State of HPC Ausgabe 02/2016 - german

Ausgabe 02
State of HPC
The HPC Magazine
OPEN SOURCE/OpenFOAM
Referenz KIT // Turnkey-Systeme
GPU-Computing mit Virtualisierung // Interview mit Dr. Oliver Tennert
Open Source im CAD Bereich

BIG DATA ANALYTICS
Datenverarbeitung bei
hohem Volumen
PRODUKTIVITÄTSWACHSTUM
INNOVATIONEN | KUNDENNUTZEN
Auswertung
großer Datenmengen
leistungsstarke
Computing Systeme für
High Performance Data Analytics (HPDA)
In-Memory
Datenbanken für eine schnelle Analyse,
dies ermöglicht Echtzeitanalyse der Geschäftsdaten
2 | State of HPC Ausgabe 02

Vorwort
Vorstand
HPC für alle!
Dass HPC-Anwendungen im Trend liegen,
ist keine Frage mehr. Vor allem große
Konzerne und Unternehmen sowie
Forschungsinstitute und Universitäten
nutzen sie seit Längerem. Aber auch in
kleinen und mittelständischen Firmen
nahezu jeder Branche wird der Einsatz
zunehmen. HPC hat sich mittlerweile als
fester Bestandteil des Produktentwicklungsprozesses
in allen modernen Unternehmen
etabliert. Dafür gibt es zwei
Gründe: zum einen ist die Nutzung von
HPC-Applikationen nicht mehr mit extrem hohen Kosten
verbunden, zum anderen wird die schnelle Auswertung
großer Datenmengen zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit
für Unternehmen an Bedeutung gewinnen.
Mittelstand und Großindustrie unterscheiden sich hierbei
höchstens in der Quantität, nicht in der Qualität des Einsatzes
von HPC-Umgebungen. Selbstverständlich besitzt
ein großer Automobilkonzern deutlich mehr Rechenkapazität
als ein mittelständisches Unternehmen. Der gesamte
Wertschöpfungsprozess jedoch – und HPC ist hier ein
wichtiger Bestandteil – unterscheidet sich im Grundsatz
weder nach Branchen noch nach Größe des Unternehmens.
Es ist hierbei also vollkommen irrelevant, ob ein Automotive-Konzern
Crash-Simulationen durchführt, ein mittelständischer
Ingenieursdienstleister die Eigenschaften
von Türschlössern unter den vielseitigsten Bedingungen
simuliert oder ein Bio- bzw. Pharmaunternehmen die dreidimensionale
Faltung von Proteinen für die Medikamentenherstellung
berechnet.
problemlos betreiben. Natürlich gibt
es HPC-Lösungen, die in Preiskategorien
von 100.000 bis rund 2 Millionen
Euro liegen. Allerdings geht es auch
wesentlich günstiger: Eine Cluster-
Lösung mit 4 bis 8 Knoten ist – abhängig
von der konkreten Ausstattung
– bereits ab 25.000 Euro erhältlich. Angesichts
des überragenden Nutzens
von HPC sollte die Investition in einer
solchen Größenordnung für die meisten
Mittelständler keine Frage sein.
Die Datenvolumina wachsen in nahezu allen unternehmenskritischen
Systemen dermaßen schnell an, dass konventionelle
Rechnersysteme für deren Auswertung an
ihre Grenzen stoßen. Die Gewinnung nutzbarer Erkenntnisse
aus dieser Datenflut – Stichpunkt „Big Data“ – ist
in Zukunft praktisch nur noch mit hochleistungsfähigen
HPC-Systemen zu bewältigen und eine Grundvoraussetzung,
um die Wettbewerbsfähigkeit und künftige Innovationskraft
eines Unternehmens sicherzustellen. Das betrifft
auch mittelständische Unternehmen, die in einem zunehmend
globalisierten Markt einem immer höheren Konkurrenzdruck
ausgesetzt sind.
Im vorliegenden Magazin zeigen wir Ihnen den Mehrwert
des Einsatzes von HPC in Ihrem Business auf.
Viel Freude mit der Ausgabe “Open Source/OpenFOAM”
wünscht Ihnen Ihr
In der Vergangenheit erforderten HPC-Systeme den Einsatz
von teuren Großrechnern und Supercomputern. Inzwischen
werden aber im HPC-Bereich verstärkt auch wesentlich
kostengünstigere Cluster auf Basis standardisierter
x86-Systeme genutzt. Auch kleine und mittlere Unternehmen
können deshalb heute leistungsfähige HPC-Systeme
Hans-Jürgen Bahde
CEO/Vorstand der transtec AG
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Inhalt
Easy to manage –
Easy to use
Hohe Rechenleistung und
Sicherheit durch GPU & ...
Open Source im CAD
Bereich
High Performance Computing muss
sich oftmals gegen Vorbehalte behaupten.
Im Interview räumt Dr. Oliver
Tennert mit diesen auf, beschreibt Einsatzgebiete
von HPC-Lösungen und
erläutert, weshalb eine ganzheitliche
Betrachtung notwenig ist.
GPU-Computing und Virtualisierung
müssen sich nicht ausschließen.
transtec bietet mit einer neuen CU-
DA-Workstation eine schlüsselfertige
Lösung an, die eine hohe Performance
auf Basis der Tesla- und GRID-Architektur
von NVIDIA bietet. Sie ist sowohl
für den Citrix XenServer als auch für
VMware vSphere zertifiziert.
Bei der Produktentwicklung sind in
der Industrie CAE-Verfahren wie die
Simulation und Strömungsanalyse
Standard. Als Alternative zu kommerziellen
Applikationen setzen sich heute
verstärkt Open Source-Lösungen
durch. Unternehmen sparen damit
Lizenzkosten, passen die Software einfacher
an ihre Anforderungen an und
optimieren ihre Produkte.
4 | State of HPC Ausgabe 02

