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Clouddienste/Simulation - Simulieren ohne Grenzen

Clouddienste/SimulationSimulieren ohne Grenzen

Die Studenten des Formula Student Teams der Technischen Universität (TU) Berlin konnten erstmals in der Design- und Testphase der vergangenen Saison 2015 auf High-Performance-Computing (HPC)-Ressourcen aus der Cloud zurückgreifen.

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Clouddienste/Simulation: Simulieren ohne Grenzen

Die Möglichkeit, nun deutlich größere und exaktere Simulationen des Fahrzeuges berechnen zu können, führte zu einer enormen Leistungssteigerung, zu mehr Verlässlichkeit und Effizienz gleichermaßen. Kein Einzelfall, denn umfangreiche HPC-Cloud Services bieten insbesondere auch für die Projektarbeit mittelständiger Ingenieursunternehmen die notwendige Dynamik.

Entwicklerteams aus Wissenschaft, Forschung oder Industrie stehen heute unter dem besonderen Druck, neue Produkte, oder deren Weiterentwicklungen, innerhalb kürzester Zeit marktreif zu produzieren. Um innerhalb eines Projektzeitraumes Produkte mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anforderungen zu entwerfen, zu entwickeln, zu testen und zu produzieren, bedarf es einer leistungsstarken CAE-Infrastruktur, eines Teams an Spezialisten, geeigneter Methoden und passender Soft- und Hardware. Die CAx-Umgebung muss sich nahtlos in das PLM-System des Unternehmens integrieren lassen. Erreicht werden kann das unter anderem durch den Einsatz moderner Methoden in der Entwicklung und Optimierung. Numerische Simulationen haben sich in der Entwicklung längst als Standardwerkzeug etabliert. Verfügbarkeit und Einsatz entsprechend leistungsfähiger, aber ressourcenintensiver Rechenkapazitäten ist nach wie vor eine Herausforderung für viele Entwickler.

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Vor einer solchen Aufgabe stehen beispielsweise auch die angehenden Ingenieure/Innen des Formula Student Teams „Fasttube“ der TU Berlin jedes Jahr aufs Neue. Ihnen bleibt nicht einmal ein Jahr Zeit, einen Boliden gemäß dem Reglement wettbewerbstauglich (weiter-) zu entwickeln. Limitierende Faktoren sind hierbei – genau wie in der kommerziellen industriellen Forschung und Entwicklung – ebenfalls Ressourcen wie Kapital, Know-how und Zeit.

Simulationsmodell

Komplexere Modelle und kaum Ressourcen
Die Bedingungen, um ein Rennfahrzeug Jahr für Jahr annähernd konkurrenzfähig auf die Räder zu stellen, waren für das Formula Student Team noch vor rund zwölf Monaten alles andere als optimal. Modelliert und simuliert wurde auf den durch die Universität bereitgestellten Systemen. Eigene, leistungsstarke (Rechen-) Ressourcen standen den jungen Ingenieuren/Innen nicht zur Verfügung. Ohne entsprechende Rechenleistung ist aber eine authentische, marktadäquate und wettbewerbsorientierte Produktentwicklung wenig realistisch. Denn – ob Strömungs- beziehungsweise Struktursimulation oder Multiphysics – Simulationsmodelle sind heutzutage zu Gunsten von Genauigkeit und Qualität komplexer und detaillierter aufgebaut denn je. Wesentliche Voraussetzungen dafür sind neben der Anwendungssoftware allerdings auch entsprechend leistungsstarke Rechenressourcen. In diesem Falle entschied man sich für eine gebrauchsfertige „Berechnungsinfrastruktur aus der Cloud“.

