Supercomputing nicht nur ‚auf dem Piz Palü‘

Bereits seit knapp einem Jahr haben die Tübinger schon die Supercomputing-Workstation Cray CX1 im Portfolio. Ansprechen wolle man damit insbesondere Ingenieure, für die die Nutzung von HPC-Technologie sonst ein Wunschtraum bliebe, sagte dazu Dr. Oliver Tennert, Director Technology Management & HPC Solutions bei Transtec. Nach Bekanntwerden der Partnerschaft mit Cray habe man aus allen Ländern, in denen man Niederlassungen besitze, zahlreiche Anfragen nach diesem Deskside-Blade-System erhalten. „Selbst jetzt – ein Jahr später – ist kein Nachlassen der Nachfrage zu verspüren.“ In den nächsten Wochen soll zudem ein Nachfolgeprodukt vorgestellt werden. „Wir sehen im Bereich Deskside-Supercomputing einen weiterhin wachsenden Markt, vor allem auch bei kleinen Ingenieurbüros.“

Grafikprozessoren können mehr als Grafik

Eine der interessantesten Entwicklungen in technischer Hinsicht ist sicherlich der Einsatz von Grafikprozessoren (GPU – Graphics Processing Unit) im Bereich des HPCs. ‚GPUs – The Fast Lane on the Road to Better Science?’ lautet deshalb auch der Titel einer Debatte, die auf der ISC am Dienstag, den 21. Juni stattfindet. Welchen Stellenwert das GPU-Rechnen hat, lässt sich dabei leicht an dem gerade von Cray vorgestellten Supercomputer XK6 ablesen. In diesem System arbeiten hochintegriert neben AMDs Opteron-6200-Prozessoren auch Nvidias Grafikprozessoren der Tesla-20-Serie. Von Cray wird dabei insbesondere auf die vereinheitlichte x86/GPU-Programmierumgebung hingewiesen. Dies erleichtert einerseits die Programmierung, andererseits zeigt es die Bedeutung der GPUs als selbstverständlichen Bestandteil von Supercomputern.

„Der Cray XK6 verspricht, der erste Universal-Supercomputer basierend auf der GPU-Technologie zu sein“, meint Thomas Schulthess, Direktor des Schweizerischen Hochleistungsrechenzentrums (CSCS) in Manno. Das CSCS ist Crays erster Kunde für den XK6 und wird dazu das vorhandene XE6m-System mit dem Spitznamen ‚Piz Palü‘ upgraden. Schulthess betont insbesondere das hohe Interesse der schweizerischen Wissenschaftler an der GPU-Technologie, man sei sehr gespannt darauf, das System nun zu testen.

Nach Angaben des GPU-Herstellers Nvidia setzen weltweit mittlerweile mehr als 400 Institute auf das parallele Rechnen mit GPUs auf Basis der CUDA-Architektur (Compute Unified Device Architecture). Ziel sei es, der Lösung komplexer Aufgaben zum Durchbruch zu verhelfen und somit die wissenschaftliche Entwicklung auf vielen Feldern zu beschleunigen. An der Technischen Universität Dresden nutzt man beispielsweise einen CUDA-gestützten Particle-in-Cell-Algorithmus, um noch umfangreicher und genauer Plasma-Simulationen bei der Krebsbekämpfung mittels lasergestützter Ionenstrahlen durchzuführen. Und am amerikanischen Pacific Northwest National Laboratory beschleunigen GPUs einen Simulator für unterirdische Transportvorgänge namens Stomp, mit dem sich der unterirdische Verlauf von Verunreinigungen simulieren lässt.

Auch Ingenieure kommen schneller zum Ziel

Traditionell ist der Bereich der Simulation und Berechnung, das Computer Aided Engineering (CAE), stark interessiert an leistungsfähigen Rechnern. Ebenfalls im Mai hat etwa der französische Softwarehersteller Dassault Systèmes angekündigt, mit Version 6.11 seines FE-Analysetools Abaqus (Teil des Simulia-Produktportfolios) nun Grafikprozessoren aus den Quadro- und Tesla-Produktfamilien von Nvidia zu unterstützen. Produktqualität und Entwicklungszeit seien die wesentlichen Herausforderungen an Entwickler, erläutert Matt Dunbar, Chief Software Architect bei Simulia. „Die jetzt in der neuesten Version von Abaqus verfügbare Beschleunigung der Berechnungen zeigt, wie GPUs genutzt werden können, um die Simulationszeiten zu reduzieren.“

