HP Z800工作站 ANSYS Mechanical最佳平台

  ANSYS Mechanical是美国ANSYS公司的旗舰产品之一，已经有41年的商业化历史，是目前全球范围内最受欢迎的大型通用有限元分析软件之一。在近十几年间，运行ANSYS Mechanical的主流硬件平台，已经完成了由曾经辉煌一时的RISC类芯片的Unix工作站，逐步向X86(64)芯片的PC工作站的迁移。HP Z800顶级工作站代表当今桌面系统的最高水准，提供了丰富的配置选项。本文通过ANSYS Mechanical对系统资源需求的角度，阐述如何将HP Z800图形工作站配置成完美运行ANSYS Mechanical的桌面系统。

  1. 高内存带宽、高QPI带宽、高主频CPU打造最强心脏

   作为计算机的心脏，CPU的选择至关重要。HP Z800可配备1100的电源，支持2颗130瓦当今性能最强劲的英特尔至强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。如果费用预算有限，则建议选择不低于X5650(6核2.66Ghz)或X5667(4核3.06Ghz)，因为这两款及以上型号CPU的QPI总线带宽才支持6.4GT/s。较低型号的CPU仅支持5.86GT/s或更低的QPI总线带宽。E5645(6核2.4Gh)或E5649(6核2.53Ghz)这两款CPU的QPI总线带宽虽然是5.86GT/s，但仍然可配置DDR-3 1333Mhz的内存，每个CPU的内存带宽仍然可达32Gb/s。其价格上具有优势。

  至于选择4核还是6核，要根据可使用的ANSYS Mechanical的许可证(License)情况而确定。相同价格的4核与6核相比，4核的主频要高一些，而6核整体理论浮点计算性能高一些(毕竟多了50%计算核心)。如果1台HP Z800可用的ANSYS Mechanical的许可证(License)只支持8个并行进程(分布式)或线程(共享式)，例如只有1个商业版的ANSYS HPC PACK，选择2颗4核CPU平均每个核能获得更高的内存带宽和更高的主频。如果有2个或以上HPC PACK或10个以上的ANSYS HPC，允许12个核并行求解，则推荐选择2颗6核的方案。

  总之，运行ANSYS Mechanical应选择高内存带宽、高QPI带宽、高主频的CPU。

  2. 大容量、高带宽内存提升求解性能

  ANSYS Mechanical不仅要作复杂3D有限元模型的图形处理，还要进行高性能并行浮点运算。内存的容量的大小，不仅决定能求解多大规模的有限元模型，而且对于特定的模型，还将决定其使用的内存模式，从而决定求解性能。

  ANSYS Mechanical缺省的求解器是Sparse Direct Solver(稀疏矩阵直接求解器)。其缺省的内存模式optimal out-of-core，求解过程中自动根据内存容量确定存放到内存和磁盘中数据的比例。对于特定的题目，内存越大，求解过程中读写磁盘越少，求解时间越短。如果内存足够大，可使用in-core模式，求解过程中将数据全部放在内存中，尽可能避免磁盘的读写，从而成倍地提升求解速度。Optimal out-of-core模式内存占用大约每百万自由度1GB，而in-core模式则要10GB!如果发现ANSYS Mechanical求解过程中，磁盘灯一直狂闪，而CPU占用率却非常低，很可能是内存不足，求解过程中花费太多时间在磁盘读写上，造成求解性能不高。因此在选配ANSYS Mechanical工作站时，增大内存容量是首先要满足的。HP Z800工作站安装了可以实现高速数据传送的12个DDR3内存插槽，最大可以扩展到192 GB内存。

  以下是对in-core和optimal out-of-core的求解性能的简单对比。一个25万自由度的线性静力的ANSYS Mechanical问题。以前运行在只有2GB内存的Windows 32位系统上，求解这个问题的内存模式只能是optimal out-of-core，ANSYS Mechanical统计的有效I/O率只有48MB/s，因为求解过程中持续读写硬盘，Sparse求解器完成时间要5.7分钟。后来增加了内存到8GB，并更换为64位Windows系统，有效I/O率猛增到2818MB/s，求解时间缩短到100秒(不到两分钟)，只有原来的不到1/3!因为内存的增大，其求解内存模式变为in-core。

  对于内存还有要考虑是内存带宽，尤其是平均到每个核上的内存带宽。英特尔至强处理器自5500系列以后，将内存控制器设计到处理器上。也就是说双路系统如果只安装一颗5500或5600的处理器，将有一半的内存插槽无法使用，这与以前的5100到5400系列的FSB架构完全不同。每个5500或5600系列处理器有3个内存通道。对于双路的HP Z800工作站，只有将6个内存通道的都插满容量相同的双面DDR3内存，才能获得均衡的、最大的内存带宽。也就是说内存容量应该是6的倍数，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内存。如果求解的题目的规模在1千万自由度(300万节点)以下的线性静力问题，用96(12X8)GB内存就应该能使用in-core模式。如果求解更大规模的题目，可以考虑上单条16GB的内存，但内存的频率要降低到1066Mhz，还要考虑系统功率是否能承受，比如已经选择了130W的处理器或GPU卡等。 

