SIMULIA Abaqus のAMD 3D V-Cacheで結果を得るまでの時間を短縮

※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。

私たちは、ダッソー・システムズ（Dassault Systèmes ）の SIMULIA R&D Product Manager for Abaqus Unified FEAの Ross McLendon に話を聞き、業界の課題と、AMD の最新の計算プロセッサ(ユーザーアシスタンス)による構造シミュレーションの加速について詳しく学びました。

Q: シミュレーションを必要とする業界の課題にはどのようなものがあり、 SIMULIA の Abaqus/Explicit はそれらの課題にどのように対処しますか？

すべての業界の企業は、複数の課題に直面しています。経済的要因はコスト削減と効率向上の努力を促進しており、消費パターンの変化、政府の規制、そして技術革新は、新しい種類の製品を迅速に市場に投入するプレッシャーを生み出しています。

電気自動車の設計、運転支援機能や自動運転機能の実装、より高性能で長寿命なタイヤ、ユニークな折りたたみディスプレイを持つ小型のスマートモバイルデバイスなど、大小問わず多くの企業が、構造、流体、音響、多体運動、電磁気、設計探索および最適化に関するSIMULIAの広範なシミュレーションアプリケーションを活用しています。その結果、企業は製品の性能を迅速に評価し、開発時間とコストを削減することができています。 Abaqus/Explicit 有限要素ソルバーは、これらの進展を推進する製品の1つです。これは、極度な非線形問題を解くのに優れています。具体的には、自動車の衝突や消費者向け電子機器の落下試験のような短時間の非定常な動的イベント、金属成形や材料損傷のような準静的イベントなど、陰解法ソルバーでは難しい問題に対応でき、製造プロセスの迅速な開発や設計の安全性評価に非常に有用です。Abaqus/Explicitには、タイヤのハイドロプレーニング現象や弾道衝撃のような問題をモデル化するためのEuler-Lagrange 連成（CEL）解析、スロッシングやエアバッグの膨張のような問題をモデル化するための平滑化粒子流体力学（SPH）、極端な変形を伴う成形プロセスをモデル化するためのArbitrary Lagrange-Euler（ALE）解析のアダプティブメッシュ再生成など、特別な解法テクニックも含まれています。

Abaqus/Explicit を使用した、水面を走行するタイヤと、水がトレッドに入り込む時と同じくして大きくなったタイヤとの接触のシミュレーション。このタイプのシミュレーションは、タイヤのトレッド設計を改善してハイドロプレーニング現象を軽減するのに役立ちます。

Q: Explicit FEA ユーザーにとって AMD の計算プロセッサが重要なのはなぜですか?

Abaqus/Explicitでユーザーエクスペリエンスをどのように行うかについて考えると、3つの領域が思い浮かびます ― より大きく、より良く、そしてより速くです。私は、明日のユーザーが今日よりも大きなモデルを実行し、今日よりも複雑な問題をより現実的にシミュレートし、そして今日よりも短い時間で回答を得られるようにしたいと考えています。この三要素のうち、より良くの部分はSIMULIAのR&Dでの取り組みに依存しています。より大きく、より速くの部分は、計算能力の進歩に依存しており、AMDは最新のEPYCプロセッサと3D V-Cacheによってその部分を実現しています。

より大きいというのは、AMDの最新のEPYC CPUの高いコア数とより大きいアドレス可能なメモリプールを活用することで、過去に大型の計算クラスターやスーパーコンピュータシステムを必要とした問題を、今日では単一のシステムで実行できるということです。同じAMD EPYC CPUコアが数千個ある大規模なクラスターやクラウドコンピュータソリューションにアクセスできれば、新しい種類の問題においてパフォーマンスのスケーリングが可能になり、1億以上の要素を扱う問題に対応できます。そして、この三要素の中で最も重要ともいえる「速さ」という部分は、より多くのコアと改良されたプロセッサアーキテクチャを活用することで、シミュレーションをより短時間で実行できることを意味します。これにより、SIMULIAのプロセス自動化や設計探索アプリケーションを活用して、設計スケジュールを加速したり、より多くの設計反復をシミュレートしたりすることで、より完全に最適化された解決策を得ることができます。

