異構仿真
關注創建者：jiqian4165 創建時間：2018-11-12
異構仿真的實例教程
隨著設計規模的不斷膨脹，加之先進工藝帶來的復雜效應，使得模擬電路的仿真驗證、特別是后仿真驗證，成為了制約模擬設計發展的主要瓶頸。就此設計難題，華大九天潛心研發，重磅發布了GPU-Turbo模擬電路異構仿真系統Empyrean ALPS- GT。
ALPS-GT是全球首款模擬電路異構仿真系統，在這個產品中融合了華大九天獨創的GPU-Turbo Smart Matrix Solver（SMS-GT）技術，可大幅度縮短后仿驗證時間，尤其是底層矩陣的仿真時間。
(模擬仿真算法對異構架構的適用性分析)
據華大九天副總經理董森華介紹，ALPS-GT異構仿真系統首個商用版本將于2018年底正式發布，第一代異構仿真系統將大規模電路后仿真性能提升5-10倍，第二個商用版本預計2019推出，后仿真性能可提升到10倍以上。同時，華大九天將會進一步拓展異構仿真技術的應用場景，開發更多基于異構仿真技術的產品。
將技術轉化為產品，再將產品轉化為商品，從來都不是一件容易的事。如何讓市場接受新的產品？
按照董森華的說法，面對算力要求的大幅度提升，模擬仿真需要探索出一條新路來滿足未來集成電路的發展，而異構仿真的出現是EDA行業為適應新的發展趨勢而做出的一次大膽探索。
“2010年之后，CPU的性能增長逐步減緩，但GPU的性能開始以每年翻一倍的速度成長，這為華大九天選擇GPU異構方案提供了動力，也是華大九天優先選擇基于GPU/CPU異構解決方案的原因之一”，董森華補充說。
董森華指出，要想使產品變為商品，不僅需要解決用戶痛點，還需要能夠為用戶提供完整的解決方案。只有完整的產品生態系統，才能使用戶的接受度更高，愿意更深入去了解國產EDA工具。
展開 三維模型處理
從左到右依次為：流體仿真向導、結構仿真向導、電磁仿真向導
圖 3 仿真導航功能示意圖
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異構仿真模型
通過對各學科領域的模型進行抽象化處理，對各層級仿真模型進行異構重建，形成統一邏輯接口的封裝模型，在系統仿真中進行集成性能評估。
隨著高性能計算機性能的不斷躍升，傳統的基于CPU的摩爾定律逐漸失效，因此，采用眾核處理器來構建異構計算機已成為行業主流趨勢。然而，異構眾核處理器的迅猛發展也為異構計算領域帶來了一系列挑戰。
目前，異構眾核處理器的架構呈現出多樣化的特點，涵蓋了CPU+GPU架構、CPU+FPGA架構、CPU+ASIC架構、多核CPU架構以及國產申威架構等多種形式。與此同時，并行編程模型同樣呈現多樣化的趨勢，包括用于GPU加速的CUDA、跨硬件的OpenCL、加速CPU和GPU的OpenACC、共享內存的OpenMP以及跨節點并行的MPI等編程語言。在工業仿真領域，多種數據結構并存，如結構網格和非結構網格等，都對異構計算提出了更高的要求。
目前較為流行的性能可移植加速庫為Kokkos，其C++庫巧妙地統一了細粒度數據并行和內存訪問模式的抽象，使得應用程序和函數庫能在不同的眾核架構上實現性能的可移植。Kokkos解決了異構節點上編程模型不統一的問題，并通過運用C++特性定義接口，極大簡化了編程接口。GraphBLAS則是統一不同數據結構和算法領域的代表者，它采用了類BLAS庫的矩陣、向量算子接口，不同之處在于允許用戶自定義類型及類型相關的算子，相對傳統數學庫大大擴展了可用性。GraphBLAS屏蔽了底層數據結構的接口，為上層應用開發者減輕了負擔，同時也為數據結構、算法與硬件架構的協同優化提供了更多空間。
Kokkos應用場景
GraphBLAS中矩陣的圖抽象
鑒于上述因素，針對非結構網格開展屏蔽硬件架構差異、封裝數據結構和算法實現細節的統一加速庫開發工作顯得尤為重要。為此，我們提出了一個名為UNAT（UNstructured Acceleration Toolkit）的性能可移植統一加速庫。
展開 來源：本文為安世亞太原創作品，上海安世亞太授權轉載
前言
工業正向設計體系是一套基于模型的系統工程體系，而整個MBSE體系架構會涉及到眾多模型，如需求模型、設計模型、仿真模型等，如何有效直觀地可視化展示各個階段模型數據，輔助工程師進行正向設計決策，是當前工業正向設計體系的一大難題。而隨著數字孿生場景的不斷細化落地，如何真實高效地描述和映射物理產品，同樣也是當前數字孿生領域急迫需要解決的問題。這些都與模型數據可視化及封裝技術息息相關。
一、產品數字模型可視化集成封裝
產品正向設計過程從需求設計、功能設計、物理設計到各階段逐級驗證，每個階段都可以借助可視化手段輔助工程師進行設計決策，尤其是在物理設計和性能指標驗證階段。而產品數字化模型可視化集成封裝，是從工業產品問題對象出發，基于統一建模開發環境進行數字化建模形成標準化數學模型，通過可視化集成封裝環境實現組態可視化插件與模型參數的關聯映射和封裝發布，最后通過分布式調度運行環境實現可視化封裝模型的智能運行調度。
