近來，CAE（計算機(jī)輔助工程）技術(shù)的突破性進(jìn)展，導(dǎo)致在分布式共享存儲器環(huán)境下CAE仿真的并行度達(dá)到新的高度。許多科研和商業(yè)使用的CAE軟件可在SGI ccNUMA體系結(jié)構(gòu)的256個處理器系統(tǒng)上運行。當(dāng)代采用并行算法的典型CAE軟件解決了中等并行度的瓶頸問題。但是要想得到處理100個處理器的并行功能，用戶必須考慮一下系統(tǒng)軟件的性能和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
CAE仿真的并行方法
傳統(tǒng)工業(yè)，諸如汽車、宇航和電站正面臨要求越來越短的開發(fā)周期，并且要面臨安全、環(huán)保和燃料充分利用的全面挑戰(zhàn)。在富有競爭的商業(yè)環(huán)境中，傳統(tǒng)工業(yè)也需要高質(zhì)量和設(shè)計優(yōu)良的產(chǎn)品。隨著CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真給業(yè)界提供了一個輔助設(shè)計的方法，使設(shè)計效率大為提高。
以前，CAE仿真對工業(yè)設(shè)計的影響有限，這是因為建模和解決問題的時間不能滿足開發(fā)進(jìn)度的要求。在20世紀(jì)80年代，矢量體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)大大改善了CAE仿真的速度問題，但是這種改善是以很高的費用為代價的
。精簡指令集計算機(jī)（RISC）在20世紀(jì)90年代的出現(xiàn)，提高了性能價格比，但是基于總線共享內(nèi)存并行操作的規(guī)模不能超過8個處理器。
最近在并行計算方面的發(fā)展證明了分布式共享內(nèi)存系統(tǒng)CAE并行運算的性能可以超過矢量計算機(jī)。SGI 2800就是這種系統(tǒng)的典型，性能價格比高也是這種系統(tǒng)最富有吸引力的地方。在許多工業(yè)領(lǐng)域中，這種趨勢近來已經(jīng)影響了CAE技術(shù)用戶的投資方向。
過去三年中，在可伸縮系統(tǒng)和并行CAE軟件上，汽車工業(yè)已經(jīng)作出許多重大投資。據(jù)估計，僅1999年一年，底特律三大汽車OEM的總的Gflop計算能力增長了兩倍以上。在防撞性仿真、噪音震動和嘯叫聲（NVH）的分析和計算機(jī)流體動力學(xué)（CFD）仿真方面，由于商業(yè)化CAE軟件的有效并行實現(xiàn)，它的應(yīng)用日益廣泛。在不到一年的期間中，底特律三大汽車OEM采用了總數(shù)達(dá)740個處理器的SGI 2800 服務(wù)器，包括兩個分別配置128個處理器的系統(tǒng)，使現(xiàn)有計算能力達(dá)到375 Gflop。
一個系統(tǒng)的架構(gòu)是否能達(dá)到高度的并行有效性已變得越來越重要，開發(fā)并行CAE應(yīng)用軟件可以提高這種能力。從硬件和軟件的算法觀點看，可以概略地把CAE仿真“行為”分為三類來考慮：隱式、用于結(jié)構(gòu)力學(xué)的顯式有限元分析（FEA）和用于流體力學(xué)的CFD。關(guān)于并行實現(xiàn)的規(guī)模，以上每一類都有它內(nèi)在的復(fù)雜性，這種復(fù)雜性依賴于并行方案的選擇。
大部分商業(yè)CAE軟件使用基于域分解方法的分布式內(nèi)存并行（DMP）方案。這種方法根據(jù)所需要的計算工作，把整個解決方案域分成許多大致相等的分區(qū)。每個分區(qū)和在分區(qū)之間傳輸?shù)男畔ⅲ谝粋€獨立的處理器中進(jìn)行處理。為了保持整個解決方案的一致性，分區(qū)之間的信息通過MPI（消息傳遞接口）傳輸。
一些其他的有效的并行方法有：共享內(nèi)存并行（SMP）實現(xiàn)及把DMP和SMP聯(lián)合在一起的混合并行方法。而且混合并行方法已得到越來越普遍的應(yīng)用，它包括了Eulerian和Lagrangian力學(xué)的混合，例如燃燒的仿真。混合并行方法尤其適合于分布式共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)的SGI 2800。
