COMSOL Multiphysics es una herramienta de simulación multifísica que permite a ingenieros y científicos modelar una amplia variedad de fenómenos físicos. Desde la mecánica de fluidos hasta la transferencia de calor y el electromagnetismo, COMSOL ofrece un entorno integrado para resolver ecuaciones diferenciales acopladas y entender el comportamiento de sistemas complejos. Para aprovechar al máximo las capacidades de COMSOL y garantizar un rendimiento eficiente, es esencial contar con una infraestructura computacional adecuada. Aquí, exploramos los requerimientos computacionales clave para el buen uso de COMSOL Multiphysics:

1. Potencia de procesamiento

COMSOL Multiphysics es intensivo en cálculos y se beneficia de una potencia de procesamiento significativa. Un procesador multinúcleo de última generación es esencial para acelerar la simulación y reducir los tiempos de cálculo. Se recomienda un procesador con arquitectura de 64 bits y al menos cuatro núcleos para un rendimiento óptimo.

Se destaca que COMSOL no utiliza la tecnología Hyper-Threading para sus cálculos paralelos [1], sino que se basa en la paralelización a través de múltiples núcleos físicos en un procesador multicore. Por lo tanto, COMSOL asigna tareas específicas a cada núcleo físico disponible, sin hacer uso de los hilos lógicos extras generados por el Hyper-Threading para realizar cálculos adicionales. Esta consideración es importante al seleccionar la CPU para utilizar con COMSOL. De manera concreta COMSOL no se beneficia del Hyper-Threading y utilizará únicamente tantos hilos como núcleos físicos de CPU haya en el sistema. Por lo tanto, si el Hyper-Threading está activo, el Administrador de tareas de Windows mostrará como máximo un 50% de utilización de CPU para el proceso de COMSOL, lo cual es normal y no indica una baja utilización de la CPU. Se recomienda tener el Hyper-Threading activado para permitir que otras aplicaciones en ejecución simultánea puedan aprovecharlo.

Un aspecto relevante para considerar es la escalabilidad de los núcleos. Esto se refiere a cómo el tiempo de cálculo disminuye a medida que se agregan más núcleos de procesador a la simulación. En COMSOL, la escalabilidad de los núcleos depende en gran medida de la naturaleza del modelo y de la manera en que está formulado. Algunos modelos se pueden dividir fácilmente en tareas independientes que pueden ser asignadas a diferentes núcleos, lo que resulta en una mejora lineal en el tiempo de cálculo a medida que se añaden más núcleos. Esto se conoce como escalabilidad ideal. No obstante, en la práctica, la escalabilidad ideal rara vez se alcanza debido a varios factores, como la comunicación entre los núcleos, la sobrecarga de administración de tareas y la naturaleza acoplada de muchos problemas físicos. Por lo tanto, la escalabilidad de los núcleos en COMSOL puede ser subóptima en algunos casos [2]. Para maximizar la escalabilidad de los núcleos en COMSOL, se recomienda:

• Descomposición de dominios: Dividir el modelo en subdominios que puedan ser resueltos de forma independiente.
• Paralelización de tareas: Utilizar las capacidades de paralelización de COMSOL para distribuir las tareas de simulación entre múltiples núcleos.
• Optimización del modelo: Simplificar el modelo siempre que sea posible y reducir la cantidad de acoplamientos entre diferentes físicas para minimizar la comunicación entre los núcleos.
• Hardware adecuado: Asegurarse de tener un hardware compatible con la paralelización, incluyendo un procesador multicore y suficiente memoria RAM para manejar la carga de trabajo distribuida.

Algunas características adicionales con respecto a los núcleos [2]:

• Un mayor número de núcleos puede permitir un barrido por lotes (batch sweep). Esto significa paralelizar un barrido paramétrico para que se ejecuten 2 o más simulaciones simultáneamente.
• Más núcleos en el procesador permiten ejecutar más hilos paralelos simultáneamente, conocido como multithreading. COMSOL aprovecha automáticamente todos los núcleos disponibles, pero usar demasiados puede ralentizar, especialmente para modelos pequeños. En general, sistemas con seis u ocho núcleos son buenos, aunque más pueden ser mejores, especialmente al ejecutar varios modelos en paralelo o al usar PARDISO [3].

