Computing Clustersystems

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1 Einweihung des High Performance Computing Clustersystems

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3 Prof. Joachim Szodruch DLR-Vorstand für Luftfahrt und Energie

4 Walter Hirche Niedersächsischer Minister für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr

5 Dr. Johannes Stuhlberger EADS, Vice President Global Innovation Network

6 Klaus Becker Aerodynamic Strategies Hochleistungsrechnen für Airbus Ein Weg zu besseren Flugzeugen 13-Mai-2008

7 Herausforderungen des zukünftigen Lufttransports Wachsende Anforderungen des Lufttransports t Drastisch steigende Passagierzahlen Umweltanforderungen Verpflichtung zu ökologischer Effizienz European Aeronautics Vision % weniger CO 2 -Emissionen, 80% weniger NO x 50% weniger Lärmbeeinträchtigung 50% kürzere Produktentwicklungszeit Globale Wettbewerbsfähigkeit Verbesserte Produktleistungen Verbesserte Business Performance Führende Technologien am Flugzeug Multidisziplinäre Produktoptimierung Bahnbrechende Numerische Simulation

8 Mehr Simulation Weniger physikalische Tests Benötigte HPC- Kapazität -15% -36% Benötigte W/T Test- Tage? Year from Aircraft in development in year Integrierte simulationsbasierte Entwicklung spart Monate und Jahre Test- basiert Arbeits- aufwand Simulations- basiert Gesamt-Definition Detail-Definition Produktion

9 Nutzung von CFD für die Airbus-Entwicklung Durchgehende Nutzung Häufige Nutzung Zunehmende Nutzung Flügeldesign Reiseflug Rumpfdesign Flatter- Vorhersage Aufhängungskorrekturen Flow Control Devices (VG/Strakes) Flügeldesign Hochauftrieb Leistungsvorhersage Cockpit Belüftung Einlaufdesign Tanksystemdesign APU Ein-/Auslassdesign Aerodynamische Flugeigenschaften Aerodynamische Lastdaten Externe Lärmquellen Schubumkehrer Design Vereisungs- vorhersage Kabinenbelüftung Kabinen- lärm Steuerflächen Triebwerksintegration Gondel- design Leitwerksdesign Klimaanlage Belly Fairing Ein-/Auslass- Design design Düsendesign Bodeneffekt Analyse für Thermal- Triebwerksbelüftung Systeme Statische Deformation Wing Tip Design

10 Notwendige Methodik: Multi-Disziplinärer Entwurf Aeroelastik Lasten Struktur Aerodynamik Massen Flugleistungen Aerothermik Triebwerk Akustik Aero Daten Flugdynamik Systeme Methodik eines integrierten Designs Nichtlinearitäten und starke Interaktionen zwischen den Disziplinen werden berücksichtigt Entwurf der Komponenten wird direkt getrieben durch den Gesamteffekt Verbessertes Produktverstehen durch Multidisziplinäre Numerische Simulation Neue Methodiken des physikalischen Testens

11 Erwartungen an die Numerische Simulation Kapazität: Anzahl der Rechenfälle pro Nacht Unsteady 10 2 RANS LES Verfügbare Hardware- Kapazität [Flop/s] 1 Exa (10 18 ) 10 3 RANS Low Speed 1 Peta (10 15 ) 10 4 RANS High Speed 10 5 Geschickte Nutzung von HPC Algorithmen Data mining 10 6 Wissen Tera (10 12 ) 1 Giga (10 9 ) Reiseflug Design Aero Daten CFD-basierte Lasten und HQ-Daten Aero Optimierung &CFDCSM CFD-CSM Multidiszipl. Optimierung Welche Ergebnisse erhält man in einer Nacht (8 Stunden)? CFD-Echtzeitsimulation des Flugs CFD-basierte Lärm- simulation

12 Schlagkräftige Forschung und Entwicklung - Filton/Bristol C 2 A 2 S 2 E - Braunschweig/Bremen - Innovatives Gesamtsystem für Produktdesign - Neue simulationsbasierte Arbeitsweisen von Ingenieuren - Anpassung der IT- Architektur - Hochleistungsrechner Vereinigtes Königreich Deutschland - Multidisziplinäre Integration - FlowSimulator Software Integration - Umfassende Lösungen für zentrale Anwendungen der Flugzeugentwicklung - Technologieintegration g bis zur Nutzungsreife - Konzentration weltweiter Expertise - Hochleistungsrechner Frankreich DOVRES - Getafe/Madrid - Design mit Virtual Reality - Field Programmable Processors - CFD-angepasste Hardware Spanien Mosart - Toulouse/Paris - Innovative Architektur für parallele Simulationsanwendungen - Verbesserung von CFD- Komponenten - Breitbandanbindung an externe Hochleistungsrechner

