Viel schneller- bis zur Echtzeit:
Eine ganz besondere Hardware ermöglicht neue Lösungen
Grafikkarten nicht nur für die Erzeugung der Grafik zu verwenden, sondern auch für die Berechnung von Teilen, das zahlt sich aus, wie u. a. das Beispiel, Ansys Discovery Live zeigt. Über Einzelheiten berichten Manfred Pieper, Field Marketing Manager der PNY Technologies Quadro GmbH. und Marc Vidal, Leiter Produktbereich Ansys, Discovery bei CADFEM in Grafing.
Herr Pieper, im Jahr 2007 brachte PNY seine erste Tesla-Karte heraus. Was war zuvor passiert? Gab es eine konkret drauf gerichtete Forschungsarbeit oder wurde ein Patent gekauft oder kam man zufällig darauf, dass man auf Grafikchips (GPUs) auch rechnen konnte?
Pieper: Wie so oft kommen technische Fortschritte "zufällig" zustande. Man hatte schon früh erkannt, dass die CPU bedingt durch die Systemarchitektur ziemlich beschäftigt ist, aber der Prozessor auf der Grafikkarte ungenutzt bleibt. Daraus entstand die Möglichkeit, Rechenaufgaben dem Grafikprozessor zuzuweisen und somit die Ergebnisse komplexe Berechnungen in kurzer Zeit zu erhalten. Die Performance für die Berechnung auf der GPU ist weitaus höher als auf der CPU, weil dort sehr viel mehr Rechenkerne zur Verfügung stehen, als auf einer CPU eines PCs. Das war die Geburtsstunde von NVIDIA CUDA, die seitdem auf den Grafikkarten zu finden ist und mit der nötigen Software einen enormen Performancevorteil für den Anwender bietet.
 Das Bild zeigt die Nvidia Quadro 4000 Grafikkarte.
Werkbild: PNY
Das Prinzip der massivparallelen Hardware wurde seitdem auf zwei Wegen weiter genutzt: Einmal als Grafikkarte, auf der man auch Berechnungen durchführen konnte und zudem als reine Berechnungskarte, Tesla-Karte, ohne Grafikausgänge. Wann kommt was zum Einsatz?
Pieper: Also die Quadro Grafikarten finden in PCs ihren Einsatz, machen dort ihre Arbeit als Grafikboards und sind, je nach Ausbau, für verschiedene Aufgaben nutzbar. Darüber hinaus können sie aber auch für numerische Berechnungen eingesetzt werden. Eine Sache, die das "Supercomputing" recht preisgünstig an jeden Arbeitsplatz bringen kann.
Die Tesla-Karten sind darüber hinaus als reine Berechnungskarten für Server gedacht, werden so auch eingesetzt haben im Gegensatz zu den aktiv gekühlten Quadro Karten eine passive Kühlung.
Um die enormen Möglichkeiten dieser Hardware auch nutzen zu können, muss die Software darauf speziell entwickelt bzw. umgestellt werden. Wie hoch ist der Aufwand?
Vidal: Man muss hier zwei Dinge unterscheiden. Nämlich die Nutzung einer bestehenden Software, die eben angepasst wird und mit Hilfe solcher Boards ein "wenig" beschleunigt wird. Das ganz andere ist die Nutzung dieser Technologie als Basis für ein neues Berechnungspaket.
Diesen Weg ist Ansys bei der Entwicklung von "Ansys Discovery Live" gegangen. Das Ergebnis ist eine extrem hohe Rechengeschwindigkeit, so dass von Simulation mit einem Fingerschnippen gesprochen werden kann! Zusammen mit dem sehr einfachen Bedienkonzept bietet sich die Software für jeden an, der Ideen entwickelt und bisher wegen der Komplexität keinen Zugang zur Simulation hatte. Zwei drei Klicks und der Entwickler sieht die Berechnungsergebnisse sofort. Und weil das Paket auf einer Voxel-Technologie basiert, sind komplexe Bauteile genauso schnell berechnet wie einfache.
Geschieht das bei voller Genauigkeit?
Vidal: Die Lösung ist entwickelt worden, um Trends und Tendenzen zu erkennen. Welche Auswirkung eine konstruktive Maßnahme hat, wird in Sekunden sichtbar. Das bringt den Mehrwert und ist mit klassischer Technologie in der Zeit nicht machbar. Für die finale Nachrechnung mit exakter Genauigkeit schickt man die Modelle dann in eines der „großen“ Solverprodukte von Ansys.
