Три составные части САПР предприятия: аппаратное обеспечение

Владимир Голев

На наш сайт http://www.cad.ru/ поступает много вопросов с просьбой рассказать о том, с чего следует начать внедрение САПР на предприятии. Кроме того, есть много продвинутых пользователей, которые уже имеют опыт работы с локальными САПР и которых интересуют конкретные вопросы взаимодействия программной и аппаратной частей с целью достижения максимальной производительности работы комплексов САПР как в рамках подразделения, так и предприятия в целом. Поразмыслив над вопросами пользователей о САПР, мы решили начать публикацию цикла статей под общим названием «Три составные части САПР предприятия». Мы планируем опубликовать цикл статей на эту тему, которые не только расскажут о программном и аппаратном обеспечении САПР, но и позволят пользователю получить представление о том, как это все будет работать, а также объяснят, что может влиять на продуктивность работы всех частей комплекса САПР, на что важно обращать внимание при формировании технического задания на создание такого комплекса, что менее важно и что можно сделать самим, не обращаясь к услугам третьих лиц. Предлагаем вашему вниманию первую статью нашего цикла, посвященную аппаратному обеспечению САПР.

Вопреки сложившемуся мнению, САПР — это не только комплекс программных средств, в которые предприятия делают основные вложения, но и солидная аппаратная база, требующая соответствующего материального обеспечения и на несколько лет определяющая стратегию развития САПР как программного комплекса предприятия. Сейчас уже совершенно очевидно, что внедрение САПР необходимо осуществлять как внедрение программно-аппаратного комплекса, обладающего требуемой функциональностью.

На рынке САПР каждый год появляется много новинок, которые увеличивают функциональность прикладного ПО, но можно утверждать, что революционные прорывы происходят с периодичностью в три-четыре года. Причем промежуток между заявлением производителя ПО о новой функциональности и началом квалифицированной работы с нею пользователем может составлять до 12 месяцев. Примерно тот же временной интервал характерен и для оптимизации аппаратных ресурсов под вновь приобретаемое ПО. Из этого можно сделать следующий вывод: если аппаратный комплекс оптимизировать под существующую функциональность прикладного ПО, а также дать ему некоторый запас прочности, то моральное устаревание комплекса удастся отодвинуть на несколько лет.

Попробуем сформулировать основные принципы жизнеспособности аппаратного комплекса:

• дифференциация рабочих мест для плоского и трехмерного проектирования;
• выделение компьютера или группы компьютеров для реализации функций серверов приложений, данных пользователей, различных групповых сервисов;
• организация централизованного резервного копирования информации серверов (обязательно) и отдельных рабочих мест (по степени важности информации);
• выделение устройства вывода для индивидуального доступа каждого пользователя;
• предварительный расчет нагрузки на ЛВС и оптимизация трафика;
• формирование топологии ЛВС таким образом, чтобы ее надежность была максимальна и не зависела от воздействия внешних факторов;
• выделение места для репликации технической документации (до формата А0+) с целью оптимизации нагрузки на устройства вывода информации на бумажные носители;
• наличие минимального аппарата администрирования комплекса (инженеров IT).

Такой подход поможет минимизировать расходы на поддержание функциональности комплекса в рассматриваемый временной период.

Перед любым пользователем вычислительной техники на начальном этапе конфигурирования системы всегда встает главный вопрос: на какой технике планируется эта работа? Сейчас конечному пользователю доступны практически все типы вычислительных систем, но вопрос о том, какую архитектуру системы выбрать (RISC или CISC), почти всегда однозначно решается в пользу CISC, а если говорить конкретнее — Intel-систем.

