Sechs Mythen rund um High Performance Computing auf dem Prüfstand

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1 White Paper Sechs Mythen rund um High Performance Bis vor zwanzig Jahren wurde High Performance Computing (HPC) hauptsächlich von größeren Unternehmen für technische Simulationen eingesetzt. Nur Unternehmen wie BMW, GE, GM, Ford, Siemens und andere konnten sich die Anschaffung von HPC-Systemen leisten. Nach und nach entdeckten jedoch auch Unternehmen außerhalb der Automobil- und Luftfahrtindustrie den Nutzen von HPC. So führten auch Konsumgüterhersteller wie Procter & Gamble [1], Tetra Pak [2] und Whirlpool [3] HPC als strategische Technologie ein, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern. Dank erschwinglicher und leistungsfähiger Hardware hält HPC nun auch allmählich Einzug in mittelständische Unternehmen. Dennoch gibt es weiterhin viele falsche Vorstellungen bzgl. HPC, die den verstärkten Einsatz in der Produktentwicklung verhindert. Hier kann HPC zweifellos für einen höheren Return on Investment sorgen. Das vorliegende Whitepaper erläutert die häufigsten Missverständnisse über HPC und will damit technischen Führungskräften und Managern dabei helfen, die richtigen Entscheidungen im Hinblick auf HPC zu treffen. Zudem werden auch Hinweise gegeben, wie Unternehmen mögliche Fallstricke im Umgang mit HPC vermeiden können. Cray-Supercomputer Mythos Nr. 1: High Performance Computing ist nur auf Supercomputern verfügbar HPC ist im Laufe der Jahre zu einem Synonym für Supercomputing geworden. Früher hatten nur Supercomputer genügend Rechenleistung und Kapazität, um auch nur Routinesimulationen durchzuführen und sie spielen weiterhin eine führende Rolle, um die größten und schwierigsten Probleme in Wissenschaft und Technik zu lösen. Heute jedoch gibt es HPC in verschiedenen Varianten, vom Desktop über Cluster bis zu Supercomputern. Simulationsexperten können die auf ihrem Desktop verfügbare beträchtliche HPC-Leistung nutzen. In den letzten zehn Jahren haben Fortschritte in der Computerindustrie zu enormen Steigerungen der Rechengeschwindigkeit und -leistung zu immer niedrigeren Kosten geführt: mehr Rechenkerne pro CPU, integrierte E/A-Funktionen auf dem Prozessorchip (für höhere Speicherbandbreite), mehr und schnellere Speicherkanäle, größerer L3-Cache, schnellere Plattenspeicher (z. B. SSD-Speicher für ANSYS Mechanical), schnellere Interconnects und AVX-Unterstützung. Durch diese Innovationen wurden Aufgaben, die früher nur durch einen Supercomputer lösbar waren, auch für kleinere Computer handhabbar. Einsatz von ANSYS Mechanical auf einem Tablet 1 HPC ist heute auf Computern aller Größenordnungen verfügbar, von Tablets der Einstiegsklasse, auf denen ANSYS Mechanical ausgeführt werden kann, über Multicore-Laptops, Desktop-Computer, größere Workstations bis hin zu Computer-Clustern.

