航空航天空气动力学高性能计算解决方案

科百华科技集团定位为国内高性能计算领域的领军企业。公司自成立以来便专注于推动我国航天事业的技术发展，在这一领域内取得了一系列突破性进展。通过持续的技术创新与研发投入，在为国家航天科技领域提供高效可靠的高性能计算解决方案方面取得了显著成效。

1．概述

传统的飞行器气动布局设计主要依赖理论研究估算、设计师的经验以及大量风洞试验的结果；风洞试验被视为主要的设计工具之一。随着计算机技术的飞速发展，在航空空气动力学领域已掀起了一场革命；计算流体动力学正在以准确模拟粘性流场中的物理现象为核心目标；特别关注于精确预测流动分离点、起始转捩过程以及复杂湍流流动特征。

1.1.国外发展概况

美国

美国在空气动力学研究与发展的领域始终位居世界前列，在开发新型飞行器、航空技术革新、科研项目及试验测试等方面表现尤为突出。通过持续的技术创新与研发投入，在航空技术发展方面处于全球领先地位的同时，在军事领域也展现出巨大的应用潜力与战略意义。为了推动气动技术的进步，在气动力相关领域的研制工作上投入巨大资源，并建立了多套综合性的地面试验设施用于各种飞行器的开发。拥有70余座配备高速与低速组合系统以及尺寸规格配套的综合型风洞用于科研生产和飞行器试制。这种领先的技术发展能力不仅推动了航空事业的进步，在军事领域也有着重要的应用价值。

长期以来,美国充分发挥其处于世界领先地位的计算机软硬件设施,积极投入计算流体动力学(CFD)技术研发,斥资建设数值模拟中心,将该技术向工程领域进行推广应用.特别是在航空及航天飞行器的气动优化设计过程中,引入先进CFD技术显著缩短了设计周期,大幅降低了研发成本,实现了飞机气动性能的重大提升.

欧洲

就整体水平而言，在空气动力学相关研究领域上稍逊于美国的欧洲主要集中在德国、法国和英国等国家。因财政投入方面的原因，在高超声速飞行器研究领域上欧洲明显落后于美国。然而，在气动试验基础设施方面欧洲仍具一定的优势表现：例如在跨声速风洞领域的试验能力和效率显著领先于现有存在的美国风洞系统。

英国航空航天界人士普遍认为目前空气动力学已高度发达但仍处于发展阶段未来的发展目标应致力于开发先进、高效且具有广泛适用性的解决方案以优化气动性能并降低运营成本为目标设计机翼结构在该领域中对CFD技术的研究进展具有重要优先性研究的重点仍在于提升计算精度和拓展应用范围特别是在处理复杂流动特性（粘黏性和非定常流）的计算方面

俄罗斯

作为世界领先的航空航天国家之一，在空气动力学领域的理论研究及实验能力方面始终处于世界领先地位，并且在基础理论研究领域具有明显的优势；但在计算流体动力学（CFD）相关技术的发展上相对落后于美国。通过分析美俄及欧俄联合开展的气动技术研究发展项目可以看出，在这项合作中俄罗斯主要贡献了新的设计理念和技术方案；而相应的数值模拟及实验工作通常由西方国家负责。

中国

新中国成立以来, 一直将发展航天航空技术作为国家战略性目标. 在老一辈空气动力学专家的引领下, 经过几十年来的持续努力, 在空气动力学领域已取得重大研究成果. 并从而使得我国跻身于世界航天航空大国之列. 现目前, 中国在航天航空研发机构中主要包含三个部分:

航天科技集团与航天科工集团所属多个研究所（如一院、二院等）开展各项研究工作

其次就是国防科技工业委员会所属的重点高校中的一部分，在这些高校中涵盖了北京航空航天大学、西北工业大学以及哈尔滨工业大学等学府；另外，在清华大学和上海交通大学等国内知名学府也都设立了航天航空气动力学相关专业。

在我国承担军用与民用飞机设计的主要力量是由国内知名的飞机设计院如西 fly 集团有限公司（西 fly）、成都飞机工业集团有限公司（成 fly）以及沈阳平面工业集团有限公司（沈飞）组成的团队；这些机构不仅致力于推动技术创新，在位于陕西阎良、四川成都以及辽宁沈阳等地设有多个航空技术研发中心。近年来成功推出了包括"歼 10"型战斗机、“歼-16”型轰炸机、“运-20”型大型运输机等多种高端机型；同时也在不断深化对大飞机领域的自主研发能力。

