透過 GPU 加速 Ansys Mechanical 模擬

在時間和準確性都至關重要的工程模擬領域，對高效能運算 (HPC) 的需求從未如此明顯。對 Ansys Mechanical 結構有限元分析 (FEA) 軟體的使用者來說，經常會出現一個問題「GPU 可以加速我的 Ansys Mechanical 模擬嗎？」答案是可以的！圖形處理單元 (GPU) 能夠顯著提升 Ansys Mechanical 的模擬效能，讓工程師在不影響準確性的情況下，更快速地獲得模擬結果。

 

Ansys Mechanical 軟體透過 GPU 加速的歷史

在 Mechanical 軟體中， GPU 加速的歷程是一個不斷創新的故事。 Mechanical APDL（Ansys 參數化設計語言）一直是採用先進平行程式設計模型的先驅。 1990 年，Ansys 軟體首次推出對多 CPU 的支援，遠早於 OpenMP 等多執行緒標準廣受認可的時期。到了 2000年代初期，Ansys 又實現了一次飛躍，整合分散式記憶體平行處理，利用訊息傳遞介面 (MPI) 軟體實現了 CPU 之間的無縫數據通訊。

而真正的革新發生在 2010 年，當時 Ansys 成為第一家商業化支援 Mechanical APDL GPU 加速模擬的公司。從 NVIDIA GPU 開始，這一里程碑使得利用 GPU 強大的計算能力，來加速方程求解器和其他關鍵模擬過程成為可能。從此 GPU 加速的能力不斷增強，為各種功能、作業系統和硬體平台提供強大的支援，同時保持了 Ansys 一貫的卓越精度。

Ansys 軟體中 GPU 加速的獨特之處在於其設計理念，該功能並非僅限於專門的應用程式，而是一個強大、可擴展的解決方案，夠無縫地整合到主流的模擬工作流程中，並提供與傳統 CPU 計算結果相當的精確度。

 

Ansys 軟體支援的 GPU 以及啟用方法

Mechanical APDL 支援來自領先製造商的各類 GPU 選項，包括 NVIDIA 和 AMD。對於 NVIDIA 的使用者，我們強烈建議使用高階的 RTX 顯示卡（以前稱為 Quadro）或是像A100 或 H100 這樣的數據中心 GPU。而在 AMD 方面，MI Instinct 系列 GPU 則提供了最佳的加速模擬效能。

而啟用 GPU 加速是一個非常簡單的過程，透過 Ansys Workbench 平台使用 Mechanical 軟體的使用者，請前往「Solution Process Settings」對話框，在 Advanced Settings 部分，從下拉式選單中選擇 NVIDIA 或 AMD GPU 硬體，此設定會讓軟體檢查 GPU 硬體，以及驗證所需的 HPC 授權，並啟動 GPU 的求解器運算加速功能。

如果您是直接使用 Mechanical APDL，則需要在進行模擬時加入-ACC命令列選項來啟用GPU加速，這些簡單的步驟釋放了 GPU 加速的全部潛力，讓使用者可以在不同的工作流程中做使用。

 

了解方程式求解器和模擬類型

Mechanical 軟體中 GPU 加速功能的核心是方程式求解器，Ansys 提供了兩種主要的求解器：直接求解器和迭代求解器。

這兩種求解器都可以使用 GPU 硬體顯著加快運算速度，除了傳統的模擬之外，模態分析和屈曲分析等模式也能受益於 GPU 加速。而一些在求解階段需花費大量模擬時間的模型，例如具有複雜幾何形狀、精細網格或高自由度的模型，是 GPU 加速的理想選擇。

例如，龐大的 3D 模型或是具有高階元素的模型，通常涉及密集的有限元矩陣，這些模型在求解階段自然需要更多的運算資源，因此非常適合進行GPU加速。將這些運算任務轉交給 GPU，使用者可以節省大量時間，同時又保持高精度的結果。

 

如何選擇適合加速模擬的 GPU?

