(gòu)、色彩、質(zhì)感、外形等要素，在汽車制造、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[16]。常見的CAD軟件有：CATIA、Pro/Engineer、UG NX、SolidWorks、AutoCAD等。CAE是用計算機(jī)技術(shù)輔助求解復(fù)雜工程與產(chǎn)品性能的一種近似數(shù)值分析方法，泛指包括分析、計算與仿真在內(nèi)的一切研發(fā)活動[17]。CAE軟件可進(jìn)行動力學(xué)分析、靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析與動態(tài)分析，用于研究線性、非線性問題，以及分析結(jié)構(gòu)（固體）、流體、電磁等。CAE并不是獨(dú)立于CAD單獨(dú)存在的，而是二者相輔相成，共同完成產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計。常見的幾款CAE軟件及其應(yīng)用分類、特點如表2所示。

2 高性能仿真云平臺架構(gòu)設(shè)計

2.1 體系架構(gòu)

HPC仿真云平臺通過整合多款應(yīng)用軟件，實現(xiàn)仿真計算、工業(yè)設(shè)計一體化操作，采用模塊化分布式架構(gòu)理念，為用戶提供全方位的工業(yè)設(shè)計、作業(yè)調(diào)度、平臺系統(tǒng)監(jiān)控管理等功能，可有效提高管理效率，降低運(yùn)維成本?！胺植际健笔侵敢环N將應(yīng)用程序分布在不同計算機(jī)上，通過網(wǎng)絡(luò)共同完成一項任務(wù)的工作方式，其可以實現(xiàn)在兩個或多個軟件中的資源共享，也可以在多臺計算機(jī)上平衡計算負(fù)載。系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)設(shè)計，可使產(chǎn)品具備很強(qiáng)的靈活性與可擴(kuò)展性，能充分滿足不同用戶的需求。

仿真云平臺共包含4層架構(gòu)，分別為：應(yīng)用門戶層、管理層、工業(yè)云OS層和硬件資源層。其中，應(yīng)用門戶層是用戶了解并使用仿真云平臺的窗口。

資源池是指圍繞業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將其主要涉及的可用資源進(jìn)行通用化、平臺化與模塊化整合[18]。其打破了服務(wù)器機(jī)箱限制，將所有資源解放出來并匯集到一起，形成一個個資源池。當(dāng)用戶產(chǎn)生需求時，便自動從池中配置出能夠滿足需求的組合。

云OS，又稱為云操作系統(tǒng)、云計算操作系統(tǒng)，是以云計算、云存儲技術(shù)作為支撐的操作系統(tǒng)，也是云計算后臺數(shù)據(jù)中心的整體管理運(yùn)營系統(tǒng)[19]。云OS在云平臺框架中是十分關(guān)鍵的，其向上承接管理層，通過網(wǎng)絡(luò)為用戶按需提供資源，并根據(jù)使用量收取費(fèi)用，向下連接硬件資源層，實現(xiàn)對各類異構(gòu)軟硬件基礎(chǔ)資源的兼容與資源動態(tài)流轉(zhuǎn)。

圖1 HPC云平臺架構(gòu)

管理層主要負(fù)責(zé)應(yīng)用管理、用戶管理以及系統(tǒng)性能監(jiān)控。通過對系統(tǒng)的監(jiān)控，可及時了解各服務(wù)器健康狀態(tài)，一旦出現(xiàn)狀況則及時修復(fù)，以保障云平臺的正常運(yùn)行。對用戶操作行為進(jìn)行管理并實行按需收費(fèi)政策，既是對平臺運(yùn)行秩序的維護(hù)，也是對用戶自身權(quán)益的一種保障。

2.2 云平臺性能及優(yōu)點

（1）豐富的軟件集成倉庫。云平臺上的軟件安裝簡單、使用方便，可免去用戶四處查找、安裝軟件的煩惱，而且節(jié)約了大量成本。

（2）先進(jìn)的用戶管理模式。用戶申請機(jī)時的時候，實現(xiàn)精細(xì)粒度的資源記賬與配額統(tǒng)籌，根據(jù)不同用戶的計算需求為其充值，提供全局統(tǒng)一的用戶配額策略。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>