案例應用 | PhySim針對大規模電磁問題的加速方案

電磁仿真技術是一種基于計算機模擬的手段，用于分析和預測電磁場的分布、電磁波的傳播特性以及電磁場與物質之間的相互作用。該技術能夠在較短的時間內完成復雜的電磁場計算，顯著提升研究和開發的效率。通過電磁仿真，研究者能夠深入理解電磁現象，為電磁系統的設計和優化提供堅實的理論基礎。鑒于電磁技術在現代科技中的廣泛應用，電磁仿真已成為電磁系統設計、開發和優化中不可或缺的工具。

然而，在處理大規模電磁問題時，這不僅要求我們選擇一個適用于大規模問題求解的算法，還必須具備處理復雜問題的精確計算能力。在這種情況下，我們面臨的難點和挑戰主要包括：單一的電磁算法無法解決電大尺寸與復雜細節并存的問題; 龐大且復雜的幾何細節使得傳統的網格剖分技術難以應對; 大規模問題的求解需要高效的并行技術與匹配的計算能力。

PhySim Mulan系列仿真軟件中的ACEM，擁有有限元算法FEM、FDTD時域算法等混合求解算法，以及新型高效的網格剖分iMESH技術，開發了兩種HPC模式用于加速計算，以應對大規模電磁問題的加速方案。 單機HPC：即將完整任務拆分成多個子任務，派分至同一臺機器中并行計算，適用于核數較多的服務器; 多機HPC：與單機HPC類似，但卻是將子任務派分至不同的機器中進行并行計算，適用于需要使用更多資源來加速大尺寸模型求解的場景。

案例演示1：

本圖表展示了在相同案例(CASE)、配置和資源條件下，普通模式與單機HPC模式的效率對比： 在同樣是60core的資源下，普通模式耗時5.68小時， 而單機HPC拆分成了3個子任務，總資源同樣為60core，耗時僅為3.28小時 即：單機PHC模式相比普通模式，在同資源情況下效率可提升約73%

案例演示2：

本圖表展示了在相同案例(CASE)、配置和資源條件下，普通模式與多機高性能計算(HPC)模式的效率對比。需要注意的是，HPC模式的并行效率受到數據傳輸時間、服務器響應延遲、內核間運算差異以及不同機器間運算效率不一致等多種因素的影響，因此其效率無法實現100%： 在單個任務僅20core的資源下，普通模式需耗時8.13小時; 而多機HPC拆分成了9個子任務，單個子任務20core，總資源占用為180core，耗時僅為1.28小時 即：多機HPC效率相比普通模式效率可提升約6.3倍;(多機HPC可以調用更多機器的資源用于加速仿真求解)

綜合評估：HPC并行任務數量翻倍，效率提升約在70%~95%之間。

然而，HPC并不是技術的頂點。隨著深度學習及其他人工智能技術的飛速進步，對計算資源的需求持續攀升。圖形處理單元(GPU)在人工智能計算能力的增強中發揮了至關重要的作用。相比于HPC并行計算，GPU并行處理能力強、計算效率高、成本效益高、能耗較低，并且GPU在圖形處理、深度學習、機器學習等領域有較好的應用表現，能夠加速這些領域的計算任務。

GPU的并行計算架構使其能夠高效地處理大規模數據集和復雜的神經網絡模型，從而加速了訓練和推理過程。GPU憑借其高效的并行計算性能，已成為訓練深度神經網絡和處理大規模數據的首選硬件平臺。除了傳統的圖形處理單元，現代深度學習加速器(例如NVIDIA的Tensor Cores和Google的TPU)也在持續發展，進一步推動了人工智能計算能力的提升。

ACEM軟件除了HPC加速計算模式，另有一套GPU加速技術，充分發揮GPU顯卡中眾多流處理器的并行計算潛力，從而加速了仿真問題的求解進程。加速效率與CUDA核心的數量呈正比關系，該技術兼容包括GPU加速卡、專業圖形顯卡以及桌面游戲顯卡在內的多種硬件平臺。

此外，ACEM技術支持HPC和GPU并行計算，從而實現更強大的計算能力和更迅捷的處理速度。通過融合HPC與GPU并行計算，能夠充分利用GPU的并行處理優勢，加速HPC應用程序的運行。GPU能夠同時執行多個計算任務，顯著提升計算效率和性能。在高性能計算領域，GPU常用于加速科學計算、模擬、數據分析等任務，有效縮短計算時間并提升計算精度。

采用GPU進行并行計算亦可減少能源消耗和成本，因為相較于傳統的CPU集群，GPU集群在執行相同計算任務時往往展現出更高的能效比。因此，結合HPC與GPU并行計算，能夠實現更為高效、快速的計算過程，為科學研究、工程設計以及其他領域的計算需求提供更優質的支撐。

PCB案例GPU加速對比：

封裝案例的GPU加速對比:

顯而易見，將HPC和GPU并行計算技術集成到電磁仿真軟件ACEM中，能夠顯著增強其處理大規模電磁問題的能力。借助GPU的并行處理能力，ACEM軟件能夠更迅速地執行復雜的電磁場計算與模擬任務，加快求解進程并提升計算效率。

寫在最后

HPC與GPU加速技術的融合，為ACEM軟件在處理大規模電磁問題時提供了更為強大的計算能力與加速處理速度。該技術的應用使得ACEM軟件在電磁場的數值計算、分析及優化任務中能夠實現更為迅速的完成，進而為用戶提供更為高效和精確的仿真結果。這對于電磁兼容性分析、天線設計、電磁波傳播等領域的工程師和研究人員而言，具有顯著的學術價值和實際應用意義。