Inhalt
transtec
your provider
for comprehensive HPC solutions...
KIT – Karlsruher Institut
für Technologie
Einfach den Schlüssel
umdrehen...
Impressum
Das Karlsruher Institut für Technologie
baute im Rahmen des Forschungshochleistungsrechners
(ForHLR) bis
Ende 2015 einen HPC-Cluster mit
über 1.100 Rechenknoten auf. Die
Lösung mit einem Gesamtvolumen
von 6,9 Millionen Euro lieferte der
HPC-Spezialist transtec. Es ist der
größte Einzelauftrag seiner Firmengeschichte.
... und los geht‘s mit der komplexen
Berechnung. Highend-Rechencluster
wollen auf die Bedürfnisse des Kunden
sorgfältig zugeschnitten sein. Dies
verlangt nach profunden Kenntnissen
bei der Systemintegration, zumal die
Auswahl an Hardware-Komponenten
beachtlich ist.
5 | State of HPC Ausgabe 02

Easy to manage
EASY TO USE
Im Interview: Dr. Oliver Tennert, Director Technology Management and HPC Solutions
State of HPC: Herr Dr. Tennert, was sind die derzeitigen
Trends im High Performance Computing (HPC)?
Die Frage kann man gar nicht pauschal beantworten. Das
Thema Remote-Visualisierung im Zusammenhang mit
Workflow-Optimierung, Kollaboration und zentraler Datenhaltung
gewinnt im CAE-Umfeld immer mehr an Bedeutung
– die Technologie dahinter ist hingegen nicht neu,
sondern existiert bereits seit geraumer Zeit. Hier ist eher
ein Umdenken auf Seiten der Kunden bzw. der Anwender zu
verzeichnen. Dagegen spielen insgesamt parallele Filesysteme
im gesamten HPC-Bereich eine immer stärkere Rolle.
Insbesondere in Deutschland erfreut sich BeeGFS hierbei
einer ständig steigenden Beliebtheit. Aus rein technischer
Sicht kommen immer mehr Kühlkonzepte auf Wasser- bzw.
Liquid-Basis auf den Markt: indirect liquid cooling, direct
liquid cooling oder gar directly immersed cooling als Extremform
kommen in unterschiedlichsten Ausprägungen durch
verschiedene Anbieter vor. Hier ist allerdings mittelfristig
sicher mit starken Konsolidierungstendenzen zu rechnen.
State of HPC: Für welche Anwendungen in der Produktentwicklung
ist HPC prädestiniert? Bitte nennen Sie uns ein
paar Beispiele.
HPC-Systeme findet man in den Entwicklungsabteilungen
sämtlicher Branchen: in der Automobilindustrie ebenso
wie in Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Materialentwicklung,
Chipdesign und der Pharmaindustrie. Mittlerweile
gibt es ja nahezu kein Bauteil eines Autos mehr, dessen
6 | State of HPC Ausgabe 02

Interview
Easy to manage – Easty to use
Verhalten unter verschiedensten Randbedingungen im besonderer Wert auf ein effizientes Datenmanagement mit
Rahmen des Entwicklungs-Workflows nicht auf auf einem effektiver Zugriffskontrolle gelegt werden. Ebenfalls sollten
HPC-Cluster simuliert wird, egal ob es um das Einspritzverhalten
des Treibstoff-Sprays in die Kolben, die Crash- Rechenzentrum und Arbeitsplätzen der Anwender physi-
selbstverständlich die Netzwerkverbindungen zwischen
Simulation oder das Akustik- bzw. Vibrationsverhalten der kalisch abgesichert sein. Dies gilt vor allem dann, wenn
Karosserie auf einer holprigen Straße geht. Bauteile wie „Private Cloud“-Szenarien standortübergreifend realisiert
Flugzeugtragflächen werden auf ihre aerodynamischen sind, um beispielsweise die Kollaboration auch über
Eigenschaften hin analysiert und Schiffsschrauben im Länder- und Zeitzonengrenzen hinweg zu ermöglichen.
Zusammenhang mit Turbulenzentwicklung
im Rückstrom untersucht.
Auch die Logik von komplexen, integrierten
Schaltkreisen in der Chipentwicklung
wird simuliert ebenso wie
das dreidimensionale Faltungsverhalten
von Proteinmolekülen in der Molekularbiologie
bzw. der Biophysik.
State of HPC: Viele mittelständische
Unternehmen halten High Performance
Computing für zu komplex in der
Administration und für zu kostspielig.
Wie sehen Sie das als HPC-Experte?
Nun, wir haben in der Vergangenheit zahlreiche Kunden
mit HPC-Lösungen ausgestattet, die sich selbst durchaus
als ,,normalsterblich” bezeichnen würden. Aber Sie haben
recht: Es gilt, bei einem anspruchsvollen HPC-System, das
eine gewisse intrinsische Komplexität besitzt, genau diese
vor Anwendern und Administratoren zu verbergen. Unter
der Haube ist ein Auto ebenfalls komplex, aber während der
Autofahrt muss sich der Fahrer auch nicht um Dinge kümmern
wie Getriebetechnik und ABS-Elektronik. Daher ist es
wichtig, bei der Implementierung stets auf ein vorhandenes
unternehmenstaugliches und dennoch einfaches Management-
und Bedienkonzept zu achten. Wir bieten hier ein
durchdachtes Portfolio an Service- und Managementkonzepten
nach der Devise ,,easy to manage“ und ,,easy to use“.
State of HPC: Dabei nimmt das Thema Sicherheit eine
wichtige Rolle ein. Wie lassen sich HPC-Systeme effektiv
schützen?
Im Grunde gilt für HPC-Systeme mit Bezug auf IT-Sicherheit
nichts anderes wie für Firmennotebooks und Workstations
auch: der Zugriff durch Unbefugte muss eben IT-technisch
unterbunden sein. Aber wie oben beschrieben häufen sich
auf einem HPC-System unternehmenskritische Daten in großer
Menge. Aus diesem Grund sollte in HPC-Umgebungen
„Nun, wir haben in der
Vergangenheit zahlreiche
Kunden mit HPC-Lösungen
ausgestattet, die sich
selbst durchaus als
– normalsterblich –
bezeichnen würden.“
Dr. Oliver Tennert
State of HPC: Welche HPC-Lösungen
bietet transtec insbesondere mittelständischen
Kunden an?
Wir sind ein umfassender Lösungsanbieter,
der die gesamte Produktpalette
innerhalb des Bereichs High
Performance Computing abdeckt –
von Servern, Schränken, Storage-
Lösungen bis hin zu innovativen
Kühlkonzepten. Daneben bieten wir
ein umfassendes Service-Portfolio, um
Kunden nicht nur eine umfassende Betreuung zu gewähren,
die weit über den klassischen Hardware-Support hinausgeht,
sondern auch betriebsunterstützende Leistungen bis
hin zum Regelbetrieb der HPC-Lösung.
State of HPC: Die Remote-Visualisierung ist auf dem Vormarsch.
Welche Vorteile eröffnet diese Technologie den
Anwendern und was ist dabei zu beachten?
Der klassische Workflow im CAE-Umfeld beinhaltet nach
wie vor wiederholtes Hin- und Herkopieren von Ergebnisdaten
zur späteren Auswertung, dem Post-Processing. Für
das Renedering des meist visuellen Verfahrens ist eine
entsprechende Grafikleistung notwendig, wie sie typischerweise
in lokalen Workstations vorhanden ist. Remote-
Visualisierung ermöglicht es, dieses Post-Processing dort
durchzuführen, wo die Daten im Vorfeld auch erzeugt
wurden, nämlich auf dem HPC-Cluster. Dedizierte Visualisierungsserver,
die – entsprechend mit GPUs ausgestattet
– das Renedering im Rechenzentrum übernehmen, sorgen
dafür, dass unter dem Strich eine bessere Hardwareauslastung
gegeben ist und dadurch letztlich Hardware
eingespart werden kann. Die zentrale Datenhaltung
ermöglicht es darüber hinaus, Kollaborationsszenarien
über verteilte Standorte hinweg zu ermöglichen, ohne
dass eine Duplizierung der Daten durch weiteres Hin- und
Herkopieren erfolgt.
7 | State of HPC Ausgabe 02