Попробуем разобраться, хорош такой подход или плох. В пользу Intel-систем можно привести следующие аргументы: распространенность программного обеспечения; существующий уровень образования конечного пользователя; несанкционированное использование коммерческих версий программных продуктов; отработанная технология ремонта и хорошая ремонтопригодность таких систем. При этом пользователь забывает о том, что такие системы были созданы «для всего». Универсальная системная архитектура позволяет приложениям выполняться как одинаково хорошо или одинаково средне, так и одинаково плохо. При этом со стороны RISC-системы, как правило с UNIX ОС на борту, выступает один аргумент, кажущийся пользователю весьма веским: «Ну и что мне потом с такой системой делать?» Остальные аргументы, как правило, «за»: система ориентирована на высокопроизводительные вычисления; программное обеспечение имеет отработанные алгоритмы, причем именно на основе этих алгоритмов строится программное обеспечение для Intel-систем; система имеет высокую надежность, что практически сводит к минимуму выход техники из строя; прикладное программное обеспечение ориентировано на возможности именно этой, конкретной системы; все имеющиеся программы на этой вычислительной системе выполняются одинаково хорошо.

Обсуждение применения высокопроизводительной графики и графических и расчетных приложений на RISC практически лишено смысла. Не скоро еще Intel-системы в ценовом диапазоне от 1000 до 2000 долл. сумеют что-то противопоставить «дорогим» CISC-системам, так как при примерно одинаковой стоимости программного обеспечения, но меньшей его эффективности на Intel-системах их дешевизна становится сомнительной. Здесь мы говорим именно о профессиональном применении вычислительной техники и профессиональных ресурсоемких приложениях.

Что могут противопоставить обычные «персоналки», пусть даже класса «рабочая станция»? Ответ на этот вопрос может показаться пользователю несколько нелогичным: дифференциацию рабочих мест всего комплекса САПР и, как следствие, отказ от принципа all-in-one (все в одном).

Если расшифровать данное направление развития вычислительного комплекса, то это может выглядеть следующим образом:

• применение процессоров нижнего класса в компьютерах на рабочих местах, предназначенных для 2D-проектирования;
• четкое и однозначное формирование комплекса программного обеспечения как для 2D-, так и для 3D-рабочих мест;
• применение накопителя на жестких дисках минимально возможной емкости в соответствии с требованиями программного комплекса;
• применение RDRAM или DDR RAM в станциях, предназначенных для вычислений в режиме реального времени или визуализации сложных объектов;
• применение графических ускорителей 2D на рабочих местах для двухмерного проектирования;
• применение графических ускорителей с аппаратной реализацией OPEN GL v1.1 (новый стандарт v1.2) для рабочих мест, предназначенных для 3D-визуализации;
• если в вашей системе используются программные продукты Autodesk, то желательно применение Heidi-совместимой графической подсистемы.

Вопрос о рабочем месте для обработки двухмерной информации является принципиально важным. Таких компьютеров в системе может быть от нескольких штук до нескольких десятков и даже сотен, а стоимость рабочего места существенно влияет на стоимость всего программно-аппаратного комплекса. В то же время удешевление такого рабочего места не следует проводить в ущерб его функциональности. Оператор САПР должен чувствовать себя комфортно, а его производительность не должна зависеть от конфигурации его рабочего места.

Определяющей особенностью рабочего места CAD 2D является оптимизация системы для работы с двухмерной графикой. Таким образом, в качестве видеоконтроллера может быть использована любая современная графическая карта, желательно с интерфейсом AGP и оперативной памятью не менее 16 Мбайт, что позволит использовать на рабочем месте 17- или 19-дюймовые мониторы с разрешением 1024×768 или 1280×1024 точек разверткой не менее 75 Гц. Данные режимы работы мониторов наиболее удобны для операторов с точки зрения эргономики и психомоторики и являются оптимальными для приложений CAD 2D.

В свою очередь, применение указанного видеоконтроллера допускает применение в качестве ядра системы центрального процессора с минимально возможной актуальной тактовой частотой и материнской платы с функцией поддержки одного центрального процессора.

Количество оперативной памяти, являющееся необходимым для данного рабочего места, составляет 64 Мбайт, а при изменении класса задач пользователь может при необходимости оперативно нарастить ее количество.

Объем дисковой памяти не является критичным, поскольку современные дисковые накопители вмещают десятки гигабайт, так что его можно положить, скажем, равным 8 Гбайт или более.