1.2.CFD方法发展与挑战

随着Computational Fluid Dynamics（CFD）技术的迅速发展及其在军事与民用飞行器气动力设计中的广泛应用,无粘Computational Fluid Dynamics（CFD）流场预测技术已达到高度成熟,并在先进战斗机的整体模拟中得到广泛应用。例如，在F-22战斗机的试飞过程中,出现了垂尾抖振现象,而通过风洞试验未能准确揭示其振荡根源,然而CFD计算却成功地预测出这一现象是由进气道产生的第二个分离涡拖出后扫至垂尾造成的,从而为设计师提供了重要的理论依据来采取相应措施加以解决

该类算法在1970至1985年间呈现出较快的发展态势。其后的发展速度较为平稳。值得注意的是，在工程应用方面的发展较为缓慢。尽管在提升求解效率方面取得了一定进展。优化改进该类算法不仅需要提升运算效率还需兼顾求解精度的提升。从该类算法的发展历程分析可知：优化求解精度的过程中往往需要付出运算时间翻倍的代价：实现精确求解与控制运算时间同步增长成为未来该类算法发展的主要挑战

CFD发展的主要目标是代替昂贵的地面试验和飞行试验来验证新的技术或飞机概念，并成为一种经济可行的手段来准确预测气动力学、力矩和载荷。然而，实现这一目标的主要瓶颈是对粘性流场物理现象建模的能力。特别是要用来精确预测流动分离点、转捩过程以及湍流流动等关键参数。

随着计算流体动力学（CFLD）在空气动力学设计中的日益重要性而产生的影响，在一定程度上引发了对传统风洞试验方法被误解的现象；然而有观点认为，在未来的发展趋势下可能无需依赖传统的风洞测试手段即可完成气动设计工作；然而实际上这种看法是不准确的

调查表明，在CFD应用于飞机设计之前（即未采用CFD时），随着新型号飞机的复杂程度逐步增加（即随着飞机型号复杂度的提升），风洞试验所需小时数急剧上升（即增长速度非常快）。然而，在应用了CFD之后（即采用了CFD之后），其增长速度趋于平稳（即变得较为平稳）。尽管如此，在当前技术水平下（即使在现有技术条件下），仍然需要至少1万小时以上的风洞试验时间，并且对于那些高度复杂且性能要求极高的先进战斗机来说（特别是对于那些高度复杂且性能要求极高的先进战斗机来说），所需风洞试验时间将更加庞大。

在发展第四代先进战斗机F-22的过程中，在1991年至1996年的五年间内

其必要性不可替代主要源于现代飞机涉及多学科的复杂性

2．方案

曙光公司作为国内领先的高性能计算[High-performance Computing, HPC]系统提供商多年专注于为我国航空航天领域提供先进解决方案并推动空气动力学数值模拟技术的发展

曙光公司推出了其高性能计算解决方案系列产品的涵盖工作群架构产品线，并基于集群架构进行了产品布局。自2002年以来，在数量与销售额方面，集群均呈现快速增长态势，并已成为了高性能计算领域的主要体系结构，在国内排名前十强的企业中占据了超过95%的比例。然而，在发展过程中也面临着越来越多的技术挑战与运营难题。根据IDC的数据统计显示，在当前系统架构中占据主要地位的集群系统所面临的主要瓶颈是服务器热管理问题以及系统的可管理性问题日益凸显。随着计算规模的持续扩大化发展需求不断攀升，在运算节点数量达到561个的情况下（以上海超级计算中心为例），这些运算节点所产生的物理空间需求已超过了常规场地所能容纳的最大容量限制，并且每年所需电费支出高达数百万元人民币的情况依然持续存在。这种现状表明当前市场状况尚显严峻

2007年5月，在高性能计算领域具有里程碑意义的一年里刀片，曙光公司正式发布了基于TC2600平台的创新性解决方案—— million-ops-per-second超级服务器系统服务器。该系统经过深入研究与整合后成为集高效计算理念于一体的完善产品。

2.1曙光TC2600刀片引领“高效能计算”

随着高性能计算逐渐向高效能服务转型

2.1.1优异的系统平衡架构设计

在TC2600刀片服务器的设计初期阶段,本项目团队全面考察了市场上多种品牌机架式刀片服务器产品的架构特点,并对其主要的技术性能指标展开深入探讨.通过精确的功耗计算,我们明确了各方案之间的能耗差异.此外,我们还对当前CPU与存储系统的演变趋势展开了深入研究,并重点评估了当前高性能网络技术的发展现状.基于这些研究成果,最终采用了每7U托管10个Compute Node的产品架构设计,以实现计算密度与系统I/O带宽和散热能力之间的最佳平衡.

