ANSYS Mechanical是美國ANSYS公司的旗艦產品之一，已經有41年的商業化歷史，是目前全球范圍內最受歡迎的大型通用有限元分析軟件之一。在近十幾年間，運行ANSYS Mechanical的主流硬件平臺，已經完成了由曾經輝煌一時的RISC類芯片的Unix工作站，逐步向X86(64)芯片的PC工作站的遷移。HP Z800頂級工作站代表當今桌面系統的最高水準，提供了豐富的配置選項。本文通過ANSYS Mechanical對系統資源需求的角度，闡述如何將HP Z800圖形工作站配置成完美運行ANSYS Mechanical的桌面系統。

1.高內存帶寬、高QPI帶寬、高主頻CPU打造最強心臟

作為計算機的心臟，CPU的選擇至關重要。HP Z800可配備1100的電源，支持2顆130瓦當今性能最強勁的英特爾至強5600系列CPU。其中6核最高可配置到3.46Ghz的X5690，4核最高可配置到3.6Ghz的X5687。如果費用預算有限，則建議選擇不低于X5650(6核2.66Ghz)或X5667(4核3.06Ghz)，因為這兩款及以上型號CPU的QPI總線帶寬才支持6.4GT/s。較低型號的CPU僅支持5.86GT/s或更低的QPI總線帶寬。E5645(6核2.4Gh)或E5649(6核2.53Ghz)這兩款CPU的QPI總線帶寬雖然是5.86GT/s，但仍然可配置DDR-3 1333Mhz的內存，每個CPU的內存帶寬仍然可達32Gb/s。其價格上具有優勢。

 至于選擇4核還是6核，要根據可使用的ANSYS Mechanical的許可證(License)情況而確定。相同價格的4核與6核相比，4核的主頻要高一些，而6核整體理論浮點計算性能高一些（畢竟多了50%計算核心）。如果1臺HP Z800可用的ANSYS Mechanical的許可證(License)只支持8個并行進程(分布式)或線程(共享式)，例如只有1個商業版的ANSYS HPC PACK，選擇2顆4核CPU平均每個核能獲得更高的內存帶寬和更高的主頻。如果有2個或以上HPC PACK或10個以上的ANSYS HPC，允許12個核并行求解，則推薦選擇2顆6核的方案。

總之，運行ANSYS Mechanical應選擇高內存帶寬、高QPI帶寬、高主頻的CPU。

2.大容量、高帶寬內存提升求解性能

ANSYS Mechanical不僅要作復雜3D有限元模型的圖形處理，還要進行高性能并行浮點運算。內存的容量的大小，不僅決定能求解多大規模的有限元模型，而且對于特定的模型，還將決定其使用的內存模式，從而決定求解性能。

ANSYS Mechanical缺省的求解器是Sparse Direct Solver(稀疏矩陣直接求解器)。其缺省的內存模式optimal out-of-core，求解過程中自動根據內存容量確定存放到內存和磁盤中數據的比例。對于特定的題目，內存越大，求解過程中讀寫磁盤越少，求解時間越短。如果內存足夠大，可使用in-core模式，求解過程中將數據全部放在內存中，盡可能避免磁盤的讀寫，從而成倍地提升求解速度。Optimal out-of-core模式內存占用大約每百萬自由度1GB，而in-core模式則要10GB！如果發現ANSYS Mechanical求解過程中，磁盤燈一直狂閃，而CPU占用率卻非常低，很可能是內存不足，求解過程中花費太多時間在磁盤讀寫上，造成求解性能不高。因此在選配ANSYS Mechanical工作站時，增大內存容量是首先要滿足的。HP Z800工作站安裝了可以實現高速數據傳送的12個DDR3內存插槽，最大可以擴展到192 GB內存。

以下是對in-core和optimal out-of-core的求解性能的簡單對比。一個25萬自由度的線性靜力的ANSYS Mechanical問題。以前運行在只有2GB內存的Windows 32位系統上，求解這個問題的內存模式只能是optimal out-of-core，ANSYS Mechanical統計的有效I/O率只有48MB/s，因為求解過程中持續讀寫硬盤，Sparse求解器完成時間要5.7分鐘。后來增加了內存到8GB，并更換為64位Windows系統，有效I/O率猛增到2818MB/s，求解時間縮短到100秒（不到兩分鐘），只有原來的不到1/3!因為內存的增大，其求解內存模式變為in-core。

對于內存還有要考慮是內存帶寬，尤其是平均到每個核上的內存帶寬。英特爾至強處理器自5500系列以后，將內存控制器設計到處理器上。也就是說雙路系統如果只安裝一顆5500或5600的處理器，將有一半的內存插槽無法使用，這與以前的5100到5400系列的FSB架構完全不同。每個5500或5600系列處理器有3個內存通道。對于雙路的HP Z800工作站，只有將6個內存通道的都插滿容量相同的雙面DDR3內存，才能獲得均衡的、最大的內存帶寬。也就是說內存容量應該是6的倍數，例如12GB(6X2GB)、24GB(12X2GB或6X4GB)、48GB(12X4GB或6X8GB)、96GB(12X8GB)或192GB(12X16GB, 1066Mhz)，而不是以前的8/16/32/64/128GB內存。如果求解的題目的規模在1千萬自由度（300萬節點）以下的線性靜力問題，用96(12X8)GB內存就應該能使用in-core模式。如果求解更大規模的題目，可以考慮上單條16GB的內存，但內存的頻率要降低到1066Mhz，還要考慮系統功率是否能承受，比如已經選擇了130W的處理器或GPU卡等。
 