Hohe Rechenleistung
und Sicherheit
durch GPU-Computing mit
Virtualisierung
GPU-Computing und Virtualisierung müssen sich nicht ausschließen. transtec bietet
mit einer neuen CUDA-Workstation eine schlüsselfertige Lösung an, die eine
hohe Performance auf Basis der Tesla- und GRID-Architektur von NVIDIA bietet.
Sie ist sowohl für den Citrix XenServer als auch für VMware vSphere zertifiziert.
Verteilte Entwicklerteams, die an hochkomplexen Projekten
arbeiten, sind in Tätigkeitsfeldern wie CAE, CAM oder
CAD keine Ausnahme, sondern die Regel. Das Problem dabei
liegt auf der Hand: Verschiedene dezentrale Datenbestände
beeinträchtigen die Datenaktualität und erfordern
zeitaufwändige Übertragungen umfangreicher Datenmengen,
bei denen zusätzlich Bandbreitenrestriktionen negativ
ins Gewicht fallen. Von der Sicherheitsgefahr, die die lokale
Datenspeicherung – beispielsweise auch bei externen
Dienstleistern wie Ingenieurbüros – mit sich bringt, ganz
zu schweigen.
Abhilfe schafft hier eine zentrale Datenhaltung im Rechenzentrum,
die natürlich konkrete Anforderungen an
Hardware und Software nach sich zieht. Zwei wesentliche
Bausteine sind dabei eine hochperformante Hardware wie
eine GPU-Workstation und die Virtualisierung. Hier stellt
sich zunächst die Frage: GPU-Computing und Virtualisierung
– passt das zusammen? In der Vergangenheit war
das tatsächlich eine komplexe Herausforderung, heute
aber vor allem dank Optimierungen bei der NVIDIA-GRID-
Architektur und aktuellen Versionen der Virtualisierungstechnologien
VMware vSphere oder Citrix XenServer ohne
Weiteres realisierbar. Das heißt, es ist beispielsweise
auch möglich, umfangreiche Datenmengen wie komplexe
3D-Grafiken zentral im Rechenzentrum vorzuhalten und
sie über LAN oder WAN Remote-Anwendern bereitzustellen.
Diese zentrale Datenablage bedeutet ein deutliches
Plus an Sicherheit und Schutz vor Datenverlust oder
-diebstahl.
8 | State of HPC Ausgabe 02