Es importante destacar que la potencia de un procesador no solo depende del modelo (como un i7), sino también de otros factores como la arquitectura del dispositivo en el que está instalado. Por ejemplo, tener un procesador i7 en un portátil no garantiza el mismo rendimiento que un i7 en una torre de escritorio. Muchos usuarios pueden experimentar lentitud en COMSOL a pesar de tener un i7 en su portátil debido a diferencias en la potencia bruta de la CPU y otras especificaciones del sistema. Por lo tanto, es crucial considerar no solo el modelo del procesador, sino también otros aspectos del hardware al evaluar el rendimiento de COMSOL en diferentes dispositivos. Una forma aproximada de comparar CPUs es mediante la puntuación de benchmarks, como Cinebench R23. Una puntuación más alta indica una mayor potencia de cálculo bruto [4].

2. Memoria RAM

La capacidad de la memoria RAM es crítica para manejar modelos complejos. A medida que aumenta la complejidad del modelo, se requiere más memoria RAM para almacenar la información temporal durante la simulación. Se recomienda tener al menos 16 GB de RAM o más, aunque modelos más grandes pueden beneficiarse de capacidades superiores. En sí 32 GB sería más apropiado como límite inferior.

Dado que COMSOL es una aplicación intensiva en datos, es recomendable utilizar RAM de alta velocidad y baja latencia. Las versiones más recientes de Double Data Rate o abreviado DDR (DDR4 o DDR5) suelen ser una buena opción, ya que ofrecen velocidades de transferencia más altas en comparación con las generaciones anteriores (DDR3, DDR2).

Si la placa base lo permite, se recomienda utilizar configuraciones de memoria de doble, triple o cuádruple canal para mejorar el rendimiento, ya que conllevan un aumento del ancho de banda de la memoria y la capacidad de transferencia de datos entre la CPU y la RAM [5]. En la Figura 1 se muestra un caso como ejemplo donde se usa un ordenador con una única CPU de cuatro canales de memoria, con dos ranuras por canal, para un total de 8 ranuras DIMM abiertas. El enfoque óptimo para mejorar el rendimiento de este ordenador es llenar los ocho slots con un módulo DIMM de 8 GB cada uno. Aunque esto impide futuras expansiones, ofrece el mejor rendimiento inicial. Una alternativa casi óptima es colocar un módulo de 16 GB por canal de memoria, permitiendo duplicar la memoria instalada más adelante. Sin embargo, si la capacidad de ampliación es prioritaria, se puede optar por un solo módulo de 64 GB, aunque esto puede ralentizar el rendimiento. Es importante consultar con el proveedor de hardware para determinar la mejor configuración de memoria.

Figura 1: Esquema de la configuración de memoria (reproducido según [2]).

En el contexto de los requisitos computacionales para COMSOL Multiphysics, un aspecto que está relacionado es el de los grados de libertad (DoF). Los DoF son las variables independientes necesarias para describir un modelo físico. A medida que aumenta la complejidad del modelo, también lo hace el número de grados de libertad, lo que influye en los requisitos de memoria, procesamiento y capacidad de la tarjeta gráfica. La gestión adecuada de los grados de libertad es crucial para optimizar el rendimiento y garantizar simulaciones precisas y eficientes [6]. El número de grados de libertad #DoF se puede escribir en términos del número de nodos (#nodos) y el número de variables dependientes (#Variables Dependientes).

#DoF = (# nodos) * (# Variables Dependientes)

