三维CAD/CAE对专业显卡需求分析

        三维CAD和CAE在企业应用日益广泛，两者对于专业显卡的需求有哪些差异？过去我曾以为CAE对显卡没有什么要求，这个想法错在哪里？企业应该如何结合自身情况合理选择设备？本文是我和于硕工程师合作撰写，希望能为大家提供有益的参考。

　　一、背景

　　中国一拖技术中心的三维CAD/CAE应用已有二十多年的历史，使用的硬件经历了小型机的终端式工作站、UNIX系统工作站、早期的微机工作站、PC。目前，企业主要使用的是x86平台上的Windows图形工作站和普通PC加装专业显卡的组合。

　　目前，中心使用的软件包括中望CAD（二维CAD）、Pro/E（三维CAD）、MSC.Patran（FEA 前后处理），MSC.Nastran（FEA），MSC.MARC（FEA），MSC.ADAMS（多体动力学），**L.FIRE（CFD ）等。随着中心对三维CAD和CAE应用的不断深入，我们对于专业显卡的选择和使用有了比较清楚的认识。

　　二、三维CAD对显卡的需求简析

　　根据在此将企业常见CAD应用分类和对显卡的要求如下图所示：

图1 CAD应用对系统的要求

　　不同的应用需求也不尽相同，图1中黄色部分为对显卡要求不高的应用，绿色部分为对显卡要求较高的应用。

　　对于普通的CAD应用，如：二维CAD绘图、三维CAD零件建模等，一般性能的计算机硬件即可满足要求，且并不需要很高的显卡性能。但不建议选择普通消费类显卡，原因是在三维CAD设计实践中，普通消费类显卡偶尔会出现不兼容的情况，其表现为：在模型中增加了某个特征后，在模型中无法显示出来，会影响工程师工作。虽然这样的情况并不多见，且出现后难以复现，但设计工作不能容忍这样的偶然。因此我们选择的方案是：使用普通PC加装入门级别的专业显卡，如：NVIDIA Quadro FX370等。这当然是希望控制成本，这种做法厂商通常不太支持，因此需要自己做兼容性测试。图1是用FX370完成的某拖拉机发动机变速箱拆分后的结构图。

图2 变速箱装配模型

　　对于大型装配，后期渲染等工作，不但需要很强的显卡性能，同时还需要计算机拥有很好的综合性能，根据我们的经验，大装配和渲染工作不但依赖于GPU，同时也非常倚重CPU性能。对于这些应用，我们会选择专业的工作站。

图3 轮式拖拉机总装模型

三、CAE对显卡的需求简析

　　三维CAD程序通常采用特征建模，而且通常只关注最终形成的几何实体，因此常常工作在消隐（shading）模式下，因此中小规模的CAD模型普通显卡也能使用。

　　以FEA和CFD为主的CAE应用，对于硬件要求极高，同时CAE的工作方式与三维CAD有所不同。CAE的前处理需要大量的线框模式操作，原因之一是由于前处理程序通常为点、线、面直接建模，同时模型内部的节点、单元构成方式也非常重要。专业显卡对于线框模式的支持远远强于普通消费类显卡，因此应当成为企业的首选。

　　在求解阶段，需要高速CPU、海量的内存、高速的IO（输入输出）以及长时间高负荷运算的稳定性。这些工作最好安排在专门的服务器上运行，但服务器数量通常难以满足需求，因此大量中等规模以下的算例要在工作站上计算。同时这些工作站上，常常还要完成CAE的前后处理工作，此时，不但对于显卡有相当高的要求，其内存子系统和磁盘子系统的性能也非常重要。因为，CAE后处理部分往往要处理海量的数据，其结果文件物理尺寸超过10G是常有的事。

图4 发动机装配有限元模型（左）缸盖变形计算结果（右）

　　如图4所示的是一个发动机的有限元分析案例，包括缸体、缸盖、缸垫和螺栓，涉及材料和边界非线性，求解规模约170万自由度，在FX1700专业显卡、XEON 3G CPU、16G内存的专业图形工作站上，求解时间约16小时，结果文件的物理尺寸可达约30G。

　　四、显卡选择专业为重

　　在企业的CAD和CAE应用历史上，中心曾经使用过包括小型机、DIY电脑、专业图形工作站等在内的多种设备。最初，我们在显卡的选择上有过犹豫，对于高价格的专业显卡能否带来回报心存疑虑。经过多年的使用和对比，最终在所有三维 CAD和CAE工作的机器上全部使用了专业显卡。

　　对于显卡的选择，企业首先要考虑的要素是兼容性，一般可参考软件厂商提供的兼容性列表，性能方面也可参考一些评测报告，如：厂商和媒体提供的SPECViewperf测试结果、在不同软硬件环境下的典型算例对比等等。在保证兼容和稳定的基础上，当然也要关注性价比。

　　总体而言，对于CAD/CAE应用，专业工作站当然是理想的选择，其优势不仅仅是性能，厂商的兼容性认证，长时间高负荷下的可靠性等都是至关重要的。其中专业显卡是选择工作站的关键因素之一。根据以上需求和我们的实践，针对不同应用的配置如下：

　　另外，采用未经认证的驱动程序，则专业显卡同样可能存在兼容性问题。企业在选择的时候要注意把握，寻找稳定和可靠的解决方案，不必盲目追求发烧级的显卡和整机。

　　五、小结

　　在企业实践中我们认为，专业显卡的优势主要有两点：

　　1、兼容性好

　　对于专业用户来说，使用通过专业软件认证的产品非常重要，此前我们曾经遇到过显卡与某种专业软件不兼容的情况，有时显示出错，有时完全无法工作，最后不仅需要重新购买显卡，造成资金浪费，同时还浪费了很多时间；兼容性是整机稳定的关键。消费类显卡缺少了专业认证这个关键工序，其兼容性无法与专业显卡相提并论，事实上，正因为以前曾出现过兼容性问题，我们才决定不再使用消费类显卡。当然，选择专业显卡同样要注意兼容性。

　　2、性能强劲

　　与单纯注重像素和纹理填充的普通显卡不同，我们所从事的机械产品研发工作，经常需要在线框模式下拾取点、线、面、体，以及平移转动，要求显卡具有反锯齿、OpenGL硬件逻辑操作、重叠图形处理等功能，而这些正是专业显卡性能优势所在。

    在一个单位或一个部门，计算机应用的层次和深度是不相同的，所以在各档次计算机的配备和专业显卡的配置上也可以适当进行高中低的区分。如一般的三维CAD应用，普通计算机加专业显卡就可满足应用；如果要做一些CAE如有限元分析、复杂机构的运动学动力学仿真，则需要性能更好的专业显卡的工作站等。（本文为陈同江和e-works撰稿人于硕合作撰写，欢迎转载，转载请标明来源和作者）