MSC Nastran是一款功能強(qiáng)大的有限元分析（FEA）軟件太雨，是工程仿真的基礎(chǔ)蕊退。MSC Nastran已經(jīng)被結(jié)構(gòu)分析專家使用和驗(yàn)證了半個(gè)世紀(jì)，以其穩(wěn)健性猖吴、準(zhǔn)確性和能夠解決工程中的挑戰(zhàn)而聞名摔刁。

本期摘要內(nèi)容

? 了解MSC Nastran如何利用高性能計(jì)算（HPC）策略提高您的仿真和分析性能。

? 探索適用于所有分析類型（包括靜力學(xué)海蔽、特征值共屈、動(dòng)力學(xué)和非線性）的可用求解器，以便您可以根據(jù)特定的仿真需求選擇最合適的求解器党窜。

? 從其他MSC Nastran用戶和Hexagon專家的經(jīng)驗(yàn)中汲取見解拗引，以實(shí)現(xiàn)最佳的并行性能，同時(shí)最大限度地降低讀取和寫入磁盤的成本茧淮。

? 將HPC專業(yè)知識(shí)與對(duì)MSC Nastran求解器的全面了解相結(jié)合椿烂，以顯著加快仿真速度、最大限度地降低成本并提高不同類型分析的效率着阿。

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01  并行設(shè)置  

如今，幾乎每臺(tái)計(jì)算機(jī)中的中央處理器（CPU）在物理CPU芯片上都有多個(gè)內(nèi)核娶痕。每個(gè)物理芯片都稱為一個(gè)插槽拦举。根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的不同，計(jì)算機(jī)可能配備多個(gè)CPU芯片（每個(gè)芯片都有自己的插槽）数截，并且每個(gè)CPU可能包含多個(gè)內(nèi)核盐传。如果編寫軟件是為了利用多個(gè)內(nèi)核趾双，那么軟件通過并行使用這些內(nèi)核來提高解決給定問題的速度，稱為可擴(kuò)展性旋乙。

可擴(kuò)展性對(duì)于求解器來說至關(guān)重要端伪，因?yàn)樗_保了處理規(guī)模越來越大、越來越復(fù)雜問題的能力装蓬，在不影響性能或效率的情況下滿足不斷增長(zhǎng)的需求。在MSC Nastran中纱扭，有兩種不同但互補(bǔ)的并行處理方式:

?共享內(nèi)存并行（SMP）

?分布式內(nèi)存并行（DMP）

兩者之間的區(qū)別在圖4中得到了最好的說明牍帚。共享內(nèi)存并行（SMP）系統(tǒng)具有多個(gè)處理器共享單個(gè)公共內(nèi)存空間和I/O系統(tǒng)，允許直接通信和數(shù)據(jù)共享乳蛾。相比之下暗赶，分布式內(nèi)存并行（DMP）系統(tǒng)為每個(gè)處理器分配自己的內(nèi)存和I/O系統(tǒng)，因此需要顯式消息傳遞才能進(jìn)行處理器間的通信肃叶。SMP架構(gòu)非常適合多核CPU上的多線程應(yīng)用程序蹂随，而DMP架構(gòu)在集群等大規(guī)模并行計(jì)算環(huán)境中很常見。

圖4：SMP和DMP之間的區(qū)別

例如因惭，通常使用SMP和DMP的組合來提高特征值分析問題的求解效率岳锁。一般建議將DMP設(shè)置為插槽數(shù)（如果本機(jī)中有多個(gè)插槽），并將SMP設(shè)置為每個(gè)插槽的內(nèi)核數(shù)蹦魔。如果在具有兩個(gè)CPU（插槽）的系統(tǒng)上運(yùn)行激率，每個(gè) CPU（插槽）上有10個(gè)內(nèi)核，可以設(shè)置dmp=2和smp=10唐故。不同的SMP和DMP組合性能因要解決的具體問題和所使用的模型而異鉴吞。