Gegenüber der rein CPU-gestützten Berechnungsmethode soll Abaqus 6.11 technische Simulationen mit GPUs doppelt so schnell durchführen. „Damit können die Anwender ihre Produkte in höherer Qualität – gleichzeitig aber innerhalb kürzerer Entwicklungszyklen – liefern“, so Dunbar weiter. „In der Automobilentwicklung lassen sich auf diese Weise mehr Varianten testen und neue Wege bei der Gewichtsreduzierung von Fahrzeugkomponenten beschreiten, um die Energieeffizienz der Fahrzeuge zu steigern – ohne Kompromisse hinsichtlich Qualität oder Fahrzeugsicherheit eingehen zu müssen“, ergänzt Davit Watters, Senior Director Manufacturing and Design Industry bei Nvidia.

Um insbesondere die interaktive grafische Visualisierung von Simulationsergebnissen voranzubringen, setzt auch das Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD in Darmstadt auf die leistungsstarke Kombination von CPUs und GPUs. Dazu wurde in der Abteilung für Industrielle Anwendungen ein modulares Framework namens iFX entwickelt. Neben der Nutzung der Hardware-Möglichkeiten lag der Fokus dabei auch auf der Flexibilität bezüglich der verwendeten Datenstrukturen und Algorithmen sowie der Nutzung offener und weit verbreiteter Bibliotheken. iFX lässt sich in vielfältiger Weise in bestehende Programmumgebungen einbinden – beispielsweise parallel zu einem laufenden Programm als 3D-Fenster.

In enger Kooperation mit der Computer Simulation Technology AG (CST) aus Darmstadt, spezialisiert auf die Simulation elektromagnetischer Phänomene, habe man beispielsweise auf Basis von iFX eine neue Visualisierungskomponente für die Analyse der Handystrahlung entwickelt, die bisherige Standardverfahren in den Schatten stelle, berichtet Prof. André Stork, Abteilungsleiter am Fraunhofer-IGD. „Wir machen die Simulationsergebnisse für den Ingenieur so sichtbar, dass er schneller zu aufschlussreichen Erkenntnissen kommen kann.“ Damit werde der Bau strahlungsärmerer Geräte viel einfacher – ohne dass darunter die Empfangsqualität leide. „Denn ein Mobiltelefon mit sehr niedriger Strahlung, aber schlechtem Empfang, will niemand benutzen.“

Rechenpower für die Interaktion mit dem Benutzer

Welche Möglichkeiten insbesondere GPUs der numerischen Simulation bieten, zeigte das Fraunhofer-IGD eindrucksvoll auf der diesjährigen Hannover Messe. Etwa bei der Strömungsanalyse um Turbinenschaufeln oder Tragflügel. Der Trick: Der Anwender kann aktiv in die Simulation eingreifen und beispielsweise den Anstellwinkel verändern – welche Auswirkungen das hat, kann er unmittelbar (‚in Echtzeit‘) auf dem Bildschirm verfolgen. „Mit unserer GPU-basierten Software wird es wesentlich einfacher, auch sehr komplexe Simulationen leicht verständlich darzustellen“, so Stork weiter. „Vor allem die Interaktivität eröffnet innovative neue Anwendungsmöglichkeiten für das konzeptionelle Produktdesign und den Bildungssektor.“ (Hinweis: Eine detaillierte Darstellung solcher und anderer Anwendungen wird der CAD-CAM REPORT Ende des Jahres in der Ausgabe 11/12 vorstellen.) -co-

Veranstalter der ISC: Prometeus GmbH, Waibstadt-Daisbach Tel. 07261/913160, http://www.supercomp.de

CST AG, Darmstadt Tel. 06151/7303-0, http://www.cst.com

Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD, Darmstadt Tel. 06151/155-0, http://www.igd.fraunhofer.de

IBM Deutschland GmbH, Ehningen Tel. 07034/15-0, http://www.ibm.com

Nvidia GmbH, Würselen Tel. 02405/478-0, http://www.nvidia.com

Transtec AG, Tübingen Tel. 07071/703-0, http://www.transtec.de