案例应用 | PhySim针对大规模电磁问题的加速方案

电磁仿真技术是一种基于计算机模拟的手段，用于分析和预测电磁场的分布、电磁波的传播特性以及电磁场与物质之间的相互作用。该技术能够在较短的时间内完成复杂的电磁场计算，显著提升研究和开发的效率。通过电磁仿真，研究者能够深入理解电磁现象，为电磁系统的设计和优化提供坚实的理论基础。鉴于电磁技术在现代科技中的广泛应用，电磁仿真已成为电磁系统设计、开发和优化中不可或缺的工具。

然而，在处理大规模电磁问题时，这不仅要求我们选择一个适用于大规模问题求解的算法，还必须具备处理复杂问题的精确计算能力。在这种情况下，我们面临的难点和挑战主要包括：单一的电磁算法无法解决电大尺寸与复杂细节并存的问题; 庞大且复杂的几何细节使得传统的网格剖分技术难以应对; 大规模问题的求解需要高效的并行技术与匹配的计算能力。

PhySim Mulan系列仿真软件中的ACEM，拥有有限元算法FEM、FDTD时域算法等混合求解算法，以及新型高效的网格剖分iMESH技术，开发了两种HPC模式用于加速计算，以应对大规模电磁问题的加速方案。 单机HPC：即将完整任务拆分成多个子任务，派分至同一台机器中并行计算，适用于核数较多的服务器; 多机HPC：与单机HPC类似，但却是将子任务派分至不同的机器中进行并行计算，适用于需要使用更多资源来加速大尺寸模型求解的场景。

案例演示1：

本图表展示了在相同案例(CASE)、配置和资源条件下，普通模式与单机HPC模式的效率对比： 在同样是60core的资源下，普通模式耗时5.68小时， 而单机HPC拆分成了3个子任务，总资源同样为60core，耗时仅为3.28小时 即：单机PHC模式相比普通模式，在同资源情况下效率可提升约73%

案例演示2：

本图表展示了在相同案例(CASE)、配置和资源条件下，普通模式与多机高性能计算(HPC)模式的效率对比。需要注意的是，HPC模式的并行效率受到数据传输时间、服务器响应延迟、内核间运算差异以及不同机器间运算效率不一致等多种因素的影响，因此其效率无法实现100%： 在单个任务仅20core的资源下，普通模式需耗时8.13小时; 而多机HPC拆分成了9个子任务，单个子任务20core，总资源占用为180core，耗时仅为1.28小时 即：多机HPC效率相比普通模式效率可提升约6.3倍;(多机HPC可以调用更多机器的资源用于加速仿真求解)

综合评估：HPC并行任务数量翻倍，效率提升约在70%~95%之间。

然而，HPC并不是技术的顶点。随着深度学习及其他人工智能技术的飞速进步，对计算资源的需求持续攀升。图形处理单元(GPU)在人工智能计算能力的增强中发挥了至关重要的作用。相比于HPC并行计算，GPU并行处理能力强、计算效率高、成本效益高、能耗较低，并且GPU在图形处理、深度学习、机器学习等领域有较好的应用表现，能够加速这些领域的计算任务。

GPU的并行计算架构使其能够高效地处理大规模数据集和复杂的神经网络模型，从而加速了训练和推理过程。GPU凭借其高效的并行计算性能，已成为训练深度神经网络和处理大规模数据的首选硬件平台。除了传统的图形处理单元，现代深度学习加速器(例如NVIDIA的Tensor Cores和Google的TPU)也在持续发展，进一步推动了人工智能计算能力的提升。

ACEM软件除了HPC加速计算模式，另有一套GPU加速技术，充分发挥GPU显卡中众多流处理器的并行计算潜力，从而加速了仿真问题的求解进程。加速效率与CUDA核心的数量呈正比关系，该技术兼容包括GPU加速卡、专业图形显卡以及桌面游戏显卡在内的多种硬件平台。

此外，ACEM技术支持HPC和GPU并行计算，从而实现更强大的计算能力和更迅捷的处理速度。通过融合HPC与GPU并行计算，能够充分利用GPU的并行处理优势，加速HPC应用程序的运行。GPU能够同时执行多个计算任务，显著提升计算效率和性能。在高性能计算领域，GPU常用于加速科学计算、模拟、数据分析等任务，有效缩短计算时间并提升计算精度。

采用GPU进行并行计算亦可减少能源消耗和成本，因为相较于传统的CPU集群，GPU集群在执行相同计算任务时往往展现出更高的能效比。因此，结合HPC与GPU并行计算，能够实现更为高效、快速的计算过程，为科学研究、工程设计以及其他领域的计算需求提供更优质的支撑。

PCB案例GPU加速对比：

封装案例的GPU加速对比:

显而易见，将HPC和GPU并行计算技术集成到电磁仿真软件ACEM中，能够显著增强其处理大规模电磁问题的能力。借助GPU的并行处理能力，ACEM软件能够更迅速地执行复杂的电磁场计算与模拟任务，加快求解进程并提升计算效率。

写在最后

HPC与GPU加速技术的融合，为ACEM软件在处理大规模电磁问题时提供了更为强大的计算能力与加速处理速度。该技术的应用使得ACEM软件在电磁场的数值计算、分析及优化任务中能够实现更为迅速的完成，进而为用户提供更为高效和精确的仿真结果。这对于电磁兼容性分析、天线设计、电磁波传播等领域的工程师和研究人员而言，具有显著的学术价值和实际应用意义。