02  硬件配置  

Part.01

磁  盤

現(xiàn)代操作系統(tǒng)在避免不必要的物理I/O運(yùn)算方面做得很好，即需要寫入或讀取某些永久存儲(chǔ)設(shè)備（如硬盤（HDD 磁性存儲(chǔ)）父系、固態(tài)磁盤（SSD） 或非易失性存儲(chǔ)器（NVMe）的操作摹椅。然而，它們執(zhí)行此操作的能力是有限的椒蜜，主要由系統(tǒng)中安裝的可用于緩沖I/O（即當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程未占用的內(nèi)存）內(nèi)存（RAM）控制梦啊。大多數(shù)軟件都依賴于操作系統(tǒng)I/O緩沖區(qū)來高效工作，但一些軟件（包括 MSC Nastran）實(shí)現(xiàn)了自己的緩沖I/O邏輯裹侍，盡管這也存在限制钧饥。鑒于當(dāng)前有限元模型的規(guī)模，超過系統(tǒng)I/O緩沖大小的問題是很常見的驳鸿。計(jì)算機(jī)的I/O系統(tǒng)的速度自然會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響嫩誉，任何可以提高性能的事情都減少計(jì)算時(shí)間。

Part.02

建議和準(zhǔn)則

?避免使用網(wǎng)絡(luò)动苍、網(wǎng)絡(luò)連接存儲(chǔ)（NAS）或通用串行總線（USB）驅(qū)動(dòng)器尚憔。

?SSD（最好是NVMe存儲(chǔ)設(shè)備）提供比傳統(tǒng)HDD更高的I/O緩存速率镰吆，強(qiáng)烈建議用于存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)（也就是臨時(shí)目錄）。

?如果使用HDD進(jìn)行臨時(shí)文件存儲(chǔ)跑慕，磁盤的轉(zhuǎn)速（范圍為7000至15000 RPM）可能會(huì)產(chǎn)生影響万皿；磁盤速度越快，性能越好核行。

?如果不需要保存數(shù)據(jù)庫(kù)牢硅，請(qǐng)使用命令行選項(xiàng) SCR=YES運(yùn)行MSC Nastran。使用SCR=YES時(shí)芝雪，一些臨時(shí)數(shù)據(jù)在使用后會(huì)被刪除减余，而不是移動(dòng)到數(shù)據(jù)庫(kù)文件中 。

?強(qiáng)烈建議對(duì)臨時(shí)文件系統(tǒng)（RAID-0）使用設(shè)備條帶化惩系∥徊恚可以在設(shè)備上配置多個(gè)媒體存儲(chǔ)單元（HDD、SSD 或NVMe）堡牡，以便同時(shí)進(jìn)行I/O操作抒抬，為I/O速度提供了線性縮放。Windows和Linux系統(tǒng)都可以在O/S級(jí)別創(chuàng)建RAID-0 條帶化文件系統(tǒng)（不需要特殊控制器）晤柄。將設(shè)備I/O傳送到內(nèi)存的管道（稱為前端總線或FSB）對(duì)這種縮放施加了限制擦剑。其他級(jí)別的RAID（例如RAID-5）具有專門構(gòu)建的冗余，臨時(shí)數(shù)據(jù)不需要冗余灌滤，并且可能導(dǎo)致性能下降名娶。

?在Linux 系統(tǒng)上，使用XFS文件系統(tǒng)作為臨時(shí)文件系統(tǒng)誉芙；臨時(shí)數(shù)據(jù)不需要日志文件系統(tǒng)健娄。

?如果您的預(yù)算有限，最好（也更便宜）將4個(gè)HDD設(shè)備條帶化為RAID-0 而不是單個(gè)NVMe尿笔。

?注意：所有SSD/NVMe都不相同翁焦。選擇臨時(shí)存儲(chǔ)時(shí)，請(qǐng)檢查設(shè)備的讀取和寫入速度临颈。在一次寫入茎倘、讀取多個(gè)系統(tǒng)時(shí)，讀取性能比寫入更重要蚂青，但對(duì)于MSC Nastran來說租江，兩者都需要快速才能達(dá)到最佳性能。

圖5顯示了MSC Nastran 在兩個(gè)作業(yè)中比較SSD和HDD（SCSI）介質(zhì)的性能:

圖 5：兩種型號(hào)的硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）與固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）磁盤的比較

Part.03

CPUs

很難就哪個(gè)處理器是“最佳”的選項(xiàng)給出具體建議孝承，但一些指南可以幫助您做出決定献丑。通常，CPU類型和功能的數(shù)量會(huì)受到其他硬件選擇的限制侠姑，例如主板的架構(gòu)创橄，它為CPU強(qiáng)加了插槽配置箩做。

