Ansys：如何減少有限元分析計算時間？

2016-11-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

用ANSYS 結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真軟件的組織機(jī)構(gòu)希望獲得盡快產(chǎn)生可靠設(shè)計所需要的精確度、效率與吞吐量。ANSYS 與英特爾攜手合作,確保此類公司能夠利用最新Intel® Xeon® E5 v3 處理器與Xeon Phi® 協(xié)處理器,以處理其仿真任務(wù)。

結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真往往需要大量計算資源,包括內(nèi)存、磁盤空間和I/O。這會影響到計算所用的時間。由于CPU 時鐘頻率的提高速度不如10 年前那么快,保持這種計算速度無法依賴更快速的CPU。新的性能模式是并行計算,其可以利用每隔幾年數(shù)量都會猛增的CPU 內(nèi)核,以便在每個時鐘周期提供更多計算。這顯著提高了結(jié)構(gòu)仿真軟件的性能。但是工程師始終在努力盡可能減少仿真時間,這樣他們就能夠提高模型的復(fù)雜性 (例如,通過提高網(wǎng)格密度或非線性行為),或者在給定時間內(nèi) 執(zhí)行更多仿真。

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?基準(zhǔn)套件在兩個極其相似的系統(tǒng)上采用ANSYS 16.0 運行:一個系統(tǒng)包含2 個Intel Xeon E5-2670(Sandy Bridge、2.6GHz、共16 個內(nèi)核)處理器,另一個采用2 個 Intel Xeon E5-2697 v3(Haswell、2.6GHz、共28 個內(nèi)核)處理器。采用1、2、4、 8 和16 個內(nèi)核的基準(zhǔn)套件運行總用時的幾何平均值,可用于產(chǎn)生上表所示時間。對于迭代求解器基準(zhǔn),Haswell 系統(tǒng)比E5 v2 系統(tǒng)平均快20%,而對于直接求解器基準(zhǔn), Haswell 系統(tǒng)比E5 v2 快40%。

加速結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真的一種方法是充分利用可用的最新硬件。計算機(jī)行業(yè)利用持續(xù)的平臺發(fā)展極大提高了計算性能,包括每個CPU 搭載更多的計算內(nèi)核、集成型I/O 處理器(產(chǎn)生更高存儲帶寬)、更快的附加內(nèi)存(通道)、更大的L3 高速緩存大小、更快的磁盤存儲(如:用于ANSYS Mechanical 的固態(tài) 驅(qū)動器)、更快的互連以及Intel Advanced Vector Extensions 2 (AVX2) 支持。英特爾與ANSYS 一直攜手合作,以便ANSYS 解決方案能夠充分利用這些硬件發(fā)展帶來的優(yōu)勢。

采用INTEL XEON E5 V3 處理器

20 多年來,ANSYS 結(jié)構(gòu)力學(xué)產(chǎn)品一直可支持并行處理,使工程師能夠有效利用多核處理器和/ 或集群加速仿真。隨著16.0 版的發(fā)布, ANSYS 繼續(xù)進(jìn)行投資,添加了能夠利用最新英特爾處理器技術(shù)的相關(guān)功能。

A N S Y S 用戶利用英特爾的最新 Xeon E5 v3 處理器能夠顯著縮短仿真運行時間,這主要歸功于更多內(nèi)核(多達(dá)18 個)、對Intel AVX2 的支持、更大的L3 高速緩存(多達(dá)35MB)和更高的存儲速度(多達(dá)2133MHz)。ANSYS Mechanical 16.0 采用英特爾的名為 Haswell 的E5 v3 處理器系列提高了性能。E5 v3 系統(tǒng)針對迭代求解器基準(zhǔn)(通常是存儲帶寬速度的良好指標(biāo))比E5 v2 平均快20%,而針對直接求解器基準(zhǔn) (通常是原始計算速度的良好指標(biāo))比 E5 v2 平均快40%。

采用INTEL XEON PHI 協(xié)處理器

為了利用最新硬件發(fā)展實現(xiàn)更快的工程仿真技術(shù),ANSYS 自發(fā)布ANSYS 13.0 之后就開始與NVIDIA 合作開發(fā)和推出基于通用圖形處理器(GPU)的并行求解器執(zhí)行解決方案。GPU 目前能夠加速流體、結(jié)構(gòu)與電磁學(xué)仿真,以提高 ANSYS 高性能計算(HPC)功能的價值。

