一、評測背景

　　產(chǎn)品創(chuàng)新是制造企業(yè)贏得市場競爭的重要手段之一，也是獲得高額利潤的有效方式。過去，中國制造企業(yè)的主要依賴產(chǎn)品的后期制造來獲得利潤，但是隨著市場環(huán)境的變化，企業(yè)逐漸認(rèn)識到——制造業(yè)的競爭實(shí)質(zhì)是產(chǎn)品創(chuàng)新的競爭，擁有自主產(chǎn)品創(chuàng)新能力的企業(yè)，才能占領(lǐng)市場優(yōu)勢地位。在產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)過程中，CAE是企業(yè)保證產(chǎn)品質(zhì)量、減少成本、降低研發(fā)周期并快速響應(yīng)市場的重要技術(shù)手段。因此，隨著市場競爭節(jié)奏的不斷加快，越來越多的制造企業(yè)開始引入CAE技術(shù)，并建立仿真分析部門。

　　另一方面，隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度的不斷增大，企業(yè)仿真分析部門又面臨著新的挑戰(zhàn)。比如隨著復(fù)雜產(chǎn)品模型所包含的數(shù)據(jù)量不斷增加，為了實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品在實(shí)際工作中的性能表現(xiàn)更為精確的模擬，還需進(jìn)行多學(xué)科仿真，這些仿真計(jì)算耗時(shí)越來越長，有時(shí)甚至需要幾天，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程。同時(shí)，在CAE軟件環(huán)境中進(jìn)行前后處理時(shí)，復(fù)雜模型的操作以及結(jié)果云圖、動畫的生成對圖形顯示的要求也越來越高，圖形顯示能力直接影響著工程師的操作體驗(yàn)以及分析結(jié)果獲取的準(zhǔn)確度。

　　幸運(yùn)的是，近年來隨著GPU加速計(jì)算的興起，利用GPU來加速CAE分析已經(jīng)成為一種趨勢。GPU強(qiáng)大的并行計(jì)算能力能有效地對圖形計(jì)算和仿真分析過程的大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行并行浮點(diǎn)處理，大幅加速產(chǎn)品的虛擬仿真分析過程，從而有效的縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。從成本上講，CPU+GPU的搭配模式，不斷能有效的減少企業(yè)購買的軟件許可證費(fèi)用，還可以降低企業(yè)在工作站購買上的硬件投入成本。

　　二、測試平臺

　　為了更好的讓企業(yè)了解GPU加速給CAE分析過程帶來的性能提升，e-works特別安排了一次針對麗臺Quadro K6000專業(yè)顯卡的性能評測，而本次選用的平臺為麗臺最新推出的Maximus工作站。平臺的詳細(xì)配置如下：

表1 測試平臺配置

　　Quadro K6000是麗臺科技2013年最新發(fā)布的頂級專業(yè)級工作站顯卡，該顯卡擁有2880個(gè)流處理器、240個(gè)紋理處理單元和48個(gè)ROP單元，單精度浮點(diǎn)性能為5.2TFlops，雙精度浮點(diǎn)計(jì)算能力大約為1.7TFlops，也是目前超高端專業(yè)顯卡市場計(jì)算性能最強(qiáng)大的顯卡之一。同時(shí)，本次測試搭配的Maximus工作站也是麗臺公司針對制造企業(yè)的高性能研發(fā)計(jì)算領(lǐng)域主推的平臺，Maximus工作站可以同時(shí)搭配Tesla高性能圖形計(jì)算卡和Quadro高性能專業(yè)顯卡，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和仿真應(yīng)用的一體化，也目前市場上唯一一款集產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真分析于一體的工作站平臺，其最重要的價(jià)值是能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算的并行，從而大幅提升制造企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)效率。

圖1 麗臺Quadro K6000專業(yè)顯卡

圖2 麗臺Maximus工作站

圖3 winFast WS2000工作站規(guī)格

　　三、測試軟件介紹

　　Abaqus是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。作為通用的模擬工具，除了能解決大量結(jié)構(gòu)問題，Abaqus還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析及壓電介質(zhì)分析。由于Abaqus優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得它在各國的工業(yè)和研究中得到廣泛的使用，在大量的高科技產(chǎn)品研究中也發(fā)揮著巨大的作用。Abaqus軟件從6.11版本開始可以支持NVIDIA的GPU加速技術(shù)，本次評測使用的是最新的Abaqus 6.13版本。

圖4 ABAQUS/CAE 6.13

　　四、性能測試

　　本次評測即在Abaqus環(huán)境下，測試麗臺Quadro K6000通過GPU技術(shù)對CAE工作中圖形顯示增強(qiáng)和計(jì)算加速的效果。

