史上最全电磁仿真(HFSS、CST、FEKO)时域、频域精准配置推荐
一．电磁仿真计算特点与硬件配置分析
电磁仿真广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域，从毫米波电路、射频电路封装设计验证，到混合集成电路、PCB板、无源板级器件、RFIC/MMIC设计，天线设计，微波腔体、衰减器、微波转接头、波导录波器等设计等。
1.1 电磁仿真算法分类、计算特点
计算电磁学（CEM）方法大致可分为2类： 精确算法和 高频近似方法。
（1）全波精确计算法
包括差分法（FDTD，FDFD）、有限元（FEM）、矩量法（MoM）以及基于矩量法的快速算法（如快速多极子FMM和多层快速多极子MLFMA）等，其中，在解决大目标电磁问题中最有效的方法为多层快速多极子方法。
（2）高频近似方法
一般可归作2类：一类基于射线光学，包括几何光学（GO）、几何绕射理论（GTD）以及在GTD 基础上发展起来的一致性绕射理论（UTD）等；另一类基于波前光学，包括物理光学（PO）、物理绕射理论（PTD）、等效电磁流方法（MEC）以及增量长度绕射系数法（ILDC）等。
算法计算特点汇总如下
|
NO |
关键项 |
时域算法 |
频域算法 |
||
|
1 |
主要算法 |
时域有限差分 FDTD |
时域有限积分 FIT |
有限元 FEM |
矩量法 MOM |
|
2 |
典型软件 |
EMPIRE XPU XFDTD EMPro |
CST |
HFSS EMPro JMAG FLU |
FEKO Momentum Sonnet |
|
3 |
计算特点 |
线性加速比高、高度多线程， 支持多核CPU 支持大型GPU 内存要求不高 回写很少 |
多线程，线性加速有限 支持多核CPU并行求解 内存要求高 回写有 |
||
小结
1.时域算法，属于显式算法，传统的CPU多核加速比好，核数越多计算越快，此外，并行度高，支持GPU加速计算，注意大部分求解器对GPU要求是双精度计算为主，也就是说需要用双精度性能高的GPU卡。
2.频域算法，属于隐式算法，支持多核并行计算，但核数并行计算有限，不支持GPU计算，提升性能的手段，就是提升CPU的频率，足够大的内存，值得注意当内存非常大的时候（超过192GB），硬盘io性能非常关键。
1.2 对并行计算求解过程分析
如何配置CPU要根据求解过程和算法特点，尤其要了解时域、频域两大算法特点紧密结合，这样才能更高效更合理，从并行求解流程图看，循环计算过程是单核和多核交叉过程。
上图可以看出，CPU选型非常重要，CPU睿频足够高，大幅缩短【阶段1】求解时间，和整机足够核数+高频运行，大幅缩短【阶段2】的求解器解算时间
常规工作站卖家，提供的机器往往多核忽视了睿频的重要性，整个计算过程效率非常低。
因此 硬件配置注意：
1.如果是 时域算法为主，例如 FDTD、FIT求解器，由于并行度高，工作站配置尽量多核，可显著提升求解速度，同时注意阶段1睿频高的处理器更快，如果是以GPU计算为主，可以配置CPU频率高，核数少的，这样整个过程显著提升。
2.如果是 隐式算法为主，例如 FEM，MOM求解器，由于并行度有限，一定要睿频尽可能高，同时保证足够的核数的并行，这样整个求解过程无死角瓶颈。
3.如果是 多种算法并用，CPU要足够核数与高睿频之间选择一个兼顾的规格，三种应用（时域算法、频域算法、混合算法）都均能确保工作站硬件计算性能最大化。
考虑到上述计算特点，CPU的选择对整个求解过程极其重要，下面是最新上市的intel Xeon Schalable(可扩展)处理器多种规格，UltraLAB选型分析：
1.3 CEM求解规模与硬件配置推荐
a）基于时域算法硬件配置参考（CPU类）
|
NO |
分类 |
规模划分 |
核数 |
全核频率 |
睿频 |
内存 |
并行存储 |
|
1 |
小规模 |
<50倍波长 |
14核 |
4.6GHz |
4.6GHz |
32GB |
|
|
18核 |
4.5GHz |
4.5GHz |
64GB |
||||
|
2 |
中等规模 |
50~100倍波长 |
36核 |
3.1GHz |
3.7GHz |
64GB |
|
|
40核 |
3.1GHz |
3.7GHz |
96GB |
||||
|
3 |
大规模 |
100~200倍波长 |
48核 |
3.5GHz |
3.7GHz |
96GB |
|
|
56核 |
3.3GHz |
3.8GHz |
192GB |
13*4TB |
|||
|
4 |
超大规模 |
>200倍波长 |
96核 |
2.8GHz |
3.3GHz |
512GB |
13*4TB |
b）基于频域算法硬件配置参考
c）基于超大规模时域算法求解GPU选型
如果以GPU求解为为主，可选的GPU卡参考下表
|
No |
型号 |
显存(MB) |
CUDA核 |
显存带宽(GBs) |
浮点计算指标TFlops -单精度 |
