为了简化将 Google Cloud 用于 CAE 工作流的流程，我们组合了合适的云组件来满足计算密集型 CAE 工作负载的要求。具体而言，我们的 CAE 解决方案是基于 Google Cloud 的 H3 和 C3 虚拟机系列构建的（基于最新 Intel Xeon 平台）。这些虚拟机系列提供高内存带宽，以实现平衡的内存/FLOP 比率，非常适合 CAE。此解决方案适用于紧密耦合的 MPI 应用以及每核高达 16GB 内存占用量高的工作负载。它包含各种存储选项，可满足各种各样的 IO 要求。在资源管理方面，它支持 SchedMD 的 Slurm 和 Altair 的 PBS Professional 等调度器。

以下架构图说明了该解决方案：

在云端运行 CAE 工作负载时，需要考虑多种因素，包括：

• 兼容性：确保 CAE 应用已经过测试，可与云端 HPC 环境兼容。
• 虚拟机选择：选择能够以最佳方式运行 ISV 软件的正确虚拟机类型 - 许多 CAE 工作负载适合具有高内存带宽和整体平衡的 FLOPs:内存带宽比率的计算架构。
• 可伸缩性：考虑到较大的 CAE 工作负载可能需要在多个虚拟机上运行，从而需要支持 MPI 和虚拟机的密集部署。
• 吞吐量：评估需要并发运行的工作负载数量，并考虑能够根据需求增减云资源的自动扩缩调度模型。
• 费用：适用于 CAE 的商业 ISV 软件包通常“按核心”授权。这是总费用的一个重要因素，可能会影响虚拟机类型的选择。
• 用量/消耗：云提供了本地安装无法提供的弹性，可以在按需使用与承诺使用之间找到合理的平衡，甚至可以考虑 Spot 虚拟机。
• 易于使用：确保您选择的云端 HPC 解决方案易于使用和管理。

作为 Google Cloud CAE 解决方案的一部分，我们开发了通用 CAE 参考架构和蓝图，可以轻松将其与 Google 的 Cloud HPC Toolkit 搭配使用，在 Google Cloud 中预配 CAE 架构。我们已经验证了几款领先的 ISV 应用的兼容性和性能，这些应用包括：

• Ansys Fluent
• Ansys Mechanical
• Ansys LS-DYNA
• Siemens Simcenter STAR-CCM+
• Altair Radioss
• OpenFOAM

如需了解这些软件包的性能，请参阅下面的基准部分。

通用 CAE 参考架构蓝图使用户能够立即启动与各种 CAE 应用和工作流兼容的云环境。对于想要灵活选择 CAE 软件以及希望管理自己的 HPC 环境的用户来说，这是一个不错的选择。它还可作为系统集成商的起点，利用 Google 的最佳做法在 Google Cloud 上运行 CAE 模拟。

Google Cloud 还为热门 CAE 软件提供了许多应用专用蓝图。这些蓝图已经过预先配置，可为特定 CAE 软件提供最佳性能。具有特定蓝图的软件包括：

• Ansys Fluent
• Siemens SimCenter STAR-CCM+
• OpenFOAM

对于想要快速轻松地开始使用 CAE 的用户来说，应用专用的蓝图是一个不错的选择。此类蓝图提供针对特定 CAE 软件优化的预配置环境，因此用户无需担心如何自行配置环境。

Google Cloud 与众多 HPC 即服务提供商（如 TotalCAE、Rescale、Parallel Works、Eviden Nimbix、Penguin Computing 和 NAG）以及 CAE ISV 供应商（如 Altair）合作。这些提供商提供各种适用于 CAE 的托管式 HPC 解决方案，包括预配置的 CAE 软件环境、对特定 CAE 应用的支持，以及专家咨询服务。对于需要适用于 CAE 的托管式 HPC 解决方案的用户，这些服务是理想之选。这些提供商提供各种服务，包括预配置的 CAE 软件环境、对特定 CAE 应用的支持，以及专家咨询服务。

虽然 CAE 解决方案是基于 Google Compute Engine 构建的，但同样可以在 Google Kubernetes Engine 或 Google Batch 等其他计算框架的基础上进行构建。Kubernetes Engine 是一种托管式 Kubernetes 服务，可用于在容器化环境中运行 CAE 工作负载。Kubernetes Engine 非常适合需要可伸缩性和可移植性的 CAE 工作负载。Google Batch 是一种用于运行批量作业的托管式服务。Batch 非常适合非容器化且不需要大量自定义或调整的 CAE 工作负载。