Кроме того, рабочее место должно быть укомплектовано флоппи-дисководом, устройством чтения CD-ROM и сетевой картой.

В качестве рабочего места для 3D-проектирования желательно использовать несколько различных конфигураций: для организации 3D-сборок, моделирования работы узлов механизма, проведения различных расчетов (прочностных, тепловых и т.п.) и вывода в графической форме результатов на экран монитора в 3D-модели. В данном случае необходимо осознавать, что при разделении 3D-задач на такие классы, как организация сборок, кинематическое моделирование, проведение ресурсоемких расчетов (визуализация сложных объектов), можно разграничить требования к вычислительным платформам, графическим подсистемам, дисковому пространству и в итоге сформировать различные требования к конфигурации таких систем.

Можно утверждать, что обязательными требованиями для 3D-системы являются аппаратная реализация графическим контроллером OPEN GL; несколько растровых и геометрических процессоров; объем видеопамяти не менее 32 Мбайт, поддержка высоких разрешений 1600×1200, 1920×1440, 2048×1536 с минимальной частотой кадровой развертки 80/100 Гц, что делает необходимым применение мониторов с размером по диагонали 19 и 21 дюйм, а в некоторых случаях 22-29 дюймов. Естественно, графическая подсистема должна быть установлена на AGP 2x как минимум, а лучше — на AGP 4x, а еще лучше — использовать собственную шину и быть интегрированной в системную плату.

В свою очередь, производительность графической подсистемы накладывает требование на производительность центрального процессора, а в некоторых случаях — двух- или многопроцессорного ядра системы.

Объем оперативной памяти системы должен быть не менее 128 Мбайт, а в случае дополнительных требований к ресурсам оперативной памяти приложений CAD 3D может понадобиться оперативная память объемом от 256 Мбайт.

Несколько лет назад велись бурные дискуссии об особенностях применения и эффективности использования оперативной памяти типа RAM-BUS. Стороны разделились на две примерно равные части, но согласились в одном: применение данного типа памяти в вычислительной системе будет оправдано при использовании процессоров с тактовой частотой выше 800 МГц. Сейчас момент для применения в производстве систем, построенных на базе центрального процессора с частотой от 800 МГц и памяти RDRAM 800 МГц, является наиболее благоприятным, поскольку цены на эти системы упали, а спрос только начинает расти. Кроме того, диапазон рабочих частот центральных процессоров позволяет полностью использовать повышенную пропускную способность шины памяти в таких системах, что положительно сказывается даже на времени решения классических равнораспределенных вычислительных задач.

Также очень высокие характеристики должны показать профессиональные вычислительные платформы с DDR-памятью. К сожалению, автор пока не имел возможности оценить их производительность, плюсы и минусы применения в инженерных ресурсоемких приложениях, но, судя по аппаратной организации таких систем, их применение будет целесообразно и экономически оправданно.

У многих пользователей появилась реальная возможность получить высокопроизводительную систему, аналогичную Dell, HP, IBM, но в несколько раз дешевле. К применению в данной системе дисковых накопителей необходимо подходить дифференцированно: если система предназначена для решения всех трех или только третьего класса задач, то желательно применение дисковых накопителей с интерфейсом UW SCSI, но если система предназначена только для формирования трехмерных сборок, то возможна установка фактически ставших стандартными UDMA 66 IDE-жестких дисков. Емкость дисковой подсистемы должна быть не ниже 10 Гбайт.

Как и в случае двухмерного проектирования, необходимо наличие флоппи-дисковода, устройства чтения CD-ROM и сетевой карты.

В заключение скажем: используя дифференцированный подход к построению рабочих мест для различных областей применения в САПР, пользователь может полностью или частично отказаться от применения рабочих станций RISC, уменьшить стоимость затрат на новый или модернизируемый программно-аппаратный комплекс, повысить производительность, а главное, эффективность работы своего персонала. Последнее — немаловажное условие для выживания и развития в условиях рыночной экономики подразделений или организаций, использующих различные САПР.

«САПР и графика» 11'2000