說(shuō)起多物理場(chǎng)仿真，必然繞不開(kāi)COMSOL Multiphysics。
不局限于究竟是哪種物理場(chǎng)，不局限于物理場(chǎng)之間如何實(shí)現(xiàn)耦合。COMSOL提供統(tǒng)一的數(shù)值仿真平臺(tái)，使用相同的操作界面和工作流進(jìn)行不同類(lèi)型的數(shù)值仿真，可以說(shuō)十分優(yōu)秀了。

從1998年發(fā)布首個(gè)版本至今，COMSOL一直在持續(xù)進(jìn)化，如今它已經(jīng)有了30多個(gè)針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)模塊，涵蓋力學(xué)、電磁場(chǎng)、流體、傳熱、化工、MEMS、聲學(xué)等專(zhuān)業(yè)學(xué)科，并可以將不同的物理問(wèn)題關(guān)聯(lián)起來(lái)，方便研究不同物理過(guò)程之間的相互作用。
越來(lái)越多Nature、Science及其子刊論文都用到了COMSOL模擬。

今天我們以一個(gè)高校用戶(hù)為例，講講我們?cè)贑OMSOL實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，除了速度和效率的提升外，還幫他們解決了哪些問(wèn)題？
比如：
Windows還是Linux？
這是個(gè)問(wèn)題關(guān)于多機(jī)并行，有多少種不同的打開(kāi)方式
一旦用了外部資源，比如超算，本地機(jī)器閑置了，就問(wèn)你心不心疼？
本地環(huán)境維護(hù)，就問(wèn)你操不操心？
老師的需求：既要，又要，還要，一把滿(mǎn)足，這真實(shí)嗎？
……
所以，現(xiàn)在可以發(fā)Nature了嗎（劃掉）

用戶(hù)需求

某高校課題組有5臺(tái)工作站，雖然機(jī)器比較老舊，但平時(shí)大家協(xié)商著劃分時(shí)間輪流跑任務(wù)，甚至還有排半夜的。整體來(lái)說(shuō)，資源也勉強(qiáng)夠用。
最近該課題組新增了幾名成員，并申請(qǐng)到了幾個(gè)科研項(xiàng)目，需要使用COMSOL做大量仿真計(jì)算，這就直接導(dǎo)致了計(jì)算資源捉襟見(jiàn)肘。

現(xiàn)在的問(wèn)題點(diǎn)主要有三個(gè)：
1、人多了，難管理，資源利用率整體很低；
2、他們也用過(guò)超算，但是資源是共享的，有隨時(shí)被搶走的風(fēng)險(xiǎn)，心里沒(méi)底，而且沒(méi)法跟本地連到一起來(lái)用；
3、本地的各種維護(hù)工作，應(yīng)用升級(jí)，安裝配置等工作非常繁瑣，需要耗費(fèi)大量時(shí)間手工操作。

實(shí)證目標(biāo)

1、COMSOL任務(wù)能否在云端跑得更快？
2、fastone平臺(tái)的云解決方案能否同時(shí)利用好課題組的本地資源？
3、fastone平臺(tái)的資源能否提供更大的用戶(hù)權(quán)限？
4、fastone平臺(tái)能否將各種維護(hù)工作降到最低？

實(shí)證參數(shù)

平臺(tái)：fastone企業(yè)版產(chǎn)品 

應(yīng)用：COMSOL Multiphysics 

場(chǎng)景：電磁場(chǎng)分析、風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪音分析、HVAC導(dǎo)管流線分布等 

系統(tǒng)：Windows/Linux 

云端配置：計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例/網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例

架構(gòu)圖：

實(shí)證過(guò)程

一、Windows還是Linux？這是個(gè)問(wèn)題

COMSOL同時(shí)支持Windows和Linux系統(tǒng)的集群計(jì)算。用戶(hù)一直使用的是較為熟悉的Windows版本。 

現(xiàn)在，讓我們默念三遍：Windows的世界，一切都要錢(qián)的。
單機(jī)跑的情況下，這不是什么大問(wèn)題。但一旦涉及到多機(jī)多核運(yùn)行任務(wù)，問(wèn)題就大了。

比如：主流云廠商對(duì)不同操作系統(tǒng)鏡像有不同的定價(jià)方式。整體來(lái)說(shuō)，通過(guò)Windows系統(tǒng)使用云資源價(jià)格比Linux系統(tǒng)要貴。
因此，使用Linux替換Windows也可以有效節(jié)省成本。

所有，都要錢(qián)。
總之，不是長(zhǎng)久之計(jì)。 

而如何從Windows系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到Linux系統(tǒng)呢？
這就跟習(xí)慣了用Android系統(tǒng)的人，換成iOS一樣。一旦適應(yīng)，操作就如絲般順滑。
為了確保這一點(diǎn)，我們支持用戶(hù)在Linux系統(tǒng)中使用圖形化界面操作COMSOL任務(wù)，用戶(hù)只需熟悉一下Linux的常用操作與工具（如瀏覽器、文本編輯器），即可在很短的時(shí)間內(nèi)上手，操作習(xí)慣幾乎無(wú)需改變。