Kann man dafür jegliche Grafikkarte nutzen?
Vidal: Die Karte muss zwei Bedingungen erfüllen, sie muss von PNY/Nvidia kommen und sie muss einen Speicher von min. 4 GB haben.
 Nvidia Quadro RTX 4000, das Board mit noch mehr Grafik-und Berechnungspower.
Werkbild: PNY
Und um es einmal ganz "auf die Erde" zu bringen, während Sie uns hier die Möglichkeiten von Discovery Live demonstrieren, befindet sich eine solche Karte in Ihrem Laptop?
Vidal: Klar, sonst geht es nicht. Die hier verbaute Karte ist sicher ein Low End Modell.
Pieper: Nein, die Quadro P4000 gehört bereits zu den Midrange Karten, die übrigens bei unseren Kunden am meisten gefragt sind.
Diese Midrange Karten "hören" auf welche Namen?
Pieper: Entweder man nimmt die Nvidia Quadro P2000, die im Einstiegsbereich zu finden ist oder, wenn man wirklich auf der sicheren Seite sein will, geht man auf die Nvidia Quadro P4000 oder aktuell auf die Quadro RTX 4000.
Bietet CADFEM alle Karten an, die es bei PNY gibt oder nur einen Ausschnitt davon?
Vidal: Die Minimalanforderung habe ich schon definiert. Wenn man sie einhält, kann man aus dem gesamten Spektrum von Nvidia wählen. Ich empfehle aktuell die P4000, weil das für mich die optimale Karte hinsichtlich Performance und Preis ist.
Nehmen wir mal an, ein kleines Softwarehouse hierzulande hat eine neue Software entwickelt und will sie nun auf ein solches Board bringen. Welche Hilfen kann es da von PNY erwarten?
Pieper: Nvidia unterstützt eine ganze Reihe von Software-Partnern, ob das große Namen sind, wie Autodesk oder Solidworks und nimmt auch kleine Entwickler an die Hand. Dafür gibt es genügend Beispiele. Am Ende wird die Software auch zertifiziert.
Die Grafikkarten, die Sie vorher genannt haben, ist das schon das Spektrum, welches Sie für das Thema Simulation anbieten?
Pieper. Ja, alle Grafikkarten, die 4 GB GPU Speicher haben, sind geeignet. Nach oben sind jedoch keine Grenzen gesetzt. Es kommt dabei auf die Projektgrößen der einzelnen Anwender an. Es gibt durchaus Anwendungen, die, von einem großen GPU Speicher, wie der Quadro RTX 8000, mit 48GB profitieren. Ich denke, für die meisten Anwendungen in diesem Umfeld sollte die Quadro RTX 4000 mit 8 GB Speicher gut ausreichen.
Vidal: Das kann ich von unserer Seite her bestätigen. Die "RTX" ist nochmals schneller als ihre Vorgänger und man merkt das auch in der Praxis.
 Der Hydrauliksteuerblock konnte durch Topologie- und Strömungsoptimierungen
erheblich verbessert werden: 75% leichter, 55% weniger Druckverlust.
Werkbild: S.M.I.L.E-FEM
Je schneller man fertig ist, desto öfter kann man mit unterschiedlichen Parametern rechnen und desto schneller ist letztendlich ein Bauteil optimiert - die Entwicklungszeit sinkt.
Welches ist aktuell das stärkste Pferd im Stall, Herr Pieper?
Pieper: Das stärkste Pferd ist die Quadro RTX 8000. Ich denke, diese Grafikkarte wird auch längere Zeit nicht getoppt werden. Mit dem dort verwendeten Turing Chipsatz und 48 GB Speicher hat sie allein schon eine enorme Leistung. Wer will, kann sie noch mit einer zweiten Karte dieses Kalibers per NVLINK verbinden und hat dann die doppelte GPU Power und 96 GB Speicher, das ist dann wirklich das Flaggschiff. Konfigurationen wie diese sind interessant für große Projekte, aber für Einzelanwender ist die RTX 4000 und ggf. die RTX 5000 die Technik der Wahl.
Viele User verwenden immer noch eine Geforce Karte aus preislichen Gründen, aber besonders im professionellen Einsatz sind die eben erwähnten Boards technisch besser geeignet, so dass sie in diesem Umfeld klar unsere Empfehlung darstellen.