Fachartikel
3D-Visualisierung
Grafikvirtualisierung ist der nächste Schritt
Grafik-beschleunigte virtuelle Systeme und Anwendungen
können unter Nutzung der NVIDIA-GRID-Technologie, die
unter anderem eine Hardware-Virtualisierung des Grafikprozessors
umfasst, schnell bereitgestellt werden. Im Hinblick
auf den Virtualisierungs-Hypervisor bot sich in der
Vergangenheit der Citrix XenServer an, der die NVIDIA-
Technologien und -Karten am besten unterstützte. Doch die
Auswahl ist inzwischen größer geworden und das kann dem
ganzen Virtualisierungsthema im GPU-Computing-Kontext
einen entscheidenden Wachstumsschub geben. Der Grund
ist klar: Virtualisierung im Unternehmensbereich bedeutet
heute in der Regel VMware, doch im Zusammenhang mit
GPU-Computing war das bisher eher eine Herausforderung.
Mit der neuen VMware-vSphere-Unterstützung der NVIDIA-
GRID-vGPU-Technologie kann hier aber eine neue Zeitrechnung
beginnen.
Grafikbeschleunigung bringt entscheidenden
Leistungsschub
Komplexe Berechnungen, Datenanalysen, aufwändige
Simulationen oder auch die Grafik- und Videobearbeitung
erfordern generell eine extrem hohe Rechenleistung. Prädestiniert
dafür ist das GPU-Computing. Eine neue Lösung
in diesem Bereich bietet transtec mit der Workstation
CUDA 4240, ein GPU-Compute-Node mit zwei Höheneinheiten.
Zur Hardware-Ausstattung gehören maximal zwei
Intel Xeon Prozessoren der E5-2600 V3 Serie (Haswell EP),
bis zu 1.024 GB Hauptspeicher (LRDIMM) und maximal
sechs NVIDIA-Tesla-GPUs. Eingesetzt werden können die
GPU-Computing-Modelle NVIDIA Tesla K8, K10, K20, K20X,
K40M und K80 (Kepler) oder, im Rahmen einer virtualisierten
Lösung, bis zu vier NVIDIA GRID K1 und K2 (Kepler).
Wir haben unsere neuen GPU-Workstation dahingehend
ausgelegt. Sie unterstützt neben Citrix XenServer 6.5 auch
VMware vSphere 5.5 Update 2. Und das bedeutet: Auch
Unternehmen, die auf eine Virtualisierung mit VMware-
Lösungen setzen, können künftig das GPU-Computing einfach,
schnell und effizient nutzen.
Mit der neuen Workstation adressieren wir primär mittelständische
Kunden wie Ingenieurbüros, aber auch Entwicklungs-
oder CAD-Abteilungen größerer Unternehmen. Allen
Anwendern steht mit der Workstation eine schlüsselfertige
Lösung zur Verfügung, die eine hohe Rechenleistung auf
Basis von NVIDIA-Technologie und eine umfassende Virtualisierungs-Unterstützung
bietet.
Die Workstations basieren auf der speziell für das High
Performance Computing (HPC) konzipierten NVIDIA-Tesla-
Architektur. Die Tesla-GPUs bieten pro Karte bis zu 4.992
parallele Recheneinheiten (Cores). Damit können tausende
Threads simultan verarbeitet werden. Die Leistungswerte
bei der Floating Point Performance liegen bei bis zu
5,6 TeraFLOPS Single-Precision und bis zu 1,87 TeraFLOPS
Double-Precision. Optional vorinstalliert ist auch die
CUDA-Entwicklungsumgebung für die Durchführung paralleler
Berechnungen.
Autor: Michael Hohl
Director Technical Sales Europe, Enterprise Solutions
9 | State of HPC Ausgabe 02

Open Source trumpft auf bei der
STRÖMUNGSANALYSE
Bei der Produktentwicklung sind in der Industrie CAE-Verfahren wie die Simulation
und Strömungsanalyse Standard. Als Alternative zu kommerziellen Applikationen
setzen sich heute verstärkt Open Source-Lösungen durch. Unternehmen
sparen damit Lizenzkosten, passen die Software einfacher an ihre Anforderungen
an und optimieren ihre Produkte.
10 | State of HPC Ausgabe 02

Titelthema
Open Source
Wie muss der Außenspiegel bei einem neuen Fahrzeugmodell
geformt sein, damit er den geringsten Luftwiderstand
aufweist? Wie muss die Tragfläche eines Flugzeugs
beschaffen sein, damit es möglichst wenig Kerosin verbraucht?
Fragen wie diese sind Alltag in den CAE-Abteilungen
der Automobilindustrie oder Luftfahrt. Auch beim
Bau von Turbinen und Pumpen spielen Temperatur- und
Strömungsanalysen auf Basis numerischer Strömungssimulationen
(Computational Fluid Dynamics, CFD) eine
zentrale Rolle. Hier sind permanente Optimierung und
Weiterentwicklung gefragt. Lösungen, die gestern als das
Optimum galten, sind heute überholt. Es muss permanent
an tausenden von Parametern „gedreht“ werden. Das ist
wie beim Hochleistungssport – es geht immer noch höher,
schneller und weiter. Sogenannte „Stochastik-Jobs“ variieren
parallel eine Vielzahl an Parametern und testen deren
Auswirkungen auf das Simulationsergebnis.
Open Source-Software eignet sich für
CAE-Szenarien
Open Source-Software zeichnet sich bekanntermaßen dadurch
aus, dass ihr Quellcode, alle Algorithmen, Numerik
und Modelle frei verfügbar sind und viele meist unabhängige
Programmierer sie gemeinsam weiterentwickeln. Zudem
fallen für die Nutzung der Software keine Lizenzkosten an.
Der Großteil der Open Source CFD-Pakete wird unter der GPL
(GNU General Public License)-, BSD (Berkeley Software Distribution)-Lizenz
oder MIT (Massachusetts Institute of Technology)-Lizenz
lizenziert und darf in gewerblichen Projekten
verwendet werden. Die einzige Einschränkung bezieht
sich auf eine Weiterverteilung der Software oder ihrer Derivate.
Unternehmen müssen den Quellcode freigeben, wenn
sie Weiterentwicklungen verkaufen oder neu verteilen
wollen. Im Übrigen gilt natürlich auch beim Einsatz von
Open Source-Produkten die Produkthaftung und Gewährleistung.
Damit stehen Unternehmen beim Einsatz von
Open Source-Software rechtlich nicht anders da als bei anderen
Lizenzformen.
Innovative Entwicklung in der Community
Einige erfolgreiche Open Source-Beispiele, wie Linux, Libre-
Office oder GNU Compiler zeigen, dass eine Community
aus weltweit verteilten Entwicklern auch hochkomplexe
Systeme erfolgreich entwickeln und pflegen kann. Da viele
Entwickler mit geballter Expertise zusammenarbeiten und
den Quellcode frei bearbeiten können, ermöglicht Open
Source hohe Qualität, schnellere Innovationen und kürzere
Release-Zyklen.
Zudem verschwindet die Abhängigkeit vom proprietären
Angebot eines einzigen Unternehmens, wenn der Programmcode
frei verfügbar ist: es kommt zu keinem Lock-in.
Weil sich Open Source-Software an allgemein anerkannten
Standards orientiert, kann der Kunde sicher sein, dass er
einen Großteil der Funktionen auch beim Wechsel des Produkts
wiederverwenden kann.
Voraussetzung für den Erfolg von Open Source ist eine
starke Unterstützung und Motivation in der Community.
Finden sich jedoch nicht genügend Entwickler, die den Code
mit der notwendigen Motivation weiterentwickeln, kann
das Projekt zu einer Geister-Software werden. Wichtige
Erfolgsfaktoren sind gute Businessmodelle für Dienstleistungen
oder Zusatz-Software sowie große, stabile Sponsoren,
die ein vitales Eigeninteresse an der Weiterentwicklung
der Software besitzen.
Vorher
Nachher
Formoptimierung eines Außenspiegels
11 | State of HPC Ausgabe 02

