HPC高性能计算和3D桌面云解决方案-20130612(2)

第 2 章 高性能计算及图形工作站共享平台服务层

2.1面向高性能计算(CAE)和图形可视化(CAD)的统一架构

整个方案的系统架构如图所示，本方案包括用户WEB访问、HPC计算资源管理和调度、图形可视化资源管理和调度、后端资源使用实时监控；可以随时增加的统计分析和计费等功能，提供统一的面向HPC高性能计算和图形可视化处理的整体解决方案。

1) 用户登录到统一的WEB门户在应用程序列表中选择运行HPC高性能计算仿真程序，还是运行交互式的3D/2D图形可视化应用程序；

2) 如果运行HPC高性能仿真计算程序，许可证请求被满足后，主调度服务器向HPC计算平台的服务器查询是否有可用的计算资源；如果当前资源满足需求，分配合适的CPU和内存计算资源来运行仿真计算程序；

3) 如果运行交互式的3D/2D图形可视化应用程序，许可证请求被满足后，主调度服务器继续向图形服务器查询是否有足够资源来运行应用程序，如果当前资源满足需求，则把合适的图形处理服务器资源分配给该任务；

4) 交互式的应用程序在实际分配的图形服务器上启动，使用远程服务器上的CPU、内存和显卡，并将图形Session的信息返回；

HPC高性能计算与3D工作站统一平台方案

5) 远程可视化客户终端获得远程3D图形Session的信息，然后连接到实际

的Session上，并在用户的桌面终端机上打开相应的交换窗口，实现用户交换设计；

6) 用户数据集中存储在统一的、高性能的、可随需扩展的存储平台上，可

以统一进行数据管理和定期备份；根据需求，可以增加配置物理磁带和专业备份软件，保证数据的安全性和可靠性。

2.2高性能计算和图形可视化资源WEB服务平台门户

建设工作站资源和高性能计算资源的管理与调度系统门户，由此用户可以在任何网络可达的地方，快捷地访问图形工作站和计算资源，方便地提交和监控计算密集型作业，并回收作业结果。通过开放的体系结构，便于在各种网络环境中进行有效的配置并和应用软件紧密集成。可以全面地和底层的载荷管理系统集成来进行作业调度、站点管理、数据管理及作业提交和监控。

门户系统至少包括三个主体部分：用户管理、资源管理与应用中心。

用户管理包括对用户的创建、删除、修改、查看等功能。主要维护用户的基本信息、将用户分配到用户组、为用户分配角色等。另外还包括用户登录，验证用户密码查询。

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资源管理包括计算资源管理、软件资源管理、存储资源管理和软件许可证资源管理。其中计算资源管理能够实现物理计算资源和虚拟计算资源的管理；软件资源管理完成软件资源的查找、浏览、使用的功能；存储资源管理包括对平台后台存储状态的监控，分配等功能；软件许可证资源管理实现软件许可证资源的添加、分配、浏览和更新。

2.3 CAD三维图形可视化平台服务

在本方案推荐的架构下，用户的客户端不再需要独自占用高端的图形工作站，只需在远程的CAD可视化服务器和用户客户端之间需要配置专用的3D远程处理软件，用户在进行CAD设计时，与远程的可视化服务器节点交互，远程渲染好的结果可以传输到本地的显示客户端。

系统中远程交互模式可以细分为个性化虚拟桌面环境和远程软件桌面使用两种，其中个性化虚拟桌面环境是以桌面虚拟化技术为基础，根据用户定制需求，动态构建一个用户独享的安全的仿真应用桌面使用环境，在该环境中动态安装好了用户定制的工程软件，用户可以在该虚拟桌面里进行基于各种软件的计算与分析工作。而这些虚拟桌面环境实际上运行在数据中心的高性能服务器上，这种模式为普通用户使用高性能计算提供了捷径，提高了高性能计算机的利用率。

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虚拟桌面业务环境采用桌面虚拟化技术，通过构建用户定制的桌面环境，为用户提供一个普适、高效的仿真办公虚拟环境，在该环境中用户可以建立各个专业领域的仿真模型，也可以使用高层建模工具建立系统顶层模型。用户可以如同使用本机桌面环境一样使用该环境，所不同的是这种方式允许用保存当前使用状态，并可以随时随地恢复使用状态。

虚拟桌面应用发布即用户可以将虚拟桌面中的应用程序发布到本地中，只需在本地中点击应用程序即可打开应用程序的窗口，如同在本地中安装了此应用程序一般，但又不耗占本地的CPU等资源，程序实际还是运行在远程服务器中。用户可将部署、安装、配置完毕的虚拟机发布到平台中，平台将以模板的形式对其进行管理。那么，有同样使用需求的用户就可选择此模板创建虚拟桌面，而无需再从头配置就可使用相同环境的虚拟桌面。

2.4 CAE高性能计算平台服务

在本方案推荐的架构下，通过统一的WEB服务门户或命令行接口，为用户提供面向CAE仿真的高性能计算平台服务。重要应用程序有ls-dyna、Foran、Ansys、MSC、cadds等等。

HPC计算平台主要在CAE分析过程的后期解算部分发挥作用

一般说来，CAE分析主要包括前处理、计算分析和后处理这3个过程。前

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处理主要是建立问题的几何模型、进行网格划分、建立用于计算分析的数值模型、确定模型的边界条件和初始条件等；计算分析是对所建立的数值模型进行求解，经常需要求解大型的线性方程组，这个过程是CAE分析中计算量最大、对硬件性能要求最高的部分；后处理则是以图形化的方式对所得的计算结果进行检查和处理

下图给出了采用计算机进行产品开发的流程，包括建模、前处理（模型修改和网格生成）、计算分析、交叉学科综合及后处理几个部分。其中高性能计算主要应用于计算分析部分，统称为计算机辅助工程（CAE）。下是CAE的分析过程。

Cluster结构是近年来发展势头很好的一种体系结构。这类机型的技术起点比较低，用户甚至可以自己将一些服务器或微机通过以太网连接起来，配以相应的 管理、通讯软件来搭建Cluster。但是如果要构造高性能、结构合理并具有好的RAS特性的Cluster却不是一件容易的事情。Cluster系统通常具有以下特点：

（1）系统由多个独立的服务器（在Cluster概念下称为节点）通过交换机连接在一起。每个节点拥有各自的内存，某个节点的CPU不能直接访问另外一个节点的内存；

（2）每个节点拥有独立的操作系统；

（3）需要一系列的集群软件来完成整个系统的管理与运行，包括： Cluster系统管理软件，如IBM的xCAT等；

消息传递库，如MPI、PVM等；

作业管理与调度系统，如Platform LSF；

并行文件系统，如IBM的GPFS等；

（4）支持消息传递方式的并行模式，如MPI、PVM等；

（5）只能在单个节点内部支持共享内存方式的并行模式，如OpenMP、pthreads等；

（6）性能价格比好。

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第 3 章 高性能计算及图形工作站共享平台基础架构层

3.1 高性能计算及图形工作站共享平台基础架构设计

总体而言，在CAE/CAD应用领域，相对硬件采购成本，应用软件的Licence许可成本是很高的（一般Licence许可按CPU核心数量计费，与CPU主频无关）； HPC计算平台尽量采用高主频的CPU（如2.9GHz），一定程度上提升应用程序计算性能，可以提高CAE/CAD应用软件License的投资回报率。

本方案的基础架构平台包含：

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