高性能计算机在工业中的应用

高性能计算在工业工程中的应用实践上海超级计算中心王普勇2011.11.241概述I.国外HPC在工业工程中的应用现状II. 家用HPC在工业工程中的应用现状III. 上海工业超级计算中心工程领域的主要应用4.工业界促进工业工程计算的应用1.国外HPC在工业工程中的应用现状1. Top500分析18年中TOP500机器的总体排名全国排名18年中TOP500机器的数量性能具有绝对优势，并且一直是世界HPC开发和应用最先进的国家； 1.国外HPC在工业工程中的应用状况1. TOP500附属机构和机器数量的Top500分析（2011-06）[段]在应用领域（2011-06）属于行业285机器[应用领域] 1.国外HPC在工业工程中的应用现状1.美国TOP500的Top500分析255家机械附属机构（2011-06年）美国在工业机构应用领域属于160种机械（2011-06年）1. 国外HPC在工业工程中的应用现状1. Top500分析每类行业机构中机器数量的比例不少于40％，最高的达到近63％，整个数字化的比例仍在增加.

首先，国外在高性能计算在工业工程中的应用现状2.美国高度重视高性能计算在工业领域的应用？对美国工业领域HPC创新应用的调查1）一流的国内和跨国公司认为HPC大大提高了其创新能力2）美国顶级能源公司与HPC和重要业务的融合程度比其他公司更高工业. 3）除了研发功能，跨国公司还开发了更广泛的HPC应用程序. 4）通过供应链更有效地促进美国跨国公司上游和下游公司HPC应用程序的发展5）企业都认为只有HPC才能解决一些重要问题6）美国公司扩展HPC应用程序的两个主要障碍: a）成本（尤其是软件成本）b）缺乏足够的技术人力（摘自美国2008年《工业HPC创新应用》）1.国外HPC在工业工程中的应用状况2.美国非常重视HPC在工业领域中的应用？国家竞争力委员会（COC）相关报告的重要观点超越竞争就是超越计算（在竞争中获胜，在竞争中获胜）. 专注于“基于模拟的制造业”，而不是“计算”（不仅专注于计算，而且还关注基于仿真的制造）超级计算是企业武器库的一部分，通过在创新曲线上领先一步来击败竞争对手，这是对手全面武器的一部分，其作用始终是一步创新领先.

）1. HPC在国外工业工程中的应用会（NSF）推动的大学超级计算中心与工业企业在HPC中进行合作. HPC计算资源: 由NSF超级计算中心建立的大学，例如: 伊拉克Neue大学的国家超级计算应用中心（NCSA）；由西屋电气公司，卡内基梅隆大学和匹兹堡大学运营的匹兹堡超级计算机中心（PSC）；加利福尼亚大学圣地亚哥分校的圣地亚哥超级计算机中心（SDSC）；德克萨斯大学奥斯汀分校的德克萨斯高级计算中心（TACC）；受益公司的代表: PPG，微软，摩托罗拉，美国铝业等.

1. 国外HPC在工业工程中的应用现状3.美国各个政府部门促进了HPC在工业企业中的应用合作（2）美国能源部（DoE）推动了超一流的国家实验室和工业企业的合作. HPC HPC计算资源: 美国能源部国家实验室，例如: Oak Ridge国家实验室Sandia国家实验室Argonne国家实验室相关支持项目: 1）战略计算能力改进计划（ASCI）现在是高级模拟计算计划（ASC） ）2）创新计算影响力的理论和实验计划（INCITE），3）学术战略联盟计划的受益公司的代表: 固特异，梦工厂，宝洁等. 1.国外HPC在工业中的应用现状工程3.美国各个政府部门促进了HPC应用程序在工业领域的合作核心企业（3）由美国国防部（DoD）支持的工业企业HPC升级应用程序的支持项目: 1）高级国防研究计划局（DARPA）特定的资助项目2）生产力增强和技术转让项目（PET）的代表受益公司: 美国飞机兵公司，先锋制药等. （4）由美国国家竞争委员会（CoC）推动的HPC应用支持项目: 中西部HPC试点项目项目目标: 财政部，商务部，各种企业高性能计算机美国，然后由竞争委员会组织实施. 使用模拟可提高中小型企业在美国供应链中的竞争力和创新能力，以及企业生产效率. 1.国外HPC在工业工程中的应用状况4.其他在西方国家促进HPC在工业中的应用（1）欧洲1）欧洲与HPC相关的计划主要由欧盟框架计划资助.