 Durch die additive Fertigung lässt sich die Verrohrung viel
einfacher gestalten, was im rechten Block mit einem Blick zu erkennen ist.
Werkbild: S.M.I.L.E-FEM
Herr Vidal, Sie wollten noch was zu konkreten Projekten sagen.
Vidal: Ja, sehr gerne.
Aktuell haben wir mit der Firma S.M.I.L.E.-FEM, ein Ingenieurbüro für CFD- und FEM-Berechnungen, ein sehr spannendes Projekt abgeschlossen. Dort kam Discovery Live im Bereich der Topologieoptimierung und Strömungsanalyse zum Einsatz.
S.M.I.L.E-FEM hat für sich das Potential von Discovery Live erkannt und einem ihrer Kunden, der u.a. Hydraulik-Steuerblöcke produziert, empfohlen, diese einmal als strömungs- und topologieoptimierte Bauteile im 3D-Druckverfahren herzustellen. Hydraulikblöcke sind bislang klassische Zerspanteile mit sehr vielen Bohrungen, die letztlich dann die Strömungskanäle repräsentieren.
Man hat gemeinsam überlegt, was wird passieren, wenn wir einen solchen Block additiv fertigen? Was bedeutet es auf der einen Seite kostenmäßig und auf der anderen Seite, welche technischen Vorteile würden sich daraus ergeben?
Zum Beispiel könnte man die gesamte Kanalführung beim 3D-Druckverfahren ganz anders gestalten. Es sind keine kartesischen Bohrungen mehr nötig, sondern die Kanäle können beliebig definiert werden. Das wiederum beeinflusst die Strömung positiv, das heißt: geringere Druckverluste und somit am Ende eine geringere Pumpleistung. Auch die Schaltzeiten verkürzen sich. Die Bauweise des Blocks wird kompakter und durch Topologieoptimierung kann am Ende die minimal nötige Stützstruktur ermittelt werden.
Wie kamen Sie zu diesem Projekt?
S.M.I.L.E.-FEM kam damals auf uns zu und hat gesagt: "Wir müssen für viele Kanäle die Strömungsführung optimal gestalten und am Ende das Bauteil topologieoptimieren. Wir beherrschen klassische CFD- und FEM-Werkzeuge, aber dieses interaktive Experimentieren und sofort Ergebnisse zu sehen, geht nur in Discovery Live.“ Was dann passiert ist, zeigen die Bilder: Die neuen Strömungsführungen sind wesentlich kompakter - realisiert mit weniger Material. Ein Standardbauteil wie der Hydrauliksteuerblock wurde neu gedacht und so ist ein völlig neues innovatives und viel leistungsfähigeres Bauteil herausgekommen."
Eine tolle Unterstützung hatten wir durch Herrn Pieper von PNY, der S.M.I.L.E.-FEM eine Quadro RTX 8000 mit 48 GB zur Verfügung stellte. Damit kann man die Grenzen des Machbaren ausloten und alle Kanäle im Steuerblock konnten gleichzeitig in einer Strömungsberechnung aufgelöst werden.
Aber was macht das mit dem Preis?
Vidal: Das ist eine berechtigte Frage. Die reine Produktion so eines Blocks ist natürlich teurer. Je nachdem wo er zum Einsatz kommt, sind aber bestimmte Vorteile von sehr großem Nutzen für den Hersteller. In der Massenproduktion eines Mittelklassewagens wird er nicht zu finden sein, geht es aber um Gewicht wie in der Luftfahrt oder um höchste Leistung wie im Luxusautosegment relativieren sich die Kosten sofort.
Also was kam raus?
Vidal: Erstens kam heraus, dass "Live" für diese Arbeiten bestens geeignet ist. Die Ingenieure von S.M.I.L.E.-FEM sind Experten ihres Fachs und begeistert.
Zweitens kam heraus, dass der Block um 75% leichter wurde und die Bauhöhe um 25% reduziert wurde.
Drittens kam heraus, dass der Druckverlust im Block durch die neuen Methoden um 55% reduziert werden konnte; das bedeutet kleinere Pumpen und viel weniger Energieverbrauch. Außerdem reagiert das gesamte System durch die deutlich kürzeren Strömungswege viel schneller.
 Die Gesprächspartner in Grafing: Marc Vidal (links) und Manfred Pieper.
Herr Pieper, Herr Vidal, vielen Dank für das Gespräch.
www.pny.eu
www.cadfem.de
- Karl Obermann –
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