Wie RTX das Produktdesign für die Industrie 4.0 vorantreibt.

Im Jahr 2018 brachte NVIDIA seine RTX-Grafikkarten auf der Grundlage seiner neuesten Turing-Mikroarchitektur auf den Markt. Damals wurde RTX von Brancheninsidern aufgrund seiner Echtzeit-Raytracing- und KI-Fähigkeiten als seiner Zeit um fünf Jahre voraus gelobt. Carl Flygare, Produktmarketingmanager für NVIDIA Quadro bei PNY, hält RTX für den größten Grafikfortschritt seit über einem Jahrzehnt.

„RTX ist wirklich die größte Leistungs- und Architekturrevolution seit der Veröffentlichung von CUDA im Jahr 2006„, sagte er.

Dieser riesige Sprung in der Leistungsfähigkeit der Hardware hatte eine Kehrseite: die Software befand sich gefühlt noch fünf Jahre in der Vergangenheit. Unabhängige Softwareanbieter (Independent Software Vendors, ISVs) mussten sich beeilen, um die Vorteile von RTX in professionelle Anwendungen zu bringen.

„Die gute Nachricht ist, dass die Zeit vorbei ist„, sagte Flygare. „Wir haben das Jahr 2020. Die Entwickler bringen Anwendungen auf den Markt, die RTX-fähig sind und die RT-Kerne mit Echtzeit-Raytracing unterstützen, die Tensor-Kerne mit KI-Entrauschung oder generativem Design unterstützen und in VR-Anwendungen für das Produktdesign Shadings mit variabler Rate und Foveated Rendering unterstützen.“

RTX wird nicht länger durch Softwarebeschränkungen beschränkt, sondern kommt endlich für Ingenieure, Architekten und Produktdesigner ins Spiel. In diesem Artikel untersuchen wir einige der Möglichkeiten, wie NVIDIA Quadro RTX-Grafikkarten eingesetzt werden, um die Industrie 4.0 in vier wichtigen Produktionsphasen zu beschleunigen: Produktdesign, fortgeschrittenes Produktdesign, Designprüfung und Post-Design.

Fotorealistisches Rendering.

Beginnen wir mit dem titulären Vorteil der Quadro RTX-Karten: Echtzeit-Raytracing (dafür steht RTX). Mit Turings neuen RT (Ray Tracing) Cores bieten RTX-Karten Hardware-Beschleunigung für das Ray Tracing, den fotorealistischsten Ansatz für das Rendern. Unter dem Strich ermöglicht RTX bessere Renderings in kürzerer Zeit.

Rendering wird während der gesamten Entwicklung eines Produkts verwendet, von der Darstellung der ersten Konzepte und Prototypen über Renderings für Designprüfungen bis hin zu den endgültigen Renderings, die im Produktmarketing verwendet werden. RTX-Karten zielen darauf ab, Ingenieuren die Möglichkeit zu geben, zu jedem Zeitpunkt der Produktentwicklung schnell fotorealistische Renderings zu erstellen. Um dieses Ziel zu unterstützen, haben beliebte Rendering-Anwendungen wie SOLIDWORKS Visualize, Autodesk VRED, Siemens NX Ray Traced Studio, CATIA Live Rendering, V-Ray und andere die RTX-Technologie integriert.

KI und Maschinelles Lernen.

Ein weiteres herausragendes Merkmal der Quadro RTX-Karten ist die integrierte Unterstützung von KI-Workflows. Die Karten verwenden speziell entworfene Tensor Cores, die erstmals in der früheren Volta-Mikroarchitektur eingeführt, aber in Turin verbessert wurden, um die für das maschinelle Lernen verwendeten Berechnungsarten zu beschleunigen. Beispielsweise verwendet NVIDIA Tensor Cores zur Unterstützung der Echtzeit-Raytracing mit einer Funktion mit der Bezeichnung KI-Denoising.

„Selbst bei RT-Kernen, die mit bis zu 10 Gigarays pro Sekunde arbeiten, ist das Raytracing ein iterativer Prozess„, erklärte Flygare. „Es braucht eine bestimmte Anzahl von Zyklen, bis die Szene so spezifisch gerendert ist, dass sie für das menschliche Auge gut aussieht„, so Flygare.

Ohne KI-Entrauschung sieht Raytracing zunächst wie ein pointillistisches Gemälde aus, das Punkt für Punkt erzeugt wird. Aber mit KI-Entrauschung müssen wir nicht darauf warten, dass jeder einzelne dieser Punkte erscheint – maschinelles Lernen vervollständigt das Bild für uns.

