ANSYS Mechanical是美國ANSYS公司的旗艦產(chǎn)品之一，已經(jīng)有41年的商業(yè)化歷史，是目前全球范圍內(nèi)最受歡迎的大型通用有限元分析軟件之一。在近十幾年間，運(yùn)行ANSYS Mechanical的主流硬件平臺，已經(jīng)完成了由曾經(jīng)輝煌一時的RISC類芯片的Unix工作站，逐步向X86(64)芯片的PC工作站的遷移。HP Z800頂級工作站代表當(dāng)今桌面系統(tǒng)的最高水準(zhǔn)，提供了豐富的配置選項。本文通過ANSYS Mechanical對系統(tǒng)資源需求的角度，闡述如何將HP Z800圖形工作站配置成完美運(yùn)行ANSYS Mechanical的桌面系統(tǒng)。

[[39426]]

1.高內(nèi)存帶寬、高QPI帶寬、高主頻CPU打造最強(qiáng)心臟

 作為計算機(jī)的心臟，CPU的選擇至關(guān)重要。HP Z800可配備1100的電源，支持2顆130瓦當(dāng)今性能最強(qiáng)勁的英特爾至強(qiáng)5600系列CPU。其中6核最高可配置到3.46Ghz的X5690，4核最高可配置到3.6Ghz的X5687。如果費用預(yù)算有限，則建議選擇不低于X5650(6核2.66Ghz)或X5667(4核3.06Ghz)，因為這兩款及以上型號CPU的QPI總線帶寬才支持6.4GT/s。較低型號的CPU僅支持5.86GT/s或更低的QPI總線帶寬。E5645(6核2.4Gh)或E5649(6核2.53Ghz)這兩款CPU的QPI總線帶寬雖然是5.86GT/s，但仍然可配置DDR-3 1333Mhz的內(nèi)存，每個CPU的內(nèi)存帶寬仍然可達(dá)32Gb/s。其價格上具有優(yōu)勢。

 至于選擇4核還是6核，要根據(jù)可使用的ANSYS Mechanical的許可證(License)情況而確定。相同價格的4核與6核相比，4核的主頻要高一些，而6核整體理論浮點計算性能高一些（畢竟多了50%計算核心）。如果1臺HP Z800可用的ANSYS Mechanical的許可證(License)只支持8個并行進(jìn)程(分布式)或線程(共享式)，例如只有1個商業(yè)版的ANSYS HPC PACK，選擇2顆4核CPU平均每個核能獲得更高的內(nèi)存帶寬和更高的主頻。如果有2個或以上HPC PACK或10個以上的ANSYS HPC，允許12個核并行求解，則推薦選擇2顆6核的方案。

 總之，運(yùn)行ANSYS Mechanical應(yīng)選擇高內(nèi)存帶寬、高QPI帶寬、高主頻的CPU。

2.大容量、高帶寬內(nèi)存提升求解性能

 ANSYS Mechanical不僅要作復(fù)雜3D有限元模型的圖形處理，還要進(jìn)行高性能并行浮點運(yùn)算。內(nèi)存的容量的大小，不僅決定能求解多大規(guī)模的有限元模型，而且對于特定的模型，還將決定其使用的內(nèi)存模式，從而決定求解性能。

 ANSYS Mechanical缺省的求解器是Sparse Direct Solver(稀疏矩陣直接求解器)。其缺省的內(nèi)存模式optimal out-of-core，求解過程中自動根據(jù)內(nèi)存容量確定存放到內(nèi)存和磁盤中數(shù)據(jù)的比例。對于特定的題目，內(nèi)存越大，求解過程中讀寫磁盤越少，求解時間越短。如果內(nèi)存足夠大，可使用in-core模式，求解過程中將數(shù)據(jù)全部放在內(nèi)存中，盡可能避免磁盤的讀寫，從而成倍地提升求解速度。Optimal out-of-core模式內(nèi)存占用大約每百萬自由度1GB，而in-core模式則要10GB！如果發(fā)現(xiàn)ANSYS Mechanical求解過程中，磁盤燈一直狂閃，而CPU占用率卻非常低，很可能是內(nèi)存不足，求解過程中花費太多時間在磁盤讀寫上，造成求解性能不高。因此在選配ANSYS Mechanical工作站時，增大內(nèi)存容量是首先要滿足的。HP Z800工作站安裝了可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送的12個DDR3內(nèi)存插槽，最大可以擴(kuò)展到192 GB內(nèi)存。