Für CFD – und auch andere CAE-Anwendungen – gibt es
neben kommerzieller Software und Eigenentwicklungen
mittlerweile auch Open Source-Produkte. Eine der bekanntesten
und erfolgreichsten Anwendungen aus diesem Bereich
ist OpenFOAM (Field Operation And Manipulation), ein
in C++ geschriebenes Simulationsprogramm für Strömungsanalysen
und das Lösen von Strömungsproblemen.
PIV measurements of
the wake structure
Force measurements and
oil-film-flow visualisation
Bei OpenFOAM, dem Paradebeispiel für erfolgreiche Open
Source-Software im CAE-Umfeld, treffen alle drei Erfolgsfaktoren
zusammen: Die Weiterentwicklung des Codes und
auch der Support laufen oft erstaunlich schnell und gut,
da die Entwickler sehr engagiert und etwa über WhatsApp
oder Internet-Foren sehr gut vernetzt sind. Zudem gibt
es viele Unternehmen, die weitere
Services rund um die Software für Jets off
Strömungs-Simulationen anbieten.
Die notwendigen finanziellen Mittel
stammen von einem führenden Automobilhersteller,
der an der Optimierung
von OpenFOAM interessiert ist,
weil er damit Zeit und Kosten bei der
Produktentwicklung spart.
Flexiblere Anpassung an
Anforderungen
Ein weiterer wichtiger Vorteil: Unternehmen
können den Quellcode
und die Compiler-Einstellungen viel
freier und einfacher an ihre individuellen
Anforderungen anpassen und
optimieren, als dies bei kommerzieller
Software der Fall ist. So führen
manchmal geringe Änderungen an
den Compiler-Einstellungen zu signifikant höheren Rechengeschwindigkeiten.
Darüber hinaus arbeiten die eigenentwickelten
und ergänzten Module oder Funktionen auch
nach einem Software-Update noch reibungslos, da das Unternehmen
selbst die Kontrolle behält – sofern es qualifizierte
Open Source-Experten in seinen Reihen beschäftigt.
Hier liegt die Crux. Ingenieure mit Know-how zum Kompilieren
und Ändern von Open Source Code sind derzeit nicht
einfach zu finden, da Open Source-Lösungen an den Universitäten
(noch) nicht im Zentrum der Lehre stehen. Unternehmen
müssen daher viel in die Expertise ihrer Mitarbeiter investieren
und versuchen, diese durch ein attraktives Gehalt
und andere Incentives an sich zu binden.
Doch wenn Sie Open Source-Experten beschäftigen, haben
Unternehmen mehr Spielraum bei der Entwicklung und können
vor allem bei Parameter-Studien oder automatischen
Optimierungen Kosten sparen. Hier werden im Rahmen
von Finite-Elemente-Modellen verschiedene Parameter
wie Werkstoff- oder Geometriedaten variiert und kombiniert,
um die ideale Lösung – etwa für die Bauform eines
Produkts oder Bauelements – zu finden. Parameter-Studien
erfordern die hohe Rechenleistung von HPC-Systemen mit
vielen Rechenkernen (Cores). Da viele Anbieter kommerzieller
CAE-Software ihre Lizenzkosten nach der
Anzahl der Cores berechnen, vermeiden Unternehmen
mit Open Source-Software teilweise Millionen von
Euro an Lizenzkosten.
-300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
Jets on
x [mm]
-300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
PIV measurements in the symmetry plane of the XL1 wake.
30.0
27.5
25.0
22.5
20.0
17.5
15.0
12.5
10.0
7.5
5.0
2.5
0.0
30.0
27.5
25.0
22.5
20.0
17.5
15.0
12.5
10.0
7.5
5.0
2.5
0.0
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Titelthema
Open Source
Für wen eignet sich Open Source-CAE?
Ob ein Unternehmen Open-Source-Software einsetzt, ist
eine strategische Entscheidung. Wenn die Firma für ihre IT
eine restriktive Windows-Umgebung diktiert, kommt freie
Software kaum in Frage. Das größte Hindernis ist geringe
Open Source-Expertise in der CAE-Abteilung, da es oft an
Mitarbeitern mangelt, die über die benötigten Erfahrungen
verfügen. Zudem kann nicht jede CAE-Abteilung die zunächst
höheren Personalkosten rechtfertigen, die mit der
Beschäftigung der raren, aber begehrten Ingenieure mit
Open Source-Know-how verbunden sind. Mittel- bis langfristig
aber werden Unternehmen insbesondere bei CFD-Anwendungen
mit Parameter-Studien und Optimierungen
vom Open Source-Ansatz auch finanziell profitieren, indem
sie bei den Lizenzkosten gespartes Kapital in ihre Mitarbeiter,
spezifische Methoden und Funktionen investieren.
Auch wir benutzen intensiv Open Source-Software, um
Cluster zu betreiben. Dies sind auf der Ebene der Betriebssysteme
CentOS, Scientific Linux und Ubuntu. Beim HPC
Clustermanagement kommen so populäre Tools wie xCat
für die Cluster Provisionierung, Ganglia für Monitoring und
Nagios für das Event Handling zum Einsatz.
Die Liste der Tools ist lang. Im Bereich der parallelen Filesysteme
setzt man auf „Lustre“, während man für die Microsoft
Integration oft Samba einsetzt, um beide Welten zu verbinden.
Der Kunde profitiert von dem fundierten Know-how
der transtec Engineers in diesem Bereich und von günstigen
Supportkosten. Open Source ist einer der Treiber- bzw. Katalysatoren
der HPC Cluster Community.
Autor: Arno Ziebart, Director HPC Sales Europe
Ausgewählte Open Source-Tools für CAE-Anwendungen
Elmer
Code Aster
SU2 Code
Elmer Code Aster SU2 Code
Finite-Elemente-Programm für strukturmechanische
Simulationen zur
Belastung von Komponenten und
Baugruppen sowie für numerische
Strömungssimulationen. Elmer wird
als freie Software unter der GNU
General Public License (GPL, Version 2)
verbreitet.
Die Software ist in Python und
Fortran geschrieben. Sie bietet Finite-
Elemente-Analysen und numerische
Simulation zur Berechnung mechanischer,
thermischer, statischer und
dynamischer Effekte für feste und
flüssige Stoffe.
Primäre Anwendungen sind numerische
Strömungssimulationen (CFD) und
die aerodynamische Optimierung von
Formen; mittlerweile wurde die Software
für die Lösung allgemeinerer
Gleichungen wie in der Elektrodynamik
und bei chemisch reagierenden
Strömungen erweitert.
CalculiX
OpenFOAM
GetFEM ++
Calculix OpenFOAM GetFEM ++
Freies Finite-Elemente-Programm für
dreidimensionale Strukturberechnungen
auf Basis des ABAQUS-Eingabeformats
für den Gleichungslöser. Daher
ist das Programm mit zahlreichen
Prä- und Postprozessoren kompatibel.
OpenFOAM (Field Operation And Manipulation):
das Vorzeigeprojekt für
Open Source CFD. Heute beschränkt
sich die Software nicht mehr nur auf
Strömungsanalysen, sondern ermöglicht
auch Finite-Elemente-Analysen
(FEA).
Eine generische Finite-Elemente-
Bibliothek auf Basis von C ++ mit
Schnittstellen für Python, Matlab und
Scilab. Sie konzentriert sich auf die Modellierung
im Bereich Kontaktmechanik
und Diskontinuitäten (z. B. Risse).
DAKOTA
MaxFEM
FEniCS
DAKOTA MaxFEM FEniCS
DAKOTA (Design Analysis Kit for Optimization
and Terascale Applications):
umfassende Open Source-Bibliothek
für die multidisziplinäre Optimierung
von Produkten.
Software für elektromagnetische
Simulationen auf Basis der Finite-
Elemente-Methode (FEM).
Software-Paket auf Basis von Dolfin
(C++-Bibliothek mit Python Interface)
mit dem Ziel, Differentialgleichungen
automatisiert zu lösen.
13 | State of HPC Ausgabe 02