2 Core Solver Rating ANSYS Mechanical 16. benchmarks on HP cluster of BL46 Gen9s with two 2.5GHz ES-268v3 processors, 128 GBs of memory, FDR InfiniBand, turbo off 1,2 1, For Some Models - 57% Geometric Mean of 1 Benchmarks Continually improving Core Solver Rating to 128 cores 2 cores 16 cores 32 cores 64 cores 128 cores (1 mode) (1 mode) (2 modes) (4 modes) (8 modes) Core Solver Rating vs. Anzahl der Rechnerkerne Frequency of Limiting Size/Detail in Simulation Models Due to Computer Infrastructure or Turnaround Time Limitations Almost Never - 9% Nearly Every Model - 34% Begrenzung der Modellgröße aufgrund der Computer-Infrastruktur und der Durchlaufzeit Mythos Nr. 2: HPC ist nur für CFD-Simulationen geeignet CFD-Simulationen lassen sich wegen der Art der zugrunde liegenden numerischen Algorithmen besser auf höhere Kernzahlen skalieren als strukturmechanische oder elektromagnetische Simulationen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass strukturmechanische oder elektromagnetische Simulationen nicht für HPC-Lösungen geeignet sind. Der komplette Satz von ANSYS-Benchmarks für die Strukturmechanik (einschließlich verschiedener Löser-Arten und Modellgrößen) skaliert auf 8 Kernen! Weitere Informationen hierzu enthält der Application Brief Parallel Scalability of ANSYS on Hewlett-Packard Systems. An Anwender von elektromagnetischen Simulationen richtet sich das Whitepaper ANSYS HFSS High- Performance Computing Capabilities to Help Deliver Better Products Faster, das die wesentlichen Verbesserungen bei den HPC-Fähigkeiten von ANSYS HFSS beschreibt. Mythos Nr. 3: Ich brauche kein HPC, da ich meine Aufgabe schnell genug erledigen kann Manche FEM-Anwender halten HPC für überflüssig, weil ihre kleinen (und gewöhnlich linearen) Simulationen schnell genug auf einem oder zwei Rechenkernen laufen. Jedoch schränken sich diese Anwender durch ihre begrenzte aktuelle Rechenkapazität oft selbst ein. Sie vermeiden größere/ nichtlineare Simulationen, die genauere Einblicke liefern könnten. HPC kann solche Einblicke ermöglichen. In einer kürzlich durchgeführten ANSYS-Umfrage antwortet etwa jeder Dritte der knapp 3. Teilnehmer, dass er die Größe oder Detailfülle für fast jedes verwendete Modell aufgrund der Rechenkapazität und/oder der Durchlaufzeit begrenzt. Weitere 57 Prozent der Befragten gaben an, dass sie solche Einschränkungen mindestens für einige ihrer Modelle anwenden. Die folgenden vier Präsentationen auf der Basis realer Kundenbeispiele können den Mythos schnell genug am besten entlarven und die Vorteile von High Performance Computing und von Leistungsdaten herausstellen. HPC Parallel Computing for FEA Customer Examples HPC Parallel Computing for CFD Customer Examples HPC Parametric Computing for FEA Customer Examples HPC Parametric Computing for CFD Customer Examples

3 Mythos Nr. 4: Ohne internen IT-Support ist die Einführung eines HPC-Clusters nicht möglich Das Einrichten und Managen eines HPC-Clusters ist nicht einfach, aber zweifellos machbar. Es stimmt, dass Dimensionierung, Aufbau, Integration, Bereitstellung und Unterstützung einer Cluster-Infrastruktur hochspezialisiertes IT-Know-how erfordert, das den Anwendern technischer Simulationssoftware oft nicht zur Verfügung steht. In der zu Mythos Nr. 3 erwähnten Umfrage gab ca. ein Drittel der Befragten an, dass der Mangel an Zeit und Know-how zum Spezifizieren von Hardware-Konfigurationen eine große Hürde für die Einführung oder den Ausbau neuer HPC-Ressourcen darstellt. Doch wir können bei diesen IT-Problemen helfen. Meistern der IT-Komplexität mit HPC-Partnern von ANSYS ANSYS arbeitet mit strategischen HPC-Partnern (wie Intel, NVIDIA, HP, IBM und Fujitsu) zusammen, um Spezifikation und Einsatz von HPC für die Anwender zu erleichtern. In einer Reihe von Webinaren präsentieren ANSYS und seine Partner in der IT-Industrie Empfehlungen und Informationen, die Hilfestellungen bei IT-Entscheidungen geben für die Spezifikation konkret geplanter HPC-Systemanschaffungen ebenso wie als Ausgangspunkt für längerfristige Planungen. Die folgenden Whitepapers enthalten ebenso nützliche Hinweise: 18, 16, 14, Speedup Ideal HP reference architecture for small and medium enterprises IBM Application Ready Solutions Reference Architecture for