CAE als Dienstleistung
Seit knapp einem Jahr wird Fasttube daher vom „CAE as a Service“-Anbieter CPU 24/7 aus Potsdam mit einem „ready-to-use“ Paket aus hochperformanter Hard- und aktuellster Simulationssoftware unterstützt. Damit gehören aufwendiger Prototypenbau, kostenintensive Material- und eingeschränkte Parametertests der Vergangenheit an. Besonders bei der Bauteilsteifigkeit sowie der Aerodynamik des Boliden kann mit aktueller Software und Rechenperformance mittlerweile ins kleinste Detail gegangen werden.

Rechenleistung

Motiviert von den Möglichkeiten dieser Dienstleistung haben die angehenden Ingenieure/innen im vergangenen Jahr automatisierte Parametersimulationen entworfen. Sie verknüpften ein Modell im CAD–System (NX 8.5) mit der Workbench von Ansys und bekamen so die Möglichkeit, erstmals Optimierungsberechnungen zu starten. Dabei wurden in einem automatisierten Workflow die Parameter des CAD-Modells variiert, bis die Simulation das optimale Ergebnis lieferte.

Mit Hilfe dieser Methode wurden eine Vielzahl von Bauteilen weiter verbessert: Unter anderem die Positionen der Flügelprofile zueinander oder der Ansaugtrakt, für einen maximalen Luftstrom. Lennert Hagemann ist Modulleiter „Chassis/Aerodynamik“ bei Fasttube: „Die stärkere Rechen-Power, die wir nun zur Verfügung haben, ermöglichte uns in der Konstruktionsphase, das perfekte Fundament für eine erfolgreiche Fertigungsphase zu legen“, betont er und ergänzt: „Wir konnten die Simulationsauflösung sowie die Iterationen verdoppeln. Dadurch wurden viel exaktere und verlässlichere Simulationsergebnisse erzielt, was sich direkt auf die Haltbarkeit des Autos ausgewirkt hat.“ Die ‚neue‘ Genauigkeit und Belastbarkeit der Ergebnisse ermöglichte es, komplexere Bauteile zu entwerfen und die Testphase effizienter zu gestalten. Dadurch konnte beispielsweise der Abtrieb weiter verbessert werden. „Da die Simulation bei der Auslegung der einzelnen Bauteile eines der wichtigsten Werkzeuge ist, hat die enorme Leistungssteigerung direkten Einfluss auf den Erfolg des Projektes und somit auch auf die Umsetzung unserer gesetzten Ziele für 2015 gehabt.“ Fasttube konnte damit einen gewaltigen Sprung in der Weltrangliste machen – von Platz 72 auf 40 von über 520 Verbrennungsmotoren-Teams; unter den deutschen Teams sind sie mittlerweile auf Platz 6.

Effizient und sicher in die Cloud
Nutzerorientierte, hochperformante Rechenleistung ist schon seit Jahren nicht nur für wissenschaftliche Institutionen, sondern auch für Industrieunternehmen, Ingenieurbüros und Start-Ups eine sinnvolle Alternative. Gerade mit jungen Unternehmen hat sich hier eine neue Generation von Anwendern etabliert. Die „Digital Natives“ sind als Gründer und Mitarbeiter offen für neueste technologische Entwicklungen und haben in der Regel nur wenige Berührungsängste mit der Cloud. Ihr Ziel ist es oft, einfach aus der Anwendung heraus zu starten und die Fokussierung auf das Kerngeschäft. Hagemann sieht das ähnlich: „Gerade beim Einrichten der Software-Umgebung und der Konfiguration der richtigen Hardware sparen wir viel Zeit. Das entlastet unsere Team-Mitglieder weiter und ermöglicht es ihnen, sich noch intensiver auf ihre Arbeiten zu konzentrieren. Sie sind begeistert, wie simpel, performant und reibungslos der Abruf benötigter Rechenkapazitäten funktioniert – Modelle hochladen, Berechnungen starten und Ergebnisdaten downloaden. Wir greifen remote auf physische Maschinen zu und finden die Simulationsumgebung inklusive aller benötigten Tools fertig hinterlegt und sofort einsetzbar vor.“

