Konstruktion in der Wolke
Konstrukteure und Ingenieure aus Industrie und Forschung sehen sich mit wachsenden Datenmengen konfrontiert. Dazu wird eine entsprechend leistungsstarke und abgestimmte IT-Infrastruktur benötigt. In den meisten Unternehmen und Instituten übersteigt der Bedarf an High-Performance-Rechenleistung (HPC) die Rechenpower von Arbeitsplatzrechnern bei Weitem. Für angepasste, skalierbare und bedarfsorientierte hochperformante Rechenleistung gibt es heute diverse Serviceanbieter. Wir stellen die Möglichkeiten, die sich daraus für mittelständische Unternehmen ergeben am Beispiel von Computer Aided Engineering (CAE)-Anwendungen vor.
Erfolgreiche Industrieprodukte erfüllen in der Regel alle erforderlichen Kriterien in Bezug auf Leistung, Energieeffizienz, Qualität, Zuverlässigkeit und Umweltschutz. Mit möglichst geringen Produktionskosten und Zeitaufwand bis zur Markteinführung steht einer zufriedenstellenden Positionierung im globalen Wettbewerb kaum etwas im Wege. Dies zu erreichen, erfordert allerdings neuste Methoden in der Produktentwicklung und -optimierung. Ob Turbinen im Flugzeug- und Schiffsbau oder diverse Motorkomponenten, Bremsen oder Airbags bei Automobilherstellern, in der Konstruktion haben sich deshalb numerische Simulationen als Standardwerkzeug etabliert. Vor allem mit CSM (Computational Structural Mechanics)- und CFD (Computational Fluid Dynamics)-Berechnungen werden seit Jahren erfolgreich Problemstellungen aus Struktur und Strömung sowie deren Wechselwirkung untersucht, neu dazugekommen ist auch der Bereich NVH (Noise, Vibration, Harshness). Innovative Verfahren der automatisierten Gittergeneration, inklusive adaptiver Anpassungen zur bestmöglichen Abbildung vorgegebener Geometrien und auftretender Struktur- und Strömungsphänomene ergänzen das Werkzeug-Portfolio der Anwender.
Leistungsstarke Rechner notwendig
Moderne, insbesondere kommerzielle Verfahren zur numerischen Simulation sind in der Lage, Anforderungen anspruchsvoller Produktentwicklungs- und Optimierungsprozesse zu erfüllen. Wesentliche Voraussetzungen dafür sind neben der Anwendungssoftware allerdings entsprechend leistungsstarke Rechenressourcen.
Grenzen üblicher Workstations
Maximale Serverleistung bedarf es bei der Berechnung sehr großer Modelle mit einer hohen Anzahl von Gitterpunkten; bei der CFD-getriebenen Design-Optimierung mit den dafür notwendigen, unzähligen Varianten, z.B. in der Geometrieoptimierung sowie bei der Lösung komplexer, multidisziplinärer Problemstellungen (Multiphysics), bei denen iterativ wechselwirkende Effekte simuliert werden müssen. Eine FEM (Finite-Elemente-Methode)-Simulation hat verfahrensbedingt im Allgemeinen einen hohen Bedarf an Arbeitsspeicher (RAM). Die Anforderungen liegen derzeit bei mehr als 8GB RAM pro CPU-Kern. Damit kommen selbst leistungsstärkste Workstation-Systeme an ihre Grenzen. Im Gegensatz dazu bieten aktuelle HPC-Systeme Arbeitsspeicher im Terabyte-Bereich. CFD-Anwendungen sind dagegen relativ CPU-lastig und haben höhere Anforderungen an die Kommunikation zwischen den einzelnen Rechenkernen. Dank immer besser skalierender Solver typischer, kommerzieller Verfahren, lassen sich diese Anwendungen mittlerweile problemlos auf bis zu Tausenden von Cores ohne nennenswerte Leistungsverluste parallelisieren und dadurch massiv beschleunigen. Die Skalierung auf mehrere Cores setzt wiederum ein paralleles File-System als Storage-Lösung voraus. Bislang stark idealisierte Modelle können somit immer realitätsnaher in relativ kurzen Zeiträumen hinreichend genau simuliert werden. Nicht jedes Unternehmen ist in der Lage, solche Ressourcen angemessen zur Verfügung zu stellen oder diese – sofern überhaupt vorhanden – kontinuierlich und effektiv auszunutzen. Der dafür notwendige Aufbau sowohl technischer als auch personeller Ressourcen ist sehr kosten- und zeitintensiv. Alternativ dazu kann Rechenzeit gemietet und projektbezogen bezahlt werden.
