Моделирование — в массы
Современное программное и аппаратное обеспечение совершило настоящую революцию в работе инженеров-проектировщиков и дизайнеров. Проектирование с использованием моделирования несет с собой немало преимуществ, среди которых:
- Экономия времени и денег благодаря меньшему числу физических тестов;
- Возможность быстро выявлять лучшие решения еще на старте;
- свобода экспериментов по принципу «что если», особенно при создании продуктов для новых рынков.
Дальнейшее внедрение моделирования даст инженерам-проектировщикам еще больше преимуществ. Но технологические и кадровые проблемы, привычка действовать «по накатанной» не позволяют компаниям в полной мере раскрыть потенциал методики. Что же способно изменить ситуацию?
1. Достижения в области аппаратного и программного обеспечения
Вычислительные мощности становятся все доступнее, а ПО моделирования оптимизировано таким образом, чтобы задействовать их в полной мере. Благодаря этому проектировщики могут использовать все преимущества моделирования.
Интересно, например, сравнить программное обеспечение COMSOL Multiphysics на рабочей станции Dell Precision трехлетней давности с их сегодняшними аналогами (подробности — ниже). Как выяснилось, современное аппаратное и программное обеспечение проводит эксперименты с моделями до шести раз быстрее!
ПО COMSOL Multiphysics оптимизировано для поддержки новейших аппаратных средств. Функция гибридного моделирования и лицензия Floating Network позволяют рендерить большие проекты на стандартных рабочих станциях с поддержкой параллельной обработки данных или на мультиядерных многоузловых кластерах.
Программный пакет для мультифизического моделированияПрограммное обеспечение пакета COMSOL предназначено для моделирования любых физических систем. COMSOL Multiphysics включает в себя графический пользовательский интерфейс (GUI) COMSOL Desktop и набор предварительно сконфигурированных пользовательских интерфейсов и инструментов, которые предназначены для стандартных задач моделирования. Дополнительные модули расширяют возможности платформы, обеспечивая моделирование в специфических областях и интеграцию с программными пакетами сторонних разработчиков. Модули дополняют базовые физические интерфейсы пакета COMSOL Multiphysics, что позволяет моделировать сложные электрические, механические, гидродинамические и химические явления. Для решения сложных мультифизических задач можно комбинировать любое количество модулей. В состав пакета COMSOL Multiphysics также входит среда разработки приложений, с помощью которой можно создавать удобные пользовательские интерфейсы, которые сделают математическое моделирование доступным всем заинтересованным сотрудникам организации. |
2. Доступность специализированного ПО не только для экспертов
Чтобы избежать «узких мест» при работе с моделированием, требуется не только новейшее аппаратное и программное обеспечение. Для создания моделей, проведения расчетов и анализа результатов нужны обширные знания, которых большинству компаний не хватает. Даже обладая самыми быстрыми компьютерами и новейшим ПО, предприятия не могут работать без помощи экспертов.
Одно из решений проблемы — распространять нужные навыки среди широкого круга специалистов с помощью приложений, которые относительно просты в освоении. Так, технологии COMSOL Application Builder и COMSOL Server позволяют моделировать в COMSOL Multiphysics всему коллективу проектировщиков.
Даже сотрудники, не сведущие в отрасли, могут без помощи экспертов решать сложные задачи — настраивать переменные, запускать процессы моделирования и получать нужные ответы.
Приложения можно загружать в COMSOL Server — программу, которая позволяет запускать их откуда угодно в любом браузере или специализированном настольном клиенте.
Таким образом, Application Builder и COMSOL Server демократизируют моделирование. Организации используют эти приложения, чтобы оптимизировать исследования и разработки, расширить возможности своих инженеров и освободиться от рутинных задач, сосредоточившись на высокоуровневых решениях.
3. Распространение «культуры моделирования»
На фоне увеличения сложности продуктов и сокращения времени их выхода на рынок инженеры и предприниматели готовы менять рабочий процесс ради своей главной цели — инноваций. И все же внедрение проектирования, основанного на моделировании — это большое событие, которое требует совместных усилий руководства и рядовых сотрудников. Руководители должны понимать преимущества моделирования и правильно оценивать окупаемость инвестиций в эту технологию.
