摘要：在制造业数字化的全球大环境之下，塑胶模具行业同样也存在传统工作站算力不足、成本高、数据安全隐患严重等问题。本文以超算架构为依托，设计出高性能模具设计云桌面平台，在资源池化、GPU 分时透传和 WiseFS 安全存储等关键技术的基础上整合了 UG/NX、Moldflow 等工业软件，创建起一个完整的研发平台。经由实践得知，此平台可以把设计仿真速度加快 30%-50% ，硬件购置费用削减 40%-60% ，资源利用率达到此前不足 30% 的 70% 以上，并且达成数据“ 集中存放、统一管理” 的效果，很好地破解了传统模式下的诸多难题，给企业完成数字化转型赋予了关键支持。

关键词：超算架构；云桌面；模具设计；GPU 虚拟化；数据安全；降本增效

一、引言

传统工作站模式在性能、成本、安全等各方面逐渐暴露出不足之处，算力不够造成设计卡顿，研发时间延长 15% 到 20% ，硬件购置和运维费用昂贵，软件许可利用率只有 30% 左右，数据分散存放容易造成泄密，不能满足异地协同和快速扩编的需求。于是云端高性能计算 HPC⁺ 虚拟桌面基础设施 VDI 成为了解决方案。欧美日等发达国家已经将云桌面广泛应用于汽车、航空航天等行业，国内华为、深信服等厂商也推出了相关方案，但是塑胶模具行业的深度融合应用还不到 25‰ 。基于此，本文提出基于超算架构的云桌面平台方案，依靠技术革新冲破传统模式限制，达成模具设计研发的高效率、高安全性、低成本运行目标，给予行业数字化转型实际操作的参照。

二、项目实施的目的与意义

（一）传统模式面临的核心困境

传统工作站模式已经不能满足模具行业的发展需要，主要困境有五个方面。从性能方面看，复杂设计、仿真任务中经常出现卡顿、死机等问题，单次任务处理时间延长2 到3 小时，严重阻碍研发迭代速度；从成本方面看，新增研发人员的硬件部署需要3 到 5 天，年 IT 运维成本高达50 万元，软件授权费用近80 万元，而且资源利用率低；从数据安全角度看，研发数据分散存储，泄密、丢失的风险大，行业平均损失达百万元级别；从资源配置上讲，CPU、GPU 与软件许可证忙闲不均，独占现象普遍；从协作效率上讲，不支持远程办公，新员工环境搭建周期长，业务响应滞后。

（二）平台建设的核心目标

本项目要创建基于超算架构的一体化云平台，完全取代传统的工作站，达成五个主要目的。效能提升，利用云端 GPU 加速能力，使复杂的设计和仿真效率提升了 30%-50% ；成本优化，硬件采购、软件授权、IT 运维成本下降，其中硬件成本下降 40%-60% ；数据安全，建立集中存储、统一控制、不落地的安全体系。

（三）项目的战略价值

该平台是企业的数字化转型的基础设施，可以改变研发的工作方式，提高技术实力和市场响应速度。通过超算资源和工业软件的整合，冲破传统工作站的物理束缚，给予模具设计高效，安全，灵活的研发环境，助力企业于激烈的市场竞争中塑造核心竞争力，并且为制造业智能化升级赋予结实根基。

三、国内外发展状况

（一）国外发展现状

欧美日等发达国家在 HPC 和 VDI 领域技术成熟，NVIDIA GRID、Citrix HDX等技术已经应用到重图形负载行业。美国通用汽车通过云桌面平台整合全球研发资源，将新车型模具研发周期由原来的18 个月缩短到12 个月，降低成本 25‰ 。主流的 CAD/CAE 软件提供商正在向云端转型，Autodesk、Dassault Systè mes 等提供云端解决方案，GPU 虚拟化技术已经成为高性能云桌面的标准配置。同时GDPR 等法规要求数据集中管理，“ 数据不落地” 的方案被普遍使用，形成了比较完善的技术应用生态。

（二）国内发展现状

国内制造业对数字化转型需求十分迫切，高端装备、汽车、模具等产业对于云端高性能平台的需求激增。华为、深信服、锐捷等厂商的云桌面方案在政企市场广泛使用，但是塑胶模具行业深度融合的应用只占 25‰ 。本土技术创新成果显著，WiseCloud 平台在GPU 分时透传、WiseFS 存储安全等方面形成特色，突破国外技术限制。