En relación con los requisitos de memoria a medida que el tamaño del modelo aumenta, expresado en #DoF, y considerando la memoria virtual y física, los autores en [5] lo ejemplifican. Primero se debe considerar la memoria virtual, la cual, es la solicitada al sistema operativo. Por otra parte, la memoria física es la RAM utilizada. A medida que el modelo crece, parte de los datos puede almacenarse en el disco duro cuando la RAM se agota. Se señala que añadir más memoria permitiría manejar modelos más grandes, y se sugiere una extrapolación lineal para prever los requisitos de memoria (Figura 2a). Por otra parte, con el fin de ilustrar el tiempo requerido para encontrar una solución, se reporta que para un modelo de transferencia de calor en sólidos y usando un ordenador con 32 GB de RAM el tiempo de solución muestra dos regiones distintas (Figura 2b). Se realiza un ajuste con un polinomio de segundo orden a la región donde la cantidad de memoria virtual necesaria es menor que la RAM instalada (comportamiento lineal). Otro polinomio de segundo orden se ajusta a los datos restantes, donde la memoria virtual es mayor que la RAM instalada. Esto muestra una pendiente más pronunciada, ya que en este régimen lleva más tiempo acceder a los datos del modelo almacenados en la memoria virtual [5].

Figura 2: Extraídas de [5]. (a) Memoria virtual (azul) y memoria física (naranja) necesaria en función del tamaño del problema expresado en millones de DOFs. (b) El tiempo de solución frente al #DoF muestra una pendiente más pronunciada cuando el tamaño del problema es mayor que la RAM disponible.

3. Tarjeta gráfica

Aunque COMSOL es principalmente una herramienta basada en cálculos numéricos, una tarjeta gráfica dedicada puede mejorar la visualización de resultados y la interacción con el entorno de trabajo. Una GPU con soporte para OpenGL acelerará la renderización de gráficos y facilitará la navegación en modelos 3D. Para la versión 6.2, COMSOL es compatible con OpenGL 2.1 o superior. Para utilizar todas las funciones de renderizado disponibles cuando se establece Optimize for quality en las preferencias de Gráficos, se recomienda tener una memoria gráfica de 2 GB o más.

COMSOL puede funcionar con una amplia variedad de tarjetas gráficas, incluyendo las integradas en la placa base (como las Intel HD Graphics) y las tarjetas gráficas dedicadas de diferentes fabricantes como AMD y NVIDIA [7]. Es importante tener en cuenta que, aunque COMSOL puede funcionar con dicha variedad de tarjetas gráficas, el rendimiento y la calidad de los gráficos pueden variar según el modelo y las especificaciones de la tarjeta. En general, se recomienda utilizar una tarjeta gráfica que cumpla con los requisitos mínimos de COMSOL y que tenga suficiente potencia de procesamiento para proporcionar una experiencia de usuario fluida, especialmente al trabajar con modelos complejos o realizar tareas intensivas en gráficos en 3D.

4. Almacenamiento en disco

El espacio de almacenamiento en disco es crucial para guardar modelos, resultados y archivos temporales generados. Un disco de estado sólido (SSD) no solo mejora la velocidad de carga del software, sino que también acelera la lectura/escritura de datos tras las simulaciones. Por ejemplo, se podría utilizar un SSD NVMe m.2 el cual es una unidad de almacenamiento ultrarrápida que permite escribir y leer información a velocidades elevadas. No obstante, un SSD de formato tradicional como 2.5 puede ser suficiente para un buen funcionamiento [5].

COMSOL Multiphysics utiliza la técnica Out of Core Memory cuando los modelos que se están simulando son demasiado grandes para que quepan completamente en la memoria RAM disponible en el sistema. Esto puede ocurrir cuando se trabaja con modelos extremadamente complejos que contienen una gran cantidad de datos, como geometrías detalladas, mallas finas o simulaciones con alta resolución temporal, y un gran número de DoF. Cuando un modelo supera la capacidad de la memoria RAM disponible, COMSOL Multiphysics implementa automáticamente la técnica Out of Core Memory. Esto significa que parte de los datos del modelo se almacenan en el disco duro en lugar de cargarlos completamente en la memoria RAM. Durante la simulación, COMSOL accede a estos datos almacenados en el disco según sea necesario, transfiriendo bloques de datos entre la RAM y el disco según el flujo de la simulación. El uso de Out of Core Memory permite a COMSOL manejar modelos más grandes de lo que sería posible si dependiera únicamente de la memoria RAM disponible. Aunque el acceso a los datos en el disco es generalmente más lento que el acceso a los datos en la RAM, esta técnica permite realizar simulaciones de alta fidelidad en modelos complejos que de otro modo serían demasiado grandes para procesar en la memoria RAM disponible en el sistema.