　　1.評測思路

　　CAE分析主要有三個(gè)步驟，即：前處理、有限元求解計(jì)算、后處理。前處理中為產(chǎn)品建立合理的有限元分析模型，并進(jìn)行單元屬性定義、網(wǎng)格劃分和載荷施加；有限元求解計(jì)算就是對有限元模型進(jìn)行單元特性分析并求解的過程；后處理則根據(jù)工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求對有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析進(jìn)而論證設(shè)計(jì)的合理性并優(yōu)化，以滿足客戶對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求。本次評測主要劃分為以下幾個(gè)步驟：

　　1)模型導(dǎo)入后的基本操作

　　如同其他CAE軟件，Abaqus的建模功能有限，只適合建立簡單部件。為了充分測試在CAE軟件環(huán)境下的大模型顯示效果及操作流暢度，本次評測選擇從外部導(dǎo)入復(fù)雜模型，并對其進(jìn)行平移，局部放大縮小，旋轉(zhuǎn)，剖切，線框切換等基本操作。

    2)有限元求解計(jì)算
    作為整個(gè)CAE分析中計(jì)算強(qiáng)度最高的部分，有限元求解計(jì)算耗時(shí)直接影響整個(gè)CAE分析周期的長短。本次評測將記錄在CPU數(shù)量調(diào)用相同時(shí)，無GPU加速、有GPU加速、GPU并行加速三種情況下求解計(jì)算過程所耗時(shí)間，進(jìn)行對比分析得出GPU加速效果。

　　3)結(jié)果云圖與動畫的生成與顯示

　　有限元計(jì)算完成之后，為了更加清晰直觀的以圖像形式顯示出結(jié)果，需要生成應(yīng)力應(yīng)變云圖及動畫，復(fù)雜模型計(jì)算結(jié)果云圖及動畫的顯示效果對顯卡要求較高。

　　4)拼接屏

　　憑借 DisplayPort 1.2，Quadro K6000單卡可支持四臺同時(shí)工作的顯示器和最高 4k 分辨率。通過NVIDIA Mosaic 多顯示器技術(shù)，在不犧牲性能或處理能力的情況下，可在一臺工作站上輕松地將所有應(yīng)用程序的畫面擴(kuò)展到多臺高分辨率顯示器或投影儀上。

　　2.CAE測試分析

　　本次選用的測試模型是一個(gè)發(fā)動機(jī)裝配體，網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)：1060943，單元數(shù)665799，進(jìn)行靜力學(xué)分析。如圖5所示。

圖5 發(fā)動機(jī)裝配體

　　1.模型基本操作

圖6 局部放大

圖7 平移操作

圖8 模轉(zhuǎn)操作

　　對模型載入、縮放、旋轉(zhuǎn)以及編輯操作均比較流暢，基本上都在瞬間完成，這也說明在設(shè)計(jì)性能上完全能滿足要求。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)不論是模型的色彩還是線條都非常之清晰。以前也做過很多專業(yè)圖形顯卡及工作站的評測，但很少看到模型色彩有著如此良好的光澤度。對設(shè)計(jì)工程師而言，色彩真實(shí)且操作流暢的設(shè)計(jì)平臺能大大的提升使用體驗(yàn)和效率。

　　2.有限元分析

　　前處理完成后即開始進(jìn)行有限元分析計(jì)算求解，這也是整個(gè)CAE分析過程中最耗費(fèi)時(shí)間的環(huán)節(jié)，計(jì)算時(shí)間過長甚至嚴(yán)重拖慢整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)流程。對此，借助近些年興起的高性能計(jì)算技術(shù)，從硬件和軟件兩方面支持并行計(jì)算，可以大大縮短CAE計(jì)算求解時(shí)間。

　　以前的CAE應(yīng)用評測中，都是對比調(diào)用不同核數(shù)情況下的求解耗時(shí)，得出多核調(diào)用對計(jì)算效率提高的水平。而近些年興起的GPU技術(shù)除了提升顯卡性能之外，也能通過其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，大大縮短計(jì)算時(shí)間，這種加速能力在對圖形顯示處理水平要求很高的CAE分析工作中則顯得更為重要。因此本次評測一個(gè)很重要的目的就是測試GPU加速技術(shù)對CAE分析求解計(jì)算的加速水平如何。

　　本次測試平臺搭配了2顆6核心12線程的處理器，因此共有12核心24線程可進(jìn)行計(jì)算調(diào)用。另外，由于搭配了麗臺Quadro K6000專業(yè)顯卡，我們也通過將GPU的計(jì)算能力融入到分析中來感受計(jì)算性能的提升。表2為發(fā)動機(jī)裝配體靜載荷求解計(jì)算的耗時(shí)數(shù)據(jù)。