總之，運行ANSYS Mechanical應選擇容量盡可能大、帶寬盡可能高而且均衡的內存配置。

3.高性能磁盤I/O縮短求解時間

上述對內存需求的分析，是針對最基本的線性靜力問題的。如果遇到非線性或動力學問題，其對內存的需求一般會增加百分之幾十到幾倍。即便是線性靜力問題，幾千萬自由度(上千萬節點)甚至上億的裝配問題也已經非常普遍，尤其是最近一些年流行的從CAD直接導入CAE中、直接劃分網格，省略大量人工時間重新建模、簡化模型的工作，同時導致有限元模型的求解規模越來越大。尤其在求解模態（系統自振頻率）等動力學問題時，缺省使用Block Lanczos算法，即使用in-core模式，對磁盤的持續反復讀寫也在所難免。因此提升磁盤的持續讀寫性能，同樣是縮短ANSYS Mechanical整體求解時間的有效手段。

HP Z800可選的磁盤類型有SATA, SAS和SSD。其中SATA硬盤的單盤容量最高，可達2TB，但其持續讀寫性能較低，建議應該盡量避免用SATA硬盤做ANSYS Mechanical工作目錄。SAS硬盤中的15K RPM的持續讀寫性能要高于10K RPM，單塊SAS 15K的硬盤最大容量也可達600GB。

HP Z800工作站還提供了磁盤陣列的選項。其中對于ANSYS Mechanical求解最有意義的應該是RAID 0選項，用多塊硬盤組成條帶(Stripped)可成倍提升磁盤讀寫性能。但RAID 0中的任意一塊硬盤的損壞，將造成整個RAID0分區的破壞，因此RAID 0不適合做系統盤，只適合做工作目錄，求解結束后，建議盡快將文件備份到非RAID 0分區。

SSD可提供比SAS 15K硬盤更高的持續讀寫速率。可用多塊SSD配置成RAID 0，作為Windows操作系統的虛擬內存(或Linux系統的swap)和ANSYS Mechanical的工作目錄。以下在一臺HP Z800工作站上用4塊HP 160GB SATA X25-M配置成RAID 0作為ANSYS Mechanical工作目錄，在求解ANSYS V13cg-2標準測試算例，與普通單塊SATA 7200 RPM硬盤相比可縮短高達30%的求解時間。

 總之，運行ANSYS Mechanical應選擇SAS 15K, SSD或RAID 0(非系統分區)等高持讀寫速率的磁盤系統作為工作目錄。

4.CPU+GPU加速運算帶來成倍性能提升

ANSYS Mechanical 是全球范圍內第一款支持GPU計算的商業有限元分析軟件。目前支持NVIDIA Tesla系列(如C2050/2070等)和NVIDIA Quadro 6000。HP Z800工作站最多可支持2塊TESLA C2050或C2070。以下是我們在一臺HP Z800上測試的結果。 

 這臺HP Z800的配置為：2顆Intel Xeon X5680, 3.33Ghz, 6C，1塊NVIDIA Tesla C2070， 64GB(4x8GB+8x4GB) DDR3 1333 Reg. ECC內存, 4XIntel X-25M SSD RAID 0, Windows Server 2008 R2, CUDA 3.2。應用軟件為ANSYS 13.0 for Windows x64，測試算例為V13sp-5, Turbine, Sparse solver, symmetric matrix, 2,100K DOFs, static, nonlinear, structural analysis with 1 iteration。

從測試結果來看，使用2個CPU核時，1個GPU帶來近3倍的性能；使用8個CPU核時，1個GPU帶來近1.57倍的加速；使用12個CPU核時，1個GPU帶來近1.36倍的性能。

對于ANSYS Mechanical商業用戶，如果有ANSYS HPC PACK，允許運行8個CPU核計算的同時可附加1個GPU加速計算，可帶來50%的性能提升，已經是相當可貴了。對于ANSYS Academic用戶，每個ANSYS Mechanical計算任務允許4個CPU核計算的同時附加1個GPU計算。上述算例用ANSYS 14.0 Preview 2運行4個CPU核附加GPU，可獲得近2.37倍的性能，GPU加速效果更明顯。

NVIDIA Quadro 6000不僅可提供頂級的圖形處理性能，其6GB的GDDR5顯存，還非常適合ANSYS Mechanical的GPU求解。比如在ANSYS Mechanical前后處理時可用GPU做復雜模型的圖形處理，而在求解時則用于加速求解，達到一卡兩用的效能。需要注意的是Quadro 6000進行GPU計算時，可能造成圖形操作緩慢，如果在求解時也需要同進進行其他模型的圖形操作(例如Workbench支持后臺求解)，則建議配置一塊中高端的圖卡(例如NVIDIA Quadro 2000/4000/5000)再加一塊C2050/2070。

總之，ANSYS支持GPU計算，加速效果非常明顯。

綜上所述，CPU、內存、磁盤和GPU是決定ANSYS Mechanical計算性能的4個關鍵因素，而Z800作為惠普工作站旗艦機型，其在設計之初就將如CPU、內存等關鍵部件的協作性能調配到最佳。除此之外，惠普Z800在穩定性、兼容性以及可擴展性上亦表現非凡。其內部模塊設計方便管理升級，獨特的液冷及優化排風系統滿足長時間開機運算的環保及降噪要求。安世亞太將繼續與惠普工作站一起，根據ANSYS Mechanical對系統資源的需求的特性、分析求解的問題的種類和規模、資金預算等諸多因素，結合最新的技術，為不同用戶配置適合自身需求的“完美”的工作站整體解決方案。