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HPC für CAE: Höchstleistungs-Simulation

Um den aktuellen Herausforderungen in der Produktentwicklung gewachsen zu sein, wird der Einsatz von leistungsfähigen Simulationslösungen ein immer wichtiger Garant für die Wettbewerbsfähigkeit. Aktuelle Beispiele hierfür sind unter anderem die Elektromobilität oder umweltschonende Technologien, die mit Hilfe von CAE-Anwendungen schneller entwickelt und vorangetrieben werden können. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Optimierung nach ökonomischen und ökologischen Aspekten, aber auch bezüglich der Sicherheit, Qualität und Langlebigkeit von Produkten realisieren sowie deren ergonomische Funktionalität verbessern.
Bei der Volkswagen AG wird Ansys HPC für die gekoppelte Simulation von Strömung und nichtlinearer Strukturmechanik eingesetzt, um damit wie in diesem Beispiel die temperaturindizierten Spannungen eines Abgaskrümmers zu bewerten (Alle Bilder: Volkswagen AG).

Die verfügbare Rechenleistung für entsprechende CAE-Anwendungen war schon immer ein Engpass und wird dies in absehbarer Zukunft auch bleiben. Denn umso mehr Rechenleistung zur Verfügung gestellt wird, umso schneller und detailgetreuer können Simulationsberechnungen durchgeführt werden, umso größere Baugruppen und umso mehr Varianten eines Bauteiles oder einer Baugruppe sind berechenbar. Außerdem lassen sich neben linearen Berechnungen auch immer mehr nichtlineare Analysen durchführen und dynamische Untersuchungen realisieren. Ferner können mehr Multiphysics-Anwendungen genutzt werden, bei denen verschiedene physikalische Simulationen miteinander gekoppelt werden, beispielsweise Strömungsmechanik mit Strukturmechanik.

Für numerische Optimierungsverfahren sind oft sehr lange Rechenzeiten erforderlich. Denn um die so genannte Response Surface zu bestimmen, die zur Ermittlung des Minimums eines Optimierungsproblems notwendig ist, müssen viele Stützstellen berechnet werden. Folglich sind zur Lösung einer Optimierungsaufgabe mehr als 100 Berechnungsläufe keine Seltenheit. Wenn diese Berechnungsläufe parallelisiert werden können, lässt sich die Rechenzeit erheblich verkürzen.

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Für CAE-Anwender wird das High-Performance-Computing (HPC) zu einer immer attraktiveren Alternative auch in kleinen und mittelständischen Unternehmen, die Simulationen und FEM-Berechnungen immer intensiver nutzen. HPC bietet eine stetig steigende Rechenleistung, die sehr hoch skalierbar ist, und das bei einem stetig sinkenden Preisniveau. Gleichzeitig werden die HPC-Betriebssysteme kontinuierlich weiterentwickelt, so dass sie einfacher zu bedienen und zu administrieren sind. Als Beispiel sei hier der Windows HPC Server 2008 von Microsoft genannt, der gegenüber seiner Vorgängerversion – bei gleicher Hardware-Plattform – eine erhebliche Effizienzsteigerung ermöglicht. Aufgrund der hohen Skalierbarkeit können zunächst nur einige wenige Prozessorkerne für eine solche HPC-Plattform genutzt werden, diese lässt sich aber je nach Bedarf mit Hunderten von Kernen aufrüsten. Folglich kann eine einheitliche Benutzerumgebung vom einfachen Büro-Desktop oder -Laptop bis zu hochleistungs- fähigen Rechnern realisiert werden.
Besonders entscheidend beim Einsatz von Compute Clustern ist die Vernetzung der einzelnen Compute Nodes untereinander, da während der Berechnungsphase ständig eine Datenkommunikation zwischen dem Master-Rechner im Cluster (Head Node) und den Compute Nodes erforderlich ist. Das verwendete Message-Passing-Interface (MPI) dient dabei als so genanntes Kommunikationsprotokoll, das auf Gigabit-Ethernet, Infiniband und jedem anderen Netzwerk lauffähig ist, auf dem ein WinSock-Direct-Treiber implementiert wurde.

Eine zu geringe Datenübertragungsrate kann die gesamte Leistung eines Clusters beeinträchtigen. Folglich sollte nicht nur auf die CPU-Leistung und die Hauptspeicherkapazität, sondern auch auf das so genannte Interconnect des HPC-Clusters geachtet werden. Als Minimum wird ein Interconnect mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 1 GBit/sec (Gigabit Ethernet) empfohlen. Jedoch sind auch noch wesentlich schnellere Verbindungen wie Infiniband 4x verfügbar, mit der eine Datenübertragung von 40 Gbit/sec realisiert werden kann.

Da bei großen Berechnungen eine erhebliche Datenmenge anfällt, müssen auf jedem verwendeten Cluster-Knoten große Festplatten zur Verfügung stehen. Meistens werden dazu zwei Platten pro Knoten verwendet, und zwar eine als System- platte für das Betriebssystem und die Applikations-Software und die an- dere für die Berechnungsdaten (Scratch- und Result-Files). Außerdem sind für die zentrale Speicherung der Daten zusätzliche Storage-Lösungen empfehlenswert.

Weitere Optimierung der Parallelisierung

Als wichtige Vorteile der aktuellen Windows-HPC-Server-Lösungen werden ein einfacher Zugriff auf Funktionen sowie erweiterte Management-Möglichkeiten genannt. Ein neues Ergebnisprotokoll, zusätzliche Diagnosefunktionen sowie eine umfassende Unterstützung der Programmierung von parallelen Anwendungen erleichtern es, das Nutzenpotenzial für CAE-Anwendungen beim HPC-Einsatz zu erschließen. Ebenso sind effizientere Tools zur Optimierung der Parallelisierung verfügbar, so dass die Hardware-Leistung möglichst umfassend genutzt werden kann. Beispielsweise wurde die CAE-Software-Version Ansys 12.1 speziell für den Einsatz mit HPC-Plattformen verbessert, so dass noch größere und komplexere Modelle noch schneller und genauer berechnet werden können. Unter anderem wurden die DMP-Solver (Distributed Memory Parallel) für strukturmechanische Anwendungen maßgeblich beschleunigt. Durch die Implementierung eines neuen Trim-Algorithmus zur optimierten Aufteilung der vorhandenen Kontaktbereiche im FE-Modell kann die homogene Zerlegung des Gleichungssystems besser unterstützt werden. Damit ist eine erhebliche Leistungssteigerung der Parallelanwendung erreichbar.

Grundsätzlich ist im HPC-Bereich ein Trend zu höherer Produktivität und geringerer Komplexität zu verzeichnen, der unter anderem durch leistungsfähige Server-Plattformen mit umfangreichen Funktionalitäten, die direkt verfügbar sind (out-of-the-box), geprägt wird. Zusätzlich ermöglichen neue Hardware-Komponenten beziehungsweise -Technologien einen höheren Datendurchsatz, einen schnelleren Zugriff auf Speicherbausteine, minimale Latenzzeiten sowie größere Bandbreiten und Übertragungsgeschwindigkeiten. Ein Ende beziehungsweise Abflachen dieser Entwicklung zu mehr HPC-Leistung für weniger Geld ist bisher nicht zu erkennen, so dass zukünftig immer mehr Anforderungen der CAE-Anwender erfüllt werden können. -fr-

CADFEM GmbH, Grafing Tel. 0 80 92/70 05 - 0, http://www.cadfem.de

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