表2 有限元分析測試數(shù)據(jù)（單位：秒）

　　對于表2中的數(shù)據(jù)，我們可以主要關(guān)注前面三項(xiàng)，UseTime為模型的實(shí)際計(jì)算時(shí)間，System Time是指計(jì)算過程中的時(shí)間損耗（花費(fèi)在傳輸以及指令流分配等過程的時(shí)間），Total CPU Time為整個(gè)CPU計(jì)算耗時(shí)，為User Time與System Time時(shí)間之和。對比表2數(shù)據(jù)，我們可以很清楚的發(fā)現(xiàn)在調(diào)用GPU和不調(diào)用GPU的場景中的計(jì)算時(shí)間有著非常大的區(qū)別。比如在2CPU場景中，調(diào)用GPU時(shí)，CPU總耗時(shí)長為2012.1秒，而不調(diào)用GPU時(shí)，CPU總耗時(shí)長為4860.3秒，GPU的加入將CPU的計(jì)算時(shí)長縮短了近60%。而這種時(shí)長的縮短在4CPU、8CPU、16CPU和24CPU場景中分別為：54%、38%、51%和51%，換言之，GPU計(jì)算能力的加入使得整機(jī)的圖形計(jì)算性能提升了超過1倍。

圖9 計(jì)算耗時(shí)對比(User Time)

圖10 總計(jì)耗時(shí)對比(Total Time)

　　圖9和圖10為調(diào)用GPU和未調(diào)用GPU性能場景下的耗時(shí)對比。我們從數(shù)據(jù)中可以得出結(jié)論，即圖形計(jì)算過程中并非調(diào)用了CPU核心越多，計(jì)算速度就越快。因?yàn)檎{(diào)用的CPU核心越多，計(jì)算資源的分配過程就越復(fù)雜，這會降低CPU的計(jì)算效率。比如在不調(diào)用GPU的情況下，2CPU和4CPU計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間為4826秒和4994秒，而隨著核心數(shù)量的增多，計(jì)算所耗費(fèi)的時(shí)間也越長。因此，在進(jìn)行大規(guī)模圖形數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，用戶必須謹(jǐn)慎對待多核心的調(diào)用，在調(diào)用多核心進(jìn)行計(jì)算時(shí)，盡可能的找到最佳的性能點(diǎn)。這種情況也同樣出現(xiàn)在CPU與GPU之間，調(diào)用的CPU核心越多，耗費(fèi)在CPU與GPU之間的資源分配時(shí)間越長，計(jì)算時(shí)間也就越長。

　　也有很多用戶會經(jīng)常問到，GPU為何能擁有如此強(qiáng)大的圖形計(jì)算能力？這是因?yàn)镚PU的出現(xiàn)一開始就是為了緩解CPU的計(jì)算壓力，將CPU從圖形計(jì)算中解脫出來。因此，GPU在架構(gòu)設(shè)計(jì)上就非常適合于對大量圖形數(shù)據(jù)的處理。GPU的內(nèi)核設(shè)計(jì)的是并行架構(gòu)，適合在短時(shí)間內(nèi)處理大量類似結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，比如圖形計(jì)算、生物工程以及科研分析等。近年來，隨著GPU技術(shù)的發(fā)展，GPU的性能越來越強(qiáng)大，因此出現(xiàn)了像Maximus工作站這樣的集設(shè)計(jì)與分析與一體的圖形工作站，通過搭配Quadro K6000專業(yè)圖形顯卡，大幅提升企業(yè)的研發(fā)設(shè)計(jì)效率。

　　3.結(jié)果云圖與動畫的生成與顯示

　　有限元分析計(jì)算完成并得到了位移、應(yīng)力或其它基本變量之后，就可以對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評估。評估通常可以通過CAE軟件可視化模塊或其它后處理軟件在圖形環(huán)境下交互式進(jìn)行。為了更為直觀清晰呈現(xiàn)出計(jì)算結(jié)果，可視化模塊可以讀入計(jì)算結(jié)果文件病以多種方法顯示結(jié)果，包括彩色等值線圖、云圖、動畫等。

　　本環(huán)節(jié)直接在Abaqus圖形界面環(huán)境中打開之前有限元分析步驟中生成的輸出文件（后綴名.odb），然后利用Abaqus中的Visualization功能模塊來生成結(jié)果云圖和動畫。