Массовое внедрение моделирования позволит компаниям разрабатывать лучшие и более качественные продукты, сокращать время их выхода на рынок и, соответственно, опережать конкурентов. Сейчас большинство инженерных организаций уже не представляют, как без моделирования создавать продукты уровнем выше базового. Но до недавнего времени сложность технологии ограничивала ее использование и не позволяла раскрыть весь потенциал ее потенциал.
ПО для моделирования с его математическими уравнениями, непростой процедурой установки и сложным пользовательским интерфейсом долго оставалось «на обочине» инженерии. Оно было предназначено небольшой группе подготовленных исследователей и разработчиков, которые хорошо понимали, как настраивать те или иные параметры. Также ПО имело ограниченную функциональность, поэтому было плохо приспособлено для решения многогранных задач при создании сложных инновационных продуктов.
Аппаратные ограничения
Область применения моделирования еще больше сужалась, когда речь заходила о технических требованиях для анализа конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамики (CFD). Старым рабочим станциям не хватало мощности для адекватного управления сложными моделями и интенсивных вычислительных процессов.
Итак, нехватка квалифицированных специалистов и недостаточная мощность рабочих станций долгое время мешали организациям использовать весь потенциал моделирования. Но сегодня препятствия устранены. Методику могут применять почти все проектировщики — особенно на ранних этапах, когда она сильнее всего влияет на результат. Привлечение к моделированию всей команды на всех стадиях работы позволяет получить максимальную отдачу.
Широкое использование моделирования (особенно для проектирования и разработки) стимулирует итеративный подход к работе и позволяет организациям рассматривать больше альтернатив. Кроме того, снижается зависимость от дорогих физических прототипов и появляется возможность быстрее определять оптимальные проекты.
Компьютерное моделирование или физические испытания?Компьютерное моделирование различных физических процессов существенно ускоряет процесс разработки продукции, позволяет значительно сэкономить на сборке испытательных моделей. С помощью современных вычислительных мощностей и программного обеспечения инженеры могут моделировать работу отдельных компонентов и узлов сложных систем, а в результате — сократить количество проводимых физических испытаний, необходимых перед запуском нового продукта. Промышленность сталкивается с такими проблемами как время на разработку нового изделия и стоимость разработки. А в автомобилестроении и аэрокосмической отрасли без моделирования практически невозможно обойтись. Оно помогает значительно ускорить разработку и снизить затраты. Появление современных вычислительных систем, которые способны моделировать динамические свойства объектов при различных воздействиях, отодвинуло на второй план модернизацию стендов для физических испытаний, а также разработку методик проведения испытаний. Многие организации стараются выбрать моделирование, так как оно минимизирует затраты и время на разработку. Однако, в некоторых исследованиях точный ответ может дать только процесс проведения физического испытания изделия. |
Эволюция: хард и софт
Производители и эксперты приложили немало усилий, чтобы преимущества моделирования при создании проектов были доступны широкому кругу специалистов. Тем не менее, сейчас организации лишь начинают получать выгоду от массового внедрения методики. Этому способствуют достижения во многих технологических областях и их широкое применение на практике. Мощные процессоры, высокопроизводительные твердотельные накопители (SSD) и большая емкость памяти позволяют современным рабочим станциям успешно решать задачи с крупными моделями. Здесь на новом уровне применяются возможности параллельной обработки данных.
Снижение цен на рабочие станции сделало их доступными для широкого круга пользователей. Теперь компании могут значительно увеличить свою вычислительную мощность при тех же инвестициях.
Решать задачи по моделированию, слишком сложные для средней рабочей станции, позволяют достижения в области высокопроизводительных вычислений (HPC). Сегодня компаниям доступна кластерная технология. Ведущее ПО для моделирования сертифицировано для работы на кластерах HPC, а новое поколение ПО облегчает управление этим оборудованием.
Программное обеспечение для моделирования также значительно изменилось за последние годы. Новые интуитивно понятные пользовательские интерфейсы сглаживают сложность технологий, а сами приложения стали намного мощнее и одновременно проще в настройке.