浮点计算指标TFlops -双精度 |
散热 |
|
1 |
Tesla V100 |
16GB HBM2 |
5120 |
900 |
14.90 |
7.45 |
服务器 |
|
2 |
Tesla P100 |
16GB HBM2 |
3584 |
721 |
9.52 |
4.76 |
服务器 |
|
3 |
Tesla P100 |
12GB HBM2 |
3584 |
721 |
9.52 |
4.73 |
服务器 |
|
4 |
Quadro GV100 |
32GB |
5120 |
870 |
14.85 |
7.42 |
主动式 |
|
5 |
Quadro GP100 |
16GB HBM2 |
3584 |
717 |
10.25 |
5.13 |
主动式 |
|
6 |
Quadro K6000 |
12GB |
2880 |
288 |
5.18 |
1.73 |
主动式 |
|
7 |
Quadro K5200 |
8GB |
2304 |
192 |
3.07 |
1.03 |
主动式 |
二．基于电磁仿真计算的机型介绍
以ultralab定制图形工作站为例
2.1 极速图形工作站H490
配置特点：
（ 1 ） CPU 具有高频率，适合中小规模时域与频域求解
6核5.0GHz，8~10核4.8GHz，12~14核4.6GHz，16~18核4.4GHz
（ 2 ） GPU 支持双 GPU 架构超算
显著优势：
和市场上单路 cpu 架构的工作站（单 Xeon E5v4 ，单 Xeon W-2100 系列，单 Xeon Schalable 系列）相比，拥有超高频率， 在多核并行计算（特别是频域求解），性能出众
2.2 高性能计算工作站EX620
配置特点：
CPU 支持双 Xeon Schalable （可扩展）处理器，拥有更高频率和更低延迟，适合中大规模时域与频域求解
提供规格：
24 核 *4GHz/4.2GHz
36 核 3.7GHz/3.7GHz
40 核 3.1GHz/3.7GHz
48 核 *3.5GHz/3.7GHz
56 核 *3.3GHz/3.8GHz
GPU 支持双 GPU 架构超算
显著优势：
和市场上常规双路 cpu 工作站（双 Xeon E5v4 ，双 Xeon Schalable 系列）相比，拥有更高频率，多核并行计算（时域、频域算法）， 定位精准高效，显式计算（ EX620i ）、显式隐式计算通吃（ EX620 ）
2.3 超大规模仿真计算机型Alpha720
配置特点：
CPU 支持 4 颗 Xeon E7v4 处理器 ( 最高到 96 核 ) ，拥有更高频率和更低延迟，适合超大规模时域算法求解
提供规格： 72 核 2.8GHz ， 96 核 2.7GHz
GPU 支持双 GPU 架构超算
显著优势：时域求解（ CPU 计算架构）工作站
2.4 图灵超算工作站GX490M或GX620M
CPU 具有高频率，适合中小规模时域与频域求
提供规格：10核4.8GHz，12~14核4.6GHz，16~18核4.4GHz
GPU 支持7块双槽GPU卡
GX620M配置特点：
CPU 支持双Xeon Schalable（可扩展）处理器，拥有更高频率和更低延迟，中大规模时域与频域求解，发挥极致性能
提供规格：24核4GHz，36核3.7GHz，40核3.1GHz，48核3.5GHz，56核3.3GHz
GPU 支持9块双槽GPU卡
显著优势：基于办公环境（静音级）GPU超算性能时域求解计算系统，同时兼顾频域隐式算法
各种机型性能与差异对比表
|
NO |
机型 |
硬件配置特点 |
适合应用 |
|
1 |
H490 |
单CPU+双GPU （14核4.7GHz，18核4.5GHz） |
中小规模频域、时域算法求解 |
|
2 |
EX620i |
双CPU（56核）+双CPU |
大规模时域、频域算法求解 |
|
3 |
EX620 |
双CPU（56核）+双GPU+并行存储 |
大规模的全能求解 |
|
4 |
GX490M |
单CPU+7个GPU+并行存储 |
超大规模时域GPU超级 |
|
5 |
GX620M |
双CPU（56核）+9个GPU+并行存储（16） |
超大规模全能求解、时域GPU求解 |
|
6 |
Alpha720 |
四CPU(96核)+双GPU+并行存储 |
超大规模CPU架构时域求解 |
三．电磁仿真计算硬件配置（单机与集群）推荐
3.1 基于多种算法（CPU计算）单机工作站硬件配置方案
|
No |
产品系列 |
主要配置 |
价格 |
备注 |
|
1 |
UltraLAB H490 14632-S5TBA |
intel第7代至尊处理器(14核4.6GHz+睿频4.6GHz) /32GB DDR4 2666/512GB SSD +2TBSATA企业级/QP600 2GB/23"图显 |
39,990 |
CPU全能高效、高性价比 |
|
2 |
