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HardwareMit bis zu 448 Prozessorkernen durchs Finite-Elemente-Universum

Drei neue Quadro-Grafikkarten von PNY ermöglichen nun professionellen Anwendern im CAx-Bereich den Einsatz von Nvidias Fermi-Architektur. Über die Cuda-Programmier-Umgebung können insbesondere die Bereiche Simulation und Berechnung profitieren – die stärkste 6000er-Karte verfügt über 448 Cuda-Prozessor-Kerne. Der CAD-CAM-Report sprach mit Lutz Eigenfeld, Professional Solutions Sales Manager Central Europe bei Nvidia, und Stefan Hummel, Field Marketing Manager EMEA bei PNY – das Unternehmen ist zuständig für den Vertrieb der Quadro-Karten in Europa und Amerika – über Stärken und Einsatzbereiche der Grafik-Hardware.
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Hardware: Mit bis zu 448 Prozessorkernen  durchs Finite-Elemente-Universum

CCR: Herr Eigenfeld, Herr Hummel, was kann der Anwender von der Fermi-Architektur erwarten?

Eigenfeld: Grundsätzlich arbeiten unsere Grafikprozessoren – kurz GPUs – mit Fermi-Architektur vier- bis fünfmal schneller als die Vorgängergeneration. Speziell die CAx-Anwender können also bei gleichem Zeitaufwand mit Modellen und Szenen arbeiten, die fünfmal komplexer sind als zuvor. Zudem haben wir mit der Fermi-Architektur die Entwicklung der ‚computational GPU’ fortgeführt – als einer frei programmierbaren GPU. Will heißen: Die GPU bietet nicht mehr nur feste Funktionen, wie etwa ‚zeichne eine Linie von A nach B’, sondern über die Cuda-Programmier-Umgebung können die Softwarehersteller besonders rechenintensive, parallelisierbare Aufgaben dem Grafikprozessor übertragen.

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Hummel: Finite-Elemente-Berechnungen und CAD sind dafür ideal geeignet. Die meisten CPUs – also die normalen Haupt-Prozessoren – bieten ja beispielsweise vier oder sechs Prozessor-Kerne, vielleicht zukünftig auch acht oder zwölf. Unsere leistungsstärkste Grafikkarte, die Quadro 6000, besitzt dagegen einen Grafikprozessor mit 448 Kernen. Wann immer ich also Berechnungen mit großen Datenmengen durchführen muss, die sich gut parallelisieren lassen, kann die GPU dies viel schneller ausführen. Die theoretisch um den Faktor 300 oder 400 höhere Leistung lässt sich zwar in der Praxis nicht erreichen, aber wenn eine Finite-Elemente-Rechnung statt acht Stunden nur noch 30 Minuten dauert, ist der Vorteil klar zu erkennen.

CCR: Welche Voraussetzungen müssen denn erfüllt sein, um die bestmögliche Leistung zu erreichen?

Eigenfeld: Wichtig ist vor allem eine optimierte Software, die Applikation muss für das GPU-Rechnen vorbereitet sein. Je schneller ein Programm-Anbieter die Möglichkeiten der Cuda-Umgebung nutzt und seine Software entsprechend optimiert, desto schneller profitiert der Anwender von diesem Leistungsschub. Nutzbar ist das beispielsweise schon mit Autodesks Spritzgießsimulation Moldflow, und ganz neu hat auch MSC entsprechend optimierte Software angekündigt. Leider machen wir ansonsten derzeit noch die Erfahrung, dass es durchaus bis zu zwei Jahre dauern kann, bis solch ein Leistungssprung auf Seiten der Hardware auch von der Software genutzt wird. Unsererseits halten wir deshalb den Kontakt nicht nur zu den großen CAD-Anbietern, sondern vor allem auch zu denen von Simulations- und Berechnungs-Software. Klar ist aber auch, dass sich das umso schwerer umsetzen lässt, je länger ein Code gewachsen ist. Gegebenenfalls lohnt es sich dann nicht, einen Code umzuschreiben. Allerdings gibt es sogar einen Fortran-zu-Cuda-Compiler, mit dem sich alte Fortran-Programme entsprechend modifizieren lassen, so dass sie dann auf der GPU laufen können. Ein weiteres Problem bei der Umsetzung kann zudem das Lizenzmodell sein, denn kein Anwender wird einen drei- bis vierhundertmal so hohen Lizenzpreis bezahlen wollen, nur weil entsprechend viele Prozessorkerne genutzt werden.