 以下是對in-core和optimal out-of-core的求解性能的簡單對比。一個25萬自由度的線性靜力的ANSYS Mechanical問題。以前運(yùn)行在只有2GB內(nèi)存的Windows 32位系統(tǒng)上，求解這個問題的內(nèi)存模式只能是optimal out-of-core，ANSYS Mechanical統(tǒng)計的有效I/O率只有48MB/s，因為求解過程中持續(xù)讀寫硬盤，Sparse求解器完成時間要5.7分鐘。后來增加了內(nèi)存到8GB，并更換為64位Windows系統(tǒng)，有效I/O率猛增到2818MB/s，求解時間縮短到100秒（不到兩分鐘），只有原來的不到1/3!因為內(nèi)存的增大，其求解內(nèi)存模式變?yōu)閕n-core。

對于內(nèi)存還有要考慮是內(nèi)存帶寬，尤其是平均到每個核上的內(nèi)存帶寬。英特爾至強(qiáng)處理器自5500系列以后，將內(nèi)存控制器設(shè)計到處理器上。也就是說雙路系統(tǒng)如果只安裝一顆5500或5600的處理器，將有一半的內(nèi)存插槽無法使用，這與以前的5100到5400系列的FSB架構(gòu)完全不同。每個5500或5600系列處理器有3個內(nèi)存通道。對于雙路的HP Z800工作站，只有將6個內(nèi)存通道的都插滿容量相同的雙面DDR3內(nèi)存，才能獲得均衡的、最大的內(nèi)存帶寬。也就是說內(nèi)存容量應(yīng)該是6的倍數(shù)，例如12GB(6X2GB)、24GB(12X2GB或6X4GB)、48GB(12X4GB或6X8GB)、96GB(12X8GB)或192GB(12X16GB, 1066Mhz)，而不是以前的8/16/32/64/128GB內(nèi)存。如果求解的題目的規(guī)模在1千萬自由度（300萬節(jié)點）以下的線性靜力問題，用96(12X8)GB內(nèi)存就應(yīng)該能使用in-core模式。如果求解更大規(guī)模的題目，可以考慮上單條16GB的內(nèi)存，但內(nèi)存的頻率要降低到1066Mhz，還要考慮系統(tǒng)功率是否能承受，比如已經(jīng)選擇了130W的處理器或GPU卡等。
 

 總之，運(yùn)行ANSYS Mechanical應(yīng)選擇容量盡可能大、帶寬盡可能高而且均衡的內(nèi)存配置。

3.高性能磁盤I/O縮短求解時間

 上述對內(nèi)存需求的分析，是針對最基本的線性靜力問題的。如果遇到非線性或動力學(xué)問題，其對內(nèi)存的需求一般會增加百分之幾十到幾倍。即便是線性靜力問題，幾千萬自由度(上千萬節(jié)點)甚至上億的裝配問題也已經(jīng)非常普遍，尤其是最近一些年流行的從CAD直接導(dǎo)入CAE中、直接劃分網(wǎng)格，省略大量人工時間重新建模、簡化模型的工作，同時導(dǎo)致有限元模型的求解規(guī)模越來越大。尤其在求解模態(tài)（系統(tǒng)自振頻率）等動力學(xué)問題時，缺省使用Block Lanczos算法，即使用in-core模式，對磁盤的持續(xù)反復(fù)讀寫也在所難免。因此提升磁盤的持續(xù)讀寫性能，同樣是縮短ANSYS Mechanical整體求解時間的有效手段。

 HP Z800可選的磁盤類型有SATA, SAS和SSD。其中SATA硬盤的單盤容量最高，可達(dá)2TB，但其持續(xù)讀寫性能較低，建議應(yīng)該盡量避免用SATA硬盤做ANSYS Mechanical工作目錄。SAS硬盤中的15K RPM的持續(xù)讀寫性能要高于10K RPM，單塊SAS 15K的硬盤最大容量也可達(dá)600GB。

 HP Z800工作站還提供了磁盤陣列的選項。其中對于ANSYS Mechanical求解最有意義的應(yīng)該是RAID 0選項，用多塊硬盤組成條帶(Stripped)可成倍提升磁盤讀寫性能。但RAID 0中的任意一塊硬盤的損壞，將造成整個RAID0分區(qū)的破壞，因此RAID 0不適合做系統(tǒng)盤，只適合做工作目錄，求解結(jié)束后，建議盡快將文件備份到非RAID 0分區(qū)。