5. Sistema Operativo

COMSOL es compatible con varios sistemas operativos, incluyendo Windows, Linux y macOS. La elección del sistema operativo dependerá en gran medida de las preferencias del usuario y de la disponibilidad de controladores para el hardware específico [7].

La versión mínima requerida para COMSOL Multiphysics 6.2 en diferentes sistemas operativos es la siguiente:

• Para Windows: Windows 10
• Para macOS: macOS 10.15 Catalina
• Para Linux: Distribuciones de Linux compatibles con glibc 2.17 o superior

Le recomendamos que consulte los requisitos del sistema en el momento de la adquisición de COMSOL para conocer la versión mínima para la versión vigente [7].

Módulo de importación de CAD, de Diseño y Constructor de Aplicaciones

La importación de archivos en los formatos de archivo NX y SOLIDWORKS está disponible únicamente en el sistema operativo Windows o Linux compatible con procesadores Intel de 64 bits. La importación de archivos en los formatos de archivo AutoCAD e Inventor está disponible únicamente en un sistema operativo Windows compatible. La importación de archivos en los formatos de archivo ACIS 2024 1.0 y SOLIDWORKS 2024 está disponible únicamente en un sistema operativo Windows compatible. Asimismo, el Constructor de Aplicaciones sólo es compatible con el sistema operativo Windows [8].

La importación de archivos CATIA V5 solo está disponible para Windows 10 y Windows 11. LiveLink para MATLAB es compatible con MATLAB R2023a y R2023b en todos los sistemas operativos compatibles, mientras que LiveLink para Simulink es compatible con Simulink R2023a y R2023b en los mismos sistemas operativos. Algunos requisitos adicionales de programas como xterm, csh y XQuartz pueden ser necesarios para sistemas Linux y macOS1 [8].

6. Licencia y configuración de la red

La licencia en red incluye ciertas ventajas frente a las licencias de máquina única, como son la posibilidad de instalar el software en todos los ordenadores de una red local, la disponibilidad del trabajo en remoto, la posibilidad de utilizar COMSOL en modo cliente-servidor y el uso de COMSOL en un clúster de ordenadores. Vamos a fijarnos en esta última ventaja: COMSOL permite los cálculos en paralelo en sistemas de memoria distribuida siempre y cuando se disponga de una licencia en red y se utilicen sistemas operativos de clúster [9].

6.1 Licencia de tipo flotante

Para un rendimiento óptimo en entornos de red, es crucial configurar adecuadamente la licencia de COMSOL y la conexión de red. La licencia debe ser accesible para todos los nodos que participan en simulaciones paralelas. La licencia del tipo flotante es esencial en este contexto, permitiendo el acceso a COMSOL desde múltiples nodos o computadoras dentro de una red. Esta licencia, alojada en un servidor central, puede ser compartida entre usuarios o computadoras según sea necesario.

Para configurar una licencia flotante de COMSOL, se necesita un servidor de licencias accesible para todos los nodos participantes en las simulaciones paralelas. Este servidor actúa como un punto centralizado de autorización, supervisando el acceso y la disponibilidad de las licencias en la red [1].

6.2 Memoria distribuida

COMSOL permite realizar simulaciones paralelas con múltiples ordenadores, distribuyendo la carga de trabajo entre nodos para superar limitaciones de memoria. COMSOL ofrece herramientas como MPI o Sockets para optimizar la comunicación.

6.3 Optimización de la configuración de red

Una configuración adecuada de la red es esencial para garantizar una comunicación eficiente entre los nodos y aprovechar al máximo la memoria distribuida en COMSOL. Esto incluye utilizar una infraestructura robusta, conexiones de alta velocidad, una topología eficiente, configuraciones de firewall apropiadas y la selección de protocolos y parámetros optimizados. Estas mejores prácticas mejoran el rendimiento y la escalabilidad de las simulaciones en COMSOL Multiphysics [10].