根據模擬需求選擇合適的 GPU 是至關重要的決定，並非所有 GPU 都有相同的特性，模擬效能的提昇很大程度上取決於硬體功能，以下是選擇 GPU 時需要考慮的關鍵因素：

• 雙精度運算能力：這對確保工程模擬的準確性至關重要
• 記憶體容量和頻寬：大型模型需要具有高記憶體容量和頻寬的 GPU ，才能夠有效處理複雜的運算
• 支援較新的 PCIe 標準：CPU 和 GPU 之間更快的資料傳輸，可最大限度地減少延遲並提高整體模擬速度

Ansys 的安裝指南中提供了建議的 GPU 詳細列表，包括記憶體容量、運算速度和估計成本等規格。像NVIDIA的A100和H100，或是AMD Instinct 的MI210這樣的高階GPU，都因為卓越的雙精度效能而脫穎而出，是高要求模擬的絕佳選擇。

 

GPU 加速模擬的性能基準測試

GPU 加速對模擬效能的影響最好透過基準測試來說明，讓我們來看看幾個例子：

• 直接求解器性能：使用 NVIDIA H100 GPU 測試一個 3D 引擎缸體模型，並將其網格化為實心元素。結果顯示，與僅使用 CPU 進行運算相比，方程式求解器的效能提高了 8.6 倍。

• 迭代求解器性能：使用 AMD 的 MI210 GPU 進行基準測試，凸顯了 GPU 加速的可擴展性。將一顆、兩顆和四顆 GPU 串聯使用，可顯著提高迭代求解器的效能，可擴展性讓使用者能夠根據自身的效能需求，量身定制硬體配置。

這些例子強調了 GPU 加速的變革潛力，透過縮短複雜模擬所需的時間，GPU 讓工程師可以探索更多的設計迭代，最佳化工作流程並更快地將產品推向市場。

 

借助 NVIDIA H100 PCIe，在四個 CPU 核心上實現速度提高 8.6 倍的 Ansys Mechanical 求解器效能。

 

使用四個 AMD MI210 GPU 在四個 CPU 核心上實現高達 24 倍的 Ansys Mechanical 求解效能提升。

 

GPU 加速模擬為何如此重要?

GPU 加速的好處不僅在於速度，在當今快節奏的工程環境中，節省時間將直接轉化為競爭優勢，透過加速模擬，GPU 可協助工程師：

• 在更短的時間內進行更多的設計迭代
• 模擬更大、更複雜的模型，而這些模型在傳統運算上可能無法實現
• 加速從產品設計到驗證的關鍵工作流程

此外，GPU 加速還能減少傳統 CPU 模擬所帶來的瓶頸，確保運算資源能夠得到高效使用。

 

現在就開始使用 GPU 加速 Mechanical 模擬

在Mechanical模擬中使用 GPU 加速比想像中的還要容易，首先：

• 查看硬體需求並選擇建議的 GPU
• 在 Workbench 平台或 Mechanical APDL 中設定所需的配置
• 執行測試模擬，來評估效能提升

針對剛接觸 GPU 加速的新手使用者，Ansys 提供了全面的文件和支援資源，可引導您完成設定流程。此外，透過 Ansys 使用者社群，也能獲得寶貴的資訊和最佳的實踐方法。

 

使用 Ansys 軟體探索 GPU 的優勢

GPU 加速對 Mechanical 軟體使用者來說是一個重大的改變，透過 GPU 的強大功能，工程師能夠以前所未有的速度和效率處理更大、更複雜的模擬，無論您是在處理具有精細網格的 3D 模型，還是探索新的設計可能， GPU 都能提供突破界限和實現更好結果所需的運算能力。

觀看 Ansys 高級首席研發工程師 Jeff Beisheim 的影片，他將幫助您對下一次 GPU 投資做出明智決策。

 

參考資料：Ansys Blog

 

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