2）欧洲高级计算合作伙伴计划（PRACE）3）欧洲分布式超级计算应用程序基础设施联盟（DEISA）1.国外HPC在工业工程中的应用属垫片产品的结构（叠层），金属，组件和涂层）；过去需要花费几个月时间的模拟属: 美国铝业橡胶工业: 固特异使用仿真技术设计出形状更轻，更坚固的饮料罐；进行汽车和航空航天产品的分子级铝的性能研究；将新轮胎产品的设计时间从3年减少到1年；将制造和测试成本从研发测试预算的40％降低到15％； 1.国外HPC在工业工程中的应用状况5.美国工业企业HPC应用的典型示例家用电器: Whirlpool家用化学品: 宝洁大大减少了包装和设计创新带来的运输损害和产品退货，节省了数百万美元一年;模拟用于确定哪些亚微观结构会影响组件的性能. 产品对象包括肥皂，清洁剂，乳液和洗发剂； HPC将模拟时间从数月缩短至数小时，从而大大加快了研究过程； 1.国外HPC在工业工程中的应用现状6.工业企业在HPC应用中的作用总结（1）提高设计能力，设计质量和效率，缩短设计周期（2）减少管理的数量和成本原型和实验（3）改善企业解决复杂技术问题的手段和能力（4）缩短新产品上市时间并加快新产品种类（5）增强相关行业企业的国际竞争力1国内高性能计算在工业工程中的应用现状1.经济的飞速发展促进了中国高性能计算的飞速发展从“零”到“零”，在2001年之前，中国在世界500强中名列前茅； 2011年6月，中国位居500强61位，仅次于美国. 2.国内高性能计算在工业工程中的应用现状1.经济的飞速发展促进了高性能计算在中国的快速发展TOP500中国机械联合会（2011-06）中国在该行业的55个机械应用领域组织（2011-06）2.国内HPC在工业工程中的应用状况2.国内HPC工程计算中的应用状况1）在航空领域，它主要用于飞机总体设计分析（包括模态分析，不稳定性分析，鸟撞击，整体空气动力性能，发动机气动匹配等），机身子系统设计分析（加工，动态响应，设计材料的复合方面，运动齿轮机构等）等也用于计算流体湍流构型的阻力，升力系统性能预测，发动机和空气系统的设计是重要的空气动力学-声学风洞模拟问题.

2）在航空航天领域，主要包括卫星设计，电池组支架的应力分析，太阳能帆板的展开机理分析，运输造成的冲击损伤模拟，回程舱设计和散热烧蚀，以及发动机壳体的纤维缠绕等. 流体计算主要涉及空气动力学热问题和高马赫数湍流模型问题. 2.国内高性能计算在工业工程中的应用现状2.国内高性能计算在工程计算中的应用现状3）在汽车工业中，工程计算相对成熟，已经渗透到车辆，尺寸装配和设计的各个方面. 结构分析包括刚度和强度分析，NVH分析，机构运动分析，主动和被动碰撞安全性分析，冲压，疲劳寿命分析以及虚拟测试站点的整车分析. 流体分析涉及模拟问题，例如车辆的外部流场，进气和排气系统，空调系统以及风振动噪声. 在土木工程领域，结构计算研究问题包括岩土和混凝土结构的本构关系，渗流固结问题，高层和超高层建筑物的结构设计和抗震性能分析，计算风能工程，流体计算主要用于建筑物通风，空调采暖通风，烟气扩散以及大型建筑物人员安全疏散的研究. 4）第二，国内HPC在工业工程中的应用现状2.国内HPC工程在计算中的应用现状5）在船舶领域，在船舶结构设计中使用工程计算可以解决相关的强度和刚度分析，稳定性分析，振动计算，爆炸等问题，例如冲击，机械和流体动力噪声.

