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一、CAE高性能计算简介 计算机辅助工程（CAE，Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续介质力学各类问题的一种重要手段。 近年来，高性能计算作为大规模CAE应用的基石，在工业和制造业领域的应用越来越普遍和广泛。从TOP500的统计信息来看，工业领域所占的比例在不断增加。2005年6月，工业用户使用的高性能计算机占到52.8％。而其中的半导体和制造业用户所占的比例相当可观。其中美国半导体公司大约有70台，美国Boeing有4台，Lockheed Martin有2台，德国BMW有7台，德国VW有2台，德国Siemens有2台。许多国际著名的制造业大公司已实现了产品的虚拟化设计和制造，并实现了全球资源共享，利用全新的理念设计产品。美国GM、美国GE、日本Nissan等公司都拥有总计算能力超过10万亿次的高性能计算机用于新产品的研发。Boeing公司在上世纪90年代就实现了无纸化设计。Boeing公司已宣布利用高性能计算机对航空发动机进行全物理过程的模拟仿真。主导世界制造业方向的大集团公司目前都拥有大量的超级计算机用于产品设计和数据处理，制造业信息化是知识经济时代企业核心竞争的必要组成环节。 中国在世界上有“世界制造中心”的称号，但是实际上我们的制造还大多数属于很简单的浅层面。更多的时候，通常的做法是产品在国外设计研发，在国内生产。不过，在如今，国内的制造业一方面有了自己的进步，另一方面，国外的知名企业也纷纷将自己的研发中心设置在了国内。在开始阶段，在国内作的研发可能还更多的出于本地化需求，不过，相信在不久的以后，会有更多的分析和研发需求会在中国出现。从设计产品的设计到研发到制造，整个环节都会在国内实现。目前，在汽车领域，国内的CAE进展的比较早。比如汽车的冲撞试验。 二、CAE应用软件的特点 一般说来，CAE分析主要包括前处理、计算分析和后处理这3个过程。前处理主要是建立问题的几何模型、进行网格划分、建立用于计算分析的数值模型、确定模型的边界条件和初始条件等；计算分析是对所建立的数值模型进行求解，经常需要求解大型的线性方程组，这个过程是CAE分析中计算量最大、对硬件性能要求最高的部分；后处理则是以图形化的方式对所得的计算结果进行检查和处理。 CAE分析的一个重要特点是，主要采用国际上公认的大型商业软件进行分析和计算。目前，大部分国际工业界认可的计算机辅助工程软件几乎被美国垄断。比如ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、MSC.NASTRAN、PAM-CRASH等。大型商业软件通常都有自己的前后处理模块。此外也有一些通用的前、后处理软件，提供了对以上软件的接口，让用户只需要熟悉一个统一的操作界面，比如Hypermesh、MSC.PATRAN等。 根据求解算法的不同，CAE分析软件总体上可以分为隐式和显式两类。采用隐式算法的软件主要有ABAQUS/Standard、ANSYS、MSC.NASTRAN等，适合求解静力、模态、屈曲等问题；采用显式算法的软件主要有ABAQUS/Explicit、LS-DYNA、PAM-CRASH等，适合求解接触、碰撞、冲击等问题。 从对计算资源的需求来说，隐式解法的基本特点是内存占用多、磁盘IO大、进程通信量大，因此，隐式解法要求系统的内存容量大、访存带宽高、磁盘IO速度快、通信延迟低；相对而言，显式解法对内存、磁盘IO和通信延迟的要求要低一些。 从软件的扩展性上来说，隐式算法和显式算法有明显的区别。采用隐式算法的软件，扩展性比较差，计算性能在8-16 CPU以上就很难获得进一步的提升；而采用显式算法的软件，扩展性就要好得多，在64-128 CPU以内都能获得较好的并行性能。 从并行技术的角度来说，隐式算法通常采用OpenMP或者Pthreads等共享内存的方式实现，而显式算法通常采用MPI或者PVM等消息传递方式实现。采用共享内存方式的优点是实现容易，性能较高，但只能运行在SMP结构的服务器上；而消息传递方式则可适用于SMP或者DMP结构的服务器上。不过，随着集群计算的发展，SMP平台上的大多数算法也已移植到了DMP平台上，虽然并不完全。比如ABAQUS/Standard的Direct求解器和Lanczos特征值求解器就只支持Threads模式，因此必须采用SMP平台才能实现并行计算。 显式算法和隐式算法的比较
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