UltraLAB H490 14464-S5TCA |
intel第7代至尊处理器(18核4.4GHz+睿频4.5GHz)/64GB DDR4 2666/500GB SSD+4TB SATA企业级/Quadro K6000 12GB/23"图显 |
72,000 |
CPU+GPU全能极致高性价比 |
|
3 |
UltraLAB EX620i 24096-SATCB |
2*Xeon Gold6146处理器(24核4.0GHz，睿频4.2GHz) /96GB DDR4 2666/1TB SSD+6TB SATA /QP2000 5GB/23"图显 |
112,000 |
频域极致性能 |
|
4 |
UltraLAB EX620i 23196-SATCE |
2*Xeon Gold6148处理器(40核3.1GHz+睿频3.7GHz) /96GB DDR4 2666/1TB SSD +6TB SATA /Quadro K6000 12GB/23"图显 |
126,000 |
CPU+GPU时域全能求解 |
|
5 |
UltraLAB EX620 237192-SA28TB |
2*Xeon Gold6154处理器(36核3.7GHz+睿频3.7GHz) /192GB DDR4 2666/1TB SSD+28TB并行存储/QP2000 5GB/23"图显 |
145,000 |
CPU全能高效 |
|
6 |
UltraLAB EX620 23596-MSATCC |
2*Xeon Gold8168处理器(48核3.5GHz +睿频3.7GHz) /96GB DDR4 2666 /1TB闪电二代+1TB SSD+6TB SATA/QP4000 8GB /23"图显 |
189,000 |
时域求解 |
|
7 |
UltraLAB EX620 23596-MSATCC |
2*Xeon Gold8168处理器(48核3.5GHz +睿频3.7GHz) /192GB DDR4 2666 /2TB SSD +28TB并行存储/QP4000 8GB /23"图显 |
215,000 |
CPU全能高效 |
|
8 |
UltraLAB EX620 233384-SB28TC |
2*Xeon Platinum 8180(56核3.3GHz+睿频3.8GHz) /384GB DDR4/2TB SSD +28TB并行存储/QP4000/23"图显 |
285,000 |
CPU全能高效 |
|
9 |
UltraLAB Alpha720 427256-SB42TF |
4*Xeon E7 8890v4(96核2.7GHz+睿频3.3GHz)/256GB DDR4/2TB SSD +42TB并行存储/Quadro GP100/32"-2K图显 |
399,990 |
超大规模CPU+GPU时域求解 |
备注：以上价格仅供参考
3.2 基于时域求解（GPU计算架构）单机硬件配置方案
|
No |
产品系列 |
主要配置 |
价格 |
GPU指标 |
|
1 |
UltraLAB GX490M 14832-S5TB2E |
intel第7代至尊处理器 (10核4.8GHz+睿频4.8GHz) /32GB DDR4 2666/500GB SSD +4TB SATA企业级 /2*Quadro K6000 12GB/23"图显 |
87,500 |
3.46Tflops |
|
2 |
UltraLAB GX490M 14464-S5TC4E |
intel第7代至尊处理器 (18核4.5GHz+睿频4.5GHz) /64GB DDR4 2666/500GB SSD+4TB SATA企业级/4*Quadro K6000 12GB/23"图显 |
159,990 |
6.92Tflops |
|
3 |
UltraLAB GX620M 23196-SATD2F |
2*Xeon Gold6148处理器 (40核3.1GHz，睿频3.7GHz) / 96GB DDR4 2666/1TB SSD+6TB SATA / 2*Quadro GP100 16GB HBM2/23"图显 |
228,000 |
10.2Tflops |
|
4 |
UltraLAB GX620M 234192-SB28T8E |
2*Xeon Platium8168处理器 (48核3.4GHz+睿频3.7GHz) / 192GB DDR4 2666/ 2TB SSD +28T并行存储 /8*Quadro K6000 12GB/23"图显 |
365,000 |
13.8Tflops |
|
5 |
UltraLAB Alpha720 427256-SB42T2F |
4*Xeon E7 8890v4 (96核2.7GHz+睿频3.3GHz )/ 256GB DDR4/2TB SSD +42TB并行存储/ 2*Quadro GP100/32"-2K图显 |
399,990 |
10.2Tflops |
|
6 |
