Grid-Computing Anwendungsszenarien für den Systementwurf

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1 Grid-Computing Anwendungsszenarien für den Systementwurf André Schneider, Peter Schneider, Peter Schwarz, Manfred Dietrich Fraunhofer-Institut für Außenstelle Entwurfsautomatisierung André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

2 Simulation der Schallausbreitung in einem strömenden Gas Mit Hilfe von Schallwellen kann die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen gemessen werden. Die Schallausbreitung muss zunächst mittels spezieller Simulationsmodelle erfasst werden. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

3 Simulation der Schallausbreitung in einem strömenden Gas Mit Hilfe von Schallwellen kann die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen gemessen werden. Die Schallausbreitung muss zunächst mittels spezieller Simulationsmodelle erfasst werden. Eine einzelne Simulation dauert mehrere Stunden bzw. Tage, eine Optimierung entsprechend ein Vielfaches davon. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

4 Einfluss von Bauelementetoleranzen bei elektronischen Schaltungen Für eine Schaltung soll der Einfluss der Bauelementetoleranzen auf das Gesamtverhalten untersucht werden. Im Modell können dazu die Kanallängen und -breiten der Transistoren variiert werden. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

5 Einfluss von Bauelementetoleranzen bei elektronischen Schaltungen Für eine Schaltung soll der Einfluss der Bauelementetoleranzen auf das Gesamtverhalten untersucht werden. Im Modell können dazu die Kanallängen und -breiten der Transistoren variiert werden. Für fundierte Aussagen sind 10 3 bis 10 5 Simulationen erforderlich, wobei für eine einzelne Simulation etwa 1 bis 10 Minuten Dauer typisch sind. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

6 Simulationsgestützte Optimierung eines Relais Für die Volumenreduzierung eines elektromagnetischen Aktors (Relais) sollen die Länge und Breite des magnetischen Rückschlusses, der Durchmesser des Spulenkerns sowie die Windungszahl optimiert werden.??? André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

7 Simulationsgestützte Optimierung eines Relais Für die Volumenreduzierung eines elektromagnetischen Aktors (Relais) sollen die Länge und Breite des magnetischen Rückschlusses, der Durchmesser des Spulenkerns sowie die Windungszahl optimiert werden.??? Für die Entwurfsoptimierung muss der benötigte Simulator mit einem geeigneten Optimierungsprogramm (bzw. -algorithmus) gekoppelt werden. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

8 Übersicht Für den Systementwurf wesentliche Aspekte von Grid-Technologien Szenario 1: Parallele Simulationsalgorithmen Szenario 2: Variantensimulation Szenario 3: Gekoppelte Simulationen Anforderungen an Grid-Infrastrukturen für den Systementwurf Zusammenfassung André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

10 Wesentliche Aspekte von Grid-Technologien Performance-Steigerung durch Parallelisierung Werkzeugvielfalt durch Ressourcen-Sharing André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

11 Wesentliche Aspekte von Grid-Technologien Performance-Steigerung durch Parallelisierung Parallelisierung der Simulationsalgorithmen und Verteilung der Rechenlast auf viele Grid-Knoten, Prozessorkerne o.ä. Aufspaltung eines Systemmodells in viele Partitionen, die sich (teilweise) separat simulieren lassen Nutzung paralleler Hardware für komplexe mathematische Operationen Werkzeugvielfalt durch Ressourcen-Sharing André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

12 Wesentliche Aspekte von Grid-Technologien Performance-Steigerung durch Parallelisierung Parallelisierung der Simulationsalgorithmen und Verteilung der Rechenlast auf viele Grid-Knoten, Prozessorkerne o.ä. Aufspaltung eines Systemmodells in viele Partitionen, die sich (teilweise) separat simulieren lassen Nutzung paralleler Hardware für komplexe mathematische Operationen Werkzeugvielfalt durch Ressourcen-Sharing Bereitstellung spezialisierter Entwurfswerkzeuge über Grid- Infrastrukturen (Tool-Pool) Minimierung von Administrations- und Bedienaufwand durch Ressourcen-Zentralisierung und Standardisierung von Zugriffsschnittstellen (SOA - service-oriented architecture) André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