CCR: Welche Akzeptanz erfährt denn die Cuda-Programmier-Umgebung selbst?

Eigenfeld: Cuda hat sich weltweit durchgesetzt, viele tausend Entwickler arbeiten bereits damit. Dass es sich nicht nur um ein Mode-Thema handelt, lässt sich auch daran ablesen, dass inzwischen mehr als 350 Universitäten das Thema lehren und für eigene Applikationen nutzen. Entsprechend ausgebildete Programmierer werden übrigens weltweit gesucht. Als Antwort auf die steigende Nachfrage nach Programmierern mit nachgewiesener GPU-Computing-Erfahrung hat Nvidia deswegen ein weltweites Zertifizierungsprogramm ins Leben gerufen. Die ersten Zertifizierungen decken Cuda C und die Cuda-Architektur ab und werden in Kürze durch OpenCL und andere GPU-Computing-Technologien ergänzt. Der ‚Nvidia Certified Cuda Programmer’ wird die erste Zertifizierung in diesem Programm sein. Unsererseits bieten wir darüber hinaus zu Cuda ein Forum sowie Personal, das speziell die Softwarehersteller unterstützt.

CCR: Welche Grafikkarten mit Fermi-Architektur stehen dem Anwender im Bereich der Workstations zur Verfügung?

Hummel: Kennzeichnend ist, dass die neuen Grafikkarten doppelt so viel Speicher und doppelt so viel Leistung wie ihre Vorgänger bieten – zum gleichen Preis. Jetzt schon verfügbar sind die beiden Modelle Quadro 4000 und Quadro 5000, in Kürze folgt die Quadro 6000. Sie alle zeichnen sich vor allem durch die Speichergrößen aus – womit wir den Anforderungen unserer Kunden entgegenkommen. Die Quadro 4000 ist mit 2 GB ausgestattet, die 5000er mit 2,5 GB und die 6000er sogar mit 6 GB. Das deckt alle Anwendungen ab, die derzeit machbar sind. Die Zahl der Cuda-Prozessor-Kerne steigt von 256 bei der 4000er über 352 auf 448 bei der Quadro 6000. Von der Positionierung her sehen wir die Quadro 4000 als die Standard-CAD-CAM-Karte für die klassische Workstation an, während die beiden größeren Modelle eher in den Bereich der Visualisierung reichen.

CCR: Stoßen Sie bezüglich der realisierbaren Leistungen an Grenzen?

Hummel: Vor allem die Begrenzung der Leistungsaufnahme – das Ganze muss ja den PC-Spezifikationen genügen – limitiert noch höhere Rechenleistungen, zudem wird die Kühlung dann zunehmend zu einem Problem. Entscheidend ist aber: Mit der nun verfügbaren Technik können die Anwender bereits fünfmal schneller arbeiten, je nach Anwendung sogar noch deutlich mehr. Und gerade im Simulationsbereich ist die Rechenzeit ja überwiegend der limitierende Faktor …

Eigenfeld: ... vor allem angesichts immer kürzer werdender Produktzyklen. Denn wie viele Alternativen ich erkunden kann, hängt nicht zuletzt von der Rechengeschwindigkeit ab. Was sich übrigens bezüglich der Hardware prinzipiell realisieren lässt, zeigt deutlich die zuletzt veröffentlichte Liste der Top-500-Supercomputer. Quasi aus dem Nichts landete dort ein chinesischer Rechner auf Platz 2, ausgestattet mit 4554 Tesla-GPUs, also unserer Lösung für den Compute-Bereich mit Fermi-Architektur.

