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Über die Bedeutung der Skalierbarkeit bei CAE-Programmen

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HPC im Einsatz bei der Formel 1

Aus Abbildung 2 wird ersichtlich, dass die Skalierbarkeit von CFD (Computational Fluid Dynamics)-Simulationen in Ansys 13.0 sich bei etwa 1.500 Rechenkernen nivellierte. In R14.0 konnte die Grenze der Skalierbarkeit auf etwa 3.000 Kerne angehoben werden. Das wurde insbesondere durch die Implementierung von hybrider Parallelisierung und Netzwerkpartitionierung ermöglicht. Die aktuelle Version R15.0 zeigt sogar eine weitere, enorme Leistungsverbesserung auf bis zu 15.000 Rechenkernen.

Abbildung 2.
Abbildung 2.
(Bild: Ansys)

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Doch selbst diese hervorragenden Skalierungsergebnisse reichen nicht aus, denn einige Großkunden verdoppeln die Anzahl ihrer Recheneinheiten in regelmäßigen Abständen und planen beispielsweise die Ausführung von CFD-Berechnungen innerhalb eines Jahres von 10.000 Kernen auf 23.000 auszuweiten. Es gibt also ein wachsendes Interesse daran, immer detailliertere Simulationsmodelle (über 100 Millionen Zellen, komplexe physikalische Modelle) auf tausenden von Kernen zu rechnen.

Gerade in Bereichen, bei denen hochgenaue, umfassende Simulationen in kürzester Zeit vorgenommen werden müssen, ist leistungsstarke und für die Programme optimierte Hardware von entscheidender Bedeutung. So benutzen beispielsweise die Ingenieure des Infiniti Red Bull Racing Formel 1-Rennstalls CFD-Simulationen um die Leistung ihrer Wagen zwischen den einzelnen Rennen zu optimieren und schließlich die nötigen Hundertstelsekunden für den Sieg herauszuholen. Um dabei höchste Genauigkeit in der vom Reglement vorgegebenen Zeit zu garantieren, ist der Einsatz von HPC unabdingbar.

Obwohl es erst ein relativ kleiner Teil von Kunden ist, die in diesen Größenmaßstäben HPC-Simulationen durchführen, bemüht sich Ansys um immer bessere parallele Skalierbarkeit und Effizienz. So ist sichergestellt, dass jeder einzelne Anwender auf seine individuellen Bedürfnisse angepasste HPC-Lösungen für beste Simulations-Qualität erhält. Die Verschiebung der „Skalierungsgrenze“ für High-End-Anwender erfordert eine Verringerung der Mindestzellenzahl pro Kern – und davon profitieren alle Anwender. Vor ein paar Jahren lag die Grenze bei etwa 100.000 Zellen je Kern. In R15.0 kann bis auf 10.000 Zellen herunterskaliert werden. Wo aber liegt der tatsächliche Nutzen, diese Grenze von Version zu Version herunterzuschrauben?

Das wird am besten mit zwei Beispielen erklärt:

  • Ein Unternehmen möchte seine CFD-Simulationen zehnmal schneller durchführen. Wenn die vom Unternehmen verwendete Software nur mit 70 % Effizienz skalierbar ist, muss 43 % mehr in Hardware und deren Unterhaltung investiert werden als notwendig wäre, wenn die Software unter Idealbedingungen skaliert.
  • Wenn CFD-Software nur auf 100.000 Zellen je Rechenkern herunterskaliert werden kann, läuft ein typisches Modell mit zwei Millionen Zellen nur auf bis zu 20 Kernen effizient. Mehr verfügbare Kerne machen hier keinen Sinn, denn sie ermöglichen keine weitere Geschwindigkeitssteigerung mehr. Kann die Software jedoch auf etwa 10.000 Zellen je Kern skaliert werden (wie Ansys Fluent R15.0) kann dasselbe Zwei-Millionen-Zellen-Modell auf 200 Kernen laufen, was einen beinahe zehnmal schnelleren Turnaround bewirkt.

Zu beachten ist an dieser Stelle, dass in der zuvor genannten Studie 34 % der Teilnehmer bei beinahe jeder Simulation Beschränkungen die Größe bzw. den Detailgrad betreffend als größte Herausforderung angaben. 57 % bestätigten dies für einige ihrer Modelle.

Was bringt die Zukunft in Sachen HPC-Skalierbarkeit?

Unternehmen entscheiden sich für eine CAE-HPC-Lösung nicht nur aufgrund der vergangenen und heutigen Leistungsfähigkeit. Da HPC so dynamisch ist und die Computerlandschaft sich immer schneller ändert, ist es von zentraler Bedeutung, dass CAE-Anbieter ihren Fokus weiterhin auf die HPC-Entwicklung legen. Nur so können die Anwender die Vorteile der Technologie von morgen nutzen und so immer wieder die Grenzen dessen neu definieren, was mit Simulation erreicht werden kann.

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Link: Ansys HPC

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