NVIDIA GPU 持續(xù)加速并推進(jìn) CAE 發(fā)展

本文轉(zhuǎn)載自 Jon Peddie Research 為 NVIDIA 編寫的電子書，原文可查看：

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計算機(jī)輔助工程（CAE）始于 50 年代，簡單而言，CAE 指利用計算機(jī)解決工程問題。CAE 提出的目的在于利用計算機(jī)將工程或生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)有機(jī)組織起來。利用信息集成，賦能工程（產(chǎn)品）的整個開發(fā)周期。作為一種資源密集型技術(shù)，CAE 是一項仍在等待解決方案的挑戰(zhàn)。

最初，Altair、Ansys、Autodesk、Dassault Systèmes（Simulia）、Hexagon MSC 和 Siemens 等主要工程仿真軟件提供商長期依賴將 CPU 作為驅(qū)動計算的主要引擎時開發(fā)出的技術(shù)。但隨著工程師希望提高真實感和復(fù)雜度，需要處理規(guī)模更大、更復(fù)雜的問題，利用 CPU 驅(qū)動可能需要花費(fèi)數(shù)小時、數(shù)天甚至數(shù)周的時間才能得到處理結(jié)果，時間成本相對較高。

CAE 的主要任務(wù)是執(zhí)行大規(guī)模并行進(jìn)程，CAE 通過在模型上創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格來評估模型，然后對節(jié)點(diǎn)應(yīng)用力和條件，評估設(shè)計是否適合其用途，網(wǎng)格越密集，仿真就越可靠。NVIDIA 于 1999 年發(fā)明首款圖形處理器（GPU），為 CAE 實現(xiàn)重大轉(zhuǎn)型創(chuàng)造了舞臺。

CPU 適用于廣泛的工作負(fù)載，多用于集中處理單個任務(wù)，而 GPU 則以其靈活性和性能特點(diǎn)，多用于并行計算，可同時處理多個應(yīng)用程序。GPU 的優(yōu)勢在于單個芯片上的處理單元數(shù)量遠(yuǎn)超 CPU，從這一角度來比較，GPU 處理器的成本遠(yuǎn)低于 CPU 處理器。與 CPU 相比，GPU 的密度更高而總體擁有成本更低，因此具有明顯的性價比優(yōu)勢。

NVIDIA 推出針對 GPU 的開發(fā)工具，

賦能 CAE 轉(zhuǎn)型

那么，如果 GPU 處理器的成本低于 CPU，且 GPU 更適合 CAE 工作負(fù)載，那么為什么并非所有軟件程序都改為使用 GPU？

其挑戰(zhàn)在于，GPU 和 CPU 的工作方式各不相同，需要針對兩者采用特定的編程方法。CAE 是基于數(shù)十年前的技術(shù)開發(fā)的復(fù)雜應(yīng)用，為 GPU 調(diào)整這些程序并非易事，但 NVIDIA CUDA 和 OpenCL 等編程工具的推出，賦能開發(fā)者更輕松地利用 GPU 加速 CAE 開發(fā)流程。

NVIDIA 在 2006 年因率先做出承諾和對 CUDA 進(jìn)行投資脫穎而出。CUDA 是一個用于應(yīng)用 GPU 加速的專門代碼庫。作為這項工作的一部分，NVIDIA 一直與 CAE 開發(fā)者合作，創(chuàng)建為仿真分析可視化常見任務(wù)量身打造的工具。NVIDIA 專注于更新 GPU 技術(shù)，推動其進(jìn)入專用工具開發(fā)領(lǐng)域。

CAE 供應(yīng)商引入 GPU，

探尋最佳應(yīng)用途徑

自 2014 年以來，各個主要 CAE 供應(yīng)商都在某種程度上利用了 GPU 加速。

Ansys Discovery 專為 GPU 構(gòu)建

不同于 Fluent CFD 工具對大型應(yīng)用進(jìn)行移植，Ansys 針對 GPU 從頭開始進(jìn)行設(shè)計 Discovery。因為在仿真公司向 GPU 加速過渡的過程中，需要面對的挑戰(zhàn)是為 CPU 編寫的部分代碼可能會降低整體性能，因而 Ansys 有意識地改變策略，從頭開始在 GPU 上編寫代碼軟件。Discovery 技術(shù)的開發(fā)標(biāo)志著 Ansys 在其傳統(tǒng)產(chǎn)品（傳統(tǒng)上針對設(shè)計周期的結(jié)束而開發(fā)）上的突破，可賦能設(shè)計師在早期評估設(shè)計概念，并進(jìn)行設(shè)計迭代和分析。

西門子借助 NVIDIA AmgX

構(gòu)建 Simcenter STAR-CCM+

西門子并未急于進(jìn)入 GPU 市場，而是在 C++ 工具不斷成熟和 NVIDIA Volta 體系架構(gòu)的推出后，開始著手進(jìn)入該市場。西門子借助了 NVIDIA 的 AmgX，構(gòu)建基于 GPU 版本的 CFD 軟件 Simcenter STAR-CCM+。該版本專注于車輛外部空氣動力學(xué)應(yīng)用，因為這項工作需要的物理模型和物理模型的相關(guān)框架移植都較少，但具有巨大的計算用度，有必要進(jìn)行并行化，而 GPU 加速非常具有吸引力。