CAE

Eine weitere Benutzergruppe sind Ingenieurbüros. Dort wird oft noch an der Workstation gearbeitet und meist sind keinerlei oder nur eingeschränkte eigene Kapazitäten vorhanden. Laut Studie des Council of Competitiveness nutzen 97 Prozent der Unternehmen Desktop PC zur Berechnung. Gleichzeitig äußern aber 57 Prozent der Befragten, sie hätten komplexe Aufgabenstellungen, die mit gängigen Desktop PCs nicht mehr lösbar sind. Ingenieure bestätigen, dass sich im Durchschnitt zwei bis dreimal pro Jahr ein sogenannter Peak Load einstellt, bei dem unternehmensinterne Kapazitäten nicht mehr ausreichen, um richtungsweisende Projekte voranzutreiben oder fertigzustellen. Wettbewerbsvorteile für Nischenprodukte können dadurch verloren gehen.

Große Unternehmen nutzen HPC am häufigsten, wobei die Grundlast zumeist über die Inhouse-IT abgedeckt wird. Die Auslagerung in eine Cloud lohnt sich bei Unternehmen ab einer gewissen Größe bei Unter- oder Überlast. Investitionen in neue Maschinen können so vermieden werden, denn speziell Prozessoren haben einen relativ kurzen Lebenszyklus. Beim Einsatz kommerzieller Software ist es so häufig günstiger, teurere und schnellere Hardware einzusetzen und im Gegenzug Lizenzkosten einzusparen.

PLM in der Cloud
Bei der Beschleunigung oder gar Ermöglichung notwendiger Teilprozesse in der Produktentwicklung, also Konstruktion (CAD) und Berechnung (CAE), spielt die Auslagerung von Daten und deren Berechnung in der Cloud eine immer größere Rolle. Im Wesentlichen ergeben sich für Nutzer folgende Vorteile:

  • Nutzergerechter und dynamischer Zugriff auf skalierbare HPC-Ressourcen auf jeweils neuester Hard- und Software, ohne lange Bereitstellungszeiten.
  • Initial- und Folgekosten für Ressourcen, Lizenz- und Personalkosten entfallen. Verbrauchsbezogene Abrechnung der On-Demand-Nutzung.
  • Ergebnisse schneller erzielt und Lizenzen somit effizienter ausgenutzt Dank leistungsstärkerer Rechenressourcen.
  • Raum zur Fokussierung auf eigene Kernkompetenzen durch Service- und Support-Angebote der HPC Provider: Lizenz-Management, Einrichtung der Simulationsumgebung und die Auswahl geeigneter Hardware-Konfiguration.

Insbesondere der letzte Punkt ist wichtig: Früher waren Ingenieure auch für die HPC-Rechner im Unternehmen verantwortlich, eine sogenannte „Schatten-IT“ bildete sich heraus. Aktuell werden weitestgehend Solver in der Cloud benutzt, die eine hohe Rechenleistung bei immer komplexeren Modellen erfordern. CAD sowie Pre- und Postprocessing finden meist noch auf der eigenen Workstation oder auf Enterprise-Clustern statt, genau wie Storage oder Visualisierung. Zukünftig werden aber auch diese PLM-Teilzyklen mit ganzheitlichem Simulationsdatenmanagement (SDM) in der Cloud als komplettes „as a Service“- Konzept angeboten.

Sicherheit hat höchste Priorität
Potenzielle Anwender im B2B-Bereich sehen Anwendungshemmnisse insbesondere in der Sicherheit und der Sicherstellung der Produktivität, im Fehlen interner Prozesse und Expertise sowie in nicht klar definierten Service Level Agreements und der teilweise intransparenten Preisgestaltung der Cloud-Anbieter. Dabei sind die Anforderungen an industriell genutzte Rechenressourcen gerade für den Bereich Forschung und Entwicklung, in punkto Sicherheit und Performance, besonders hoch.