UltraLAB GX620M 233192-SB28T4F |
2*Xeon Platinum 8180 (56核3.3GHz+睿频3.8GHz) / 192GB DDR4/2TB SSD +28TB并行存储/ 4*Quadro GP100/32"-2K图显 |
499,990 |
20.4Tflops |
|
7 |
UltraLAB GX620M 233384-SB36T8F |
2*Xeon Platinum 8180 (56核3.3GHz+睿频3.8GHz) / 384GB DDR4/2TB SSD +36TB并行存储/ 8*Quadro GP100/32-2K"图显 |
758,000 |
40.4Tflops |
备注：以上价格仅供参考
3.3 基于分布式集群的硬件配置方案
方案1 基于CPU计算的分布式集群方案
|
NO |
货物名称 |
型号 |
数量 |
单价 |
小计 |
||
|
1 |
主计算节点 |
18核4.4Ghz/128GB DDR4 2666 /NVS310/500GB SSD工作站级/4U机架式/无显示器 |
1 |
55000 |
55000 |
||
|
2 |
从计算节点 |
18核4.4Ghz/64GB DDR4 2666 /NVS310/500GB SSD工作站级/4U机架式/无显示器 |
5 |
46500 |
232500 |
||
|
3 |
管理/ 存储节点 |
4核4Ghz/32GB DDR4 ECC/集成显卡/256GB SSD+28TB单通道并行存储/4U机架式/23"图显 |
1 |
36500 |
36500 |
||
|
4 |
网络设备 |
16口万兆交换机 |
1 |
9500 |
9500 |
||
|
5 |
机柜 |
42U服务器机柜（含PDU机柜插座） |
1 |
3500 |
3500 |
||
|
6 |
KVM |
8口 HDMI KVM切换器 |
1 |
2800 |
2800 |
||
|
7 |
高速交换机 |
Mellanox 12口56Gbps交换机 |
1 |
39500 |
39500 |
||
|
8 |
IB卡 |
Mellanox IB卡56Gbps，含2米线 |
7 |
4500 |
31500 |
||
|
9 |
|||||||
|
10 |
|||||||
|
11 |
|||||||
|
12 |
|||||||
|
13 |
|||||||
|
累计(人民币) |
410800 |
||||||
|
安装调试费用(累计金额*10%) |
41080 |
||||||
|
合计： |
¥451,880 |
||||||
备注：以上价格仅供参考
方案2 基于CPU+GPU异构超算的分布式集群方案
|
NO |
货物名称 |
型号 |
数量 |
单价 |
小计 |
||
|
1 |
主计算节点 |
18核4.4Ghz/128GB DDR4 2666 /Quadro K6000/ 500GB SSD工作站级/4U机架式/无显示器 |
1 |
75500 |
75500 |
||
|
2 |
从计算节点 |
18核4.4Ghz/64GB DDR4 2666 /Quadro K6000/ 500GB SSD工作站级/4U机架式/无显示器 |
5 |
67000 |
335000 |
||
|
3 |
管理/存储节点 |
4核4Ghz/32GB DDR4 ECC/集成显卡/256GB SSD+28TB单通道并行存储/4U机架式/23"图显 |
1 |
36500 |
36500 |
||
|
4 |
网络设备 |
16口万兆交换机 |
1 |
9500 |
9500 |
||
|
5 |
机柜 |
42U服务器机柜（含PDU机柜插座） |
1 |
3500 |
3500 |
||
|
6 |
KVM |
8口 HDMI KVM切换器 |
1 |
2800 |
2800 |
||
|
7 |
高速交换机 |
Mellanox 12口56Gbps交换机 |
1 |
39500 |
39500 |
||
|
8 |
IB卡 |
Mellanox IB卡56Gbps，含2米线 |
7 |
4500 |
31500 |
||
|
9 |
|||||||
|
10 |
|||||||
|
11 |
|||||||
|
12 |
|||||||
|
13 |
|||||||
|
累计(人民币) |
533800 |
||||||
|
安装调试费用(累计金额*10%) |
53380 |
||||||
|
合计： |
¥587,180 |
||||||
备注：以上价格仅供参考
说明：
（1）上述报价仅仅是硬件系统，还需要作业调度系统及安装调试、培训、维护费用
（2）该集群中，每个计算节点比市场上低频双Xeon架构配置，性能更高，保证循环过程中，每个环节计算性能发挥到极致。
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