  总之，运行ANSYS Mechanical应选择容量尽可能大、带宽尽可能高而且均衡的内存配置。

  3. 高性能磁盘I/O缩短求解时间

  上述对内存需求的分析，是针对最基本的线性静力问题的。如果遇到非线性或动力学问题，其对内存的需求一般会增加百分之几十到几倍。即便是线性静力问题，几千万自由度(上千万节点)甚至上亿的装配问题也已经非常普遍，尤其是最近一些年流行的从CAD直接导入CAE中、直接划分网格，省略大量人工时间重新建模、简化模型的工作，同时导致有限元模型的求解规模越来越大。尤其在求解模态(系统自振频率)等动力学问题时，缺省使用Block Lanczos算法，即使用in-core模式，对磁盘的持续反复读写也在所难免。因此提升磁盘的持续读写性能，同样是缩短ANSYS Mechanical整体求解时间的有效手段。

  HP Z800可选的磁盘类型有SATA, SAS和SSD。其中SATA硬盘的单盘容量最高，可达2TB，但其持续读写性能较低，建议应该尽量避免用SATA硬盘做ANSYS Mechanical工作目录。SAS硬盘中的15K RPM的持续读写性能要高于10K RPM，单块SAS 15K的硬盘最大容量也可达600GB。

  HP Z800工作站还提供了磁盘阵列的选项。其中对于ANSYS Mechanical求解最有意义的应该是RAID 0选项，用多块硬盘组成条带(Stripped)可成倍提升磁盘读写性能。但RAID 0中的任意一块硬盘的损坏，将造成整个RAID0分区的破坏，因此RAID 0不适合做系统盘，只适合做工作目录，求解结束后，建议尽快将文件备份到非RAID 0分区。

  SSD可提供比SAS 15K硬盘更高的持续读写速率。可用多块SSD配置成RAID 0，作为Windows操作系统的虚拟内存(或Linux系统的swap)和ANSYS Mechanical的工作目录。以下在一台HP Z800工作站上用4块HP 160GB SATA X25-M配置成RAID 0作为ANSYS Mechanical工作目录，在求解ANSYS V13cg-2标准测试算例，与普通单块SATA 7200 RPM硬盘相比可缩短高达30%的求解时间。

 

　　总之，运行ANSYS Mechanical应选择SAS 15K, SSD或RAID 0(非系统分区)等高持读写速率的磁盘系统作为工作目录。

  4. CPU+GPU加速运算带来成倍性能提升

  ANSYS Mechanical 是全球范围内第一款支持GPU计算的商业有限元分析软件。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块TESLA C2050或C2070。以下是我们在一台HP Z800上测试的结果。

  

  这台HP Z800的配置为：2颗Intel Xeon X5680, 3.33Ghz, 6C，1块NVIDIA Tesla C2070， 64GB(4x8GB+8x4GB) DDR3 1333 Reg. ECC内存, 4XIntel X-25M SSD RAID 0, Windows Server 2008 R2, CUDA 3.2。应用软件为ANSYS 13.0 for Windows x64，测试算例为V13sp-5, Turbine, Sparse solver, symmetric matrix, 2,100K DOFs, static, nonlinear, structural analysis with 1 iteration。

  从测试结果来看，使用2个CPU核时，1个GPU带来近3倍的性能;使用8个CPU核时，1个GPU带来近1.57倍的加速;使用12个CPU核时，1个GPU带来近1.36倍的性能。  

 对于ANSYS Mechanical商业用户，如果有ANSYS HPC PACK，允许运行8个CPU核计算的同时可附加1个GPU加速计算，可带来50%的性能提升，已经是相当可贵了。对于ANSYS Academic用户，每个ANSYS Mechanical计算任务允许4个CPU核计算的同时附加1个GPU计算。上述算例用ANSYS 14.0 Preview 2运行4个CPU核附加GPU，可获得近2.37倍的性能，GPU加速效果更明显。

  NVIDIA Quadro 6000不仅可提供顶级的图形处理性能，其6GB的GDDR5显存，还非常适合ANSYS Mechanical的GPU求解。比如在ANSYS Mechanical前后处理时可用GPU做复杂模型的图形处理，而在求解时则用于加速求解，达到一卡两用的效能。需要注意的是Quadro 6000进行GPU计算时，可能造成图形操作缓慢，如果在求解时也需要同进进行其他模型的图形操作(例如Workbench支持后台求解)，则建议配置一块中高端的图卡(例如NVIDIA Quadro 2000/4000/5000)再加一块C2050/2070。

  总之，ANSYS支持GPU计算，加速效果非常明显。

  综上所述，CPU、内存、磁盘和GPU是决定ANSYS Mechanical计算性能的4个关键因素，而Z800作为惠普工作站旗舰机型，其在设计之初就将如CPU、内存等关键部件的协作性能调配到最佳。除此之外，惠普Z800在稳定性、兼容性以及可扩展性上亦表现非凡。其内部模块设计方便管理升级，独特的液冷及优化排风系统满足长时间开机运算的环保及降噪要求。安世亚太将继续与惠普工作站一起，根据ANSYS Mechanical对系统资源的需求的特性、分析求解的问题的种类和规模、资金预算等诸多因素，结合最新的技术，为不同用户配置适合自身需求的“完美”的工作站整体解决方案。