CCR: Die Vorteile der neuen Grafikkarten im Bereich Simulation und Berechnung liegen auf der Hand. Profitiert auch der ‚normale’ CAD-Anwender davon?

Eigenfeld: Auf alle Fälle, zumal es reines CAD ja immer weniger gibt. Man will auf Knopfdruck das 3D-Modell mit möglichst realistischen Oberflächen sehen, das Stichwort lautet Echtzeitvisualisierung – dieser Trend ist klar zu erkennen. Da spielt die Leistung der Grafikkarte eine entscheidende Rolle.

Hummel: Auch das Thema Transparenz, anstelle schattierter Flächen, fordert Rechenleistung. Zudem hat sich der reine Geometriedurchsatz ebenfalls erhöht. Allein die Größe der Baugruppen, die man jetzt bearbeiten kann – und zwar flüssig – ist enorm gestiegen. In dieser Hinsicht werden auch die CAD-Programme immer anspruchsvoller, denn wer eine ganze Produktionsanlage auf einmal laden und darstellen will, benötigt Leistung.


CCR: Auf der Siggraph hat Nvidia auch neue Versionen der Application Acceleration Engines – kurz AXE – vorgestellt, die für die aktuellen Quadro-GPUs optimiert sind. Wie kann der Anwender hier profitieren?

Eigenfeld: Unabhängig von der Cuda-Umgebung wollen wir natürlich den Software-Herstellern die Arbeit so leicht wie möglich machen. Über definierte APIs kann mit den AXEs sehr schnell auf die Grafikkarte programmiert werden. Dazu bieten wir verschiedene Pakete an, etwa Scenix oder Optix. Über Optix lassen sich beispielsweise Ray-Tracing-Anwendungen sehr viel schneller ausführen als über eine normale CPU. Die Hauptanwendungsgebiete finden sich vor allem im Visualisierungsbereich. Außerdem erhoffen wir uns davon eine neue Generation von Software, die Visualisierung mit High-Performance-Computing und Simulation kombiniert.

CCR: Speziell für die Visualisierung ist auch 3D Vision Pro gedacht?

Hummel: Genau. Diese Lösung basiert auf der Consumer-Shutter-Brille 3D Vision, wurde aber an entscheidender Stelle weiterentwickelt. Kritisch ist bei stereoskopischen Anwendungen ja immer die Synchronisation zwischen Brille und Darstellung, so dass linkes und rechtes Auge jeweils das richtige Bild sehen. Die USB-Lösung mit Infrarotkopplung im Consumer-Bereich, bei der es hin und wieder zu Abweichungen aufgrund einer gewissen Trägheit des USB-Anschlusses kommen kann, haben wir bei 3D Vision Pro nun um eine Bluetooth-ähnliche-Funkübertragung ergänzt. Der USB-Anschluss dient jetzt nur noch der Energieversorgung, die Brille selber wird direkt per Funk mit der Grafikkarte verbunden. Das bietet zwei entscheidende Vorteile: Einerseits lassen sich die Brillen auch in größeren Entfernungen bis etwa 30 Meter ansteuern, und das Synchronisationssignal wird nicht durch Personen unterbrochen wie bei der Infrarotübertragung. Andererseits entfällt durch die direkte Kopplung zur Grafikkarte auch die Begrenzung auf Direct-3D-Anwendungen, so dass sich nun auch OpenGL-Programme nutzen lassen. 3D Vision Pro wird allerdings erst ab Oktober verfügbar sein. -co-

Das Gespräch führte Michael Corban.

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

PNY Technologies Quadro GmbH, Würselen Tel. 02405/40848-0, www.pny.eu

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