圖 1產品數字化模型可視化封裝過程示意圖
二、可視化集成仿真環境
可視化集成仿真環境ViSim是基于異構設計仿真工具的一體化集成融合技術和可視化組態插件關聯技術實現工業產品數字化模型集成封裝發布運行的一體化應用環境。為滿足異構設計仿真模型可視化集成封裝的需求，在考慮集成封裝通用功能的前提下，采用模塊化、插件式系統架構模式，支持用戶對當前不支持的模型封裝以插件的形式進行擴展。
圖 2可視化集成仿真環境整體框架結構示意圖
集成封裝主環境(AutoWrapFrame)：模型集成封裝的主要應用環境，支持用戶進行參數文件導入、參數選取識別、調用程序選擇、綁定界面選擇、試運行等。
展開 多學科和多物理場工程仿真軟件與基于模型的系統工程和高性能計算結合，幫助企業加快設備和系統開發過程并降低成本。
觀看本次網絡研討會，了解面向能源及公共事業行業的高級工程仿真如何優化關鍵資產性能。您將有機會聆聽近期一些客戶案例，了解這種新一代技術如何助力能源供應鏈的持續改進。
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用于石油與天然氣設備的 3D 設計仿真
借助多物理場計算流體力學軟件，工程師們可以在真實操作條件下進行能源資產性能仿真。
從 3D 設計仿真獲取的知識經驗可以輕松用來糾正資產性能缺陷，改進工作能力或打造新的價值創造方式。
為工程師們提供所需工具，讓其在更短的時間內開發創新解決方案。
在早期設計階段進行油氣工藝仿真
使用油氣工藝仿真在設計流程中提前優化系統性能。
對于能源、公共事業和過程企業，這就意味著可以提高產品質量、縮短開發時間并降低成本。
為了高效管理越來越多的需求、變量和用例，工程師們可以創建異構系統仿真架構并在整個企業中共享模型。
自動化油氣工藝設計工作流
借助設計空間探索和優化軟件更快設計創新產品。
無需定制化腳本，因為此解決方案可以與所有計算機輔助設計 (CAD) 和計算機輔助工程 (CAE) 工具集成。
自動化工作流可以賦能高效完成油氣工藝設計，同時幫助工程師們確定能夠滿足規定需求的創新。
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隨著高性能計算機性能的不斷躍升，傳統的基于CPU的摩爾定律逐漸失效，因此，采用眾核處理器來構建異構計算機已成為行業主流趨勢。然而，異構眾核處理器的迅猛發展也為異構計算領域帶來了一系列挑戰。
目前，異構眾核處理器的架構呈現出多樣化的特點，涵蓋了CPU+GPU架構、CPU+FPGA架構、CPU+ASIC架構、多核CPU架構以及國產申威架構等多種形式。與此同時，并行編程模型同樣呈現多樣化的趨勢
模型總線軟件Modelbus
模型總線（Model Bus）是一款完全自主研發、支撐跨學科、跨領域復雜系統模型集成仿真的通用工具，以TCP/IP通信協議和FMI協議為基礎，通過C/S架構實現了多客戶端系統仿真軟件分布式集成，適用于大規模復雜異構系統的多仿真工具統一調度與并行求解。有效地解決了不同仿真工具（含商業和自研）之間的連接接口問題，操作便捷，能顯著提高仿真效率。
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Modelbus
模型總線工具
模型總線工具是支撐跨學科、跨領域復雜系統模型集成仿真的通用工具，以TCP/IP通信協議和FMI協議為基礎，通過C/S架構實現了多客戶端系統仿真軟件分布式集成，適用于大規模復雜異構系統的多仿真工具統一調度與并行求解
為了高效管理越來越多的需求、變量和用例，工程師們可以創建異構系統仿真架構并在整個企業中共享模型。
自動化油氣工藝設計工作流
借助設計空間探索和優化軟件更快設計創新產品。
無需定制化腳本，因為此解決方案可以與所有計算機輔助設計 (CAD) 和計算機輔助工程 (CAE) 工具集成。
圖 1產品數字化模型可視化封裝過程示意圖
二、可視化集成仿真環境
可視化集成仿真環境ViSim是基于異構設計仿真工具的一體化集成融合技術和可視化組態插件關聯技術實現工業產品數字化模型集成封裝發布運行的一體化應用環境。
基于FMI/FMU可以實現異構模型聯合仿真中的數據交互。
FMU是黑盒模型，在產品研發早期，FMU可作為主機廠與供應商之間協同設計的模型交互工具。主機廠定義系統架構，并結合供應商提供FMU模型，建立系統級模型，基于數字化仿真進行方案驗證、優化和部件選型。
通過建設統一標準化模型框架，可形成接口一致的異構仿真模型，適用于分層級系統仿真時多學科模型的集成應用。
(模擬仿真算法對異構架構的適用性分析)
據華大九天副總經理董森華介紹，ALPS-GT異構仿真系統首個商用版本將于2018年底正式發布，第一代異構仿真系統將大規模電路后仿真性能提升5-10倍，第二個商用版本預計2019推出，后仿真性能可提升到10倍以上。同時，華大九天將會進一步拓展異構仿真技術的應用場景，開發更多基于異構仿真技術的產品。