Поставщики ПО для моделирования активно работают над сертификацией. Они оптимизируют программы, чтобы использовать все функции современной рабочей станции: мультиядерность, обновленный набор инструкций, более быстрые SSD. Параллельная обработка данных и многопотоковость работы позволяют решать сложнейшие задачи намного быстрее и точнее.
Машина времени: из 2014 в 2017
На фоне таких радикальных перемен мы рассмотрели, какие результаты приносят увеличение аппаратной производительности и обновление ПО до последней версии. Для примера мы сравнили современную конфигурацию рабочей станции Dell и новейшую версию COMSOL Multiphysics с этими же продуктами трехлетней давности.
Средняя компания каждые три года оценивает свои возможности для обновления аппаратного и программного обеспечения. Для этого ее руководство анализирует формальную рентабельность инвестиций (ROI).
Давайте сравним последнюю версию ПО COMSOL Multiphysics на современной рабочей станции с аппаратным и программным обеспечением, которое было стандартным три года назад. В частности, рассмотрим, сколько времени занимает создание различных моделей на рабочей станции Dell Precision T3500 и рабочей станции текущего поколения — Dell Precision Tower 7810.
Станция Dell Precision T3500 оснащена одним процессором Intel Xeon W3505 с тактовой частотой 2,53 ГГц, двумя ядрами, 12 ГБ оперативной памяти и жестким диском на 300 ГБ. Она работает под Windows 7 Pro и использует COMSOL Multiphysics 4.2.0.288.
Современная рабочая стация Dell Precision Tower 7810 оснащена двумя процессорами Intel Xeon E5–2687W v3, которые работают на частоте 3,1 ГГц и задействуют 20 ядер. Система снабжена 64 ГБ оперативной памяти, диском SCSI на 500 ГБ и твердотельным накопителем Samsung SS85 SSGB емкостью 512 ГБ. Интерфейс MPI обеспечивает поддержку гибридной параллельной обработки кластерного типа. Программное обеспечение — по-прежнему Windows 7 Pro (так наше сравнение будет объективным), но версия COMSOL установлена последняя — 5.0.1.276.
Мы выбрали модели различных типов, чтобы увидеть, как на новом оборудовании проявляются все преимущества COMSOL.
- 3D Fluid-Structure Interaction (трехмерная модель жидкостно-структурного взаимодействия), где задействованы ламинарное течение и структурная механика.
- Tonpilz Piezo-Transducer (модель пьезопреобразователя Тонпильца), требующая параметрического исследования.
- Aluminum Extrusion (модель экструзии алюминия), которая сочетает структурную механику, ламинарное течение и теплообмен.
- Electrical Switch (модель электрического выключателя), которая задействует структурную механику, электрический ток и теплопередачу.
Залог эффективного управления моделированием — новое оборудование с ПО последней версии. Для нашего теста использовались:
| Аппаратная платформа |
Рабочая станция Dell Precision T3500 (выпущена 3 года назад) |
Современная рабочая станция Dell Precision Tower 7810 |
| Процессор |
Intel Xeon CPU W3505, 2,53 ГГц |
Два процессора Intel Xeon E5–2687W v3, каждый по 3,1 ГГц |
| Число ядер |
2 |
20 |
| ОЗУ |
3×4 ГБ |
4×16 ГБ |
| Хранилище |
SATA HDD на 300 ГБ |
SCSI HDD на 500 ГБ, твердотельный накопитель (SSD) Samsung SM841N |
| Программное обеспечение |
ОС Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 4.2.0.288 |
ОС Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 5.0.1.276 |
| MPI |
— |
Применен для гибридной параллельной обработки данных |
Результаты моделирования
Моделирование физических процессов на рабочих станциях за три года значительно продвинулось вперед — и по размеру моделей, и по их сложности, и конечно, по скорости работы. Станция Dell Precision Tower 7810 благодаря намного большему числу ядер и объему памяти, параллельной обработке данных и возможностям для гибридного моделирования в последней версии COMSOL показала рост производительности до шести раз (в зависимости от типа модели и области физики). Например, работа с моделью Aluminium Extrusion с 4,23 млн степеней свободы три года назад занимала 920 секунд, а теперь — всего 153 секунды: в шесть раз меньше.