如需详细了解如何设计 HPC 环境架构，请参阅我们的 Cluster Toolkit 技术指南，该指南介绍了基础架构（计算、网络、存储）、系统软件（调度器、存储）等方面的众多选项和架构注意事项。

您可以遵循许多最佳做法来优化 Google Cloud 上的 CAE 工作负载性能。例如，您可以使用布置政策来确保将工作负载布置在彼此靠近的计算资源上，从而减少延迟时间并提高性能。您还可以使用 Cloud HPC Toolkit 优化工作负载。

我们的《运行 HPC 工作负载的最佳实践》指南记录了如何提高 MPI 性能。我们与 Google Cloud 的 HPC 网络工程师合作，针对 Google Cloud 开箱即用的性能对 Open MPI 和 Intel MPI 进行了调整和优化。

Google Cloud 提供各种机器类型，每种机器类型都有不同的 CPU、GPU 和内存配置。为工作负载选择合适的机器类型会对性能和费用产生重大影响。例如，H3 虚拟机是按核心许可的 CAE 应用的理想选择，因为它具有较高的内存带宽与核心比率。由于每个核心具有 4 GB 内存，因此 H3 虚拟机能够为各种工作负载提供足够的内存。对于内存要求特别高的工作负载（如结构机制），C3 虚拟机采用高内存配置提供 16 GB/核心。

Google Cloud 提供了多个存储方案，每个方案都具有不同的性能和费用特征。为工作负载选择合适的存储方案可对性能和费用产生重大影响。HPC 环境中也有多种存储类型可供考虑。

典型的 HPC 环境至少会托管两种存储类型，其要求各不相同：主存储和临时存储。为每种工作负载选择存储类型取决于 HPC 工作负载的具体需求。例如，会生成大量临时数据的工作负载可能需要高性能临时存储解决方案，或者会同时跨多个计算节点访问通用数据的工作负载可能需要并行文件系统。为特定 HPC 工作负载选择存储类型取决于工作负载的具体需求。

除了主存储和临时存储之外，HPC 环境可能还会使用其他类型的存储，例如 Archive Storage，用于存储不经常访问的数据。Cloud Storage 能够以最经济高效的方式提供 Archive Storage。

主存储

主存储空间通常用于存储主要位于“/home”目录中的共享用户文件，例如配置、脚本和后处理数据。此存储空间将装载在整个集群的同一位置，以允许对此命名空间进行通用访问。主存储空间通常是永久性的。主存储空间通常基于 NFS 协议构建。

在 Google Cloud HPC 环境中，主存储空间可以由 Filestore 等 Google 服务或 NetApp 等合作伙伴产品提供。

• Google Cloud Filestore 是一种全托管式文件存储服务，可提供高性能和低延迟的数据访问。Filestore 非常适合存储经常访问的主存储数据。
• NetApp Cloud Volumes 服务是一项全托管式文件存储服务，可提供高性能和低延迟的数据访问。NetApp Cloud Volumes Service 非常适合存储经常访问的主存储数据。

临时存储空间

临时存储空间通常用于存储临时文件，例如中间结果和模拟输出数据。这些数据可以在 HPC 环境中的不同节点之间共享，也可以不共享。临时存储通常不是永久性的。临时存储通常基于性能比主存储系统更高的存储系统构建，例如本地闪存或并行文件系统。

在 Google Cloud HPC 环境中，临时存储可由 Persistent Disk、Local SSD、Cloud Filestore 或 Parallelstore 等 Google 服务提供，也可以由 NetApp、DDN EXAScaler、Sycomp 和 Weka 等合作伙伴产品提供。

• Google Cloud Persistent Disk 是一项块存储服务，可提供高性能和低延迟的数据访问。Persistent Disk 可用于为 HPC 集群上的每个用户创建一个临时目录。
• Google Cloud Local SSD 是在某些 Compute Engine 机器类型上提供的本地 SSD 存储选项。本地 SSD 可用于为 HPC 集群上的每个用户创建临时目录。
• Google Cloud Filestore 是一种全托管式 NFS 文件存储服务，可提供高性能和低延迟的数据访问。Filestore 可用于为 HPC 集群上的每个用户创建临时目录。
• Google Cloud Parallelstore 是一个针对 HPC 工作负载进行了优化的高性能并行文件系统。Parallelstore 可用于为 HPC 集群上的每个用户创建临时目录。
• NetApp Cloud Volumes 服务是一项全托管式文件存储服务，可提供高性能和低延迟的数据访问。NetApp Cloud Volumes Service 可用于为 HPC 集群上的每个用户创建临时目录。
• DDN EXAScaler Cloud 是一个针对 HPC 工作负载进行了优化的高性能并行文件系统。DDN EXAScaler Cloud 可用于在 HPC 集群上创建单个或多个临时目录。
• WekaIO Matrix 是一种针对 HPC 工作负载进行了优化的高性能并行文件系统。WekaIO Matrix 可用于为 HPC 集群上的每个用户创建临时目录。

