MSC Nastran是一款功能強大的有限元分析（FEA）軟件，是工程仿真的基礎。MSC Nastran已經(jīng)被結構分析專家使用和驗證了半個世紀，以其穩(wěn)健性、準確性和能夠解決工程中的挑戰(zhàn)而聞名。

本期摘要內(nèi)容

? 了解MSC Nastran如何利用高性能計算（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、特征值、動力學和非線性）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。

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

? 將HPC專業(yè)知識與對MSC Nastran求解器的全面了解相結合，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。

點擊MSC Nastran高性能求解計算（一），查看首期內(nèi)容，有關 MSC Nastran 中高性能計算選項的更多詳細信息，請參閱MSC Nastran 2024.1 HPC用戶指南。

01

  并行設置  

如今，幾乎每臺計算機中的中央處理器（CPU）在物理CPU芯片上都有多個內(nèi)核。每個物理芯片都稱為一個插槽。根據(jù)體系結構的不同，計算機可能配備多個CPU芯片（每個芯片都有自己的插槽），并且每個CPU可能包含多個內(nèi)核。如果編寫軟件是為了利用多個內(nèi)核，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，稱為可擴展性。  

可擴展性對于求解器來說至關重要，因為它確保了處理規(guī)模越來越大、越來越復雜問題的能力，在不影響性能或效率的情況下滿足不斷增長的需求。在MSC Nastran中，有兩種不同但互補的并行處理方式:

?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。共享內(nèi)存并行（SMP）系統(tǒng)具有多個處理器共享單個公共內(nèi)存空間和I/O系統(tǒng)，允許直接通信和數(shù)據(jù)共享。相比之下，分布式內(nèi)存并行（DMP）系統(tǒng)為每個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行處理器間的通信。SMP架構非常適合多核CPU上的多線程應用程序，而DMP架構在集群等大規(guī)模并行計算環(huán)境中很常見。

圖4：SMP和DMP之間的區(qū)別

例如，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。一般建議將DMP設置為插槽數(shù)（如果本機中有多個插槽），并將SMP設置為每個插槽的內(nèi)核數(shù)。如果在具有兩個CPU（插槽）的系統(tǒng)上運行，每個 CPU（插槽）上有10個內(nèi)核，可以設置dmp=2和smp=10。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。

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運算方面做得很好，即需要寫入或讀取某些永久存儲設備（如硬盤（HDD 磁性存儲）、固態(tài)磁盤（SSD） 或非易失性存儲器（NVMe）的操作。然而，它們執(zhí)行此操作的能力是有限的，主要由系統(tǒng)中安裝的可用于緩沖I/O（即當前正在運行的進程未占用的內(nèi)存）內(nèi)存（RAM）控制。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）實現(xiàn)了自己的緩沖I/O邏輯，盡管這也存在限制。鑒于當前有限元模型的規(guī)模，超過系統(tǒng)I/O緩沖大小的問題是很常見的。計算機的I/O系統(tǒng)的速度自然會對性能產(chǎn)生影響，任何可以提高性能的事情都減少計算時間。

Part.02

建議和準則

?避免使用網(wǎng)絡、網(wǎng)絡連接存儲（NAS）或通用串行總線（USB）驅(qū)動器。

?SSD（最好是NVMe存儲設備）提供比傳統(tǒng)HDD更高的I/O緩存速率，強烈建議用于存儲臨時數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)（也就是臨時目錄）。

?如果使用HDD進行臨時文件存儲，磁盤的轉(zhuǎn)速（范圍為7000至15000 RPM）可能會產(chǎn)生影響；磁盤速度越快，性能越好。

?如果不需要保存數(shù)據(jù)庫，請使用命令行選項 SCR=YES運行MSC Nastran。使用SCR=YES時，一些臨時數(shù)據(jù)在使用后會被刪除，而不是移動到數(shù)據(jù)庫文件中 。