四、平台核心研究内容

（一）超算云平台架构设计

基于 Kubernetes/OpenStack 创建超算资源池管理架构，改进 CPU、大内存、高速存储的调度策略，满足 CAE 仿真等高吞吐要求。设计高可用、高容错的架构，用冗余设计和故障自动切换保证业务的连续性。整合计算节点与GPU 节点，其中计算节点配置高性能多核处理器、≥512GB DDR4/DDR5 ECC 内存和 NVMeSSD 缓存，GPU 节点配NVIDIA RTX A 系列显卡，按需配置数量以满足分时复用的需求。

（二）高性能图形云桌面技术集成

改进 GPU 分时透传技术，依靠 CPU 内核调度达成单物理 GPU 多用户高效服务，支撑 1:6 以上比例，超越显卡型号与驱动的约束。集成KVM 虚拟化技术以及SPICE、PCoIP 远程显示协议来减少图形传输的延迟。创建负载均衡机制，依照任务负载智能分配资源节点，保证设计操作的顺滑性，给予类似物理工作站的图形性能。

（三）企业级安全存储与管控体系

部署 WiseFS 分布式存储系统，用单块硬盘多副本冗余、故障域隔离的方式达到数据高可用。严格实行数据不落地的原则，强制研发数据集中存储，建立多版本控制、文件流向跟踪、操作审计日志[1]。建立统一管控平台，实施设备认证、用户强认证的准入控制，管控 USB 外设、剪贴板的使用，建立“ 可进可出” 、“ 可进不可出” 、“ 下载审批” 三级数据外发策略，用RBAC 实现细粒度权限控制。

（四）软件部署与运维体系构建

研究在云环境下 UG/NX、AutoCAD、Moldflow 等软件最佳的部署方案，用智能调度实现许可证池化，使利用率提高 20% 到 40‰ 。建立TCO 成本效益模型，比较云平台和传统模式的投资收益。设计自动运维流程，系统监控、故障预警、自动修复等拟定管理员、最终用户培训方案，保证平台平稳过渡、有效使用。

五、平台特色与创新点

（一）突破性·GPU分时透传技术

利用CPU·内核调度显卡资源，摆脱英伟达特定·vGPU·技术以及驱动的依赖，支持各种显卡型号，提高硬件选择的灵活性。单物理GPU多用户共享模式可以降低人均·GPU成本，在保证图形性能的同时达到成本优化的目的，解决了传统模式下GPU资源浪费的问题。

（二）“数据不落地”·安全架构t

WiseFS分布式存储系统加上“数据不落地”的策略从物理上完全消除了终端泄密的风险，多副本和故障实时冷迁移保证数据的可靠性、业务的正常运行。全生命周期管控加上审计机制，实现数据下载的审批、流向的追踪、版本的管理，满足数据安全法规以及客户的审计要求。t

（三）精细化安全与资源管理

综合多层次安全措施形成准入、设备、数据、权限的全流程安全体系，三级数据外发控制策略满足不同密级数据的要求[2]。

六、市场前景与实施收益

（一）市场前景

塑胶模具、汽车零部件等制造业对高效、安全、低成本的云端研发平台有着非常迫切的需求，国家“ 上云用数赋智” 的政策为项目的落地提供了强有力的支撑。GPU 虚拟化、分布式存储等技术日趋成熟，经济下行时期企业降本增效的诉求十分强烈，项目方案准确对接市场痛点，应用前景十分广阔。

（二）直接经济效益

硬件采购成本降低 40%-60% ，瘦客户机取代高性能工作站，GPU 分时复用大大降低硬件投入，软件许可证利用率提高 20%40% ，减少采购量和授权费用，Π 运维人力成本降低 50%-70% ，集中自动化运维减少现场支持，能耗降低 30% 以上，瘦客户机和数据中心虚拟化提高能效。项目投入在 1.5 年到 2.5 年内可以收回成本。

（三）效率与安全收益

提高 30% 到 50% 的仿真任务处理速度、减少研发周期、把资源利用率由原来的不到 30% 提高到 70% 以上，提升资源的分配效率；新员工桌面环境几分钟就能完成分发、支持各种办公场景、提高业务的灵活度。

七、结束语

基于超算架构的高性能模具设计云桌面平台，采用超算资源池化、GPU 虚拟化、安全存储等技术，解决传统工作站模式下的性能、成本、安全、协作问题。平台达到的设计效率提升、成本节省、数据安全保证、管理升级等目的，给塑胶模具行业实现数字化转型提供了一个可行的途径。

参考文献

[1] 练建锋. 模具制造云平台及其若干关键技术研究[D]. 福州大学,2019.DOI:10.27022/d.cnki.gfzhu.2019.000216.

[2]练建锋,黄彬.模具制造云平台体系架构及其服务匹配技术研究[J].机械设计与制造工程,2022,51(09):85-90.