為了簡化讓 Google Cloud 處理 CAE 工作流程的流程，我們組合了合適的雲端元件，以符合會耗用大量運算資源的 CAE 工作負載需求。具體來說，我們的 CAE 解決方案是以最新的 Intel Xeon 平台為基礎，採用 Google Cloud 的 H3 和 C3 VM 系列架構。這些 VM 系列提供高記憶體頻寬，以達到平衡的記憶體/浮點運算比例，最適合用於 CAE。這項解決方案可滿足緊耦合的 MPI 應用程式，以及記憶體需求高達 16GB/核心的工作負載。它包括各種儲存選項，可滿足各種 IO 需求。對於資源管理，這項服務支援 SchedMD 的 Slurm 和 Altair 的 PBS Professional 等排程器。

以下的架構圖說明了這個解決方案：

在雲端執行 CAE 工作負載時，請考慮下列幾項因素：

• 相容性：確保 CAE 應用程式已通過測試，可與雲端式 HPC 環境相容。
• VM 選擇：選擇最適合執行 ISV 軟體的 VM 類型。許多 CAE 工作負載皆適合採用具備大量記憶體頻寬的運算架構，以及整體平衡的浮點運算：記憶體頻寬比率。
• 擴充性：考量到大型 CAE 工作負載可能需要在多個 VM 上執行，因此必須支援 MPI 和 VM 的密集部署。
• 處理量：評估需要同時執行的工作負載數量，並考慮自動調整資源配置模型，這些模型能依需求增加及縮減雲端資源。
• 成本：CAE 的商業 ISV 軟體套件通常是由「依核心」授權。這是影響總費用的重要因素，而且會影響 VM 類型的選擇。
• 用量/消耗量：雲端提供地端部署安裝無法提供的彈性，探索「以量計價」與「承諾使用」或「Spot VM」之間的平衡點。
• 易於使用：請確保您選擇的 Cloud HPC 解決方案易於使用及管理。

做為 Google Cloud CAE 解決方案的一部分，我們開發了一般用途 CAE 參考架構和藍圖，可與 Google 的 Cloud HPC 工具包搭配使用，以便在 Google Cloud 中佈建 CAE 架構。我們驗證了多個領先業界的 ISV 應用程式的相容性和效能，包括：

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

請參閱下方的「基準測試」一節，瞭解這些軟體套件的效能。

一般用途 CAE 參考架構藍圖可讓使用者立即啟動與各種 CAE 應用程式及工作流程相容的雲端環境。如果使用者想靈活選擇 CAE 軟體，並想要管理自己的 HPC 環境，這會是不錯的選擇。同時，它也能做為系統整合商的起點，並依據 Google 的最佳做法，在 Google Cloud 中執行 CAE 模擬作業。

Google Cloud 也提供許多熱門 CAE 軟體的應用程式專屬藍圖。這些藍圖經過預先設定，可針對特定 CAE 軟體提供最佳效能。採用特定藍圖的軟體包括：

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

對於想要快速輕鬆地開始使用 CAE 的使用者而言，應用程式專屬藍圖是不錯的選擇。藍圖提供了針對特定 CAE 軟體經過最佳化的預先設定環境，因此使用者不必擔心自行設定環境。

Google Cloud 與許多 HPC 即服務供應商 (例如 TotalCAE、Rescale、Parallel Works、Eviden Nimbix、Penguin Computing 和 NAG)，以及 CAE ISV 供應商 (例如 Altair) 合作。這些供應商提供各種適用於 CAE 的代管 HPC 解決方案，包括預先設定的 CAE 軟體環境、特定 CAE 應用程式的支援，以及專家諮詢服務。這些服務非常適合需要 CAE 代管 HPC 解決方案的使用者。這些供應商提供各式各樣的服務，包括預先設定的 CAE 軟體環境、特定 CAE 應用程式的支援，以及專家諮詢服務。

雖然 CAE 解決方案建構在 Google Compute Engine 上，不過在建構時，您也能選擇以 Google Kubernetes Engine 或 Google Batch 等其他運算架構為基礎。Kubernetes Engine 是一項代管 Kubernetes 服務，可用來在容器化環境中執行 CAE 工作負載。Kubernetes Engine 非常適合需要可擴充性和可移植性的 CAE 工作負載。Google Batch 是用於執行批次工作的代管服務。Batch 適用於未容器化、不需要大幅自訂或微調的 CAE 工作負載。

如要進一步瞭解如何建構 HPC 環境，請參閱 Cluster Toolkit 技術指南，當中涵蓋了基礎架構 (運算、網路、儲存空間)、系統軟體 (排程器、儲存空間) 和架構考量中的廣泛選項。