13 CAS Ziel: Vollständige Simulation des Fluges Echtzeitsimulation von Flugmanövern kompletter Flugzeuge Aerodynamik: Struktur: Flugsteuerung: Integration: Instationäre Navier-Stokes-Simulation der Strömung Vollständiges Finite-Element-Modell des Flugzeugs Vollständige Simulation des Flugmanövers Vollständige Interaktion aller Disziplinen Mögliche Belastungen des Flugzeugs Vollständige Analyse des gesamten Flugbereichs Bereitstellung aller aerodynamischen Daten für das Gesamtflugzeug und alle Komponenten Vorhersage von Sensitivitäten täte Gestaltung Gestatu des Optimums Vorhersage von Flugleistungen und Flugeigenschaften vor dem Erstflug Untersuchung von Flugmanövern und -szenarien Vollständige Kenntnis über das Verhalten des Flugzeugs im Flug Zertifizierung des Virtuellen Produkts vor Produktionsbeginn Vollständige Kenntnis der gesamten Produkteigenschaften Garantie der Vorhersagegenauigkeit

14 Future Simulation Concept A common idea providing a new capability to Airbus with new quality of tools towards virtual design and analysis up to virtual certification New Speed New Tools New Way of Working by building a network of expert centers with major partners involved that perform targeted research serving Airbus needs Simulation Capability Increase by 10 6

15 AIRBUS DEUTSCHLAND GMBH. All rights reserved. Confidential and proprietary document. This document and all information contained herein is the sole property of AIRBUS DEUTSCHLAND GMBH. No intellectual property rights are granted by the delivery of this document or the disclosure of its content. This document shall not be reproduced or disclosed to a third party without the express written consent of AIRBUS DEUTSCHLAND GMBH. This document and its content shall not be used for any purpose other than that for which it is supplied. The statements made herein do not constitute an offer. They are based on the mentioned assumptions and are expressed in good faith. Where the supporting grounds for these statements are not shown, AIRBUS DEUTSCHLAND GMBH will be pleased to explain the basis thereof. AIRBUS, its logo, A300, A310, A318, A319, A320, A321, AIRBUS, its logo, A300, A310, A318, A319, A320, A321, A330, A340, A350, A380, A400M are registered trademarks.

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17 Compute-Power für C²A²S²E. Herausforderungen und Lösung Alfred Geiger, Rolf Page, Christian Schweitzer T-Systems Solutions for Research GmbH

18 Ein HPC-Konzept für C²A²S²E. Die besonderen Herausforderungen Höchste Rechenleistung bei optimaler Energieeffizienz Hochleistung und Durchsatz auf demselben Rechnersystem Anwendungs-g und Softwarelifecycle vs. Hardwarelifecycle Organisatorische Rahmenbedingungen

19 Herausforderung 1: Rechenleistung - Strom - Klima Anforderungen der Anwendung: Der Tau CFDCode Skalierbare Speicherbandbreite Geringe Speicherlatenzzeiten Geringe Latenzzeiten der Interprozesskommunikation Viele kleine Nachrichten Anforderungen der RZ-Infrastruktur Anschlussleistung Kühlleistung Flächenbelastung Ergebnis: Design Entscheidung für Prozessortechnologie und Knotenanschluss

20 Herausforderung 1: Rechenleistung - Strom - Klima Leistung: Anwendung und Prozessorarchitektur Single Processor Performance Tau 30 Steps F , , , , , , , , , , , ,00 0,00 552,79 IBM Power 6 IBM Blue Gene/L intel Itanium II intel Harpertown AMD Barcelona AMD Opteron (4,7 Ghz) (1,3Ghz) (2,33GHz) (1,9 GHz) (3.0Ghz)

21 Herausforderung 1: Rechenleistung - Strom - Klima Effizienz: i Anwendung und Prozessorarchitektur 35,00 Tau Performance/Watt 30 Steps F6 30,00 29,79 25,00 20,00 20,47 17,96 15,00 13,50 12,29 15,26 10,0000 5,00 0,00 IBM Power 6 (4,7 Ghz) IBM Blue Gene/L intel Itanium II (1,3Ghz) intel Harpertown (2,33 GHz) AMD Barcelona (1,9 GHz) AMD Opteron (3.0Ghz)