„Nach, sagen wir, 12 Zyklen des Ray-Tracing tritt die KI-Entrauschung ein und füllt die Lücken„, sagte Flygare. „Und plötzlich sieht man an einem sonnigen Tag diesen glänzenden Metallic-Lack auf der komplexen Karosserie des Autos unter einem Baumdach. Und es sieht fotorealistisch aus, und das mit einem Bruchteil der Rechenleistung in einem Bruchteil der Zeit, die ein reiner Raytracing-Ansatz erfordert hätte. Die KI-Entrauschung kann also beim Rendern eine große Rolle spielen.“

Die KI-Entrauschung ist nur eine von vielen Möglichkeiten, wie RTX-Karten für künstliche Intelligenz eingesetzt werden können. „Diese ist so breit, dass es fast einfacher ist, zu sagen, was sie nicht umfasst„, scherzte Flygare.

Generatives Design zum Beispiel ist ein zunehmend beliebtes Paradigma, das Algorithmen verwendet, um Produktdesigner bei der Optimierung ihrer Entwürfe zu unterstützen. Obwohl sich diese Algorithmen von Fall zu Fall unterscheiden, könnte maschinelles Lernen in der Zukunft dieser Technologie eine große Rolle spielen. „Das generative Design ermöglicht es Ingenieuren, Entwürfe in einer Weise zu optimieren, die vorher einfach nicht möglich war„, sagte Flygare.

Ein weiteres Beispiel kommt aus dem medizinischen Bereich, wo medizinische Geräte RTX-Karten nutzen könnten, um CT-Scans oder MRTs zu analysieren, bevor die Daten überhaupt vor einem Radiologen landen. Sicherheitssysteme könnten einen ähnlichen Ansatz wie Technologien wie die Gesichtserkennung verwenden. Verbrauchergeräte könnten ebenfalls in vielfältiger Weise profitieren.

„Dadurch wird Ihre Grafikkarte zu einem Assistenten und nicht zu etwas, das Bits ausspuckt oder rohe Mathematik mit extrem hoher Geschwindigkeit macht„, so Flygare.

Echtzeit-Simulation.

Eine weitere Möglichkeit, wie NVIDIA Quadro RTX-Karten zu Industry 4.0 beitragen, sind die CUDA Cores. Diese sind eines der Hauptverarbeitungselemente in NVIDIA Quadro-Karten, und RTX-Karten enthalten mehr CUDA Cores als je zuvor. Die grafische Rechenleistung reicht aus, um eine neuartige Fähigkeit zu ermöglichen: die Echtzeitsimulation.

Für Produktdesigner bedeutet die Echtzeitsimulation, dass sie nicht mehr darauf warten müssen, dass Analysten ihre Simulationsergebnisse zurücksenden. Konstrukteure können Strukturanalysen, thermische Analysen, Flüssigkeitsanalysen und vieles mehr in Echtzeit durchführen und dabei beobachten, wie Änderungen am Modell sofort auf die Analyse übertragen werden.

Die erste Software, die dies möglich machte, war ANSYS Discovery Live, das mit der Pascal-Generation der Quadro-Karten veröffentlicht wurde. Es war Pascal, das schließlich genügend Rechenleistung für die Echtzeitsimulation realisierte. „Bis die rohe FP32-Leistung der Quadro-Karte diese Art von Fähigkeiten ermöglichte, konnte ANSYS ein Produkt wie dieses nicht bauen„, erklärte Flygare. „Es war so ähnlich wie Chuck Yeager, der die Schallmauer durchbrach. Quadro durchbrach eine Rechenbarriere, die es ermöglichte, diese Art von Anwendung Wirklichkeit werden zu lassen„.

Mit noch mehr CUDA-Kernen als bei der vorherigen Generation der NVIDIA Quadros sind RTX-Karten das Sahnehäubchen auf dem Kuchen, so Flygare. „Mit RTX haben Sie einfach mehr Spielraum. So können anspruchsvollere Designs, anspruchsvollere Simulationen in Echtzeit durchgeführt werden„, so Flygare.

Virtual Reality.

Virtual Reality (VR) gewinnt in den Bereichen Produktdesign, Designprüfung und Post-Design-Workflows zunehmend an Popularität, und NVIDIA Quadro RTX-Karten unterstützen diese Entwicklung. Zum einen unterstützt RTX den neuen Konnektivitätsstandard VirtualLink, der für Head Mounted Displays (HMDs) nur ein einziges Kabel erfordert.

