云计算(cloud computing)为CAE/CFD仿真插上“翅膀”

2017-03-23 by:CAE仿真在线来源:互联网

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云计算(Cloud Computing)这个词大家并不陌生,和万物互联的物联网(IoT)、大数据(Big Data)以及人工智能(AR)/虚拟现实(VR)等热门词一样经常见诸于网络。云计算是当下流行的科技趋势,是很多大公司角逐的对象。

那么云计算和有限元分析有什么关系呢?云计算目前已经在各个领域发挥着越来越重要的作用,在有限元分析领域也逐渐被人所利用。今天我们就来谈谈云计算在有限元分析领域的现状。

什么是云计算(cloud computing)

云计算在大类上又分为公有云(public cloud)和私有云(pravite cloud),私有云大家其实并不陌生,很久以前就有使用,且目前在公有云没有占主导地位的情况下私有云仍然是主流的,但私有云市场正在不断萎缩,虽然没有到日薄西山的地步,但公有云占主导地位只是时间问题。今天我们主要讲大有潜力的公有云(后面提到的云计算泛指公有云)。

私有云简单的说就是公司或者团体自己购买硬件搭建服务器,将数据保存在自己的服务器上并提供运算支持。

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私有服务器

但有些公司的服务器并没有强大的计算能力。此时,在工作内容对计算要求较高的场合,就需要配合终端的工作站(Workstation)提供一对一的计算。工作站是一种通用微型计算机,它是提供给单用户使用,并提供比普通PC电脑运算能力高的计算机。如下图所示

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工作站示意图

一般单个工作站的硬件配置都非常高,比如标配都都是CPU为英特尔至强处理器(Xeon),16G的运行内存以及高配的GPU提供图像渲染。下图所示为工作站主机内部构造,可以看到一块很大的显卡,以及两个巨大的散热器提供高运算时的散热需求。

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工作站硬件内部构造

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HP Z820工作站

但是自己购买服务器和维护硬件的成本很高,现在越来越多的公司将数据维护和计算所需的硬件支持交给了公有云的提供商。

公有云简单说就是由公有云服务提供商提供硬件支持和运行软件的平台,你可以将你的数据或者软件代码运行在云端上。

“云计算”(公有云)根据定义是指通过互联网以按使用量定价方式付费的 IT 资源和应用程序的按需交付

云计算以一种简单的方式通过互联网访问服务器、存储空间、数据库和各种应用程序服务。这样,只要你有可以上网的终端,哪怕终端硬件再简陋,只有有网速保证,你也可以在云端上进行工作。

“云”让您可以快速访问灵活且成本低廉的 IT 资源。透过云计算,您无需先期巨资投入硬件,再花大量时间来维护和管理这些硬件。与此相反,您可以精准配置所需的适当类型和规模的计算资源,为您的新点子提供创意,或者帮助运作您的 IT 部门。您可以根据需要访问任意多的资源,基本是实时访问,而且只需按实际用量付费。

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云计算示意图

主流云计算提供商

云计算是高端的前沿科技,前期需要很高的资金投入以及技术储备,目前云计算市场被美国几大巨头所垄断,分别是微软的Microsoft Azure云服务、亚马逊的AWS云服务(Amazon Web Service)以及Google的Google Drive和传统的IT巨头IBM等,在我国主要有阿里巴巴的阿里云。

但目前云计算的市场主要还是被三大巨头所领导,分别是亚马逊(Amazon)、微软(Microsoft)和谷歌(Google),其中亚马逊第一,微软第二,谷歌第三但和前两名差距较大,其余云服务提供商如IBM、甲骨文等基本处在第二梯队。

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云计算在中国发展迅速,每年的增长态势非常迅猛,下图是数据分析公司IDC对中国市场的预测和规模现状的统计。

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云计算在中国市场的未来和现状

下面是亚马逊(Amazon)云计算服务的宣传视频:

AWS宣传视频

云计算在有限元分析领域的发展现状

云计算在有限元分析(CAE/CFD)领域的兴起在最近几年才发展起来,我们知道,有限元分析对计算能力要求极高,特别是对图形的渲染是所有工程领域中最高的,我们称之为高性能计算(HPC)。所以在云计算的发展初期,那时候的硬件资源非常的珍贵且图形渲染所需的GPU也不是很强大,有限元分析软件提供商并没有提供基于云端的计算服务。但近些年,云计算提供商投入大量巨资在世界各地建立大型的数据中心(datacenter),并配置了性能更加强劲的GPU,为有限元分析在云端的运行提供了可能。

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微软位于爱尔兰的数据中心

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亚马逊位于弗吉尼亚州的数据中心

目前几乎所有的有限元分析软件提供商都有提供云计算的服务。但这些公司由于有不同的事业部和全球布局,所以他们在选择云计算供应商时,一般都会同时选择,比如ansys、Altair、Comsol、Siemens、达索的Solidworks和Catia等公司同时选择了亚马逊的AWS和微软的Azure云服务。

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Ansys云计算架构示意图

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运行在AWS上的Altair

通过将软件移植到云端,提供和单个软件类似的界面。无论你身在何处,只有你有终端设备,不论是电脑,平板或者手机都能通过互联网访问你的数据。

云计算供应商根据你的需求提供服务,你可以自行选择买多少内核为你计算,下表是UberCloud公司对工作站和云计算能力的对比,可以看出云计算在计算时间上具有巨大优势。

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云计算和传统的工作站的计算能力对比(来自UberCloud)

安全性考虑

虽然大部分有限元软件提供商提供了云端的计算服务,但对于很多大公司来说,考虑到数据的安全性,他们并不愿意将数据储存在公有云上,而是仍然选择私有云,很多大公司的电脑为了数据安全甚至连USB接口都是加密的。所以目前为止,除了一些新兴的公司,在使用有限元分析的大公司中还很少有使用公有云端服务的,这也阻碍着有限元软件提供商提供更多更全面的云计算。

但有些公司已经慢慢意识到,维护自己的私有服务器在成本和安全性上优势并不明显,所以干脆转向公有云,大公司船大难掉头,但随着时间的推移,云计算会得到更广泛的认可。

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comsol公司的云计算界面

用户体验

虽然有限元软件供应商提供有类似界面的云端计算,但功能并不全面,且考虑到网速的差异,用户体验并不能说太好,但随着云计算的不断普及,基于有限元法的云计算将不断完善,且随着网络基础设施的不断完善以及移动互联网的快速发展,云计算将大有可为。

在移动互联网时代,移动式办公越来越普遍。对有限元分析员来说,设备的高性能和轻薄便携是理想的选择,而目前新兴的搭载windows系统的高性能便携式平板也不断面向市场,如微软家族的surface平板在国外的CAD/CAE领域就非常受欢迎。虽然这些设备比起工作站来说性能还不能相比,但比起早几年的笔记本却毫不逊色。所以我们可以相信,随着云计算和移动互联网的普及,移动式办公将为有限元分析提供更美妙的体验。

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微软平板电脑surface pro