7. Actualizaciones y parches

Mantener el software actualizado es fundamental para aprovechar nuevas características y mejoras de rendimiento. COMSOL regularmente lanza actualizaciones y parches que corrigen errores y optimizan la eficiencia del software. Con ello se puede garantizar la compatibilidad con sistemas operativos y hardware actualizados, recibir soporte técnico y asistencia, mantener la seguridad y estabilidad del software mediante parches de seguridad, y permanecer al día con el ciclo de desarrollo del software, lo que permite a los usuarios mantenerse competitivos y aprovechar las innovaciones en el campo de la simulación y el modelado. El servicio de mantenimiento de COMSOL da derecho a recibir estas mejoras y servicios. El primer año del servicio viene incluido con la compra del software. Los siguientes años es opcional pero altamente recomendable.

8. Resumen

• Potencia de procesamiento
  
  • Se recomienda un procesador multinúcleo de última generación con al menos 4 núcleos.
  • COMSOL no se beneficia del Hyper-Threading, por lo que es importante seleccionar un procesador con múltiples núcleos físicos.
  • Se debe optimizar la escalabilidad de los núcleos dividiendo el modelo en subdominios y paralelizando tareas.
• Memoria RAM
  
  • Se recomienda un mínimo de 16 GB de RAM, pero para modelos complejos se sugiere 32 GB o más.
  • Se recomienda utilizar configuraciones de memoria de doble, triple o cuádruple canal para mejorar el rendimiento.
• Tarjeta gráfica
  
  • o Se sugiere una tarjeta gráfica dedicada compatible con OpenGL para una mejor visualización y navegación en modelos 3D.
• Almacenamiento en disco
  
  • o Se recomienda un disco de estado sólido (SSD) para mejorar la velocidad de carga del software y la eficiencia en la lectura/escritura de datos.
• Sistema Operativo
  
  • COMSOL 6.2 es compatible con:
    
    • Window 10 o superior
    • Linux: Distribuciones de Linux compatibles con glibc 2.17 o superior
    • MacOS: macOS 10.15 Catalina o superior
• Licencia y configuracion de red
  
  • Se necesita una licencia de tipo flotante para poder trabajar en modo clúster, accesible para todos los nodos que participan en las simulaciones paralelas.
  • La configuración de la red debe ser optimizada para garantizar una comunicación eficiente entre los nodos.
• Actualizaciones y parches
  
  • Mantener COMSOL actualizado garantiza aprovechar nuevas características y mejoras de rendimiento, así como recibir soporte técnico y parches de seguridad.

Conclusiones

Este artículo detalla los requisitos computacionales esenciales para utilizar eficazmente COMSOL Multiphysics en diversas aplicaciones de simulación multifísica. Se enfoca en la potencia de procesamiento, la memoria RAM, la tarjeta gráfica, el almacenamiento en disco, el sistema operativo y la configuración de red. Se destaca la importancia de contar con un procesador multinúcleo de última generación y una cantidad adecuada de RAM para manejar modelos complejos. Se recomienda una tarjeta gráfica dedicada y se menciona la técnica "Out of Core Memory" para modelos grandes. Se enfatiza en la licencia de tipo flotante y la configuración de red para entornos de red y cálculos con memoria distribuida. Finalmente, se subraya la importancia de mantener el software actualizado para aprovechar nuevas características y garantizar la compatibilidad con sistemas operativos y hardware actualizados, esenciales para maximizar la eficiencia y el rendimiento al utilizar COMSOL Multiphysics en la simulación de fenómenos físicos complejos.

Referencias

[1] Base de conocimiento de COMSOL: COMSOL and Multithreading
[2] Base de conocimiento de COMSOL: What hardware do you recommend for COMSOL Multiphysics®
[3] Blog de COMSOL: Solutions to Linear Systems of Equations: Direct and Iterative Solvers
[4] Cinebench R23 Scores (Nanoreview.net)
[5] Blog de COMSOL: How Large of a Model Can You Solve with COMSOL®?
[6] Web Addlink: Grados de libertad en un modelo de COMSOL Multiphysics
[7] System Requirements: COMSOL Multiphysics® Version 6.2
[8] System Requirements: Interfacing Products for Version 6.2
[9] Base de conocimiento de COMSOL: Running COMSOL® in Parallel on Clusters
[10] Base de conocimiento de COMSOL: Selecting Hardware for Clusters