كلما تغيرت الأشياء كلما بقيت على حالها
كنتيجة غير مقصودة لقطع أميال عديدة في طريق التايمز أثناء التدريب على الماراثون، اكتشفت أن هذا الجزء الموجود على عتبة منزلي كان جزءًا من تاريخ شركة سيمنز. شركة Siemens Brothers Co. Ltd. في وولويتش، لندن كان لها موقع كبير في منطقة وولويتش دوكيارد، جنوب شرق لندن. والأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة لي هو أنه في عشرينيات القرن الماضي، من بين أشياء أخرى كثيرة، كان هذا المصنع يقوم بتصنيع بطاريات الخلايا الجافة! تم استخدام هذه البطاريات في الغالب لأجهزة الراديو والسيارات.
لماذا أجد هذا مثيرا للاهتمام؟ حسنًا، إذا تقدمنا بسرعة 100 عام، فإن البطاريات في قطاع السيارات هي الموضوع محل الاهتمام. بالطبع، ليس من أجل الراديو أو شمعة الإشعال مثل بطاريات شركة Siemens Brothers القديمة، ولكن لتشغيل دفع السيارة نفسها – ولا يزال هناك ممثل واحد على الأقل لشركة Siemens في المنطقة الملكية بغرينتش (ومئات آخرين حول العالم) يريد للمساعدة!
تصميم البطارية مع Simcenter STAR-CCM+
مع Simcenter STAR-CCM+، يمكن لمصممي المحركات الكهربائية الخوض في تصميم الخلية التفصيلي, هارب الحراري و الإدارة الحرارية حزم البطاريات بأداة واحدة، مما يعمل على تسريع جميع جوانب تصميم مجموعة نقل الحركة في السيارة الكهربائية.
وفي الوقت نفسه، يستمر الطلب على المهندسين في الارتفاع، مع الحاجة إلى زيادة إنتاجية عمليات المحاكاة ضمن فترات زمنية ضيقة. أجهزة GPU هي قطعة متزايدة الأهمية من اللغز الخيار لتحقيق مثل هذا الهدف. من باب الاهتمام، نظرت إلى عدد المنشورات التي تشير إلى “GPU Accelerated CFD” في الموقع ساينس دايركت. ربما لا يكون هذا نهجًا علميًا حقًا، لكن النتائج تشير إلى أن الاهتمام بمساحة محاكاة عقود الفروقات باستخدام وحدات معالجة الرسومات يتزايد بوتيرة متسارعة.
إذا ما الجديد؟
GPU وCFD – المزيد من الأجهزة والمزيد من الفيزياء
في Simcenter STAR-CCM+ 2402، خطونا المزيد من الخطوات في كل من نطاق أجهزة وحدة معالجة الرسومات التي يمكن استخدامها بالإضافة إلى الفيزياء التي يمكن تصميمها محليًا على وحدات معالجة الرسومات، وتمتد إلى الإدارة الحرارية التفصيلية! إليك تجديدًا لبعض التطبيقات التي يمكن تنفيذها محليًا على وحدات معالجة الرسومات باستخدام Simcenter STAR-CCM+:
تقديم وظيفة AMD GPU
لنبدأ بالأجهزة أولاً ونتوجه من جنوب شرق لندن إلى وادي السيليكون والمقر الرئيسي لشركة AMD. لماذا؟ لأن Simcenter STAR-CCM+ 2402 يدعم الآن استخدام وحدات معالجة الرسومات AMD للحسابات الأصلية لوحدة معالجة الرسومات! يمثل هذا تغييرًا تدريجيًا في توسيع نطاق أجهزة GPU المتاحة التي يمكن الاستفادة منها. وعلى وجه الخصوص، نوصي بسلسلة AMD Instinct™ MI200 (MI210 وMI250 وMI250X). كما يتم دعم Instinct MI100 وRadeon™ PRO W6800 وRadeon PRO V620. مع هذه المقدمة، يتمتع Simcenter STAR-CCM+ بموقع فريد لكونه رمز CFD الوحيد متعدد الأغراض الذي يمكن تشغيله على مجموعة كاملة من وحدات المعالجة المركزية (x86 وARM) ووحدات معالجة الرسومات (AMD وNVIDIA). لقد تحدثت من قبل عن كيفية ذلك تعمل بنية GPU على إعادة تعريف ممارسات تصميم CFD التقليديةوهذه خطوة أخرى في تلك الرحلة. نحن متحمسون لمواصلة العمل مع AMD لتوسيع خيارات الأجهزة بشكل أكبر في الإصدارات المستقبلية (مثل سلسلة Instinct MI300) ومواصلة البحث عن المزيد من التحسين في أداء عمليات محاكاة CFD باستخدام وحدات معالجة الرسومات.
محاكاة الإدارة الحرارية لعقود الفروقات (CFD) باستخدام وحدات معالجة الرسومات
مسلحًا ببعض وحدات معالجة الرسوميات AMD MI210، ومعلوماتي عن تاريخ شركة Siemens المحلي، قررت محاكاة السلوك الحراري لحزمة البطارية مع الاستفادة من منهجية نقل الحرارة المترافق (CHT). ولحسن الحظ بالنسبة لي، فإن مجموعة من وظائف وحدة معالجة الرسومات المضافة حديثًا جعلت هذا ممكنًا في Simcenter STAR-CCM+ 2402.