SGI 2800分布式共享內(nèi)存系統(tǒng)基于高速緩存一致性非均衡存儲器訪問（ccNUMA）結(jié)構(gòu)。內(nèi)存在物理上是分布式的，但是在邏輯上對于用戶而言是資源共享的。
為了減少妨礙高帶寬和可伸縮性的等待時間，SGI ccNUMA 的實現(xiàn)通過非阻塞的互連設(shè)計，把內(nèi)存分布到每個處理器上。同時，為了簡化編程任務(wù)，采用獨特的高速緩存一致性的目錄存儲器，提供一個用戶可全局尋址的內(nèi)存資源。一個單一系統(tǒng)映像的SGI 2800系統(tǒng)可擴(kuò)展到512個處理器，并且內(nèi)存可以擴(kuò)展到1Tb。這個系統(tǒng)是目前工業(yè)上可用的最大的SMP系統(tǒng)。
未來的發(fā)展方向
研究部門與工業(yè)界將繼續(xù)增加它們在CAE技術(shù)方面的投資，把它作為產(chǎn)品和過程設(shè)計的輔助工具。這完全是由于經(jīng)濟(jì)利益和可擴(kuò)展的CAE所帶來的質(zhì)量改善所驅(qū)動的。有效的CAE仿真意味著提高造型分辨率的進(jìn)一步提高，并在早期開發(fā)階段就可以作出更為全面的評價。
運算法則的進(jìn)步和新的硬件體系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)導(dǎo)致了CAE方法論的提高，伴隨這些進(jìn)步，已改善的CAE可伸縮能力將進(jìn)一步進(jìn)入到一個嶄新的十年。這些提高將刺激CFD建模在瞬間流動狀態(tài)的應(yīng)用、建筑機(jī)械學(xué)不確定性的廣泛實施應(yīng)用，以及多規(guī)程液流與結(jié)構(gòu)相結(jié)合的生產(chǎn)應(yīng)用等許多方面，在其它建模工具應(yīng)用中也會有提高。
用于瞬時狀態(tài)的CFD仿真已進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。用于瞬時流態(tài)的仿真包括自動推進(jìn)的電力火車汽缸內(nèi)部燃燒應(yīng)用、地面滑行的飛機(jī)的空氣動力學(xué)問題的應(yīng)用、商業(yè)航行器的非巡航狀態(tài)的空氣動力學(xué)應(yīng)用、渦輪機(jī)器的壓縮機(jī)和燃燒室的熱空氣流動的應(yīng)用，以及渦輪設(shè)計應(yīng)用。
結(jié)構(gòu)FEA仿真目前正經(jīng)歷一個從確定性到不確定性的歷史性轉(zhuǎn)變。對單個FEA分析的變化不大，高度并行隨機(jī)技術(shù)正被應(yīng)用于更好地解決諸如材料特性分析、測試條件、制造和裝配等方面設(shè)計中的不確定性問題。顯式FEA方法在特殊情況下適合于不確定性仿真。
使用顯式FEA動力學(xué)進(jìn)行高度短暫的非線性造型，諸如汽車等交通工具的碰撞、氣囊與駕駛員的交互作用以及飛機(jī)與飛鳥的碰撞，都呈現(xiàn)出實際參數(shù)的分散性。隨機(jī)仿真發(fā)展的事實表明，CAE仿真正朝著單學(xué)科與多學(xué)科結(jié)合的方向發(fā)展。近來，蒙特卡洛隨機(jī)方法已經(jīng)應(yīng)用于汽車設(shè)計中的NVH和防撞性研究。
結(jié)論
增強并行可擴(kuò)展能力的研究將繼續(xù)在軟硬件方面發(fā)展下去，這將使造型分辨率進(jìn)一步提高成為可能。的確，有顯著經(jīng)濟(jì)效益的、可擴(kuò)展的CAE仿真已表現(xiàn)出它可以全面應(yīng)用于科技和工業(yè)部門的能力，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)設(shè)計中將繼續(xù)得到更為廣泛的應(yīng)用。繼續(xù)得到更為廣泛的應(yīng)用。