流体计算包括船舶阻力性能的预测，线形的优化，螺旋桨舵的扰动，船尾流和航行辅助设备. 在核能领域，结构计算已用于解决诸如反应堆热应力，压力容器安全分析，核燃料下降，核电站地震响应以及管道分析之类的问题. 流体计算主要应用于核主泵全流场的湍流模拟，堆芯或组件内部的三维湍流和传热模拟，堆芯外腔中的混合流以及流动引起的振动. 6）II. 国内高性能计算在工业工程中的应用现状2.国内高性能计算在工程中的应用现状7）在动力机械领域，例如解决柴油机设计与开发中遇到的应力分析，曲轴连杆系统的运动分析等，缸内气场和流场分析以及整机的振动和冲击问题；另一个例子是蒸汽/燃气涡轮叶片建模，动态和静态叶片干扰，进气不均匀，流固耦合，冷凝器中的相变，叶片冷却和燃烧稳定性等. 在电子设备领域，可以通过仿真来执行产品设计指导，验证，寿命和有效性分析. 电子产品的包装，冲击振动，疲劳蠕变等电子产品问题，结构静态动力学，热分析，压电天线的压电分析和电磁性能分析，家用电器的声固耦合，跌落碰撞和流场电子产品的分析，电磁场和电磁兼容性/干扰问题，以及MEMS（微机电系统）设备分析. 8）二，国产高性能计算在工业工程中的应用现状3，国产高性能计算工程应用面临的主要问题（1）国外高性能工程计算应用软件处于垄断地位，具有自主知识产权的应用软件缺乏产权； （2）多核/许多核的广泛使用给应用软件的开发带来了更大的挑战.

要实现，高精度的仿真计算，并行算法和编程需要改进和突破. （3）当前的CAE软件主要用于单个宏观物理分析，但是需要进一步加强多尺度和多物理场耦合的仿真方法. （4）人才不足，必须加强掌握仿真技术与研发创新的力量. （5）HPC资源利用率不均. 全国工业企业服务方式和形式有待增加和完善. 2.国内高性能计算在工业工程中的应用现状. 4.公共计算平台发展中的问题（1）区域分布不合理. 在国家一级缺乏科学的规划和协调，在某些地区存在重复投资和重叠区域. （2）功能定位不明确，各自的特征不明显. （3）建设和运营成本越来越大. 公共计算平台的可持续发展是未来的巨大挑战. （4）技术支持和服务能力薄弱，难以满足企业的高质量服务要求（5）工业用户有特殊的安全要求，需要满足用户不同级别的安全需求（6）应用问题的规模扩展了，数据量也呈指数增长. 它对网络带宽提出了更高的要求（7）“云计算”模型促进和改变了现有的工程高性能计算模型. 三，上海超级计算中心在工业工程领域的主要应用1.例行服务内容计算资源服务技术咨询服务研发服务？承担国家和上海网格与并行计算相关的研发任务？用户并行计算应用程序开发和企业计算平台开发？用于汽车，航空航天，核电工程，钢铁，市政建设等领域的工程和工业计算？用于材料，制药，天文学，生物学，化学和其他领域的科学研究计算？按需资源配置和服务？针对特定应用问题的工程计算咨询，建模，计算和分析？高性能计算系统构建，高性能计算解决方案？用户技术培训三. 上海超级计算中心在工业工程领域的主要应用2.足够的工程计算硬件资源“魔方”中的工程计算领域？ 82个胖节点，总计算能力为20T？每个胖节点都使用8MP（4核/ CPU）SMP架构和128GB内存吗？确保工业用户无需执行计算操作队列3. 上海工业超级计算中心在工程领域的主要应用3.丰富的工程计算软件资源LS-DYNA（320P）PAM-CRASH（32P）ABAQUS（64P）ANSYS （16P）NASTRAN（8P）MARC（8P）疲劳ADAMS FEKO（16P）OPTIMUS FLUENT（128P）CFX（64P）STAR-CD（16P）ICEM-CFD GAMBIT HYPERWORKS PATRAN AI-E……第三，上海的主要应用工业工程领域的超级计算中心4. Magic“ Magic Cube”超级计算机的应用1）2010全年，Rubik立方体超级计算机系统的年可用性达到97.68％，而中央的可用性则达到骨干网系统达到99.79％. 2）3月以来，整机利用率已超过70％，系统基本达到满负荷使用状态，年均利用率达到71.72％. 3.上海超级计算中心在工业工程领域的主要应用4.魔术“魔方”超级计算机的应用1）工业用户（主要是制造业）占年使用账户的22.8％，表明HPC具有在工业上有广泛的应用.

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