Forschungshochleistungsrechner
erobert Karlsruher
Institut für Technologie
Das Karlsruher Institut für Technologie baute im Rahmen des Forschungshochleistungsrechners
Phase 2 (ForHLR II) bis Ende 2015 einen HPC-Cluster mit über
1.100 Rechenknoten auf. Die Lösung mit einem Gesamtvolumen von 6,9 Millionen
Euro lieferte der HPC-Spezialist transtec. Es ist der größte Einzelauftrag
seiner Firmengeschichte.
14 | State of HPC Ausgabe 02

Referenz
KIT
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Technische
Universität des Landes Baden-Württemberg und transtec das Hochleistungsrechnersystem ForHLR2 beim
Im Rahmen des bis Ende 2015 angelegten HPC-Projektes hat
ein nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft.
Das Institut betreibt unter anderem Grundla-
auf NeXtScale-Systemen von Lenovo und kombiniert neu-
KIT implementiert und in Betrieb genommen. Es basiert
gen- und angewandte Forschung in Bereichen wie Materialwissenschaften,
Umwelt, Energie oder Nanotechnologie. effizienz. In der Lösung sind NeXtScale-Systeme mit
este Technologie mit hoher Zuverlässigkeit und Energie-
Aufgrund der zahlreichen rechenintensiven Datenanalysen direkter Heißwasserkühlung zum Einsatz gekommen, um
und komplexen Simulationen, die in diesem Umfeld er-
alle Systembestandteile wie Prozessoren, Arbeitsspeicher
forderlich sind, entschied sich
das KIT zum Aufbau einer
HPC-Cluster-Lösung im eigenen
Rechenzentrum.
Als Lösungs- und Integrationspartner
hat das KIT die transtec
AG aus Reutlingen ausgewählt.
transtec konnte sich in dem
EU-weiten Ausschreibungsverfahren
ForHLR Phase 2 (TED
2014/S 162-290100) gegen nam-
„Es freut uns sehr, dass wir dieses
große HPC-Projekt, das innovative
Konzepte mit technischer
Leistungsfähigkeit verbindet,
an einem der renommiertesten
Forschungsstandorte Europas
durchführen durften“ Dr. Oliver Tennert
oder I/O-Karten effizient kühlen
zu können. Diese Systeme bieten
eine um 40 Prozent höhere Energieeffizienz
und rund 10 Prozent
mehr Leistung als Lösungen, die
auf Luftkühlung basieren. Weiterer
Vorteil ist, dass ein Großteil
der Abwärme auch für andere
Aufgaben genutzt werden kann,
zum Beispiel für die Beheizung
von Gebäuden.
hafte und international agierende Wettbewerber behaupten.
Ausschlaggebend war, dass transtec gemeinsam mit bei einem geringen Energieverbrauch von maximal 420 kW,
„Mit einer Peak-Leistung im PetaFLOPS-Bereich, und das
seinem Technologiepartner Lenovo eine integrierte Gesamtlösung
anbieten konnte, die neben der hohen Perforentesten
HPC-Clustern weltweit“, erklärte Robin Kienecker,
gehört unsere Lösung zu den schnellsten und energieeffizimance
vor allem eine extrem hohe Energieeffizienz bietet. Sales Manager Technical Computing bei der transtec AG in
Damit lassen sich auf Dauer auch die Gesamtbetriebskosten
für die Lösung niedrig halten.
Reutlingen.
„Es freut uns sehr, dass wir dieses große HPC-Projekt, das innovative
Konzepte mit technischer Leistungsfähigkeit verbindet,
an einem der renommiertesten Forschungsstandorte
Europas durchführen durften“, fügt Dr. Oliver Tennert,
Director HPC Solutions bei der transtec AG, hinzu.
Hans-Jürgen Bahde, Vorstand der transtec AG, ergänzt: „Mit
einem Netto-Auftragsvolumen von rund sieben Millionen
Euro ist es für transtec der größte Auftrag in seiner 35-jährigen
Firmengeschichte und ein weiterer Beweis für unsere
Kompetenz und unsere Leistungsfähigkeit im HPC-Markt.
Auch sind wir damit unserem Ziel, der größte europäische
konzernunabhängige HPC-Player zu werden, ein weiteres
entscheidendes Stück näher gekommen.“
15 | State of HPC Ausgabe 02

