In der Welt des Engineerings und Designs wurde High-Performance-Computing (HPC) eingesetzt, um komplexe Aufgaben mit Leichtigkeit zu bewältigen. Die Popularität von HPCs sind deutlich gestiegen, aber viele kämpfen immer noch damit, die richtigen Konfigurationen herauszufinden. Zudem stellt sich häufig die Frage, wann und wie diese eingesetzt werden sollten. Dieser Kampf ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass HPC mit traditionellen Supercomputern und dem eigentlichen Konzept dahinter verwechselt wird. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Beschreibung des Konzepts des so genannten HPC. Am Ende des Artikels werden Sie die folgenden Erkenntnisse gewonnen haben:

  • Sie werden wissen, was HPC ist.
  • Warum Ingenieure und Hersteller es benötigen.
  • Wie Ingenieure es nutzen können.
  • Die Mythen, die die Einführung von HPC behindern.
  • Die derzeit auf dem Markt befindlichen HPC-Lösungen.
Ingenieur High-Performance Computing 101

Was ist HPC?

Wie bei den meisten relativ neuen technischen Konzepten dauert es einige Zeit, bis die Experten zu einem Konsens kommen, wenn es um Definitionen geht. Dies ist auch bei HPCs der Fall, aber dennoch existiert eine grundsätzliche allgemeine Vorstellung von HPC. Kurz gesagt, HPC-Systeme können definiert werden als die Zusammenführung von Computerressourcen, um Lösungen für die komplexen Probleme zu finden, die ein Personalcomputer nicht lösen kann.

Diese allgemeine Definition ist der Grund, warum viele immer noch den Anspruch erheben, alle HPC-Systeme als Supercomputer zu definieren, aber das ist grundsätzlich falsch. Die Tatsache, dass Personalcomputer in einen Cluster integriert werden können, um Hochleistungsrechner bereitzustellen, macht dieses Argument zunichte. Während Supercomputer gezielte HPC-Dienste bereitstellen können, die sie zu einem Nischenbeispiel für ein HPC-System machen, bestehen nicht alle HPC-Systeme aus Supercomputern. Ein perfektes Beispiel für dieses Phänomen sind die Cray-Supercomputer.

Die frühen Cray-Computer von vor zwei bis drei Jahrzehnten waren ausschließlich eigenständige Supercomputer. Diese Computer wurden mit kundenspezifischen Funktionen ausgestattet, die für die Handhabung komplexer Simulationen und Berechnungen erforderlich sind, die sie zu Nischen-HPC-Lösungen machen. Heute haben sich Cray-Computer für HPC entschieden und bieten nun einen Cluster von Supercomputern an, die vernetzte Technologien zur Bereitstellung von Hochleistungs-Computern nutzen.

Ein weiterer wichtiger Unterschied, der bei der Bewertung von Supercomputern als HPCs zu beachten sind, sind Kosten und Customization. Die meisten Supercomputer sind für den Betrieb maßgeschneiderter Softwareanwendungen ausgelegt und die Kosten für die Beschaffung und den Betrieb eines solchen sind in Millionenhöhe. Damit ist jeder Supercomputer für 90% der weltweiten Unternehmen unzugänglich. HPCs hingegen sind miteinander verbundene Computersysteme, die ältere Software verwenden und erschwinglich sind. Das bedeutet, dass das durchschnittliche HPC-System aus Tausenden von High-End-Personalcomputern besteht, die der Lösung komplexer Probleme dienen.

Wie leistungsstarke Computersysteme funktionieren.

Jeder Computer in einem HPC-System wird als Node bezeichnet. Jeder Node ist im Allgemeinen mit mehreren Prozessoren ausgestattet, die als Rechenkerne bezeichnet werden und den Berechnungsaspekt der Problemlösung behandeln. Die Prozessoren, grafischen Verarbeitungseinheiten und der Speicher jedes Nodes werden anschließend durch ein Netzwerk für Hochleistungsrechner miteinander verbunden.