您可以採行多種最佳做法，讓 CAE 工作負載在 Google Cloud 上發揮最佳效能。舉例來說，您可以使用配置政策來確保工作負載放置在距離相近的運算資源中，進而減少延遲時間並改善效能。您也可以使用 Cloud HPC Toolkit，讓工作負載發揮最佳效能。

「Best practices for running HPC workloads」(執行 HPC 工作負載的最佳做法) 指南說明如何提高 MPI 效能。與 Google Cloud 的 HPC 網路工程師合作之後，Open MPI 和 Intel MPI 已經過調整及最佳化，可以立即發揮 Google Cloud 最佳效能。

Google Cloud 提供多種機器類型，每種機器類型的 CPU、GPU 和記憶體設定都不一樣。為工作負載選擇合適的機器類型可能會對效能和成本產生重大影響。舉例來說，由於 H3 VM 核心比率的高記憶體頻寬，且提供 4 GB/核心，因此可為各種工作負載提供足夠的記憶體，是每核心授權的 CAE 應用程式的理想選擇。對於特別需要記憶體容量的工作負載 (例如結構機制)，C3 VM 的記憶體高容量設定提供 16 GB/核心。

Google Cloud 提供多種儲存空間選項，各有不同的效能和成本特性。為工作負載選擇合適的儲存空間選項，可能會對效能和成本產生重大影響。HPC 環境中還有幾種需要考慮的儲存空間類型。

典型的 HPC 環境至少會託管兩種儲存空間，但需求不同：主要儲存空間和暫存儲存空間。為各環境選擇的儲存空間類型取決於 HPC 工作負載的具體需求。舉例來說，如果工作負載會產生大量暫存資料，可能需要高效能的暫存儲存空間解決方案；或當工作負載需要同時跨多個運算節點存取通用資料，可能會需要平行處理檔案系統。因此特定 HPC 工作負載的儲存空間類型，取決於工作負載的特定需求。

除了主要儲存空間和暫存儲存空間外，HPC 環境也可能會使用其他類型的儲存空間，例如封存儲存空間，這種儲存空間用於儲存不常存取的資料。Cloud Storage 可以最具成本效益的方式提供封存儲存空間。

主要儲存空間

主要儲存空間通常用於儲存共用的使用者檔案 (例如設定、指令碼和後續處理資料)，主要存放在「/home」目錄中。這個儲存空間會掛接於整個叢集的相同位置，以允許通用存取這個命名空間。主要儲存空間通常為永久儲存空間，而且通常是以 NFS 通訊協定為基礎來建構。

在 Google Cloud HPC 環境中，Google 服務 (例如 Filestore) 或合作夥伴產品 (例如 NetApp) 可提供主要儲存空間。

• Google Cloud Filestore 是一項全代管的檔案儲存服務，可提供高效能及低延遲的資料存取。Filestore 適用於儲存經常存取的主要儲存空間資料。
• NetApp Cloud Volumes Service 是全代管的檔案儲存服務，提供高效能及低延遲的資料存取方式。NetApp Cloud Volumes Service 很適合用來儲存經常存取的主要儲存空間資料。

暫存儲存空間

暫存儲存空間通常用於儲存暫存檔案，例如中繼結果和模擬輸出資料。這些映像檔可在 HPC 環境中的不同節點之間共用，或是不共用。暫存儲存空間通常不是永久儲存空間。暫存儲存空間通常是採用比主要儲存空間更高效能的儲存空間系統建構而成，例如本機快閃儲存空間或平行檔案系統。

在 Google Cloud HPC 環境中，Persistent Disk、本機 SSD、Cloud Filestore 或 Parallelstore 等 Google 服務，或是 NetApp、DDN EXAScaler、Sycomp 和 Weka 等合作夥伴服務，都可以提供暫存儲存空間。

• Google Cloud Persistent Disk 是一項區塊儲存空間服務，可以提供高效能及低延遲的資料存取方式。Persistent Disk 可用於為 HPC 叢集上的每位使用者建立暫存目錄。
• Google Cloud 本機 SSD 是本機 SSD 儲存空間選項，適用於部分 Compute Engine 機型。本機 SSD 可用來為 HPC 叢集上的每位使用者建立暫存目錄。
• Google Cloud Filestore 是一項全代管的 NFS 檔案儲存服務，可提供高效能及低延遲的資料存取。Filestore 可用來為 HPC 叢集上的每位使用者建立暫存目錄。
• Google Cloud Parallelstore 是針對 HPC 工作負載最佳化的高效能平行檔案系統。Parallelstore 可用來為 HPC 叢集上的每位使用者建立暫存目錄。
• NetApp Cloud Volumes Service 是全代管的檔案儲存服務，提供高效能及低延遲的資料存取方式。NetApp Cloud Volumes Service 可用來為 HPC 叢集上的每位使用者建立暫存目錄。
• DDN EXAScaler Cloud 是針對 HPC 工作負載最佳化的高效能平行檔案系統。DDN EXAScaler Cloud 可用來在 HPC 叢集中建立一或多個暫存目錄。
• WekaIO Matrix 是針對 HPC 工作負載最佳化的高效能平行檔案系統。WekaIO Matrix 可用來為 HPC 叢集上的每位使用者建立暫存目錄。