Für alle sicherheitsrelevanten Fragen im Cloudbasierten CAE gibt es verschiedene Betrachtungsebenen, ein Mindestmaß an Sicherheit muss aber für alle Kunden gewährleistet sein. Alexander Heine, COO bei CPU 24/7: „Lösungen müssen auf höchste Verfügbarkeit, Integrität und Vertraulichkeit, sowohl in technischer, betrieblicher als auch in vertraglicher Hinsicht ausgelegt sein. Dabei muss die Orientierung an den Forderungen des Bundesdatenschutzgesetzes und den Standards und Empfehlungen des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) stattfinden. Denn am Ende zählen für Kunden bei so sensiblen und wettbewerbsentscheidenden Daten nur Sicherheit und Performance.“

Interessenten aus dem CAE-Umfeld sollten beim Gang in die Cloud folgende Mindestanforderungen an Anbieter haben:

  • Rechenzentrumssicherheit: ISO 27001 zertifizierte, auditierbare Hochsicherheitsrechenzentrum, redundante Infrastruktur und mehrstufiges Sicherheitskonzept (u.a. Zugangskontrollen, Berechtigungskonzepte und Videoüberwachung)
  • Server-Sicherheit: Eigene physische, dedizierte und angepasste Simulationsumgebung, keine globalen Queues und Virtualisierungen.
  • Netzwerk-Sicherheit: Getrennte Netzwerke und Grundverschlüsselung.
  • Applikations- und Plattform-Sicherheit: Strukturierte IT-Prozesse (Effektives Patch- und Change-Management)
  • Datensicherheit: Speicherung der Daten nur in bekannten, lokalen Hochsicherheitsrechenzentrum (wichtig sind Gerichtsstand, Einhaltung von Datenschutz- und Exportbestimmungen, Latenz der zu übertragenden Daten)
  • Zusätzliche, individuelle Vereinbarungen: Individuelle Vertraulichkeitsvereinbarungen, Service Level Agreements und zusätzliche Policies

Unabhängig vom Thema Sicherheit werden CAE und HPC immer ein unverzichtbarer Bestandteil des PLM bleiben – ob lokal oder in der Cloud. Die Art der ausgelagerten „Berechnungsinfrastruktur“ bietet allerdings allen Ingenieuren weltweite Wettbewerbsvorteile durch verkürzte „Time-to-Market“, durch Komplexität und Variabilität in den Berechnungen und Simulationen und einer damit einhergehenden, gestiegenen Produktqualität.

Mehr Produktivität
Das Fasttube-Team profitiert von zusätzlichen Rechenressourcen aus der Cloud und der Unterstützung durch CPU 24/7. „Der technische Fortschritt schreitet immer schneller voran. Mit diesem Konzept steht immer aktuellste Rechenpower auf Abruf zur Verfügung, auf einer für industrielle Zwecke speziell angepassten und gesicherten HPC-Infrastruktur“, sagt Hagemann. Jede Umgebung wird individuell an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst. Außerdem steht ein Support mit HPC- als auch CAE-Erfahrung als neue Schnittstelle zwischen der IT und dem Ingenieur zur Verfügung. Für Fasttube ist das ist nicht nur praktisch, sondern auch effizient. Der Motivationsschub unter den Studenten ist immens. Da die Arbeit nicht mehr durch langsame Laptops eingeschränkt wird, ist die Begeisterung für Simulationen und die Produktivität in die Höhe geschossen. „Ein Schwerpunkt wird im laufenden Jahr auf den Bereich der Finite Elemente Methode (FEM) gelegt und neue Systeme wie die Parametersimulationen sollen weiter vorangetrieben werden, um weitere praktische Erfahrungen zu sammeln – Erfahrungen, die notwendig sind, um später, im Berufsleben wettbewerbsentscheidendes Cloud Computing in der Produktentwicklung bereits ganz ‚nativ‘ zu nutzen.“ -sg-

Autorin: Antje Müller, CPU 24/7
CPU 24/7, Potsdam, Tel. 0331/505700-90, www.cpu-24-7.com

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