?強烈建議對臨時文件系統(tǒng)（RAID-0）使用設備條帶化?？梢栽谠O備上配置多個媒體存儲單元（HDD、SSD 或NVMe），以便同時進行I/O操作，為I/O速度提供了線性縮放。Windows和Linux系統(tǒng)都可以在O/S級別創(chuàng)建RAID-0 條帶化文件系統(tǒng)（不需要特殊控制器）。將設備I/O傳送到內(nèi)存的管道（稱為前端總線或FSB）對這種縮放施加了限制。其他級別的RAID（例如RAID-5）具有專門構建的冗余，臨時數(shù)據(jù)不需要冗余，并且可能導致性能下降。

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

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

?注意：所有SSD/NVMe都不相同。選擇臨時存儲時，請檢查設備的讀取和寫入速度。在一次寫入、讀取多個系統(tǒng)時，讀取性能比寫入更重要，但對于MSC Nastran來說，兩者都需要快速才能達到最佳性能。

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

圖 5：兩種型號的硬盤驅(qū)動器（HDD）與固態(tài)驅(qū)動器（SSD）磁盤的比較

Part.03

CPUs

很難就哪個處理器是“最佳”的選項給出具體建議，但一些指南可以幫助您做出決定。通常，CPU類型和功能的數(shù)量會受到其他硬件選擇的限制，例如主板的架構，它為CPU強加了插槽配置。

在考慮性能時，計算機系統(tǒng)中沒有一個特定的項目可以作為目標——它是一個整體。擁有極快的CPU幾乎沒有意義，如果I/O系統(tǒng)將導致瓶頸并增加運行時間，求解階段將從中受益。同樣，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。最好以一個能夠很好地協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)為目標。這通常意味著您不需要最新一代和最強大的CPU，可以選擇已有一兩年歷史的型號。例如，隨著新型號和技術的不斷涌現(xiàn)，被取代的CPU型號的成本在推出后迅速下降，您在這里節(jié)省的預算可用于為條帶化I/O系統(tǒng)投資更多內(nèi)存或更多設備。

在選擇CPU時，尋找比較所有供應商不同處理器之間CPU速度的基準測試網(wǎng)站?；鶞蕼y試的范圍往往很廣，涉及CPU技術的不同方面，因此，如果處理器在執(zhí)行整數(shù)運算方面速度很快，但在浮點運算方面不太擅長，反之亦然，這些特征就會在結果中顯現(xiàn)出來。

隨著當前對環(huán)保硬件的推動，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）。雖然這對于運行數(shù)據(jù)庫應用程序的計算機來說可能非常有用，因為CPU不經(jīng)常被請求，或者對于一個移動設備電池消耗可能是個問題，但對于插入主電源的計算服務器系統(tǒng)，效率模式會妨礙性能。確保您選擇的CPU能夠禁用效率模式，或者至少強制始終性能模式。

如今，大多數(shù)CPU都支持超線程，雖然超線程對于某些傾向于交互式且持續(xù)時間較短的應用程序很有用，但在考慮MSC Nastran計算時，經(jīng)驗表明，禁用超線程會有助于提高性能。您將知道系統(tǒng)上是否啟用了超線程，因為邏輯CPU的數(shù)量將使整個CPU插槽的內(nèi)核數(shù)量增加一倍；超線程使CPU看起來擁有比實際更多的內(nèi)核。

每一代新一代CPU 都帶來了新的邏輯來加速運算，例如通過巧妙地訪問CPU中的寄存器來聚合操作，或者流水線，以便在單個CPU時鐘周期內(nèi)實現(xiàn)多個運算。過去，我們看到了流式SIMD擴展SSE、SSE2、SSE3、SSE4 和高級矢量擴展AVX（Gesher 新指令）、AVX2（Haswell 新指令）、AVX-512、AVX10 和最近的高級性能擴展APX。

最重要的一點是，MSC Nastran的開發(fā)努力支持最新的編譯器和供應商庫，而這些編譯器和供應商庫又支持最新的擴展，因此，一般來說，如果您的系統(tǒng)上有可用的功能，它們將被使用。如果沒有這些功能，也不影響使用。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。