16 | State of HPC Ausgabe 02

Fachartikel
Turnkey-Solutions
Einfach den
SCHLÜSSEL
umdrehen...
...und los geht‘s mit der komplexen
Berechnung. Highend-Rechencluster
wollen auf die Bedürfnisse des
Kunden sorgfältig zugeschnitten sein.
Dies verlangt nach profunden Kenntnissen
bei der Systemintegration, zumal
die Auswahl an Hardware-Komponenten
beachtlich ist.
Der Mittelstand könnte von High Performance Computing
(HPC) profitieren, doch zeigt er ihm bisher nur die kalte
Schulter. Einer von uns durchgeführten Umfrage zufolge
setzen gerade einmal 5 Prozent des Mittelstands HPC-Systeme
ein, obwohl der potenzielle Nutzen, gerade in Zeiten
von Industrie 4.0 & Co, auch für kleine und mittlere Betriebe
erheblich ist und die eigene Wettbewerbsfähigkeit steigern
kann. Die Befragung wurde unter 254 IT-Verantwortlichen
in technisch-orientierten Unternehmen mit bis 1.000 Mitarbeitern
durchgeführt. Datenvolumina wachsen in allen
Bereichen dermaßen schnell an, dass konventionelle Rechnersysteme
für deren Auswertung an ihre Grenzen stoßen.
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Die Gewinnung nutzbarer Erkenntnisse aus dieser
Datenflut – Stichpunkt „Big Data“ – ist in Zukunft praktisch
nur noch mit hochleistungsfähigen HPC-Systemen zu
bewältigen.
Nutzen Sie bereits HPC-Lösungen?
„Weiß nicht“ 11,8%
Nein 83,1%
Ja 5,1%
empfinden sie als adäquat. Andererseits haben sich noch
wenige Unternehmen mit der tatsächlichen Auswertung
von Big Data auseinander gesetzt oder nutzen nicht moderne
Softwarelösungen für Simulations- oder Entwicklungszwecke,
die ja deutlich mehr Rechenkapazität einfordern.“
In der Tat ist eine auffällige Korrelation erkennbar:
Bei Unternehmen mit bis zu 500 Mitarbeitern sind für rund
9 Prozent der Befragten die Systeme für rechenintensive
Anwendungen zu langsam, bei solchen mit mehr als 500
Mitarbeitern beklagen sich über drei Mal so viel, insgesamt
rund 31 Prozent, über mangelnde Geschwindigkeit.
Zu lange Wartezeiten?
„Weiß nicht“ 17,0%
Entsprechend der Unternehmensgröße, so ist in der Studie
weiter zu lesen, steigt jedoch die Nutzung von HPC-Systemen.
Über 9 Prozent der Unternehmen ab 201 Mitarbeitern
geben an, sie einzusetzen. Diese Zahl fällt auf rund 3 Prozent
bei Unternehmen mit 11 bis 200 Mitarbeitern. Von den
befragten Kleinstbetrieben mit bis zu 10 Mitarbeitern nutzt
indes kein einziger eine HPC-Lösung. Da liegt also noch Geld
auf der Straße.
Über alle Unternehmensgrößen hinweg liegt der Durchschnitt
bei 5,1 Prozent. Der Rest der befragten Unternehmen
gibt an, keine HPC-Lösung einzusetzen oder es nicht
zu wissen. Allerdings beklagen sich lediglich 12 Prozent
über zu lange Wartezeiten bei rechenintensiven Anwendungen,
ganz so, als gäbe es kaum Bedarf für schnellere Lösungen.
„Diese Zahl hat uns überrascht“, erklärt Oliver Tennert,
Director Technology Management and HPC Solutions
bei transtec, im Gespräch mit der Redaktion. „Wir erklären
uns das so: Einerseits haben sich viele Anwender an eine
gemächliche Gangart ihrer Rechnersysteme gewöhnt und
Nein 70,5%
Ja 12,4%
Mit ganzheitlichem Anspruch
Wir sehen uns als einen umfassenden HPC-Lösungsanbieter
einschließlich eines breit gefächerten Dienstleistungsangebots.
Unser Augenmerk liegt hierbei auch auf mittelständischen
Fertigungsbetrieben, jedoch beschränken wir uns
nicht darauf, die komplette Hardware-Infrastruktur für ein
HPC-System zu liefern. Wir haben den Anspruch, den Kunden
entlang des kompletten Lebenszyklus der Lösung zu begleiten.
Dies fängt mit der Beratung vor dem Kauf an, dem
sogenannten Presales Consulting. Dabei geht es um die Dimensionierung
des geplanten Clusters unter den folgenden
Gesichtspunkten: Braucht es ein schnelles Netzwerk? Welche
CPU-Typen kommen in Frage? Wie viel RAM ist notwendig?
„Wir führen umfassende Benchmarks durch, um präzise
Entscheidungshilfe leisten zu können“, sagt Tennert. Sobald
wir mit dem Kunden gemeinsam die beste Lösung
erarbeitet haben, wird das schlüsselfertige System geliefert
und in Betrieb genommen. Wir sind in ein Ökosystem
eingebettet, das sich speist aus dem, wie die Kundenanforderungen
