2010 年 10 月

2010 年10 月

北京工业云的实践与思考

曾宇

Beijing October, 2010 BJAST

北京工业云平台简介 1

提纲

垂直工业云服务 2

应用案例与思考 3


技术维度的演进服务维度的演进并行计算用多个处理器来协同求解同一问题上世纪 60 年代初期

分布式计算通过软硬资源的共享，完成各种大规模、复杂的计算上世纪 70 年代中期

网格计算通过虚拟化技术整合各种计算资源，完成各种大规模、复杂的计算上世纪 90 年代末期

泛在计算让服务触手可及，上世纪 90 年代初期

SaaS 服务基于网络提供软件租赁服务， 2001 年

效用计算让用户能够像把灯泡插入灯头一样来使用计算机资源， 2003 年

PaaS 服务将开发环境作为服务来提供给客户， 2007 年

IaaS 服务基础设施的租赁服务SaaS 和 PaaS 之后，下一个自然的演化

云计算技术理论的整合云计算平台2007 年 11 月

提供三种基本服务：软件服务平台服务基础设施服务


计算能力传统高性能计算（ HPC in Cloud ）工业计算（ Blue Collar Computing in Cloud ）工程计算（ Engineering Computing in Cloud )

数据处理能力个人及企业数据服务商业计算 ( Business Computing in Cloud)

云计算三种服务提供的两种能力


圣地亚哥超级计算机中心（ SCSD ）– San Diego Supercomputer Center San Diego, California

橡树岭国家实验室（ ORNL ）– Oak Ridge National Laboratories Oak Ridge, Tennessee

匹兹堡超级计算中心（ PSC ）– Pittsburgh Supercomputing Center Pittsburgh, Pennsylvania

国家超级计算应用中心（ NCSA ）– National Center for Supercomputing Applications Urbana-Champaign, Illinois

英国爱丁堡并行计算中心（ EPCC ）– Edinburgh Parallel Computing Centre, the University of

Edinburgh 芬兰超级计算中心（ CSC ）

国外传统超算中心介绍


各国云计算发展战略和示范工程国家云计算发展战略示范工程美国透明和公开的政府和政务，服务于民，推动创新

通过政府示范带动云计算及关联产业的发展帮助政府机构降低成本，提高政府办公效率

七个方向示范项目：终端用户通信与计算、数据中心、门户网站 / 整合与信息传送、内容 / 信息 / 记录管理、工作流与场景管理、数据分析 / 可视化 / 报告、企业软件服务

英国云计算为数字英国战略重点，政府 IT 采购将重点关注于使英国政府在使用云计算方面起带头作用。政府在教育、健康、安全等公共服务领域，利用其地位主导服务采购，驱动标准产生

G-cloud 工程

日本支持所有政府运作所需的资讯科技系统，实现新一代电子政务协同完成政府职能，增加处理速度，降低成本，改进 IT 运营效益打造安全、绿色、先进的政府服务扩大 IT 市场规模，创造 IT 工作机会，刺激经济复苏

“ 霞云”工程，建立一个私有云环境，托管日本政府的所有 IT运作

新加坡以云计算推动智慧国的建设开展“ Open Cirrus”云计算研究项目从整合政府 (iGov2010) 到“智慧国2015”

欧盟划定电信改革四大优先目标，包括加快数字内容立法、创建移动支付安全系统、创建云计算系统和鼓励企业技术减排

鼓励小企业步入数字化阶段


云计算产业发展现状

云计算业务技术方案业务描述模式基础设施规模市场规模Amazon Web Services (AWS)

Redhat 专有技术方案

•弹性云计算（ EC2 ）•简单存贮服务（ S3 ）•简单队列服务（ SQS ）•简单数据库（ DB ）

IaaS 四万台服务器， 2/3 分布于美国， 1/3 位于欧洲

2008年达到 40万用户，营收额1 亿美元

Google App Engine(GAE)