Spot VM

如要執行 CAE 工作負載，可以使用 Spot VM 以符合成本效益的方式執行。Spot VM 是以折扣價提供，但此優惠可能會透過短暫通知期隨時終止。Spot VM 的費用最多可比標準執行個體節省 91%，並支援 HPC 使用者預期的功能，包括 GPU 和本機 SSD。

如果您的工作流程可以容許中斷的機率 (先占)，而您的應用程式能在相對短的時間範圍內 (不到 4 小時) 執行，建議您測試 Spot 模型。我們的客戶發現，相較於以量計價，這麼做最多可節省 90% 的成本，因此可以容許輕微中斷。

請注意，某些 VM 類型 (例如 H3) 不支援 Spot。

AirShaper 是線上空氣動力學平台，可讓設計人員和工程師以完全自動化的方式執行氣流模擬，即使使用者沒有空氣動力學專業知識，也能取得可靠的結果並改善設計。

AirShaper 將 HPC 流體力學計算 (CFD) 工作負載從舊版 VM 平台遷移至新的 C2D VM 系列，與先前的雲端環境相比，可以省下所執行每項工作負載的模擬時間和成本，而與地端部署環境相比，更是大幅加快取得結果的時間。

「在 AirShaper，我們以固定費用提供 CFD 模擬。核心數量越多、越快，整體成本就越高，而資源調度問題是造成此現象的部分原因。但有了 H3，我們就能將模擬時間減半，同時還能降低整體成本。」

- Airshaper 執行長 Wouter Remmerie

Altair 是一家全球科技公司，專門在產品開發、高效能運算 (HPC) 和資料分析領域提供軟體和雲端解決方案。工程師、科學家和資料分析師使用 Altair 的軟體，解決汽車、航太、製造和能源等各種產業的複雜問題。

Altair 是 Google Cloud 合作夥伴，可以在 Google Cloud 上使用其軟體。Altair 的軟體已針對 Google Cloud 進行最佳化調整，可用來發揮 Google Cloud 的效能、擴充性和彈性。Altair 致力於協助客戶達成 HPC 目標，並為 HPC 提供各種軟體解決方案。舉例來說，其中一項解決方案 Radioss 是有限元素分析工具。Altair 使用新的 H3 VM，得以在 Radioss 的雲端式執行階段期間展現顯著的改進。

「在 Altair，我們很高興看到初步測試顯示，與 C2 相比，在 H3 上執行的 Radioss 工作負載在模擬執行階段中能減少高達 3 倍之多。這些在 Google Cloud 大幅加快的執行階段，能幫助我們共同客戶提升工程工作效率。」

- Radioss Development and Altair Solver 資深副總裁 Eric Lequiniou

TotalCAE 是工程和科學應用程式的代管 HPC 解決方案領導品牌。TotalCAE 的解決方案易於使用，可協助客戶縮短取得結果的時間、降低成本，以及提升工作效率。在世界各地，許多客戶都運用 TotalCAE 的解決方案解決複雜的工程和科學問題。例如，TotalCAE 的解決方案可用於設計及模擬飛機、汽車和其他車輛；分析建築物和橋樑的效能；以及研發新的藥物和療法。

TotalCAE 是 Google Cloud 合作夥伴，提供可在 Google Cloud 中運作的解決方案。TotalCAE 的解決方案已針對 Google Cloud 進行最佳化，能用於發揮 Google Cloud 的效能、擴充性和彈性。採用 Google Cloud 的 HPC 基礎架構後，TotalCAE 就能以更低的成本為客戶提供更出色的效能。

「採用 Google Cloud H3 執行個體後，我們看到 CAE 工作負載的每個核心效能提升高達 25%，且工作成本比 C2 低 50%。因此，TotalCAE 得以讓客戶的成本效益提升多達 2.5 倍，並為客戶提供 Google Cloud 上的 CAE 工作負載擴充性。」

- TotalCAE 執行長 Rodney Mach