Spot 虚拟机

Spot 虚拟机可能是一种运行 CAE 工作负载的经济高效的方式。Spot 虚拟机以折扣价提供，但可能会随时终止，并且通知期很短。Spot 虚拟机比标准实例的费用最多低 91%，并且支持 HPC 用户期望的功能，包括 GPU 和本地 SSD。

如果您的工作流可以容忍中断（抢占），并且应用可以在相对较短的时间段（短于 4 小时）内运行，则测试 Spot 模型是一个好主意。客户发现，节省高达 90% 的费用与按需模式相比，足以容忍轻微中断。

请注意，某些虚拟机类型（例如 H3）不支持 Spot。

AirShaper 是一个在线空气动力学平台，可让设计师和工程师以完全自动化的方式运行气流模拟，从而使没有空气动力学专业知识的用户能够获得可靠的结果并改进他们的设计。

AirShaper 将其 HPC 计算流体动态 (CFD) 工作负载从旧版虚拟机平台迁移到了新的 C2D 虚拟机系列，与以前的云环境相比，节省了每次工作负载运行的模拟时间和成本；与本地环境相比，显著缩短了获得结果的时间。

“AirShaper 提供了固定费用的 CFD 模拟。核心数越多、速度越快通常意味着总费用越高，这在一定程度上是由于扩缩问题造成的。但有了 H3，我们不但能够将模拟时间缩短一半，而且能够降低总体成本。”

- Wouter Remmerie，Airshaper 首席执行官

Altair 是一家跨国科技公司，提供产品开发、高性能计算 (HPC) 和数据分析领域的软件和云解决方案。工程师、科学家和数据分析师使用 Altair 的软件来解决各行各业的复杂问题，包括汽车、航空航天、制造和能源。

Altair 是 Google Cloud 的合作伙伴，其软件可以在 Google Cloud 上使用。Altair 的软件针对 Google Cloud 进行了优化，可用于充分利用 Google Cloud 的性能、可伸缩性和灵活性。Altair 致力于帮助客户实现他们的 HPC 目标，并提供各式各样面向 HPC 的软件解决方案。其中一个解决方案是 Radioss，一种有限元素分析工具。使用新的 H3 虚拟机，Altair 已经证明了对基于云的 Radioss 运行时的显著改进。

“在 Altair，我们很高兴地了解到，与 C2 相比，H3 上运行的 Radioss 工作负载的模拟运行时间缩短到三分之一。Google Cloud 上这些显著缩短的运行时间将有助于我们共同的客户提升工程效率。”

- Eric Lequiniou，Radioss 开发和 Altair Solver 高级副总裁

TotalCAE 是一家领先的托管式 HPC 解决方案提供商，致力于为工程和科学应用提供解决方案。TotalCAE 的解决方案设计为易于使用，可帮助客户加快获得结果的时间、降低成本并提高工作效率。全世界的客户都在使用 TotalCAE 的解决方案来解决复杂的工程和科学问题。例如，TotalCAE 的解决方案用于设计和模拟飞机、汽车及其他交通工具；分析建筑物和桥梁的性能；以及研发新的药品和疗法。

TotalCAE 是 Google Cloud 合作伙伴，其解决方案支持在 Google Cloud 上运行。TotalCAE 的解决方案针对 Google Cloud 进行了优化，可用于充分利用 Google Cloud 的性能、可伸缩性和灵活性。通过使用 Google Cloud 的 HPC 基础设施，TotalCAE 得以以更低的费用为客户带来更出色的性能。

“采用 Google Cloud H3 实例后，CAE 工作负载的每核心性能提升了高达 25%，而作业费用比 C2 降低了 50%，这让 TotalCAE 能够为客户提供高达 2.5 倍的性价比，并为 Google Cloud 上的 CAE 工作负载提供可伸缩性。”

- Rodney Mach，TotalCAE 首席执行官