Google 专有技术方案

提供 Web 应用开发和托管平台，支持 Python/Java语言，提供持久存储、用户授权、电子邮件等共性系统服务

PaaS 数十万台服务器，大部分位于美国

GAE 用户规模未知， Google Docs 应用全球用户约三千万

IBM Blue Cloud

IBM结合开源系统方案

用于构造私有云计算的硬件与软件集合

IaaS 主要面向企业定制主要面向企业定制

Microsoft Windows

Azure

Microsoft专有技术方案

软件 + 服务的混合模型，通过一套核心在线服务（比如存贮、身份认证、数据服务）提供应用开发和托管平台

PaaS 数十万台服务器，位于美国、欧洲的几大数据中心

试用阶段，用户规模未知

Sales force Salesforce 专有技术方案

提供在线 CRM 企业应用软件

SaaS 数千台服务器，主要位于美国

世界 500 强企业中的 1/4 为Salesforce 用户，营收额数亿美元


中国 2009 年云计算市场规模

2009 年中国云计算市场规模已达到 403.5亿元，增长率为 28%

其中 SaaS 为 354.2亿元， PaaS 为47.8亿元， IaaS 为 1.5亿元 ;

SaaS 市场中，网络游戏和搜索占据最大份额，达到 327.5亿元；未来三年， IaaS 的增长率最高， CAGR为 85.6% ， 2012年市场规模将达到 33亿元。

云计算得到世界各国，以及中国各省的重视，均把它当作战略性产业来抓，并开始规划与落实云计算发展战略

美国、日本等；上海、广东、浙江、四川、江苏。

315.3

403.5

511.7

610.3

775.2

29.8%28.0% 26.8%

19.3%

27.0%

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

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60%

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

2008年 2009年 2010年 2011年 2012年

中国云计算市场规模（单位：亿元）

中国云计算市场结构

计世资讯


云计算在中国市场发展阶段

（来源： CCID ）


100 万亿次公共计算平台建设

2013 年完成三期 500 万亿次扩容；


硬件配置阶段名称数量配置

一期20TFloa

ps

机架服务器 126Intel Nehalem 2.26GHz C4*2 、

32GB 、 500GB SATA

图形加速 20 ATI HD4870

二期80TFloa

ps

刀片服务器 305Intel Nehalem 2.66GHz C6*2 、

24GB 、 146GB SAS

图形加速 78 Nvidia Fermi2050

存储系统HDS AMS2500 & NAS3080

288TB


工业设备设备名称设备型号激光三维扫描设备 FARO 120

手持式三维数字彩色扫描测量仪

VIU scan

快速模型输出设备 Objet Eden350

触觉式设计系统 Sensable PHANTOM Desktop


工业设备用途

设备名称主要参数用途及应用FARO 120 扫描速度： 97.6万点 /秒

可分辨间隔： 153.49米精度： 25米内系统距离误差小于2mm视野范围：水平 360 度，垂直 320度

高速三维大空间数据扫描，并生成由三维测量点组成的虚拟现实图像，应用于大型物体等的扫描。

VIU scan 测量： 18,000 个测量 /秒空间分辨率： 0.1 mm (0.004 in)精度：最高 50 μm (0.002 in)容量精确性： 20 ìm + 0.2 L / 1000

便携式 3D 扫描，用于工业设计。

Objet Eden350 成型厚度（ Z轴）： 16微米精度： 0.1-0.3mm典型值

实体输出，三维模型输出设备

Sensable PHANTOM Desktop

6 自由度位置传感廉价桌面解决方案，精确定位输入和高精度力反馈输出


用户视图

登录结点

登录结点

计算结点

Lustre/SAN

WEB Portal

Integrated App

Scripts

Job

1

2

3

作业递交

作业返回



2




什么是云应用？

基础资源租用按需弹性使用透明资源访问自助业务部署开放公众服务

什么不是云应用？如果需要你向厂商提供一份几十页的需求说明书 ...那么，它不是云。如果他们想卖给你硬件设备 ...那么，它不是云。如果没有提供 API...那么，它不是云。如果需要你重新构架你的系统 ...那么，它不是云。如果你不能在 10 分钟之间部署服务器 ...那么，它不是云。如果你不能在 10 分钟之间撤销服务器 ...那么，它不是云。如果你知道你所使用的机器的具体位置 ...那么，它不是云。如果需要有一个咨询顾问来帮助你 ...那么，它不是云。如果需要你事先准备好所需机器数目清单 ...那么，它不是云。如果它只运行一种操作系统 ...那么，它不是云。如果你不用把它连到你自己的机器上去 ...那么，它不是云。如果需要你安装软件才能使用它 ...那么，它不是云。如果你拥有所有这些硬件 ...那么，它不是云。