gelagert sind. Es kommen Produkte unterschiedlicher
Originalhersteller zum Einsatz, nicht nur für
die Hardware, sondern zum Beispiel unter anderem auch
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Fachartikel
Turnkey-Solutions
für die Cluster-Management-Software. Zu unseren Kunden
zählen öffentliche Institutionen und Unternehmen aus einer
Vielzahl an Branchen.
Europaweit gibt es um die zehn Konkurrenten, davon in
Deutschland drei, die im Systemgeschäft mit HPC-Lösungen
tätig sind. Uns zeichnet jedoch insbesondere aus, eine
sehr starke Präsenz im industriellen Umfeld vorweisen zu
können. Und dies bereits seit gut zwei Dekaden. Wir bedienen
das Preissegment von 100.000 bis rund zwei Millionen
Euro. Allerdings geht es auch günstiger: „Ein 4- bis 8-Knoten
Cluster ist – je nach Ausstattung – bereits ab 25.000 Euro zu
haben, was den Einstieg erleichtert. Eine HPC-Lösung kann
drei bis fünf Jahre betrieben werden. Dann ist sie, technologisch
gesehen, veraltet und auch der Wartungsvertrag ist
bis dahin ausgelaufen“, sagt Tennert.
Typische Anwendungsfelder von HPC in der Industrie lassen
sich in zwei Segmente unterteilen: die Analyse umfangreicher
Berechnungsmodelle und die Auswertung großer
Datenmengen. Beim Fahrzeughersteller Daimler in der
Automobilindustrie zum Beispiel werden in einem Monat
durchschnittlich hunderte von virtuellen Crash-Tests von
Entwicklungsderivaten durchgeführt, jedoch nur noch einige
wenige physischer Crash-Versuche zu reinen Validierungszwecken.
Auch in der chemischen und pharmazeutischen
Industrie wird massiv in Simulation und Berechnung
investiert.
Bezüglich Trends im HPC-Umfeld kann man sagen, dass ab
dem Jahr 2008 Rechnen auf Grafikkarten en vogue geworden
ist. Vorreiter war NVIDIA mit den Tesla-Karten. Das aktuelle
Flaggschiff ist die K80-Karte. Doch hat in den letzten
drei Jahren Intel nachgezogen und eigene Grafikkarten – Beschleunigerkarten
– ins Feld geführt, die sogenannten Xeon-
Phi-Karten. InfiniBband ist inzwischen der Marktführer bei
Hochgeschwindigkeitsnetzwerken. Der einzig verbleibende
Bottleneck, so Tennert weiter, war in der Vergangenheit
beim Zugriff auf den Massenspeicher (Storage) zu finden.
Doch sei hier der Trend hin zu parallelen File-Systemen zu
erkennen. „Inzwischen wird skalierbares Storage angeboten,
das über ein Netzwerk angeschlossen wird. Das Wichtigste
ist dabei, dass eine sehr hohe Bandbreite im Netzwerk
zur Verfügung steht“, sagt Tennert.
Wie zu erkennen ist, stehen wir dem Kunden beratend zur
Seite, wenn es um die beste Systemarchitektur für seine individuelle
Aufgabenstellung geht. „Der Kunde ist meistens
nicht in der Lage, die Anforderungen seiner Applikation auf
die IT abzubilden. Genau dieses Sizing ist unser Job! Es gibt
Applikationen, die sehr gut skalieren und die folglich auf
mehrere Knoten verteilt werden können. In diesem Fall ist
es möglicherweise sinnvoll, von InfiniBand Gebrauch zu
machen.
Number Crunching im industriellen Umfeld
Andererseits gibt es aber auch Applikationen, die sich
überhaupt nicht parallelisieren lassen. Es macht hier nur
Sinn, sie auf einem Knoten laufen zu lassen. Es kann sich
aber auszahlen, den Job auf mehrere CPU-Kerne mit vielen
RAM-Bausteinen laufen zu lassen.“
Zum Schluss eine Frage an Oliver Tennert, die im Zusammenhang
mit moderner Engineering-IT kommen muss: zu
Cloud Computing. „Am Ende spart man kein Geld, wenn man
Rechenzeit on-demand mietet, anstatt ein eigenes HPC-System
anzuschaffen. Bei den meisten unserer Kunden ist der
Bedarf an Compute-Power so hoch, dass sich der Einsatz
einer Cloud-basierten Lösung einfach nicht rechnet.“ Na,
dann doch lieber gleich den Cluster kaufen.
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Editing and Coordination:
Tobias Seidel, transtec AG
Jennifer Kemmler, transtec AG
Author:
Dr. Oliver Tennert, transtec AG
Michael Hohl, transtec AG
Arno Ziebart, transtec AG
Layout, Design:
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Jennifer Kemmler, transtec AG
Photos, Renderings:
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