ANSYS Value of HPC for Ensuring Product Integrity Zusätzlich enthalten diese technischen Kurzbeschreibungen wertvolle Informationen: Parallel Scalability of ANSYS 15. on Hewlett-Packard Systems SGI Technology Guide for ANSYS Mechanical Analysts SGI Technology Guide for ANSYS Fluent Analysts Accelerating ANSYS Fluent 15. Using NVIDIA GPUs 12, 1, 8, 6, 4, 2, 11.1K K Nachweisbare Skalierbarkeit von ANSYS Fluent bei über 8 Prozent Effi zienz mit nur 5.5 Zellen pro Rechenkern 5.5K Mythos Nr. 5: Parallele Skalierbarkeit ist immer mehr oder weniger gleich Manche Entwickler glauben, dass sich alle HPC-Lösungen mehr oder weniger gleichen und dass für die verschiedenen technischen Simulationsprodukte in etwa die gleiche Skalierbarkeit gilt. Dies entspricht jedoch nicht den Tatsachen. ANSYS hat sich sehr stark auf die Entwicklung von HPC-Software konzentriert und dadurch einzigartige Fähigkeiten auf der heute verfügbaren Hardware, aber auch für zukünftige Hardware-Lösungen erreicht. Wir wissen, dass für jede Softwareversion umfangreiche und nachhaltige HPC-Softwareentwicklungen erforderlich sind, so dass die parallele Performance (d. h. parallele Skalierbarkeit, Robustheit und Konvergenzrate) ein Alleinstellungsmerkmal bleibt.

4 Absolute Time Savings per Job Cumulative Time Savings Using Multiple Multi-Core Jobs Ideal scalability ANSYS unterstützt ein Wert-basiertes, skalierbares HPC-Lizenzierungsmodell License Fee per Core per Job License Fee per Multiple Multi-Core Job HPC Pack HPC Workgroup Nehmen wir ein Beispiel: Wenn Ihre CFD-Software nur eine maximale Skalierbarkeit bis zu einem Minimum von 1. Zellen pro Kern ermöglicht, kann ein typisches Modell mit zwei Millionen Zellen nur auf 2 Kernen effizient durchgeführt werden. Eine Erhöhung der Anzahl der Rechenkerne bringt keinen Vorteil, da hierdurch die Simulationsgeschwindigkeit nicht erhöht wird. Wenn die CFD-Software jedoch hinunter bis auf ca. 5. Zellen pro Kern skalierbar ist (wie ANSYS Fluent), kann dasselbe Modell mit zwei Millionen Zellen auf 36 Kernen gerechnet werden, was die Simulation um nahezu den Faktor 18 beschleunigt! Weitere Details finden Sie in diesem HPCwire-Artikel. Wir bei ANSYS sind sehr offen, wenn es um die Daten unserer Parallel- Performance geht ein weiteres klares Alleinstellungsmerkmal. Auf unserer öffentlich zugänglichen HPC-Benchmark-Seite veröffentlichen unsere strategischen HPC-Partner die HPC-Performance-Daten verschiedener Hardwareplattformen für eine Reihe von repräsentativen Simulationsfällen. Mythos Nr. 6: HPC-Software und -Hardware sind relativ teuer Während die Kosten für HPC-Hardware aufgrund sinkender Fertigungskosten eines Massenmarktes zurückgegangen sind, gelten die Kostenvorteile dieses Massenmarktes nicht für technische Simulationssoftware. Stattdessen erfordert besonders HPC hohe Investitionen in die Softwareentwicklung. Hohe Softwareentwicklungskosten entstehen durch die Notwendigkeit, mit der sich ständig verändernden Computing-Landschaft Schritt zu halten neue Prozessoren, Beschleuniger, Compiler und Interconnect-Technologien. Darüber hinaus benötigt man hochqualifizierte Softwareentwickler, um für jede neue Version Verbesserungen bei der Parallelisierungssleistung zu erzielen. Manchmal wird die Ansicht vertreten, dass die Ausführung von HPC-Software kostenlos sein sollte. Doch angesichts der Kosten für ihre Entwicklung würde eine kostenlose Software möglicherweise nicht besonders viel Mehrwert bringen. Der Schlüssel liegt darin, dass die Kosten von HPC der Wertschöpfung angepasst werden und HPC bietet den größtmöglichen Return on Investment. Worin besteht also der Wertbeitrag von HPC? Mit HPC können Sie folgendes erreichen: Verbesserte Produktivität in der Entwicklung durch Beschleunigung des Simulationsdurchsatzes; hierdurch können die Entwickler eine größere Zahl von Designideen überprüfen und auf der Grundlage verbesserter Kenntnisse effiziente Entscheidungen für die Produktentwicklung treffen. Realitätsgetreuere Erkenntnisse zur Produktleistung, die auf andere Weise nicht gewonnen werden können. HPC ermöglicht den Entwicklern die Simulation größerer und komplexerer Modelle, so dass genauere Designentscheidungen während des gesamten Entwicklungsprozesses getroffen werden können.