而這也為今后用戶(hù)在Linux上多機(jī)集群化跑COMSOL打下了省錢(qián)的基礎(chǔ)。

二、多機(jī)并行，不同的打開(kāi)方式?jīng)Q定了運(yùn)算效率 根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，COMSOL的情況與Fluent類(lèi)似。
當(dāng)核數(shù)較低時(shí)，性能提升與核數(shù)基本成正比；而當(dāng)云端核數(shù)逐漸增加后，由于節(jié)點(diǎn)間通信開(kāi)銷(xiāo)指數(shù)級(jí)上升，性能的提升會(huì)隨著線程數(shù)增長(zhǎng)逐漸變緩。關(guān)于如何解決節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換造成的通信開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題，可以參考Fluent和LS-DYNA這兩個(gè)應(yīng)用實(shí)證：
LS-DYNA求解效率深度測(cè)評(píng) │ 六種規(guī)模，本地VS云端5種不同硬件配置
怎么把需要45天的突發(fā)性Fluent仿真計(jì)算縮短到4天之內(nèi)？

下圖可以看到我們推薦用戶(hù)使用的網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例對(duì)比計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例的效果。

基于Linux系統(tǒng)多機(jī)模式計(jì)算，在云端使用16-96核不等的計(jì)算資源運(yùn)行兩組COMSOL任務(wù)，可以觀察到當(dāng)計(jì)算資源線性增加時(shí)，任務(wù)耗時(shí)呈線性減少。
網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例可以有效解決COMSOL任務(wù)通信開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題。

 fastone平臺(tái)可以根據(jù)用戶(hù)需求和任務(wù)特性，為用戶(hù)推薦最適配的云端配置。
甚至，我們的Auto-Scale功能可以根據(jù)不同的用戶(hù)策略，比如成本最優(yōu)還是時(shí)間優(yōu)先，自動(dòng)化跨區(qū)、跨類(lèi)型為用戶(hù)調(diào)度云資源，完成計(jì)算任務(wù)。

至于不同策略具體怎么落地執(zhí)行？
相比時(shí)間優(yōu)先策略，成本優(yōu)先怎么做到降低成本最多達(dá)67%-90%？
在這篇實(shí)證《生信云實(shí)證Vol.3：提速2920倍！用AutoDock Vina對(duì)接2800萬(wàn)個(gè)分子》里體現(xiàn)得十分明顯。

而即便是比拼單機(jī)性能，由于云上機(jī)型更新速度快，相比課題組本地老舊的工作站單機(jī)性能也提升了超過(guò)三分之一。

關(guān)于單機(jī)和多機(jī)計(jì)算背后的詳細(xì)原理和意義，可以參考VCS應(yīng)用實(shí)證《EDA云實(shí)證Vol.7：揭秘20000個(gè)VCS任務(wù)背后的“搬桌子”系列故事》
云上資源的更新有多快？看這篇《國(guó)內(nèi)超算發(fā)展近40年，終于遇到了一個(gè)像樣的對(duì)手》

三、多人并行又是個(gè)什么東西？ 

多機(jī)并行有了，多人并行又是個(gè)啥？

如果在本地工作站場(chǎng)景，多人并行就是幾臺(tái)機(jī)器就是幾個(gè)人用唄。使用我們平臺(tái)，用戶(hù)數(shù)量和機(jī)器數(shù)量不再直接掛鉤。更不用說(shuō)云端無(wú)限資源帶來(lái)的幾乎無(wú)限的人員擴(kuò)容空間了。
這就不可避免地涉及到了權(quán)限和角色管理的問(wèn)題。fastone平臺(tái)的權(quán)限和角色管理功能，支持管理員角色對(duì)每一個(gè)用戶(hù)進(jìn)行相關(guān)權(quán)限設(shè)定，包括預(yù)算使用上限和CPU核數(shù)使用上限。 

多機(jī)并行+多人并行，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，要啥有啥。 

四、本地云端統(tǒng)一平臺(tái)，既不操心，又不心疼，還劃算，還簡(jiǎn)單 

1、當(dāng)然是大大優(yōu)化整體效率。
由于課題組在平臺(tái)上跑的應(yīng)用遠(yuǎn)不止COMSOL一種，fastone平臺(tái)可對(duì)不同應(yīng)用、不同資源、不同成員的使用情況進(jìn)行整體監(jiān)控與評(píng)估，并為課題組提供合理化建議，極大地提升了整體效率。