Модель 3D Fluid-Structure Interaction со 290 000 степенями свободы на Dell Precision T7810 и COMSOL 5.0.1.276 была обработана за 906 секунд по сравнению с 4617 секундами на Dell Precision T3500 и COMSOL 4.2.0.288. Это пятикратное увеличение скорости. Модель электрического выключателя теперь обрабатывается в четыре раза быстрее — за 255 секунд вместо 1028. Модель пьезопреобразователя Tonpilz с 56 000 степенями свободы показала более скромные результаты из-за своего небольшого размера. Тем не менее, на новом оборудовании с использованием последней версии COMSOL скорость выросла более чем вдвое: 209 секунд по сравнению с 481 секундой на аппаратном и программном обеспечении трехлетней давности.
Эксплуатация старых рабочих станций или версий программного обеспечения — привычное дело для компаний с ограниченным бюджетом. Но на самом деле они больше теряют, пытаясь моделировать на устаревших ресурсах, которые не соответствуют растущим размерам и сложности проектов.
Достижения в области аппаратного обеспечения за последние три года помогли серьезно увеличить объемы моделирования и скорость обработки данных. Современные рабочие станции оснащены процессорами с большим количеством ядер, что позволяет использовать их для параллельной обработки — опции, которая три года назад была доступна только в кластерах.
Современное ПО для моделирования имеет автоматическую поддержку нескольких ядер и функцию параллельной обработки данных. Раньше специально обученный профессионал должен был вручную вносить изменения, чтобы настроить ПО для параллельной обработки на той или иной платформе.
Задача: Aluminum Extrusion
Число степеней свободы: 4 235 000
Области физики: взаимодействие структурной механики, ламинарного течения и теплопередачи
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 920 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 153 сек
Прирост скорости: 6,01 раза
Задача: 3D Fluid-Structure Interaction
Число степеней свободы: 290 000
Области физики: тесное взаимодействие ламинарного течения и структурной механики
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 4617 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 906 сек
Прирост скорости: 5,1 раза
Задача: Multiphysics Electrical Switch
Число степеней свободы: 115 000
Области физики: тесное взаимодействие структурной механики, электрического тока и теплопередачи
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 1028 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 255 сек
Прирост скорости: 4,03 раза
Задача: Tonpilz Piezo-Transducer
Число степеней свободы: 56 000
Области физики: параметрическое исследование взаимодействия акустической структуры с пьезоэлектрическим преобразователем
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 481 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 209 сек
Прирост скорости: 2,3 раза
Рабочая станция Dell Precision Tower 7810
Современное поколение рабочих станций Dell Precision включает в себя модель Dell Precision Tower 7810 с двумя процессорами Intel Xeon E5–2600 v3 (до 18 ядер каждый), новейшими видеокартами NVIDIA Quadro и AMD FirePro, а также до 256 ГБ системной памяти с инновационной технологией DDR4 RDIMM. Особая конструкция шасси облегчает доступ к компонентам системы и упрощает ее обновление.
Среди опций Dell Tower 7810 — твердотельный накопитель PCIe с активным охлаждением, который работает на 180% быстрее, чем традиционный SSD-накопитель SATA. Доступны и варианты с традиционным жестким диском. Такая комплектация почти не влияет на производительность: программные решения Intel CAS-W обеспечивают скорость ввода-вывода, сравнимую с твердотельным накопителем, по цене обычного HDD.
Станции Dell Precision сертифицированы независимыми поставщиками ПО, что обеспечивает бесперебойную работу всех популярных приложений для проектирования. ПО Dell Precision Optimizer повышает производительность системы, автоматически настраивая ее для запуска любых программ с максимальной скоростью.
Также Dell Precision 7810 предлагает решения для безопасности: шифрование, расширенную проверку подлинности, защиту от вредоносных программ.
В следующем материале мы подробно расскажем, какие задачи по проектированию решают компании на рабочих станциях Dell, как они применяют моделирование и каких результатов достигают с его помощью.
