MATLAB科学计算工作站及集群配置方案

一．MATLAB应用软件介绍

MATLAB R2017

MATLAB是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而不断深化对问题认识，更多提升MATLAB产品应用范围。

MATLAB产品广泛应用于各个行业,典型应用:

数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图

1. 数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图

控制系统的设计与仿真

2. 控制系统的设计与仿真

数字图像处理

3. 数字图像处理

通讯系统设计与仿真

4. 通讯系统设计与仿真

财务与金融工程

5. 财务与金融工程

二．MATLAB并行计算功能特点与硬件配置分解

随着科学计算的应用面扩大和深入,MATLAB的计算量越来越大,同时基于X86架构计算机多核并行计算技术成熟,MATLAB通过支持并行计算工具箱和分布式集群计算方式，完美借助多核架构的图形工作站和分布式集群的并行计算，大幅提升科学计算的效能。

2.1. MATLAB的并行计算介绍

对工作站的并行计算支持

MATLAB利用 Parallel Computing Toolbox，可以使用多核处理器、GPU 以及计算机集群来解决运算和数据密集型问题。循环并行化 (parallel for-loops)、特殊数组类型以及并行数值算法等高级结构让您实现 MATLAB 应用程序的并行化，而无需进行 CUDA 或 MPI 编程。可以使用 Simulink 工具箱并行运行一个模型的多个仿真。

工具箱提供用于在多核台式机上本地执行应用程序的12个worker（MATLAB 计算引擎）无需更改代码。

对分布式集群并行科学计算支持

借助MATLAB Distributed Computing Server在计算机集群或网格计算服务上运行同一个应用程序。此外，还可以交互式执行或在成批执行并行应用程序。

主要功能

循环并行化 (parfor) - 用于在多处理器上并行运行任务的算法

支持启用了 CUDA 的 NVIDIA GPU

可在一个多核桌面上本地运行十二个 worker

通过 MATLAB Distributed Computing Server 可支持计算机集群和网格

并行应用程序的交互和批量执行

分布式数组和单程序多数据 (spmd) 结构 - 用于大型数据集处理和数据并行算法

2.2. 工作站硬件配置与科学计算分解

矩阵式求解代数方程组过程中,矩阵规模的大小涉及到占用内存的多少,数据量和算法涉及到CPU的核数和频率，数据存储和读取对矩阵存储的硬盘I/O有要求，在很大程度上影响了计算的速度.是加速矩量法计算的关键，典型计算机配置的每一个配件对MATLAB性能有不同表现。

CPU---有更多CPU核心的计算机比和数量少的有更好的表现，但是结果随着MATLAB应用而不同，MATLAB自动使用多线程,在很多MATLAB应用中,以探索自然并行，但是不是所有MATLAB功能都是多线程的, 加速随着算法有所不同, 作为可选能力，Parallel Computing Toolbox提供并行程序结构，更多直接覆盖计算机多核，虚拟核很明显改善整个系统的性能，但是它对MATLAB应用的性能表现影响很小。

内存---内存容量在计算过程承载数据计算过程所有中间数据保存，如果存储容量不够，就会出现数据溢出，计算无法继续，不同数据量的求解对内存有一定要求，内存容量、CPU-内存通道数目、内存的频率都是对计算有影响的。

硬盘---硬盘I/O带宽涉及数据读写和虚拟内存的性能，对于数据密集型计算和大型图像处理，硬盘容量和带宽极其重要。

图卡---目前仅限支持Nvidia CUDA架构为主，MATLAB图形渲染靠的是CPU不是GPU，图卡主要负责正常的图形显示，以及支持GPU架构的并行计算应用，这种GPU并行计算主要是图像处理方面（需要安装Parallel Computing Toolbox）。

2.3. 工作站配置原则

1.内存配置：通常，矩阵计算的数据量和内存比例1:3，例如2GB数据，内存建议6GB以上。

2. CPU配置：内存确定后，一般和CPU核数比例是 4:1，例如：16GB内存以内，CPU用单颗4核.

3. 图卡配置：如果是基于图像处理应用，最好提供支持1~4块GPU计算，保证足够的数据量。

4. 硬盘配置：对于数据量规模小的应用，SATA接口就可以，如果数据量大，硬盘容量和转速相应提升，读写带宽也就越大，如数据量非常大，可以使用高速硬盘加高性能阵列，提升硬盘I/O带宽。

三．MATLAB科学计算工作站配置方案

Ultralab定制图形工作站是当今市场唯一能提供塔式、超级、机架、便携、特种等图形工作站全方面解决方案的品牌。拥有完整、完美、可靠、静音的高性能工作站全套产品系列，为行业用户在高性能计算、CAD/CAM/CAE、图形图像处理、虚拟仿真、三维动画、视频编辑等应用提供强劲、高效的定制专业级图形工作站。

Ultralab定制图形工作站将MATLAB应用软件结合最新计算机硬件技术，基于数据规模和软件应用特点划分配置方案，从而达到合理高效能完成科学计算。

科学计算工作站根据数据规模划分:

1. 小规模科学计算解决方案