在考慮性能時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中沒有一個(gè)特定的項(xiàng)目可以作為目標(biāo)——它是一個(gè)整體妥畏。擁有極快的CPU幾乎沒有意義邦邦，如果I/O系統(tǒng)將導(dǎo)致瓶頸并增加運(yùn)行時(shí)間，求解階段將從中受益醉蚁。同樣燃辖，如果CPU速度慢或系統(tǒng)內(nèi)存不足，則使用極快的I/O系統(tǒng)是沒有意義的网棍。最好以一個(gè)能夠很好地協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)為目標(biāo)郭赐。這通常意味著您不需要最新一代和最強(qiáng)大的CPU，可以選擇已有一兩年歷史的型號(hào)确沸。例如，隨著新型號(hào)和技術(shù)的不斷涌現(xiàn)俘陷，被取代的CPU型號(hào)的成本在推出后迅速下降境愕，您在這里節(jié)省的預(yù)算可用于為條帶化I/O系統(tǒng)投資更多內(nèi)存或更多設(shè)備。

在選擇CPU時(shí)颁膊，尋找比較所有供應(yīng)商不同處理器之間CPU速度的基準(zhǔn)測(cè)試網(wǎng)站停楞。基準(zhǔn)測(cè)試的范圍往往很廣撒殷，涉及CPU技術(shù)的不同方面羔漂，因此，如果處理器在執(zhí)行整數(shù)運(yùn)算方面速度很快杏县，但在浮點(diǎn)運(yùn)算方面不太擅長(zhǎng)匹说，反之亦然，這些特征就會(huì)在結(jié)果中顯現(xiàn)出來戳橱。

隨著當(dāng)前對(duì)環(huán)保硬件的推動(dòng)卫驯，CPU芯片通常采用所謂的效率模式（使用E核）或性能模式（使用P核）。雖然這對(duì)于運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)來說可能非常有用了奋，因?yàn)镃PU不經(jīng)常被請(qǐng)求毫痢，或者對(duì)于一個(gè)移動(dòng)設(shè)備電池消耗可能是個(gè)問題，但對(duì)于插入主電源的計(jì)算服務(wù)器系統(tǒng)秉馏，效率模式會(huì)妨礙性能耙旦。確保您選擇的CPU能夠禁用效率模式，或者至少?gòu)?qiáng)制始終性能模式萝究。

如今免都，大多數(shù)CPU都支持超線程，雖然超線程對(duì)于某些傾向于交互式且持續(xù)時(shí)間較短的應(yīng)用程序很有用糊肤，但在考慮MSC Nastran計(jì)算時(shí)琴昆，經(jīng)驗(yàn)表明氓鄙，禁用超線程會(huì)有助于提高性能。您將知道系統(tǒng)上是否啟用了超線程业舍，因?yàn)檫壿婥PU的數(shù)量將使整個(gè)CPU插槽的內(nèi)核數(shù)量增加一倍抖拦；超線程使CPU看起來?yè)碛斜葘?shí)際更多的內(nèi)核。

每一代新一代CPU 都帶來了新的邏輯來加速運(yùn)算舷暮，例如通過巧妙地訪問CPU中的寄存器來聚合操作态罪，或者流水線谜喊，以便在單個(gè)CPU時(shí)鐘周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)算拣薄。過去银薪，我們看到了流式SIMD擴(kuò)展SSE持痰、SSE2燎隅、SSE3嗽桩、SSE4 和高級(jí)矢量擴(kuò)展AVX（Gesher 新指令）迟摹、AVX2（Haswell 新指令）蕊欣、AVX-512桨挂、AVX10 和最近的高級(jí)性能擴(kuò)展APX几谐。

最重要的一點(diǎn)是，MSC Nastran的開發(fā)努力支持最新的編譯器和供應(yīng)商庫(kù)布布，而這些編譯器和供應(yīng)商庫(kù)又支持最新的擴(kuò)展坊欢，因此，一般來說鹃封，如果您的系統(tǒng)上有可用的功能甥归，它們將被使用。如果沒有這些功能趟伺，也不影響使用卑保。這種兼容性和定期引入新功能是采用最新版本的MSC Nastran軟件的充分理由。

（捍仓兀克斯康工業(yè)軟件）

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