Q: 具体的には、Abaqus/Explicit は新しい AMD プロセッサをどのように活用しますか？

SIMULIAのAbaqus R&Dチームは、AMDの最新プロセッサとAbaqus/Explicitの互換性を確認し、Abaqus ベンチマークモデルでパフォーマンス向上を評価し、キャッシュサイズの増加、コアの相互接続や配置、メモリ帯域幅など、新しいプロセッサ技術を最大限に活用できるようにコードを最適化するため、AMDチームと協力しています。AMDの最近のパフォーマンス報告書では、SIMULIAのe13（自動車衝突）およびe14（落下試験）といったAbaqus/Explicitベンチマークモデル（DS Knowledge Baseで利用可能）を使用して、最新のEPYCプロセッサと3D V-Cacheテクノロジーを活用した複合性能の向上が示されており、これらのコラボレーションとプロセッサ技術の進展のメリットが実証されています。

特に、Abaqus/Explicitのパフォーマンスはメモリ帯域幅に強く依存する傾向にあり、最新のAMDプロセッサが提供するより高いメモリスループットや、3D V-Cacheによって可能となった大容量キャッシュの恩恵を大いに受けます。これらは、プロセッサコアにデータを供給し続けることにより、実行時間を短縮するのに役立ちます。

AMDのパフォーマンス報告書（ AMD performance brief）では、AMD 3D V-Cacheの技術を用いたAMD EPYC 9684X（96コア）プロセッサを搭載した2Pサーバーが、AMD 3D V-Cacheの技術を用いているものの前世代で高いコア数を備えるAMD EPYC 7773 X（64コア）プロセッサを搭載した2Pサーバーと比較して、約2.13倍のパフォーマンス向上を達成したことが示されています。さらに、32コアのAMD EPYC 9384Xプロセッサを搭載した2Pサーバーは、同じ前世代の高いコア数を備える64コアのAMD EPYC 7773Xプロセッサを搭載した2Pサーバーを約1.22倍のパフォーマンス向上で上回りました。AMD 3D V-Cacheの技術は、同世代のプロセッサと比較してL3キャッシュが3倍になっています。この大容量L3キャッシュは、CPU外のメインメモリにアクセスすることなくプロセッサにデータを継続的に供給することでパフォーマンスを向上させ、その結果、より速い時間で結果を得ることができます。

Q: Abaqus が業界の最新の課題に継続的に対応できるようにするにはどうすればよいですか？

私たちは、解決すべき新しい種類の問題に対処するために、Abaqus/Explicit の改善に継続的に取り組んでいます。最近の例としては、地震の影響を受ける建物の超弾性のラティス構造や鉄筋コンクリート柱をモデル化するためのはり技術の改善、私たちの計算技術およびプリ処理ルーチンでの並列性の向上、Contact mass scalingの提供、非定常マルチフィジックスシミュレーションを可能にするマッピングおよびインポート技術の改善などが挙げられます。また、AMD などのパートナーと協力して、Abaqus/Explicit のパフォーマンスを最適化し、複数のプロセッサコアにわたるスケーリングを向上させる新しい方法を見つけています。私たちの目標は、これまで以上に大規模で高速に動作するモデルを使用して定型的な構造工学の課題と複雑な構造工学の課題の両方を迅速に解き、高品質で革新的な製品をより早く市場に投入できるようにお客様を支援することにAbaqus/Explicitが優れていることを保証することです。

Q: 最後に、Abaqus ユーザーにアドバイスをお願いします

私はユーザーの皆さんに、最新バージョンのAbaqusと高性能計算（HPC）プロセッサの改善を活用して、シミュレーションワークフローや全体的な製品開発プロセスを加速することを強くお勧めします。

また、モデルとハードウェアの最適な設定を見つけるために、少し時間を投資して異なる実行構成（CPUSおよびTHREADSパラメータの異なる組み合わせ）を実験することをお勧めします。プロセッサが進化し、プロセッサコアのレイアウト、キャッシュ構成、メモリ接続がますます複雑になる中で、たとえ1つの計算ノードで実行する場合であっても、複数のプロセス、複数のスレッド、または複数のマルチスレッドプロセスを使ったハイブリッド構成を実行するかどうかで全体的なパフォーマンスが左右されることがあります。前世代のプロセッサで最適だった構成が、最新世代では最良のパフォーマンスを発揮しない場合もあります。ベンチマークに少し時間を投資することで、パフォーマンスの向上という形で配当を得ることができます。

最後に、最新情報を常に受け取れるようにしておきましょう。まだメンバーでない方は、ぜひ SIMULIA Communityにご登録ください。当社の構造シミュレーションeニュースを購読し、各国で開催されるユーザーミーティングへの参加をご検討ください。そこでは、最新の開発やベストプラクティスに関する情報を入手したり、他のユーザーや研究開発担当者 (場合によってはハードウェアベンダー) と交流することで、シミュレーションツールと計算ハードウェアを最大限に活用する方法を知ることができます。

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