13 Fragen des Systementwerfers Wie können die bisher genutzten Entwurfswerkzeuge innerhalb eines Grids verwendet werden? Wie müssen Entwurfsabläufe geändert bzw. erweitert werden, damit Grid-Technologien einbezogen werden können? Wie können dem Entwerfer vor Ort grafischen Front-Ends für die Steuerung des Entwurfsablaufs und die Ergebnisvisualisierung bereitgestellt werden? SPICE Welche neue Möglichkeiten ergeben sich bei der Nutzung von Grids für den Entwurfsprozess? André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

15 Szenario 1: Parallele Simulationsalgorithmen Bereits vor über 15 Jahren wurde im Institut (damals noch Zentralinstitut für Kybernetik und Informationsprozesse, Akademie der Wissenschaften der DDR) die blockorientierte Netzwerkanalyse zur Simulationsbeschleunigung großer Schaltungen eingesetzt. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

16 Szenario 1: Parallele Simulationsalgorithmen Gesamtmodell Teilmodell 1 Teilmodell 2 y F 1 ( x 1, y) = 0 F 2 ( x 2, y) = 0 Hx ( 1, x 2, y) = 0 Simulator 1 Simulator 2 Simulator 3 Grid Bereits vor über 15 Jahren wurde im Institut (damals noch Zentralinstitut für Kybernetik und Informationsprozesse, Akademie der Wissenschaften der DDR) die blockorientierte Netzwerkanalyse zur Simulationsbeschleunigung großer Schaltungen eingesetzt. Geeignet sind große, reguläre Schaltungsstrukturen bzw. gut entkoppelte digitale/diskrete/datenflussorientierte Modelle. + Der Modellierer muss geeignet partitionieren. Die Kopplung der Teilmodelle (DAE-Systeme) über Relaxationsverfahren ist algorithmisch nicht trival. (Konvergenz, Genauigkeit) Die enge Kopplung der Teilsysteme erfordert einen schnellen Datenaustausch zwischen gleichartigen Simulatoren. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

17 Szenario 1: Parallele Simulationsalgorithmen Systeme mit regulären bzw. regulär beschreibbaren Strukturen (z.b. finite Elemente) lassen sich sehr einfach (automatisch) in Teilsysteme zerlegen, die weitestgehend unabhängig voneinander simuliert werden können. Bei Simulationsexperimenten mit bis zu fünf Rechnern konnte ein nahezu linearer Speedup erzielt werden. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

18 Szenario 1: Parallele Simulationsalgorithmen Gesamtmodell Systeme mit regulären bzw. regulär beschreibbaren Strukturen lassen sich sehr einfach (automatisch) in Teilsysteme zerlegen, die weitestgehend unabhängig voneinander simuliert werden können. Dispatcher / Load Balancer Simulator 1 Simulator 2 Grid... Simulator n Oft lohnt eine hochgradige Parallelisierung (massiv-parallel). + Geeignet sind frei verfügbare Werkzeuge oder Eigenentwicklungen. (z.b. SPICE, Octave, MOSILAB) + Beim Einsatz kommerzieller Simulationsprogramme werden sehr viele Lizenzen benötigt. Hier sind neue Lizenzierungsmodelle gefragt. (z.b. Preis pro CPU-Stunde) Die Infrastruktur muss den effizienten Transport kleiner Datenmengen unterstützen. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

19 Szenario 1: Parallele Simulationsalgorithmen Die Simulation komplexer (analog/kontinuierlicher) Modelle führt zu sehr großen DAE-Systemen (>10 7 Gleichungen bzw. Variablen). Cray XT3 Der Löser muss eine Vielzahl ressourcenintensiver Vektor- und Matrixoperationen ausführen. Geeignete Software kann auf unterster Ebene eine Parallelisierung vornehmen und die Operationen optimal auf die Hardware abbilden. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

20 Szenario 1: Parallele Simulationsalgorithmen Die Simulation komplexer (analog/kontinuierlicher) Modelle führt zu sehr großen DAE-Systemen (>10 7 Gleichungen bzw. Variablen). Cray XT3 Der Löser muss eine Vielzahl ressourcenintensiver Vektor- und Matrixoperationen ausführen. Geeignete Software kann auf unterster Ebene eine Parallelisierung vornehmen und die Operationen optimal auf die Hardware abbilden. Die SUNDIALS-ODE/DAE-Solver (LLNL, Open Source) unterstützen diesen Ansatz auf Basis von MPI (Message Passing Interface) und SHMEM (shared memory) seit vielen Jahren für Vektorrechner und Clustersysteme (Sun SPARC Cluster). André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