5 Während dieses zweite Argument des Wertes der Erkenntnisse schwierig zu quantifizieren ist, ist das erste Argument einfach messbar. Betrachten wir ein einfaches Beispiel zur Produktivität auf der HPC-Einstiegsebene: Durch zusätzliche Achtfach-Parallelverarbeitung wird der Durchsatz um den Faktor fünf bis sechs erhöht. Durch diese Verbesserung in der Produktivität der Entwicklung kann man fünf- bis sechsmal mehr Designideen untersuchen und alle Probleme/Kosten vermeiden, die durch die Verfolgung eines schlechten Designkonzeptes verursacht werden. Zusammenfassung HPC ist eine der großen Enabler-Technologien, um die Produktivität in der Entwicklung zu verbessern und realitätsgetreuere Erkenntnisse zur Produkt-Performance zu gewinnen. Jedoch werden die Einführung und Verbreitung von HPC weiterhin durch Mythen und falsche Vorstellungen behindert. Das vorliegende Whitepaper überprüft und entlarvt sechs dieser Mythen in der Hoffnung, technische und kaufmännische Entscheidungsträger davon überzeugen zu können, HPC in ihren Produktentwicklungsprojekten einzusetzen. ANSYS wird weiterhin in HPC investieren und damit sicherstellen, dass die Produkte echte Höchstleistungen auf den neuesten HPC-Architekturen bieten, mit einem stetig steigenden Grad an Parallelverarbeitung. Literaturhinweise 1. MegaFlops to ExaFlops, Thomas Lange, CASC 2th Symposium on the Impact of HPC, September Implementation of HPC at Tetra Pak, Ulf Lindblad, New Trends in CFD 2, September 214, DANSIS Seminar. 3. Whirlpool s Home Appliance Rocket Science: Design to Delivery with High Performance Computing., Fallstudie, April 29, Council on Competitiveness. ANSYS Germany GmbH Birkenweg 14a D Darmstadt Tel.: +49 () info-germany@ansys.com Web: ANSYS, Inc. All Rights Reserved. Über ANSYS, Inc. ANSYS, Inc. (Nasdaq: ANSS) gibt seinen Kunden durch schnelle, genaue und verlässliche Simulationen die Fähigkeit, ihre komplexen Design-Herausforderungen in der Produktentwicklung klar strukturiert und mit hohem Erkenntnisgewinn zu bewältigen. Unsere Technologie ermöglicht es Unternehmen egal welcher Branche sie angehören mit großer Sicherheit vorherzusagen, dass ihre Produkte im Alltag Erfolg haben. Kunden vertrauen darauf, dass unsere Software ihnen dabei hilft, die Produktintegrität und den Erfolg ihres Unternehmens durch stetige Innovationen sicherzustellen. 197 gegründet, beschäftigt ANSYS etwa 2.7 Fachkräfte, von denen viele Experten in Engineering-Bereichen sind, wie u. a. der Finiten-Elemente- Methode, numerischen Strömungsmechanik, Elektronik und Elektromagnetismus sowie Design-Optimierung. Mit dem Firmensitz südlich von Pittsburgh, USA, unterhält ANSYS mehr als 75 strategisch angesiedelte Vertriebsstandorte weltweit sowie eine Netzwerk von Vertriebspartnern in mehr als 4 Ländern. Weitere Informationen fi nden sich auf