說起多物理場仿真，必然繞不開COMSOL Multiphysics。
不局限于究竟是哪種物理場，不局限于物理場之間如何實現(xiàn)耦合。COMSOL提供統(tǒng)一的數(shù)值仿真平臺，使用相同的操作界面和工作流進(jìn)行不同類型的數(shù)值仿真，可以說十分優(yōu)秀了。

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

今天我們以一個高校用戶為例，講講我們在COMSOL實際運用過程中，除了速度和效率的提升外，還幫他們解決了哪些問題？
比如：
Windows還是Linux？
這是個問題關(guān)于多機(jī)并行，有多少種不同的打開方式
一旦用了外部資源，比如超算，本地機(jī)器閑置了，就問你心不心疼？
本地環(huán)境維護(hù)，就問你操不操心？
老師的需求：既要，又要，還要，一把滿足，這真實嗎？
……
所以，現(xiàn)在可以發(fā)Nature了嗎（劃掉）

用戶需求

某高校課題組有5臺工作站，雖然機(jī)器比較老舊，但平時大家協(xié)商著劃分時間輪流跑任務(wù)，甚至還有排半夜的。整體來說，資源也勉強(qiáng)夠用。
最近該課題組新增了幾名成員，并申請到了幾個科研項目，需要使用COMSOL做大量仿真計算，這就直接導(dǎo)致了計算資源捉襟見肘。

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

實證目標(biāo)

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

實證參數(shù)

平臺：fastone企業(yè)版產(chǎn)品 

應(yīng)用：COMSOL Multiphysics 

場景：電磁場分析、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：計算優(yōu)化型實例/網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實例

架構(gòu)圖：

實證過程

一、Windows還是Linux？這是個問題

COMSOL同時支持Windows和Linux系統(tǒng)的集群計算。用戶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，一切都要錢的。
單機(jī)跑的情況下，這不是什么大問題。但一旦涉及到多機(jī)多核運行任務(wù)，問題就大了。

比如：主流云廠商對不同操作系統(tǒng)鏡像有不同的定價方式。整體來說，通過Windows系統(tǒng)使用云資源價格比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。
總之，不是長久之計。 

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，我們支持用戶在Linux系統(tǒng)中使用圖形化界面操作COMSOL任務(wù)，用戶只需熟悉一下Linux的常用操作與工具（如瀏覽器、文本編輯器），即可在很短的時間內(nèi)上手，操作習(xí)慣幾乎無需改變。

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

二、多機(jī)并行，不同的打開方式?jīng)Q定了運算效率 根據(jù)我們的經(jīng)驗，COMSOL的情況與Fluent類似。
當(dāng)核數(shù)較低時，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)點間通信開銷指數(shù)級上升，性能的提升會隨著線程數(shù)增長逐漸變緩。關(guān)于如何解決節(jié)點之間數(shù)據(jù)交換造成的通信開銷問題，可以參考Fluent和LS-DYNA這兩個應(yīng)用實證：
LS-DYNA求解效率深度測評 │ 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仿真計算縮短到4天之內(nèi)？

下圖可以看到我們推薦用戶使用的網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實例對比計算優(yōu)化型實例的效果。

基于Linux系統(tǒng)多機(jī)模式計算，在云端使用16-96核不等的計算資源運行兩組COMSOL任務(wù)，可以觀察到當(dāng)計算資源線性增加時，任務(wù)耗時呈線性減少。
網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實例可以有效解決COMSOL任務(wù)通信開銷問題。

 fastone平臺可以根據(jù)用戶需求和任務(wù)特性，為用戶推薦最適配的云端配置。
甚至，我們的Auto-Scale功能可以根據(jù)不同的用戶策略，比如成本最優(yōu)還是時間優(yōu)先，自動化跨區(qū)、跨類型為用戶調(diào)度云資源，完成計算任務(wù)。