 SSD可提供比SAS 15K硬盤更高的持續(xù)讀寫速率?？捎枚鄩KSSD配置成RAID 0，作為Windows操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存(或Linux系統(tǒng)的swap)和ANSYS Mechanical的工作目錄。以下在一臺HP Z800工作站上用4塊HP 160GB SATA X25-M配置成RAID 0作為ANSYS Mechanical工作目錄，在求解ANSYS V13cg-2標(biāo)準(zhǔn)測試算例，與普通單塊SATA 7200 RPM硬盤相比可縮短高達(dá)30%的求解時間。

 總之，運(yùn)行ANSYS Mechanical應(yīng)選擇SAS 15K, SSD或RAID 0(非系統(tǒng)分區(qū))等高持讀寫速率的磁盤系統(tǒng)作為工作目錄。

4.CPU+GPU加速運(yùn)算帶來成倍性能提升

 ANSYS Mechanical 是全球范圍內(nèi)第一款支持GPU計算的商業(yè)有限元分析軟件。目前支持NVIDIA Tesla系列(如C2050/2070等)和NVIDIA Quadro 6000。HP Z800工作站最多可支持2塊TESLA C2050或C2070。以下是我們在一臺HP Z800上測試的結(jié)果。

 這臺HP Z800的配置為：2顆Intel Xeon X5680, 3.33Ghz, 6C，1塊NVIDIA Tesla C2070， 64GB(4x8GB+8x4GB) DDR3 1333 Reg. ECC內(nèi)存, 4XIntel X-25M SSD RAID 0, Windows Server 2008 R2, CUDA 3.2。應(yīng)用軟件為ANSYS 13.0 for Windows x64，測試算例為V13sp-5, Turbine, Sparse solver, symmetric matrix, 2,100K DOFs, static, nonlinear, structural analysis with 1 iteration。

從測試結(jié)果來看，使用2個CPU核時，1個GPU帶來近3倍的性能；使用8個CPU核時，1個GPU帶來近1.57倍的加速；使用12個CPU核時，1個GPU帶來近1.36倍的性能。

 對于ANSYS Mechanical商業(yè)用戶，如果有ANSYS HPC PACK，允許運(yùn)行8個CPU核計算的同時可附加1個GPU加速計算，可帶來50%的性能提升，已經(jīng)是相當(dāng)可貴了。對于ANSYS Academic用戶，每個ANSYS Mechanical計算任務(wù)允許4個CPU核計算的同時附加1個GPU計算。上述算例用ANSYS 14.0 Preview 2運(yùn)行4個CPU核附加GPU，可獲得近2.37倍的性能，GPU加速效果更明顯。

 NVIDIA Quadro 6000不僅可提供頂級的圖形處理性能，其6GB的GDDR5顯存，還非常適合ANSYS Mechanical的GPU求解。比如在ANSYS Mechanical前后處理時可用GPU做復(fù)雜模型的圖形處理，而在求解時則用于加速求解，達(dá)到一卡兩用的效能。需要注意的是Quadro 6000進(jìn)行GPU計算時，可能造成圖形操作緩慢，如果在求解時也需要同進(jìn)進(jìn)行其他模型的圖形操作(例如Workbench支持后臺求解)，則建議配置一塊中高端的圖卡(例如NVIDIA Quadro 2000/4000/5000)再加一塊C2050/2070。

 總之，ANSYS支持GPU計算，加速效果非常明顯。

 綜上所述，CPU、內(nèi)存、磁盤和GPU是決定ANSYS Mechanical計算性能的4個關(guān)鍵因素，而Z800作為惠普工作站旗艦機(jī)型，其在設(shè)計之初就將如CPU、內(nèi)存等關(guān)鍵部件的協(xié)作性能調(diào)配到最佳。除此之外，惠普Z800在穩(wěn)定性、兼容性以及可擴(kuò)展性上亦表現(xiàn)非凡。其內(nèi)部模塊設(shè)計方便管理升級，獨特的液冷及優(yōu)化排風(fēng)系統(tǒng)滿足長時間開機(jī)運(yùn)算的環(huán)保及降噪要求。安世亞太將繼續(xù)與惠普工作站一起，根據(jù)ANSYS Mechanical對系統(tǒng)資源的需求的特性、分析求解的問題的種類和規(guī)模、資金預(yù)算等諸多因素，結(jié)合最新的技術(shù)，為不同用戶配置適合自身需求的“完美”的工作站整體解決方案。