中国仍处于工业化进程的中后期，制造业是中国高速成长的动力引擎。然而，中国制造业的总体水平并不高；劳动密集、劳动生产率低，只有美国的 4.38% ，日本的 4% ，德国的 5% ；中国的制造业能源消耗大，单位产品的能耗高出国际水平 20%至 30%；产品以低端为主，附加值不高，增加值率仅为 26.23% ，比美国、日本及德国分别低 22% 、 22% 和 11%；中国出口的产品大多数是技术含量较低、单价较低、附加值较低的“三低”产品，大量进口高技术含量、高附加值和高价格的 “ 三高”产品。

中国制造业现状

高性能计算和 CAE 应用是现代工业设计的核心能力！


工业信息化对高性能计算的需求；增强产品研制能力是提高企业产品市场竞争力的关键；增强产品研制能力必须广泛应用虚拟产品设计与性能仿真技术；高性能计算技术在工业企业中的应用；

加工工艺分析装配工艺分析模具设计机械零部件设计与性能分析车辆等复杂机电设备性能分析车辆等复杂机电设备装配工艺分析与设计电磁场模拟空调性能模拟与优化设计分析仿真空气净化器性能分析与效果评估

北京吉普汽车有限公司北内集团北京第一机床厂

打造面向工业的产业云 -(1)


新兴高技术产业对高性能计算资源的需求；新材料设计生物工程、生物信息学药物设计、药效分析、药物生产工艺设计新能源研究环保与资源综合利用商业数据挖掘、海量数据处理内容服务

北京第二制药厂北京同仁堂集团公司北京电信 China cache

打造面向工业的产业云 -(2)


工业云架构

安全安

全

内容管理内容管理

门户门户

邮件邮件

CRMCRMOAOA

身份认证身份认证 Cloud APICloud API Development Framework

Development Framework

ACLACL Data MiningFrameworkData MiningFramework ……

即时通信即时通信

平台即服务PaaS

软件即服务SaaS

客户端Client

互联网

基础设施即服务IaaS

数据存储数据存储计算服务计算服务负载管理负载管理备份备份基础服

务

主机主机存储存储网络网络其它硬件其它硬件

虚拟化虚拟化基础设施

工业应

用 AnsysAnsys

AbqqusAbqqus

FluentFluent

BLASTBLAST

管理和业务支撑

管理和业务支撑

20


定位：工业软件的运营商工业设计的服务商大规模计算平台 + 大规模工业设备 + 领域专家团队

在可靠的应用市场分析基础上，集中技术和市场资源在几个主要行业上建立起竞争优势；

在可靠的应用市场分析基础上，集中技术和市场资源在几个主要行业上建立起竞争优势；

目标：在 2011 年实现 500 家用户对接支持服务

北京工业云服务模式探索 - 垂直工业云计算服务



3




案例 1 ：某汽车设计研究院整车碰撞分析

正碰仿真模型128 核大规模并行、网格规模（千万级网格）； Ls-dyna 、 Abaqus ；仿真应用：汽车碰撞仿真，内容包括正碰、侧碰、偏置碰、多车追尾碰撞等；将原本在 PC 机上需要运行 2-3天的单个计算模型的计算时间成功的缩短到了几个小时；


仿真结果：整车碰撞

仿真结果：车体内部零件损伤变形

案例 1 ：某汽车设计研究院整车碰撞分析


案例 2 ：铁科院轮轨接触优化设计

接触应力云图接触压力分布

128 核大规模并行、网格规模（千万级网格）；Abaqus ；完成数十个仿真模型计算，作业规模从百万网格到上亿网格不等；


案例 3 ：某汽车设计研究院汽车轮胎性能优化设计

在工业云平台上完成汽车轮毂模态提取、汽车轮毂强度校核、轮胎压痕分析 128 核大规模并行； Abaqus 、 Ansys ；整个仿真项目历时数月，先后提交 23 个计算模型，完成数十个仿真模型计算，作业规模从百万网格到千万级网格不等；


案例 3 ：某汽车设计研究院汽车轮胎性能优化设计

Ansys网格规模百万级网格


案例 4 ：小湾拱坝地震响应分析

有限元造型小湾拱坝实景图片小湾拱坝实景图片

共有 28285 个节点， 1075 个接触点对，总共 23862 个单元（其中23022 个 8 节点六面体单元， 736 个六节点五面体棱柱单元， 90 个四边形边界单元， 14 个三角形边界单元）， 25 种材料。