21 Szenario 1: Parallele Simulationsalgorithmen Gesamtmodell y[0...i] F( y, y, x,, t) = 0 Simulator (z.b. MOSILAB) ODE/DAE-Löser (IDA/SUNDIALS) NVECTOR-Bibliothek (LLNL) y[i...j] Grid... y[k...n] Die Simulation komplexer (analog/kontinuierlicher) Modelle führt zu sehr großen DAE-Systemen (>10 7 Gleichungen bzw. Variablen). Der Löser muss eine Vielzahl ressourcenintensiver Vektor- und Matrixoperationen ausführen. Geeignete Software kann auf unterster Ebene eine Parallelisierung vornehmen und die Operationen optimal auf die Hardware abbilden. Die SUNDIALS-ODE/DAE-Solver (LLNL, Open Source) unterstützen diesen Ansatz auf Basis von MPI (Message Passing Interface) und SHMEM (shared memory) seit vielen Jahren für Vektorrechner und Clustersysteme (Sun SPARC Cluster). André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

22 Szenario 1: Parallele Simulationsalgorithmen Gesamtmodell F( y, y, x,, t) = 0 Simulator (z.b. MOSILAB) ODE/DAE-Löser (IDA/SUNDIALS) NVECTOR-Bibliothek (LLNL) Der Ansatz ist ggf. auf Grid-Infrastrukturen erweiterbar. Der Modellierer muss sich nicht um die Partitionierung bzw. Parallelisierung kümmern. + Erforderlich sind Spezialbibliotheken (multi-threaded,...). y[0...i] y[i...j]... y[k...n] Grid Das Grid sollte Ansätze wie MPI o.ä. integrieren bzw. unterstützen. (Datenkonvertierung, -aufteilung, - kommunikation,...) Sinnvoll ist der Einsatz von Numerik-Bibliotheken, die speziell an Grids angepasst werden. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

23 Szenario 2: Variantensimulation V DC Oft ist der Einfluss der Systemparameter (>100) auf das Gesamtverhalten des Systems von Interesse (Sensitivitätsanalyse). I IN I OUT Modelle enthalten mitunter Parameter, die der Entwerfer zwar qualitativ einordnen, quantitativ jedoch schwer abschätzen kann. Ein Modell soll systematisch hinsichtlich verschiedener Grenzsituationen getestet werden. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

24 Szenario 2: Variantensimulation V DC Oft ist der Einfluss der Systemparameter (>100) auf das Gesamtverhalten des Systems von Interesse (Sensitivitätsanalyse). I IN H I OUT Modelle enthalten mitunter Parameter, die der Entwerfer zwar qualitativ einordnen, quantitativ jedoch schwer abschätzen kann. Ein Modell soll systematisch hinsichtlich verschiedener Grenzsituationen getestet werden. P P Variationsmöglichkeiten für Parameterwerte: Raster Gleichverteilung innerhalb eines Toleranzbereiches um Nomalwert normalverteilt Extremwerte durch Optimierungsalgorithmus André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

25 Szenario 2: Variantensimulation Abstand x 10 4 Abstand x Abstand nlinse André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April nlinse nlinse

26 Szenario 2: Variantensimulation Gesamtmodell V DC Oft ist der Einfluss der Systemparameter (>100) auf das Gesamtverhalten des Systems von Interesse (Sensitivitätsanalyse). I IN I OUT Modelle enthalten mitunter Parameter, die der Entwerfer zwar qualitativ einordnen, quantitativ jedoch schwer abschätzen kann. Variieren der Parameter (Verteilungsfunktionen) Ein Modell soll systematisch hinsichtlich verschiedener Grenzsituationen getestet werden. Parameterkonfiguration 1 Simulator 1 Simulator 2 Parameterkonfiguration 2 Dispatcher / Load Balancer Grid... Parameterkonfiguration k... Simulator n In allen Situationen muss der Entwerfer die Parameterwerte variieren. Diese Variation kann zufällig oder nach vorgebbaren Kriterien (Verteilungsfunktion, Wertebereich) erfolgen. Pro Parameterkonfiguration ist eine Simulation erforderlich. Insgesamt sind 10 3 bis 10 5 Varianten realistisch. (Worst-case-, Corner-case-Untersuchungen) André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