从带宽与延迟的角度来看，在刀片服务器性能方面确实存在瓶颈问题。特别是在曙光刀片服务器系统中这一情况表现得尤为明显——整个刀片背板总带宽达到了950Gb（即950千兆比特每秒），而信号传递的时间仅限于纳秒级别（即十亿分之一秒）。这不仅显著提升了系统的传输效率，并且有效地实现了计算能力和I/O能力之间的最佳平衡状态（即两者之间找到了最优结合点）。此外，在背板的后端部分引入了PCI-E总线接口，并根据系统需求灵活配置了多种高速交换设备（包括InfiniBand交换器、Myrinet交换器、ASIC专用交换器以及光纤通信（FC）交换器等）。

在该处理器平台上，在每个刀片上可配置双核或四核心AMD Opteron处理器，在每台机柜内最多可配置80个处理器核心的能力下运行；该平台还支持最高浮点峰值计算能力达每秒8,000亿次/刀片（基于2.5 GHz主频、采用四核Barcalona架构设计的单个处理单元）！

2.1.2节能设计提高能耗比

为减少能源消耗, 光星刀片服务器主要通过多元化的节能方案实现高效运营, 具体包括以下三个方面:

根据实时功耗确定工作电源个数，使电源工作在最佳效率曲线上。

基于AMD领先的"PowerNow"技术对计算刀片操作系统内核进行优化设计,以提高能效水平.

采用先进的散热技术组合（...）精密的专用散热通道与智能调节的风扇系统优化能效表现（英文原文），确保系统在高效运行的同时维持较高的计算密度。

2.1.3高性能的Infiniband模块设计

曙光TC2600刀片主要服务于大规模集群计算市场，并非仅依靠内置的千兆交换机功能及PassThrough技术即可满足需求；此外它还支持采用20G高速Infiniband技术进行数据传输。与IBM及 HP 等公司采取的方式不同的是，在该设备内部整合了10块 HCA 卡芯片以及一块 24 口交换机芯片；无需额外配置 HCA 子卡于每个刀片上；这种全自主设计使得设备的成本较传统依赖 HCA 子卡与外置交换机组合的方式更具优势

2.1.4创新的IOE扩展模块

I/O扩展能力一直是刀片服务器系统的一个常见问题。当刀片服务器需要扩展功能时，通常采用主板子卡的形式进行扩展，并且这种形式通常仅限于单一功能模块的拓展。曙光TC2600创新性地解决了长期以来制约该领域发展的技术难题。该创新性解决方案通过为每个刀片单独配置 dedicated PCI-E expansion slots实现了灵活多样的兼容性配置。具体而言，在支持主流的网卡类型及PCI-E加速控制器（如FC HBA、iSCSI HBA和Infiniband HCA等）的基础上，并结合现代计算需求的变化趋势，在设计中充分考虑了未来可扩展性的需求。

2.2方案选择

该刀片服务器单机柜配备的标准配置能够支撑最多80个并行计算核以及80GB内存的运行，并可处理最大值为8千万网格单元的空气动力学CFD模拟（包括显式求解与分离求解两种方法）。以Fluent为例, 下表列举了不同计算模式下计算模型对系统硬件资源主要是内存的需求

假设系统内存能够满足所需计算模型的需求，在这种前提下

我们以大、中、小三种规模Prepare了3套基于TC2600刀片服务器的集群方案，并可供用户选择：

3．结论

CFD高性能计算技术正逐步取代传统的风洞试验，在航空航天飞行器空气动力学设计中发挥着越来越重要的作用。曙光公司凭借在高性能计算领域的深厚积累，在标准化的产品线方面提供了丰富多样的集群系统解决方案。最新推出的TC-2600刀片集群系统凭借其卓越的性能和稳定性，在市场中占据了重要席位，并被认为是实现高效能计算的理想方案。