Verkürzung von Entwurfszeiten

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1 Verkürzung von Entwurfszeiten durch Matlab-basiertes HPC R. Fink, S. Pawletta

2 Übersicht aktuelle Situation im ingenieurtechnischen Bereich Multi-SCEs als Konzept zur Verkürzung von Entwurfszeiten Realisierung einer Multi-SCE Anwendungsbeispiel: Optimierung der Übergangskompensation

3 Aktuelle Situation Komplexität von Entwurfsaufgaben steigt ständig gleichzeitiger Anstieg von Rechenleistung schafft Ausgleich Probleme: ständige Aktualisierung der Hardware auf neuesten Stand bestimmte Entwurfsprobleme lassen sich selbst mit aktuellster Hardware nicht in praktikabler Zeit lösen mögliche Lösung: High Performance Computing (HPC) parallele Verarbeitung rechenintensiver Programme

4 Aktuelle Situation verbreitete Werkzeuge für Analyse und Entwurf technischer Systeme: Wissenschaftlich-technische Entwicklungsumgebungen (SCEs) Vorteile: schnelle Entwicklung von Prototypen durch interpretative Funktionsweise umfangreiche Zusatzsoftware (Toolboxen) für Modellierung, Simulation, Optimierung,... Ziel: Verbindung der Konzepte Parallelverarbeitung und SCE Lösungsansatz: Multi-SCE-Konzept

5 Multi-SCE auf Basis von Matlab Test von The MathWorks brachten keine positiven Ergebnisse mit parallelem Matlab, daher keine herstellerseitige HPC-Funktionalität seit 1994 verschiedene Implementierungen von Dritten Prinzip Multi-SCE-Ansatz: Kommunikation Matlab Matlab Matlab alle Matlab-Instanzen arbeiten gleichzeitig an der Lösung eines Problems

6 Multi-SCE - relevante Anwendungen Voraussetzung für Parallelisierungsgewinn: grobgranuläre Strukturen Rechenaufwand hoch, Kommunikationsaufwand gering Prinzip grobgranulärer Probleme: Master Parameter senden Slave 1 Slave 2 Slave n Berechnungen durchführen Berechnungen durchführen Berechnungen durchführen Ergebnisse empfangen Master Anwendungen: Monte-Carlo-Studien, Parameterstudien, Optimierungen,...

7 Realisierung einer Multi-SCE-Plattform Topologie: 8 Knoten, verbunden im LAN Hardware: Intel-kompatible PCs Netzwerk: 1 Gbit/s Software: Betriebssystem: SuSE Linux 8.0 Parallel Virtual Machine 3.4 (PVM) Distributed and Parallel Toolbox (DP-Toolbox) Matlab 6.5 (Release 13)

8 PVM: Realisierung einer Multi-SCE freie Software zur Parallelverarbeitung von C- und Fortran-Programmen Message-Passing-System Prozesse kommunizieren durch Nachrichtenaustausch DP-Toolbox: Array-Passing-System für Matlab auf Basis von PVM Entwicklung: Universität Rostock, Hochschule Wismar Softwarehierarchie: DPHIGH TB DPLOW TB Libpvm Matlab Interface C/Fortran Interface

9 Anwendungsbeispiel Übergangskompensation Matlab-Applikation der IAV GmbH, serielle Laufzeit: 77 Minuten Problem aus regelungstechnischer Sicht: Optimierung von Reglerparametern Problem aus programmiertechnischer Sicht: nächsten Arbeitspunkt auswählen Optimierung der Parameter im aktuellen Arbeitspunkt Simulation Lösungsansatz für paralleles Programm: Verteilung der Arbeitspunkte an die Slaves grobgranuläre Struktur

10 Lösung A - statische Auftragsverteilung Auftrag = Optimierung eines bestimmten Arbeitspunktes Prinzip der statischen Auftragsverteilung: Slave A Auftrag 1 Auftrag 2 Auftrag 3 Auftrag 4 Auftrag 5 Slave B Vorteile: relativ einfache Implementierung, geringer Kommunikationsaufwand Nachteil: ungleichmäßige Auslastung der Rechenkapazität (Laufzeit der Aufträge variiert)

11 Lösung B - dynamische Auftragsverteilung Prinzip der dynamischen Auftragsverteilung: Slave A Anfrage Auftrag 1 Slave B Auftrag Auftrag 2 Auftrag 3 Auftrag 4 Auftrag 5 Vorteile: sehr gleichmäßige Auslastung der Rechenkapazität maximaler Parallelitätsgewinn Nachteile: aufwendige Implementierung, höherer Kommunikationsaufwand

12 Anwendungsbeispiel - Ergebnisse 80 statisch dynamisch Laufzeit in Minuten Anzahl Prozessoren statisch dynamisch ideal Speedup Anzahl Prozessoren

13 Fazit erhebliche Verkürzung von Programmlaufzeiten durch parallele Verarbeitung Einsatz von HPC im ingeniertechnischen Bereich ist sinnvoll und effektiv einfache und schnelle Implementierung paralleler Programme durch Matlab-Interface keine teure Spezialhardware oder -software nötig

14 Ende der Präsentation

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