岩土工程数值模拟的多核CPU和并行GPU运算

1 引言

大约在2001年，Itasca软件的主要开发者Dr. Peter Cundall【Charles Fairhurst教授讲述Itasca咨询公司的起源和创立过程】在他的论文《A discontinuous future for numerical modelling in geomechanics?(地质力学数值模拟的不连续未来?)》中陈述到“The application of particle methods to large-scale problems is currently difficult or impossible because of high computional demands. It is shown that such applications should be feasible with ten years, and certainly within 20 years.(由于计算要求高，颗粒方法在大规模问题上的应用目前是困难的或不可能的。研究表明，这种应用在10年内应该是可行的，在20年内肯定能实现。)"

2001年的个人计算机应该刚从486过渡到586，那时没有多核CPU，也没有64位编译器，内存最大只能安装到16M。当时算法的发展已经超前了计算机硬件的发展速度，不仅是上面Cundall提到的PFC遇到了计算瓶颈，事实上当时FLAC3D和3DEC也遇到了同样的问题。20年过去了，Cundall的预言基本上变成了现实，现在使用个人计算机可以处理大规模的模型。下面所示的是我目前使用的计算机配置，这种配置与20年前相比，已经有了质的飞跃。

(1) CPU Intel(R) Core(TM) i7-10700 CPU @ 2.90GHz(2904 MHz)

(2) 内存  32.00 GB(2667 MHz)

(3) 显卡  NVIDIA GeForce GTX 1660 SUPER (6144MB)

(4) CPU核心数  16

(5) 内存大小  32GB

大部分现代的数值模拟程序在编程时已经充分考虑了最大程度发挥硬件的能力，包括自动的多核利用以及64位编译运算，CPU的核数越多，运算速度越快。完全使用GPU运算的程序目前还不多。总的来说，影响计算速度最显著的因素是单元(网格)的划分以及收敛准则的设置。本文简要讨论了几个商业性岩土工程数值模拟软件在CPU和GPU使用上的一些考虑和设置方法，包括Itasca系列, Rocscience系列，Plaxis2D/3D，GTS NX，Geostudio系列以及Irazu。

2 Rocscience和GeoStudio

Rocscience系列计算强度最大的是RS3，RS3没有显式地指出如何有效地利用CPU核数，GeoStudio系列也一样，没有关于CPU核数的特别设置，不过它们在编程时已经针对多核处理器进行了优化，因此在运行这两类软件时无需进行任何设置，它们可以自动识别CPU核数，核数越多，运算速度越快。这两类软件均不能使用GPU。