高性能計(jì)算之九-GPU在ANSYS高性能仿真計(jì)算中的應(yīng)用

什么是GPU？

首先需要解釋CPU和GPU這兩個(gè)縮寫分別代表什么。CPU即中央處理器，GPU即圖形處理器。其次，要解釋兩者的區(qū)別，要先明白兩者的相同之處：兩者都有總線和外界聯(lián)系，有自己的緩存體系，以及數(shù)字和邏輯運(yùn)算單元。一句話，兩者都為了完成計(jì)算任務(wù)而設(shè)計(jì)。

兩者的區(qū)別在于存在于片內(nèi)的緩存體系和數(shù)字邏輯運(yùn)算單元的結(jié)構(gòu)差異：CPU雖然有多核，但總數(shù)沒有超過三位數(shù)，每個(gè)核都有足夠大的緩存和足夠多的數(shù)字和邏輯運(yùn)算單元，并輔助有很多加速分支判斷甚至更復(fù)雜的邏輯判斷的硬件；GPU的核數(shù)遠(yuǎn)超CPU，被稱為眾核（NVIDIA Fermi有4位數(shù)個(gè)核）。每個(gè)核擁有的緩存大小相對(duì)小，數(shù)字邏輯運(yùn)算單元也少而簡(jiǎn)單（GPU初始時(shí)在浮點(diǎn)計(jì)算上一直弱于CPU）。

從結(jié)果上導(dǎo)致CPU擅長(zhǎng)處理具有復(fù)雜計(jì)算步驟和復(fù)雜數(shù)據(jù)依賴的計(jì)算任務(wù)，如分布式計(jì)算，數(shù)據(jù)壓縮，人工智能，物理模擬，以及其他很多很多計(jì)算任務(wù)等。GPU由于歷史原因，是為了視頻游戲而產(chǎn)生的（至今其主要驅(qū)動(dòng)力還是不斷增長(zhǎng)的視頻游戲市場(chǎng)），在三維游戲中常常出現(xiàn)的一類操作是對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的操作，如：對(duì)每一個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行同樣的坐標(biāo)變換，對(duì)每一個(gè)頂點(diǎn)按照同樣的光照模型計(jì)算顏色值。

GPU的眾核架構(gòu)非常適合把同樣的指令流并行發(fā)送到眾核上，采用不同的輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行。在2003-2004年左右，圖形學(xué)之外的領(lǐng)域?qū)＜议_始注意到GPU與眾不同的計(jì)算能力，開始嘗試把GPU用于通用計(jì)算（即GPGPU）。

GPU 加速計(jì)算是指同時(shí)采用圖形處理單元（GPU） 和 CPU，以加快科學(xué)、分析、設(shè)計(jì)、消費(fèi)者和企業(yè)應(yīng)用程序的速度。GPU 加速器于 2007 年由 NVIDIA 率先推出，現(xiàn)已在世界各地為政府實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)、公司以及中小型企業(yè)的高能效數(shù)據(jù)中心提供支持。GPU 能夠?yàn)閺钠?、手機(jī)和平板電腦到無人機(jī)和機(jī)器人等平臺(tái)的應(yīng)用程序加快速度。

總之，GPU的作用如下：

GPU最早用于提升圖形計(jì)算的性能，增加圖形質(zhì)量。

現(xiàn)今GPU已經(jīng)不局限于圖形處理，還可以用于并行計(jì)算的加速。

計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）模擬讓工程師能夠設(shè)計(jì)更多的虛擬原型產(chǎn)品，因而在打造物理原型產(chǎn)品上花費(fèi)的時(shí)間更少。更多次的反復(fù)設(shè)計(jì)可以成就更高質(zhì)量的產(chǎn)品，通過加速模擬，GPU 能夠進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，從而有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，為企業(yè)帶來更具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。

ANSYS與 NVIDIA密切合作，以確保在 ANSYS 并行軟件上運(yùn)行的模擬能夠達(dá)到性能。NVIDIA GPU 支持下列產(chǎn)品：

結(jié)構(gòu)：ANSYS Mechanical 17.0支持全套特性，其中包括在多顆 GPU上運(yùn)行。

流體：ANSYS Fluent 17.0能夠?yàn)榛趬毫Φ鸟詈辖馑闫骱洼椛鋫鳠崮Ｐ吞峁〨PU支持。

電磁：ANSYS HFSS 17.0支持瞬態(tài)流動(dòng)仿真計(jì)算瞬時(shí)求解器。

現(xiàn)在利用 NVIDIA GPU 加速 ANSYS 模擬比以往任何時(shí)候都更加容易。在 17.0 版本中，所有的 HPC 許可產(chǎn)品（HPC、HPC Pack、HPC Workgroup）均支持 GPU。具體而言，在許可證要求這方面，每一路 GPU 被視為一個(gè) CPU 核心。如此一來，利用現(xiàn)有 HPC 許可證再加上 NVIDIA GPU，即可大幅提升模擬生產(chǎn)率，從而能夠完成更多模擬工作。

高性能計(jì)算（HPC&GPU）是未來仿真計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)，將作為國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志之一。

GPU 作為推動(dòng)高性能計(jì)算的驅(qū)動(dòng)力，是高性能、低功耗的完美結(jié)合。