2、本地工作站不再閑置，用滿(mǎn)不心疼
課題組導(dǎo)師覺(jué)得放著本地工作站不用簡(jiǎn)直就是“浪費(fèi)”。在獲取外部資源的同時(shí)，還是希望能夠?qū)⒈镜氐墓ぷ髡举Y源給充分利用起來(lái)，不然可太心疼了，畢竟當(dāng)年也是花大價(jià)錢(qián)買(mǎi)來(lái)的。 

我們?yōu)檎n題組提供了一個(gè)混合云平臺(tái)。

當(dāng)用戶(hù)處理日常任務(wù)時(shí)，可以只在本地運(yùn)行。
而當(dāng)本地資源不足以應(yīng)付時(shí)，直接自動(dòng)連接云端海量資源進(jìn)行運(yùn)算，操作相當(dāng)方便，完全不改變用戶(hù)的操作習(xí)慣。

3、本地軟硬件資源維護(hù)，不用操心
課題組的本地環(huán)境是需要持續(xù)維護(hù)的。有老師跟我們吐槽說(shuō)，一天天地忙著維護(hù)環(huán)境，整得跟運(yùn)維工程師一樣了，太耽誤事兒。想找學(xué)生幫忙吧，他們很多也不懂啊~老師們的碩博后們也苦不堪言，本專(zhuān)業(yè)要學(xué)的東西已經(jīng)多到爆炸，又要理論還要搞實(shí)驗(yàn)，還要學(xué)大量計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)……

我們的云上運(yùn)行環(huán)境都是自動(dòng)化配置的，不需要人工干預(yù)，用戶(hù)還可以通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理和監(jiān)控，方便易操作。

 五、超算，是完美的解決方案嗎？

1、超算資源是無(wú)法與本地資源做成一個(gè)整體平臺(tái)，統(tǒng)一管理的。所以，既沒(méi)有整體監(jiān)控和管理，又沒(méi)有混合云，還沒(méi)有自動(dòng)化維護(hù)。
當(dāng)然，Auto-scale也肯定沒(méi)有。

下圖是開(kāi)啟Auto-Scale功能后，用戶(hù)某項(xiàng)目一周之內(nèi)所調(diào)用云端計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)情況。

2、不同于超算的共享模式，我們提供的是絕對(duì)不會(huì)被搶走的獨(dú)占資源。
這點(diǎn)可太重要了：
1）云資源在任何情況下都不用會(huì)被搶走。而超算由于要優(yōu)先服務(wù)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，在某些情況下，即便已經(jīng)分配到的超算資源，也有可能會(huì)被無(wú)條件收回；
2）可根據(jù)用戶(hù)的習(xí)慣和應(yīng)用的特性自由選擇操作系統(tǒng)，沒(méi)有任何限制；
3）提供完全開(kāi)放的管理員權(quán)限，應(yīng)用安裝靈活，且fastone針對(duì)市面上常見(jiàn)企業(yè)級(jí)應(yīng)用均進(jìn)行過(guò)云原生優(yōu)化，可隨時(shí)提供技術(shù)指導(dǎo)；
4）用戶(hù)可隨時(shí)安裝所需的依賴(lài)組件。
5）獨(dú)占資源，安全。

關(guān)于超算與云計(jì)算在整體規(guī)模、使用體驗(yàn)、計(jì)費(fèi)方式、商用門(mén)檻、更新周期、合作生態(tài)、云端支持等方面的全方位對(duì)比，可以掃碼添加小F獲取完整版白皮書(shū)。

實(shí)證小結(jié)

1、fastone平臺(tái)完美支持COMSOL的基于不同用戶(hù)策略的多機(jī)和多人并行，可大大提升任務(wù)效率；
2、fastone支持搭建本地云端統(tǒng)一的混合云平臺(tái)，完全不浪費(fèi)本地資源，本地資源不足時(shí)自動(dòng)溢出到云端，操作還簡(jiǎn)單，提高整體效率；
3、fastone平臺(tái)提供獨(dú)占資源，絕不會(huì)被搶走，開(kāi)放管理員權(quán)限，安全靈活；
4、fasonte平臺(tái)環(huán)境完全自動(dòng)化配置，無(wú)需手動(dòng)維護(hù)，省事。

本次CAE行業(yè)Cloud HPC實(shí)證系列Vol.11就到這里了。下一期的CAE云實(shí)證中，我們聊Abaqus。

高效、方便、安全、穩(wěn)定、省錢(qián)……我們對(duì)于高校科研的提升遠(yuǎn)不止于此，更多有關(guān)fastone高校科研云平臺(tái)的疑問(wèn)與解答

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關(guān)于fastone云平臺(tái)在其他應(yīng)用上的具體表現(xiàn)，可以點(diǎn)擊以下應(yīng)用名稱(chēng)查看：

HSPICE │ Bladed │ Vina │ OPC │ Fluent │ Amber │ VCS │ LS-DYNA │ MOE Virtuoso

- END -

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