英特爾最近推出了設(shè)計上與高端 GPU 類似的Xeon Phi 系列協(xié)處理器。它們是可插入PCI Express 插槽的全高度卡,需要最低200W 的附加功率。但是,此類協(xié)處理器并非針對顯卡,并且不具備圖形顯示輸出連接(例如:HDMI 或顯示器端口)。每個Xeon Phi 協(xié)處理器都包含大約60 個能夠執(zhí)行1 百萬兆次浮點運算的內(nèi)核,而且具有8GB~16GB 的G D D R 5 內(nèi)存,以提供大量存儲帶寬。這種新款硬件加速器能夠加快結(jié)構(gòu) 力學(xué)仿真。

實現(xiàn)方案

在結(jié)構(gòu)力學(xué)產(chǎn)品中開始實施對Xeon Phi 協(xié)處理器的支持之前,ANSYS 需要:

用戶體驗直接簡單。

Xeon Phi 硬件必須永遠(yuǎn)不降低仿真速度,而且在適用時能夠加速仿真。

Xeon Phi 不會降低求解精確度。

為了利用Xeon Phi 協(xié)處理器加速 ANSYS 結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真,相關(guān)軟件可以采用GPU 加速器功能。雖然Xeon Phi 可以實現(xiàn)其它執(zhí)行模型,不過GPU 加速器是引入這種協(xié)處理器的最佳工具。由于稀疏直接求解器是默認(rèn)求解器并且常用于各種分析,因此這種線性方程求解器是最佳切入點。

ANSYS 16.0 — 效率與魯棒性

隨著發(fā)布16.0 版,ANSYS 繼續(xù)投資,以提高結(jié)構(gòu) 力學(xué)仿真的效率與魯棒性。求解器指標(biāo)的關(guān)鍵改進(jìn)可以實現(xiàn)速度更快、更穩(wěn)健的仿真。

眾多增強(qiáng)功能可以提高非線性分析的收斂。

稀疏求解器的改進(jìn)可以在內(nèi)核執(zhí)行更多任務(wù),從而提高求解器性能。在分布式存儲器并行計算方面進(jìn)行了眾多改進(jìn)。

進(jìn)一步改進(jìn)了域分解,從而提高了性能和規(guī) 模,特別在更多內(nèi)核數(shù)量情況下尤為如此。

最新增加的功能包括支持慣性釋放、 QRDAMP 特征值抽取法(模態(tài)分析中)和模態(tài)疊加法(諧波響應(yīng)與瞬態(tài)分析中)。

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?ANSYS Mechanical 16.0 采用Intel Xeon Phi 協(xié)處理器時的整體仿真加速率

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ANSYS 用戶利用英特爾的最新Xeon E5 v3 處理器,能夠顯著縮短仿真運行時間。

A N S Y S M e c h a n i c a l 1 5 . 0 僅在 Linux® 平臺支持采用共享存儲器并行的 Xeon Phi 協(xié)處理器。但是,分布式存儲器并行一般能夠提供比共享存儲器并行更高的加速效果,而且ANSYS 結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件通常在Windows® 平臺上運行。 ANSYS Mechanical 16.0 同時針對Linux 和Windows 平臺支持共享與分布式存儲器并行。幾乎所有ANSYS 用戶(包括其中每個計算節(jié)點都包含一個或多個協(xié) 處理器的集群的訪問用戶)都能夠采用 Xeon Phi 協(xié)處理器加速結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真。

采用XEON PHI 加速

為了在ANSYS Mechanical 中利用Xeon Phi 硬件,可以通過在命令行參數(shù)列表中添加選項-acc intel,從而在啟動軟件時激活GPU 加速器功能。此外,您還可以使用-na N 選擇使用的 Xeon Phi 協(xié)處理器數(shù)量,其中N 是大于 0 的整數(shù)。(軟件默認(rèn)值是1,對應(yīng)單個協(xié)處理器)。