RTX-Karten unterstützen auch eine Funktion mit der Bezeichnung VRS (Variable Rate Shading), mit der Entwickler die Rendering-Qualität verschiedener Bildschirmbereiche anpassen können. Für sich allein genommen könnte VRS als ein raffinierter Trick für Entwickler betrachtet werden, die versuchen, maximale Leistung aus RTX-Karten herauszuholen. Aber die Magie kommt erst richtig zur Geltung, wenn VRS mit einer Technik mit der Bezeichnung Foveated Rendering gepaart wird.

Foveated Rendering funktioniert mit HMDs wie dem HTC Vive Pro Eye, die mithilfe von Eye-Tracking ermitteln, wohin der Benutzer schaut. Indem diese Informationen mit VRS kombiniert werden, kann Foveated Rendering sicherstellen, dass ein Benutzer überall dort, wohin er schaut, die höchste Rendering-Qualität sieht und wo er nicht hinsieht, kann er sich beim Rendern entspannen. Da das menschliche periphere Sehen auf natürliche Weise Details an den Rändern herausfiltert, ist es völlig natürlich, dass VRS die Qualität dieser Bereiche in der VR reduzieren kann. Dies setzt Rechenleistung frei und verbessert letztendlich das VR-Erlebnis.

„Wir haben jetzt Anwendungsentwickler wie Autodesk VRED, die die Vorteile des Foveated Rendering voll ausschöpfen„, sagte Flygare. „Und das hilft Designern oder Ingenieuren, besser informierte Entscheidungen zu treffen, einfach weil sie eine Ansicht mit höherer Auflösung sehen„, so Flygare.

Virtualisierung.

Da die Produktkomplexität zunimmt, die Entwicklungszeiten kürzer werden und die Ingenieure von mehr Standorten und auf mehr Geräten arbeiten, wird die GPU-Virtualisierung immer wichtiger und RTX hält Schritt. NVIDIA hat die RTX Server-Plattform eingeführt, um eine Desktop-Virtualisierung zu ermöglichen, die die Vorteile der Quadro RTX-Karten voll ausschöpfen kann.

RTX Server kombiniert Quadro RTX-Karten (entweder die Quadro RTX 6000 oder RTX 8000) mit NVIDIA Quadro Virtual Data Center Workstation (Quadro vDWS) Software. „NVIDIA RTX Server ist eine Hardware-Referenzplattform und ein Software-Stack, der von NVIDIA entwickelt wurde„, erklärte Flygare. „Es handelt sich um eine offene Spezifikation, die von Systemherstellern zur Erstellung von RTX-Servern verwendet wird, die einen Virtualisierungs-Software-Stack ausführen und Rendering- oder andere Aufgaben für Endbenutzer auswerten können.“

Die NVIDIA Quadro RTX-Karten setzen einen neuen Meilenstein in der Unterstützung der Desktop-Virtualisierung durch NVIDIA, und das nicht nur wegen des RTX-Servers. Zum ersten Mal in der Quadro-Geschichte bietet NVIDIA die RTX 6000 und RTX 8000 Karten sowohl mit aktiver als auch passiver Kühlung an. Aktive Kühlung wird in lokalen Workstations verwendet, aber viele Servergehäuse sind für passiv gekühlte Komponenten ausgelegt.

„Die Bereitschaft von NVIDIA, passiv gekühlte Quadro RTX-Produkte auf den Markt zu bringen, ist eine Premiere„, sagte Flygare. „Das haben sie bei Quadro noch nie getan. Sie machen damit deutlich, dass für die GPU-Virtualisierung die hochwertigsten Quadro-Karten, die heute auf dem Markt sind, von NVIDIA für den Einsatz in Rechenzentren zertifiziert sind und unterstützt werden„, so Flygare.

RTX ist bereit für die Industrie 4.0

Mit Funktionen für fotorealistisches Rendering, maschinelles Lernen, Echtzeitsimulation, VR, Virtualisierung und mehr sind NVIDIA Quadro RTX-Karten bereit für die Industrie 4.0.

„Der Kauf von RTX ist ein Beweis für die Zukunft, denn er gibt Ihnen die Fähigkeiten an die Hand, die Sie für die Anwendungen benötigen, die in diesem Jahr auf den Markt kommen und die im nächsten und übernächsten Jahr auf den Markt kommen werden„, so Flygare. „Es ist wirklich die richtige Investition für Ingenieure, Konstrukteure und Mitarbeiter in der Fertigung, um mit dem Software-Fortschritt Schritt zu halten und die neuesten Funktionen in den Bereichen Rendering, KI oder Virtual Reality zu nutzen.“

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