Wenn Sie mit dem 3D-Druck vertraut sind, können Sie HPC-Ökosysteme mit einer 3D-Druckfarm oder einem Cluster vergleichen. Hier arbeiten mehrere Geräte zusammen, um eine viel größere Leistung oder ein besseres Ergebnis zu erzielen. Wenn mehrere Personen beabsichtigen, das HPC-System zu nutzen, kommt ein Scheduler ins Spiel. Der Scheduler weist Ressourcen mehreren Benutzern zu und skaliert intuitiv die Zuordnungen entsprechend den Anforderungen eines Benutzers. In Bezug auf die Lagerung benötigen HPC-Projekte viel Speicherplatz. Dies ist einer der Gründe, warum Cloud-basierte HPCs entwickelt wurden.

Warum wird HPC benötigt?

In den frühen Tagen des Bitcoin-Mining wurden HPC-Systeme eingesetzt, was dazu beitrug, das Konzept bei den KMUs bekannt zu machen. Heute werden HPCs hauptsächlich in Ziegel- und Mörtelbetrieben für einige ernsthafte Problemlösungen eingesetzt. Im Engineering-Bereich werden HPCs zur Handhabung komplexer Simulationen eingesetzt. Diese Simulationen sind komplexe Modellierungsphänomene, die klein und transient sind, wie z.B. Akustik oder Verbrennungsphänomene in Motoren.

In multiphysikalischen Simulationen wird die gleichzeitige Wirkung mehrerer (natürlicher oder künstlicher) Phänomene auf ein Produkt oder eine Strukturkonstruktion untersucht. Ein Beispiel ist die Analyse, wie sich die Auswirkungen von thermischer Belastung auf eine sich bewegende Struktur auswirken, sowie die Turbulenzen, die durch die sich bewegende Struktur auswirken und die durch die sich bewegende Struktur zu bestimmten Zeitpunkten verursacht werden. Hier müssen zur Lösung des Problems gepaarte partielle Differenzierung und andere komplexe mathematische Modellierungen berechnet werden. HPCs können den Prozess beschleunigen und Fehler, die die Funktionsfähigkeit der Strukturen beeinträchtigen könnten, drastisch eliminieren.

In der industriellen Konstruktion und Fertigung wurden HPCs eingesetzt, um strukturelle und thermische Designprozesse zu lösen und so den Produktionslebenszyklus zu optimieren. Ein Beispiel dafür war der Versuch von Rolls Royce, den Einsatz von Temperatursensoren in seinen Prototyp-Motoren für zukünftige Automobile zu eliminieren. Um diese Aufgabe zu erfüllen, beabsichtigte Rolls Royce, einen interativen Prozess zur Bestimmung des Wärmeflusses und der Auswirkungen der Entfernung von thermischen Sensoren auf die Motorstruktur anzuwenden. Der Energieanlagenriese wandte sich an ANSYS Fluent und HPC Pack. Fluent`s CFD (Computational Fluid Dynamics) Solver wurde verwendet, um den Wärmefluss zu bestimmen und CPU 24/7 HPC bewältigte die rechnerische Arbeitsbelastung.

Am Ende reduzierte Rolly-Royce den Zeitaufwand für eine gekoppelte CFD-Struktursimulation drastisch um 80 Prozent. Weitere Vorteile waren die Vermeidung kostspieliger Konstruktionsänderungen während der Produktion des Prototyps und die erfolgreiche Entwicklung eines Weges zur Beseitigung von thermischen Sensoren in seinen Motoren.

Ein Beispiel für generatives Design innerhalb eines HPC-Systems ist der Versuch von Airbus, Verkehrsflugzeuge zu revolutionieren. Die Idee war, ein Konzeptflugzeug mit reduziertem Gewicht und einer vergrößerten Abteilstruktur zu entwickeln, ohne die Stärke seiner Verkehrsflugzeuge zu verlieren. Um dieses Fertigungsziel zu erreichen, wurden Millionen von Variablen und strukturellen Wechselwirkungen gleichzeitig modelliert, um ein optimales Produkt zu erhalten. Das Ausmaß dieser Rechenaufgabe führte Airbus zu High Performance Computing. Laut Gerd Buttner hilft HPC Airbus, die Zukunft des Fluges neu zu gestalten.