案例 4 ：小湾水工大坝分析

坝顶节点在坝体重力作用下的稳定过程小湾坝体地震荷载作用下上游面压应力分布

小湾拱坝造型整体静位移小湾拱坝计算模型


案例 5 ：天安门广场 LED屏钢架结构优化设计

钢架结构模型

强度校核

在满足钢架强度的前提下，有效地减轻了屏体结构重量，同时巧妙的防止了屏体与离心风机发生共振，降低了屏体的振动噪声 ;


案例 6 ：天安门广场 LED屏抗风载性能设计

LED

屏表面风压

分布

采用 Fluent 软件模拟天安门广场风速场分布，计算出 LED屏表面风压分布情况。将得到的风压结果作为边界条件附加到 Abaqus 计算模型上，进一步评测风载对屏体钢架结构的影响，确定出 LED屏的最大抗风载能力 ;


案例 7:某兵工厂弹体侵彻分析在模拟弹体侵彻芳纶、钢板、陶瓷等材料的侵彻过程 , 有效减少打靶实验次数 ;采用软件 Abaqus\Ls-dyna;网格规模 ( 百万网格 );


案例 8:某兵工厂弹体破甲性能分析

在主要用于某型坦克前甲板抗弹性能改良 ;采用软件 Ls-dyna;网格规模 ( 百万网格 );通过破甲性能分析，得出甲板加强肋的最佳设计方案，有效提高了某型坦克前甲板的抗弹性能 ;


案例 9:翼凌机械厂机械零部件优化设计

在保障机械零部件机械强度等性能指标的前提下，对机械零部件进行仿真优化设计，使得用料在原有基础上减少 3%左右，为企业节约了材料成本。


IaaS 模式提供低成本和高可靠的基础设施托管服务会对传统硬件厂商（如服务器、存储等厂商）造成冲击 ; 为大规模低成本和低能耗设备供应商带来新的商业机会；具备公信力的政府机构、电信运营商或大型互联网企业可以构建这类平台来提供公众的服务，而传统的 IDC 行业可能会因此重新洗牌 ;

中小企业可以通过使用 IaaS类服务加速自身的信息化进程 ;

PaaS 模式提供快速的从技术开发到服务运维的能力会对传统的提供网页存储和有限建站功能的虚拟主机及虚拟空间租用企业造成冲

击 ; PaaS 平台可以缩短企业从创意到实践的过程，降低创业和服务运营门槛，催生新

的互联网服务商业模式 ; PaaS类业务还会促进开放应用平台（ Open Platform ）的兴起，给大量第三方独立软件开发商（ ISV ）或开发者带来商业机会 ;

SaaS 模式提供低廉的在线软件租用服务会对传统软件厂商造成冲击 ; 迫使传统软件厂商向在线应用转型 ;

云计算给传统 IT 产业带来变革


平台是云计算发展的关键；成本制约以及平台的可信度决定了平台提供商是目前国内云计算

产业链中最薄弱的一环；平台可以是地方政府的云计算中心或互联网企业；

政府及其下属的国有企事业单位是国内云计算运营的主体，主要面对公共计算领域。这种由政府机构主导的运营模式将在云计算业务发展初期成为主

要模式；电信运营商、大型互联网公司都具有成为云计算服务商的潜力。这种对计算资源

的进一步开发将成为这些企业的新赢利点；

云计算的垂直领域化细分是一种必然的发展趋势；云计算做为一种服务模式的创新将打上区域经济结构的烙印；

若干云计算发展的思考 -1


云计算归根结底是商业模式的创新； “ As Service” 中 Service是发展的重点；国内的云计算中心大多把重点放在基础架构平台的建设上，主要包括大量的服务器、存储、网络设备等的平台搭建；

云计算企业商业模式需进一步探索；在应用软件方面，国内云计算中心所提供的内容有限，行业 PaaS 平台建设与应用目前还面临诸多问题；

工业 PaaS 平台是工业云的重点和难点；当前部分已建设完成的云计算中心定位模糊，缺乏内容及应用支撑；云计算发展规范还需进一步加强：

云计算规范服务标准的制定云计算行业监管政策的制定云计算安全监控技术的研究与试验云计算安全等级保护制度的细化云计算示范平台的实施

若干云计算发展的思考 -2


云计算平台和云计算服务模式已成为后超算时代计算服务的主流载体和主流服务模式；

基于计算能力和数据能力服务的云计算服务模式将有力推动区域科技自主创新和区域经济结构调整的步伐；

以工业计算为主要服务内容的北京工业云将为北京工业发展做出有益的探索和实践；

总结总结总结总结


谢谢！

2010 年 10 月

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