圖11 發(fā)動機(jī)裝配體靜載荷分析U2應(yīng)變云圖1

圖12 發(fā)動機(jī)裝配體靜載荷分析U2應(yīng)變云圖2

圖13 發(fā)動機(jī)裝配體靜載荷分析U3應(yīng)變云圖1

圖14 發(fā)動機(jī)裝配體靜載荷分析U3應(yīng)變云圖2

　　在評測中，圖形展示清晰度高，能滿足工程師對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確評估的要求，而且在對結(jié)果云圖展示模式下的模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移、放大縮小等操作時(shí)，也不存在停滯感。隨后對整個(gè)應(yīng)變過程進(jìn)行動畫生成，動畫畫面清晰、播放過程中應(yīng)變等值線變化流暢，能夠很好的反映出整個(gè)過程。從動畫中截取了四張圖進(jìn)行觀察，等值輪廓線非常清晰，可以準(zhǔn)確的反應(yīng)出應(yīng)變結(jié)果。

圖15 應(yīng)變過程動畫截圖1

圖16 應(yīng)變過程動畫截圖2

圖17 應(yīng)變過程動畫截圖3

圖18 應(yīng)變過程動畫截圖4

　　4.拼接屏

　　Quadro K6000單卡可支持四臺同時(shí)工作的顯示器，通過NVIDIA Mosaic 多顯示器技術(shù)，在不犧牲性能或處理能力的情況下，可在一臺工作站上輕松地將所有應(yīng)用程序的畫面擴(kuò)展到多臺高分辨率顯示器或投影儀上。評測采用4臺1080P高清顯示器，2 x 2布局，實(shí)現(xiàn)單卡4屏拼接總分辨率3840 x 2160 @ 60Hz。 

圖19 mosaic拼接屏設(shè)置

圖20 4臺高畫質(zhì)顯示屏拼接

    五、總結(jié)

    本次重點(diǎn)在于測試Quadro K6000工作站顯卡在CAE平臺上的性能，通過對發(fā)動機(jī)裝配體進(jìn)行有限元分析、云圖生成以及拼接屏等操作來感受Quadro K6000工作站顯卡給工程師設(shè)計(jì)與分析帶來的性能提升。測試中我們首先對發(fā)動機(jī)模型進(jìn)行了載入、旋轉(zhuǎn)和修改操作，過程非常之流暢，感覺不到任何因性能不足而導(dǎo)致的拖影或卡屏的現(xiàn)象。在有限元分析過程中，我們通過對比在調(diào)用GPU和不調(diào)用GPU環(huán)境下的計(jì)算與分析耗時(shí)，測試過程充分證明了GPU能大幅加速模型的分析過程，測試結(jié)果顯示，在調(diào)用GPU進(jìn)行分析時(shí)，計(jì)算耗時(shí)能至少減少一半以上。對企業(yè)而言，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析時(shí)間的縮短能減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，從而提升企業(yè)的市場競爭力。最后我們還進(jìn)行了云圖生成及拼接屏的性能測試，云圖生成主要是為了將有限元分析結(jié)果以圖象或動畫的形式來展現(xiàn)出來，使得測試的效果更佳清晰。因此對圖形顯示性能要求較高。從測試結(jié)果看，云圖生成過程非常順利，而且在很短時(shí)間內(nèi)就完成，生成的圖像及動畫質(zhì)量也非常好，這充分顯示了Quadro K6000工作站顯卡的強(qiáng)大性能。同時(shí)，我們也深刻感受到了Maximus工作站穩(wěn)定的性能。

　　在以往的測試中，e-works評測人員基本上選用的都是較為常用的圖形工作站，但Maximus工作站與這些產(chǎn)品有所不同。在設(shè)計(jì)上，Maximus工作站有著更長的機(jī)箱，更強(qiáng)大的電源系統(tǒng)和風(fēng)扇。在功能上，Maximus工作站能同時(shí)搭配Quadro工作站顯卡和Tesla高性能計(jì)算卡，并能根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)類型來自動選擇Quadro或Tesla。這使得Maximus工作站不但能做基本的CAD圖形設(shè)計(jì)，而且還能進(jìn)行CAE仿真分析，滿足企業(yè)大規(guī)模圖形數(shù)據(jù)計(jì)算的需求。

　　總體來說，制造企業(yè)要提升市場競爭力，就必須設(shè)計(jì)市場需求的產(chǎn)品，更好、更快的根據(jù)市場需求開發(fā)用戶需要的產(chǎn)品是考驗(yàn)企業(yè)市場生存能力的關(guān)鍵。因此，擁有一款好的開發(fā)和設(shè)計(jì)平臺至關(guān)重要。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/

本文標(biāo)題：麗臺Quadro K6000工作站顯卡CAE性能評測報(bào)告

本文網(wǎng)址：http://www.ezxoed.cn/html/consultation/10839612273.html