27 Szenario 3: Gekoppelte Simulationen Für einen Beschleunigungssensor wird der mechanische Teil mit ANSYS und die Auswerteelektronik mit Saber simuliert. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

28 Szenario 3: Gekoppelte Simulationen Für einen Beschleunigungssensor wird der mechanische Teil mit ANSYS und die Auswerteelektronik mit Saber simuliert. ANSYS Fa PVM Dateiaustausch Zeit t Auslenkung u Zeit t elektrostatische Kraft F e SABER Auslenkung Elektronik Regler elektrostatische Kraft Beschleunigungskraft F a André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

29 Szenario 3: Gekoppelte Simulationen Teilmodell 1 Teilmodell 2 Koppelalgorithmus Simulator A Simulatorkopplung Simulator B Grid Die Systemsimulation erfordert häufig den Einsatz unterschiedlicher Simulationswerkzeuge sowie ggf. deren Kopplung. Bei der simulationsgestützten Optimierung müssen Simulatoren mit Optimierungsprogrammen gekoppelt werden. Resource-Grids müssen den (Remote-)Zugriff auf eine breite Palette von Entwurfswerkzeugen gestatten. Der Entwerfer benötigt neben der Nutzung einzelner Tools die Kombination mehrerer Tools im Rahmen von Workflows. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

31 Anforderungen an Grid-Infrastrukturen für den Systementwurf leichte Integration von kommerziellen Werkzeugen und Tools aus der Forschung Integration von Tools André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April Grid

32 Anforderungen an Grid-Infrastrukturen für den Systementwurf leichte Integration von kommerziellen Werkzeugen und Tools aus der Forschung Bereitstellung effizienter Punktzu-Punkt-Kommunikationskanäle (QoS, wählbares Protokoll,...) Kommunikation Integration von Tools André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April Grid

33 Anforderungen an Grid-Infrastrukturen für den Systementwurf leichte Integration von kommerziellen Werkzeugen und Tools aus der Forschung Bereitstellung effizienter Punktzu-Punkt-Kommunikationskanäle (QoS, wählbares Protokoll,...) Unterstützung bei der Verteilung von Prozessen bzw. bei der Partitionierung/Parallelisierung des Problems Dispatcher Partitionierer Kommunikation Integration von Tools André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April Grid

34 Anforderungen an Grid-Infrastrukturen für den Systementwurf leichte Integration von kommerziellen Werkzeugen und Tools aus der Forschung Bereitstellung effizienter Punktzu-Punkt-Kommunikationskanäle (QoS, wählbares Protokoll,...) Unterstützung bei der Verteilung von Prozessen bzw. bei der Partitionierung/Parallelisierung des Problems Dispatcher Partitionierer verteiltes Datenmanagement mit Möglichkeiten zur Datenvorverarbeitung Kommunikation Datenverwaltung Integration von Tools André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April Grid

35 Anforderungen an Grid-Infrastrukturen für den Systementwurf leichte Integration von kommerziellen Werkzeugen und Tools aus der Forschung Bereitstellung effizienter Punktzu-Punkt-Kommunikationskanäle (QoS, wählbares Protokoll,...) Front-Ends für Modell-/Dateneingabe sowie Steuerung und Monitoring Ergebnisvisualisierung, Postprocessing Unterstützung bei der Verteilung von Prozessen bzw. bei der Partitionierung/Parallelisierung des Problems Dispatcher Partitionierer verteiltes Datenmanagement mit Möglichkeiten zur Datenvorverarbeitung Front-Ends, die sich an derzeitigen Entwurfsumgebungen orientieren Kommunikation Datenverwaltung Integration von Tools André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April Grid

37 Zusammenfassung Grid-Technologien werden im Systementwurf insbesondere bei der Simulation und Optimierung viele neue Möglichkeiten eröffnen. Wichtig sind seitens der Systementwerfer klare Anforderungsdefinitionen an die Grid-Middleware-Entwickler bzw. die Entwickler von Add-ons zur Grid-Middleware. Soll Grid-Computing zu einer Performance-Verbesserung bei Simulationen führen, muss die Lücke zwischen existierenden Grid-Infrastrukturen und etablierten Entwurfssystemen geschlossen werden. André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April

38 Weitere Informationen WWW Paper, Präsentation André Schneider 2. Workshop "Grid-Technologie für den Entwurf technischer Systeme", Dresden, April