Simcenter STAR-CCM+ 基于 CPU （左）和基于 GPU （右）的運(yùn)行之間的平均壓力系數(shù)計算結(jié)果。

MSC Software 利用

NVIDIA CUDA 框架切入 GPU 編碼

MSC Software 基于 NVIDIA GPU 編寫了新產(chǎn)品 MSC Apex Generative Design，該產(chǎn)品可使用以前需要昂貴的集群才能運(yùn)行的計算。Hexagon 的開發(fā)者借助 NVIDIA CUDA 框架作為切入點(diǎn)，能夠立即開始編碼。MSC 開發(fā)團(tuán)隊使用 MSC Apex Generative Design、CUDA、CuBLAS 和 CuSPARSE 在其生成式設(shè)計應(yīng)用中啟用 GPU 加速。

Hexagon 使用 GPU 從頭開始構(gòu)建其產(chǎn)品 MSC Apex Generative Design 。不僅能夠更快生成產(chǎn)品，而且將設(shè)計、網(wǎng)格化和分析功能融于一體。

MSC Software 產(chǎn)品管理副總裁 Hugues Jeancolas 表示，通過將代碼遷移至 GPU，團(tuán)隊不僅可以提高代碼的效率，而且鑒于 CPU 核心比 GPU 核心更昂貴，運(yùn)行代碼的成本也相應(yīng)得以降低。

NVIDIA CUDA 庫

賦能 Dassault Systèmes 電磁分析

在適應(yīng) CAE 程序以實現(xiàn) GPU 加速的早期階段，電磁分析已成為 GPU 加速的早期受益者。Dassault Systèmes 并購的 CST（Computer Simulation Technology），其 CST Studio Suite 基于有限差時域仿真算法，非常適合 GPU 架構(gòu)。此外，它還受益于大容量 GPU 顯存和顯存帶寬，并且從工作站 GPU 到數(shù)據(jù)中心計算 GPU 的擴(kuò)展效果非常出色。CST 團(tuán)隊相信，使用 NVIDIA 的 CUDA 庫使得從頭開始開發(fā)新項目變得更加容易。

使用 Simulia CST Studio Suite 進(jìn)行的電磁分析，用于評估天線和濾波器的性能和效率。該技術(shù)用于確定電磁兼容性和干擾（EMC/EMI），并測量人體在 EM 場中的暴露情況。

Altair 利用 GPU 改進(jìn)求解器性能

隨著 GPU 開發(fā)工具的推出，Altair 的工程師開始支持 GPU。他們相信 NVIDIA 持續(xù)的技術(shù)更新、開發(fā)者工具和支持有助于流程的簡化。Altair 推出的新款 EDEM 多 GPU 求解器可借助數(shù)百萬個粒子解決更重大的產(chǎn)業(yè)問題，還可以在添加額外的 GPU 卡時提供性能可擴(kuò)展性。Altair SVP CFD/ 副總裁 David Curry 表示：“與用來處理類似工作負(fù)載的 12 個 CPU 相比，添加 GPU 可將 EDEM 的性能提升 20 倍?！?/p>

轉(zhuǎn)輪中的 2000 萬個粒子在 EDEM 多 GPU 求解器上運(yùn)行，并根據(jù)其速度進(jìn)行著色。每個粒子及其碰撞均由 EDEM 求解器獨(dú)立追蹤，而 GPU 技術(shù)可提高計算性能并增加可解決的問題規(guī)模。

GPU 推進(jìn) CAE 發(fā)展，

多行業(yè)應(yīng)用前景豐富

行業(yè)用例和開發(fā)者實際體驗顯示，GPU 提供的性能優(yōu)勢和成本優(yōu)勢優(yōu)于 CPU。此外，針對渲染、CAE、AI/ML、視頻編輯和游戲優(yōu)化的 GPU 種類繁多且與日俱增，可確保為各個功能強(qiáng)大的工作站系統(tǒng)都配備功能強(qiáng)大的 GPU。

數(shù)字孿生的興起為行業(yè)引發(fā)了新的想象力。在數(shù)字孿生行業(yè)中，CAE 可基于物理學(xué)原理預(yù)測物理世界的真實發(fā)展?fàn)顩r，各行業(yè)開發(fā)人員可在數(shù)字孿生中查看產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)估故障發(fā)生時間及后果，以及時改進(jìn)物理世界的流程設(shè)置和運(yùn)行策略，能為物理世界運(yùn)行進(jìn)行“預(yù)測”。

NVIDIA 不斷優(yōu)化 GPU 性能，更新 GPU 架構(gòu)。以核心或每秒浮點(diǎn)運(yùn)算（FLOPS）來衡量的 NVIDIA GPU 將持續(xù)賦能 CAE 行業(yè)，加速并推進(jìn) CAE 發(fā)展。