至于不同策略具體怎么落地執(zhí)行？
相比時間優(yōu)先策略，成本優(yōu)先怎么做到降低成本最多達(dá)67%-90%？
在這篇實證《生信云實證Vol.3：提速2920倍！用AutoDock Vina對接2800萬個分子》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)性能也提升了超過三分之一。

關(guān)于單機(jī)和多機(jī)計算背后的詳細(xì)原理和意義，可以參考VCS應(yīng)用實證《EDA云實證Vol.7：揭秘20000個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《國內(nèi)超算發(fā)展近40年，終于遇到了一個像樣的對手》

三、多人并行又是個什么東西？ 

多機(jī)并行有了，多人并行又是個啥？

如果在本地工作站場景，多人并行就是幾臺機(jī)器就是幾個人用唄。使用我們平臺，用戶數(shù)量和機(jī)器數(shù)量不再直接掛鉤。更不用說云端無限資源帶來的幾乎無限的人員擴(kuò)容空間了。
這就不可避免地涉及到了權(quán)限和角色管理的問題。fastone平臺的權(quán)限和角色管理功能，支持管理員角色對每一個用戶進(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，簡單來說就是，要啥有啥。 

四、本地云端統(tǒng)一平臺，既不操心，又不心疼，還劃算，還簡單 

1、當(dāng)然是大大優(yōu)化整體效率。
由于課題組在平臺上跑的應(yīng)用遠(yuǎn)不止COMSOL一種，fastone平臺可對不同應(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，用滿不心疼
課題組導(dǎo)師覺得放著本地工作站不用簡直就是“浪費”。在獲取外部資源的同時，還是希望能夠?qū)⒈镜氐墓ぷ髡举Y源給充分利用起來，不然可太心疼了，畢竟當(dāng)年也是花大價錢買來的。 

我們?yōu)檎n題組提供了一個混合云平臺。

當(dāng)用戶處理日常任務(wù)時，可以只在本地運行。
而當(dāng)本地資源不足以應(yīng)付時，直接自動連接云端海量資源進(jìn)行運算，操作相當(dāng)方便，完全不改變用戶的操作習(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，一天天地忙著維護(hù)環(huán)境，整得跟運維工程師一樣了，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，本專業(yè)要學(xué)的東西已經(jīng)多到爆炸，又要理論還要搞實驗，還要學(xué)大量計算機(jī)專業(yè)知識……

我們的云上運行環(huán)境都是自動化配置的，不需要人工干預(yù)，用戶還可以通過平臺進(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、超算資源是無法與本地資源做成一個整體平臺，統(tǒng)一管理的。所以，既沒有整體監(jiān)控和管理，又沒有混合云，還沒有自動化維護(hù)。
當(dāng)然，Auto-scale也肯定沒有。

下圖是開啟Auto-Scale功能后，用戶某項目一周之內(nèi)所調(diào)用云端計算資源的動態(tài)情況。

2、不同于超算的共享模式，我們提供的是絕對不會被搶走的獨占資源。
這點可太重要了：
1）云資源在任何情況下都不用會被搶走。而超算由于要優(yōu)先服務(wù)國家級科研項目，在某些情況下，即便已經(jīng)分配到的超算資源，也有可能會被無條件收回；
2）可根據(jù)用戶的習(xí)慣和應(yīng)用的特性自由選擇操作系統(tǒng)，沒有任何限制；
3）提供完全開放的管理員權(quán)限，應(yīng)用安裝靈活，且fastone針對市面上常見企業(yè)級應(yīng)用均進(jìn)行過云原生優(yōu)化，可隨時提供技術(shù)指導(dǎo)；
4）用戶可隨時安裝所需的依賴組件。
5）獨占資源，安全。

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實證小結(jié)

1、fastone平臺完美支持COMSOL的基于不同用戶策略的多機(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，完全不浪費本地資源，本地資源不足時自動溢出到云端，操作還簡單，提高整體效率；
3、fastone平臺提供獨占資源，絕不會被搶走，開放管理員權(quán)限，安全靈活；
4、fasonte平臺環(huán)境完全自動化配置，無需手動維護(hù)，省事。

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

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

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

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

- END -

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