通過修改‘求解過程設(shè)置’的‘高級屬性’頁面上的G P U 加速選項, ANSYS Workbench 用戶在求解過程中可以輕松啟用此功能。用戶可以在相關(guān)下拉框中選擇‘INTEL’,然后選擇仿真過程中使用的Xeon Phi 協(xié)處理器數(shù)量。啟用此功能需要每個協(xié)處理器有一個附加 HPC 許可證。

一旦啟用后,此功能在可能的情況下可以通過自動采用Xeon Phi 硬件加快求解。無需用戶輸入。在無法加速的情況下會繼續(xù)采用CPU 內(nèi)核,而Xeon Phi 功能對求解進(jìn)度不產(chǎn)生任何影響。

性能

ANSYS 對ANSYS Mechanical 進(jìn) 行了一系列標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)測試,以獲得性能數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)測試采用了運行Windows 7 x 64 SP1、具有128GB RAM、搭載 2 個總共具有16 個CPU 內(nèi)核的Intel E5-2670 (2.6 GHz) 處理器的工作站。在工作站中使用了2 個Xeon Phi 7120A 協(xié) 處理器。

結(jié)果顯示采用Xeon Phi 通常能實現(xiàn) 一定程度的加速。不過,不同基準(zhǔn)測試實現(xiàn)的加速程度大相徑庭,而且也取決于所涉及的CPU 內(nèi)核數(shù)量。與僅采用2 個CPU 內(nèi)核相比,采用2 個CPU 內(nèi)核和1 個Xeon Phi 協(xié)處理器可以使整體仿真平均加速2.1 倍。在采用16 個CPU 內(nèi)核情況下,增加2 個Xeon Phi 可以使整體仿真平均加速1.4 倍。由于各基準(zhǔn) 測試性能各異,需要指南才能了解哪些結(jié)構(gòu)力學(xué)模型能夠在采用Xeon Phi 協(xié)處理器時實現(xiàn)最大加速。

使用指南

采用Xeon Phi 協(xié)處理器對于不同硬件和仿真模型所實現(xiàn)的加速大相徑庭。這些指南有助于確定相關(guān)協(xié)處理器是否能夠提高性能。

采用更新、更快的CPU 硬件一般會降低采用Xeon Phi 卡所能實現(xiàn)的加速。每個Xeon Phi 協(xié)處理器使用更多CPU 內(nèi)核也會降低實現(xiàn)的加速效果。如果請求一個或更多的協(xié)處理器,則可以使用所有可用的協(xié)處理器。不過,出于性能原因,每個Xeon Phi 協(xié)處理器的進(jìn)程數(shù) 量被限制到最多8 個。

特定類型的仿真采用X e o n P h i 時能夠?qū)崿F(xiàn)更高加速。對于A N S Y S Mechanical 仿真,在下列情況下可以實現(xiàn)更高加速:

● 在芯片內(nèi)存儲器模式下運行稀疏求解器。

● 組合矩陣規(guī)模超過200 萬個方程式。

● 模型是三維,具有更大或更厚的幾何結(jié)構(gòu),包含更高階的單元類型或者包含特定類型的邊界條件(如:約束方程式)。

通過持續(xù)協(xié)作提高價值

隨著硬件廠商提供的計算能力不斷提高,ANSYS 會繼續(xù)發(fā)揮這種新技術(shù) 的全部潛力。隨著廠商提供更多并行硬件,ANSYS 開發(fā)人員會繼續(xù)在軟件中并行化更多算法。對于結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真而言,這些工作具有重要意義 - 能夠確保企業(yè)通過快速執(zhí)行日益復(fù)雜的仿真,而滿足在市場中推出可靠創(chuàng)新產(chǎn)品的競爭需求。

英特爾和ANSYS 會繼續(xù)攜手提供極具價值、經(jīng)過優(yōu)化和測試的解決方案。對于Xeon Phi 協(xié)處理器等新型硬件加速器,主要限制是能夠轉(zhuǎn)移到加速器設(shè)備的計算量。未來Xeon Phi 產(chǎn)品的目標(biāo)是在能夠加速更多計算同時消除(通過PCI Express 通道)向設(shè)備傳輸數(shù)據(jù) 的限制。

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