HPCs können auch zur Verwaltung eines komplexen Herstellungsprozesses verwendet werden, der mehrere industrielle Lizenzen in der gesamten Produktion erfordert. Um dies zu erreichen, muss ein förderlicher systematischer Ansatz verfolgt werden, der sich um die Lizenzierung kümmert. Das ANSYS Parametric Pack ist eine solche Lösung. Das parametrische Paket ermöglicht die gleichzeitige Analyse verschiedener Entwurfspunkte mit Hilfe einer Reihe von Lizenzen zu einem erschwinglichen Preis. Dies beschleunigt den Produktionsprozess und reduziert den Zeitaufwand für die Analyse und die Erfassung mehrerer Analysen.

Herausfordernde populäre Missverständisse rund um HPC.

HPCs wurden in den vergangenen Jahren überwiegend von großen Unternehmen eingesetzt, was zu verschiedenen Missverständnissen oder Mythen über ihre Verwendung oder Anwendbarkeit geführt hat. Einer der Irrtümer, welches derzeit die Runde macht, ist, dass diese Systeme nur für hochkomplexe Simulationen und die Komplexität der zugrunde liegenden Gleichungen zurückzuführen sein. HPCs werden aber auch für strukturelle und elektromagnetische Simulationen eingesetzt.

Ein weiterer Mythos, der sich um seine Nutzung für KMU dreht, sind die Kosten. Die meisten Projektmanager und CTOs glauben immer noch, dass HPCs zu teuer und mit einem niedrigen ROI ausgestattet sind, aber die Fakten besagen etwas anderes. Mit dem Aufkommen von Cloud-basierten HPCs können hohe Kosten kein Thema sein. Anbieter wie ANSYS und Microsoft bieten jetzt skalierbare Preismodelle zu niedrigeren Kosten für komplexe Engineering-Aufgaben an. Das bedeutet, dass Unternehmen sich dafür entscheiden können, nur für das zu bezahlen, was sie nutzen, und bei Bedarf zu erweitern.

Der letzte Mythos dreht sich um die Benutzerfreundlichkeit. Viele glauben, dass ein engagierter IT-Supervisor oder -Manager für die Abwicklung von HPC-bezogenen Aktivitäten benötigt wird. Heute gibt es derzeit verwaltete HPC-Systeme, die Sie nutzen können.

Verstehen der Optionen.

Der HPC-Bereich wächst rasant und wird durch die verschiedenen Anbieter, die Integrationsdienstleistungen anbieten, benutzerfreundlicher. Diese Anbieter bietet integrierte Lösungen, die den Einsatz von HPCs in bestehenden Umgebungen ermöglichen. Der Integrationsprozess kann entweder über parallele Dateisysteme oder eine Cluster-Management-Lösung erfolgen. Cloud Computing bietet auch einen erschwinglicheren Weg für Unternehmen, die die Vorteile von HPC-Diensten nutzen möchten. Zu den Vorteilen der HPC-Cloud-basierten Dienste gehört eine skalierbare, bedarfsgerechte und kostengünstige Option für die Abwicklung anspruchsvoller Simulationen. Deshalb integrieren mittlerweile rund 64 Prozent der HPC-Plattformen Cloud Computing und der Markt soll innerhalb der nächsten 5 Jahre jährlich um 12 Prozent wachsen.

Heute arbeitet ANSYS mit vielen HPC-Anbietern zusammen, die KMU und Großunternehmen optimierte HPC-Services anbieten.

Diese Anbieter bieten auch Post-Sale-Services an, um sicherzustellen, dass Integrations- und Bereitstellungsaufgaben ordnungsgemäß ausgeführt werden.

Ausblick.

Die Zukunft des Engineerings und Manufacturings kann zu einem verstärkten Einsatz von HPC führen. Für den Fall, dass das Moore`s Law weiterhin gilt, kann diese Zukunft von kleinen Unternehmen und Entrepreneuren definiert werden, die die Potenziale nutzen wollen, die ein Cluster von Smart Devices bietet. Da heute immer mehr Anbieter ihr Angebot an HPC as a Service entweder vor Ort oder in der Cloud erweitern, wird die Nutzung für alle zugänglich und erschwinglich.

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