نموذج صلب متعدد المكونات لـ CHT على وحدات معالجة الرسومات
أولاً، النموذج الصلب متعدد المكونات. وهذا يسمح بتطبيق خصائص المواد المختلفة بسهولة على التجميعات المعقدة للأجزاء المختلفة. في هذا المثال، يمكنني بعد ذلك بسهولة تحديد مواد مختلفة للموصلات الطرفية الموجبة والسالبة وكذلك أشرطة التوصيل ضمن سلسلة فيزيائية واحدة متصلة. على الرغم من أننا نستخدم مادتين فقط (الألومنيوم والنحاس) في مثال البطارية هذا، إلا أن عمليات المحاكاة الحرارية الكاملة للمركبة يمكن أن تحتوي على العديد من المواد المختلفة لتحديدها، كما أن الحصول على القدرة الصلبة متعددة المكونات الأصلية لوحدة معالجة الرسومات يعد خطوة أخرى في القدرة على الاستفادة فوائد السرعة والتكلفة والأداء مقارنة ببنيات وحدة المعالجة المركزية التقليدية.
واجهات الاتصال المعينة لـ CHT على وحدات معالجة الرسومات
الوظيفة الثانية الأصلية لوحدة معالجة الرسومات المضافة في Simcenter STAR-CCM+ 2402 هي القدرة على الاستفادة من واجهات الاتصال المعينة (الضمنية والصريحة) في عمليات محاكاة CFD باستخدام وحدات معالجة الرسومات. مرة أخرى، يعد هذا عامل تمكين رئيسي لنمذجة الإدارة الحرارية، خاصة عند التعامل مع فترات زمنية مختلفة.
[As a reminder, multi-timescale refers to thermal analysis where different components or domains have significantly different response times. For modelling the thermal behaviour of the battery pack, it specifically refers to the difference in response times between the fluid / coolant channel (reaches a steady state within milliseconds) and the solid components / battery stacks (reaches a steady state in order of seconds)].
باستخدام واجهة اتصال محددة بشكل واضح، يتم تعيين نقل الحرارة من قناة المبرد إلى المجالات الصلبة. يتم هنا تصميم توليد الحرارة الناتج عن شحن/تفريغ البطارية كمصدر حرارة حجمي. من خلال رسم الخرائط ذهابًا وإيابًا بين السائل والصلب على فترات زمنية محددة، يمكننا وضع نموذج لكيفية تأثير المبرد على درجة حرارة حزمة البطارية بطريقة فعالة من الناحية الحسابية.
تقييم الأداء AMD GPU مقابل AMD CPU
بالنظر إلى المقارنة بين وحدات المعالجة المركزية AMD MI210 وAMD EPYC 7532، يمكننا أن نرى أن استخدام وحدات معالجة الرسومات يعطي أداءً يعادل 100 ثانية من نوى وحدة المعالجة المركزية. بالإضافة إلى ذلك، عند تقدير استهلاك الطاقة لكل تكوين (باستخدام قيم TDP المدرجة)، يمكننا أن نرى أن استخدام أجهزة GPU يمكن أن يقلل بشكل كبير من نفقات الطاقة عند تشغيل عمليات المحاكاة هذه.
كمرجع، يمكن لـ 16 كيلو وات في الساعة المتوفرة هنا دفع سيارة كهربائية تعمل بالبطارية (BEV)، في المتوسط، لمسافة 80 كيلومترًا وسيكون توفير الطاقة بعد عام كافيًا لتشغيل السيارة الكهربائية التي تعمل بالبطارية في جميع أنحاء العالم باستخدام طاقة احتياطية. [1]!
في حين أن هذه الأرقام تشير إلى الفرص التي يوفرها تشغيل عمليات محاكاة العقود مقابل الفروقات باستخدام وحدات معالجة الرسومات، فإننا ندرك ذلك لا يوجد حل سحري لتشغيل عمليات محاكاة العقود مقابل الفروقات (CFD) الخاصة بك. ومع ذلك، فإن مجموعات HPC المزودة بتقنية وحدة المعالجة المركزية اللائقة ستستمر في الاحتفاظ بمساحة لها وستظل قوة حسابية مهمة. على هذا النحو، تدعم استراتيجيتنا مجموعة واسعة من أجهزة الحوسبة مع ضمان الانتقال السلس بينها. يتضمن ذلك أنه يمكنك الاطمئنان إلى حصولك على نتائج متسقة بغض النظر عما إذا كنت تقوم بتشغيل عملك على وحدات معالجة الرسومات أو وحدات المعالجة المركزية.
قم بتعزيز عمليات محاكاة العقود مقابل الفروقات (CFD) الخاصة بك باستخدام وحدات معالجة الرسومات
تمامًا كما تغير مشهد ما بعد الصناعة في جنوب شرق لندن على مر السنين، تغير أيضًا مشهد الحوسبة عالية الأداء (HPC) لتطبيقات الهندسة بمساعدة الكمبيوتر. يوفر تطبيق بنيات الأجهزة الجديدة على العقود مقابل الفروقات الفرصة لزيادة عمليات المحاكاة لديك بشكل حقيقي: تقليل وقت التنفيذ وتكاليف التشغيل وتكاليف الأجهزة. وفي نهاية المطاف، يعني هذا المزيد من إنتاجية المحاكاة، والمزيد من التصاميم، ومنتجات أفضل. لنفكر الآن في التحديات الهندسية التي ستعمل عليها شركة سيمنز بعد 100 عام من الآن… وفي كلتا الحالتين، أنا واثق من أن المحاكاة ستحتل الصدارة بقوة!
في المستقبل القريب، كل ما عليك فعله هو الحفاظ على تغذية وحدات معالجة الرسوميات (AMD) المتعطشة لعقود الفروقات لفترة أطول قليلاً… حتى يبدأ العيد الكبير، عندما يصل Simcenter STAR-CCM+ 2402 في 28 فبراير.