22 Herausforderung 2: Hochleistung (HPC) und Durchsatz (HTC) Bei Capability-Computing (HPC) sollen alle Resourcen des Systems an eine Applikation gebracht werden. Das Verhalten dieser Applikation (Compute, Communication) ist in der Regel weitgehend bekannt. Lösung: Verteilte (und damit inhärent hochskalierbare) Kommunikationsinfrastruktur. Bei Capacity-Computing (HTC) werden zu Design und Optimierungszwecken viele gleichartige Jobs mit unterschiedlichen Eingabedaten gerechnet. Die Charakteristika dieser Jobs sind weitgehend bekannt. Lösung: Cluster basierend auf Standard IB-Switches mit bis zu 288 Ports von Voltaire oder Cisco. C²A²S²E: Mischung verschiedener Applikationen sowie von Capability und Capacity Computing. Die Gesamtlast auf den Systemen ist unbekannt und unvorhersehbar. Lösung: Zentraler, nichtblockierender und hochskalierbarer Mehrstufenswitch. Ergebnis: Design Entscheidung für Verbindungsnetzwerk und System

23 HPC-Power für C²A²S²E. Hardware-Konfiguration GPFS Storage

24 Aufbau der C 2 A 2 S 2 E HPC-Infrastruktur 768 Knoten 2 x AMD Opteron Quad Core Prozessor 1.9 GHz (Barcelona) 758 Knoten mit 16 GB Hauptspeicher 10 Knoten mit 32 GB Hauptspeicher 16 Racks à 48 Blades System 6144 Rechenkerne 46.6 Tflop/s (Peak) 12.3 TB Hauptspeicher Paralleles Filesystem GPFS mit 500TB Kommunikationsnetzwerk Infiniband 4X DDR, Connect X 1.8 GB/s (uni) pro Knoten, 2.4 µs Latenzzeit Sun Magnum Switch mit 864 Ports (ausbaubar bis 3456 Ports)

25 Herausforderung 3: Anwendungs- und Softwarelifecycle l vs. Hardwarelifecycle l Fakten Hardware Lifecycle: 2-4 Jahre System-Software Lifecycle: 5-10 Jahre Data-Management Lifecycle: 10+ Jahre Application-Software Lifecycle: 10+ Jahre Konsequenzen Hardware muss an Software angepasst werden und nicht umgekehrt! Integration von Produkten unterschiedlicher Hersteller durch Service-Provider Ergebnis: Design Entscheidung für den System-Software Stack

26 HPC-Power für C²A²S²E. Software-Konfiguration fi ti Operating System Novell SLES 10 Compilers Intel MPI-Library SCALI Tools Allinea Performance Fault-Tolerance (Failover) Cluster File System GPFS Grid-Middleware UNICORE Synfiniway

27 Herausforderung 4: Organisatorische i Rahmenbedingungen Einbettung in industrielle und öffentliche Forschungsumgebungen Unterschiedliche Sicherheitskonzepte Unterschiedliche Grid-Middleware Synfiniway bei Airbus UNICORE in öffentlichen Grossforschungseinrichtungen und Unis C²A²S²E als Private-Public Partnership von Airbus, DLR und Land Niedersachsen hww T-Systems als Service-Partner kann auf 10 Jahren Erfahrungen mit den beiden erfolgreichsten IT-PPPs im wissenschaftlichen Sektor in Deutschland aufbauen: T-Systems SfR ist selbst ein PPP von T-Systems und DLR Die hww (Höchstleistungsrechner für Wissenschaft und Wirtschaft GmbH) als spezialisiertes PPP für HPC mit den operativen Partnern T-Systems, Porsche, KIT und HLRS Einbettung als spezialisiertes Topical Center in ein umfassendes Versorgungskonzept für die Luftfahrt Nutzung nationaler und europäischer Resourcen für das absolute Top-End Enger Zeitrahmen und Neueste Technologie Weniger als 9 Monate von der Projektidee bis zur Realisierung des HPC-Service. Frühestmöglicher Einsatz von SUN Magnum, Mellanox Connect X und AMD Barcelona

28 HPC-Services für C²A²S²E:. Integriertes Konzept: Expertise in Systemen and Anwendungen

29 Thank You Contact: Alfred Geiger, Rolf Page, Christian Schweitzer T-Systems Solutions for Research GmbH g

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31 C 2 A 2 S 2 E Aufbau und erste Ergebnisse N. Kroll C 2 A 2 S 2 E Cluster-Einweihung, 13. Mai 2008

32 C 2 A 2 S 2 E Innovationspartnerschaft: DLR, Airbus, Land Niedersachsen Zielsetzungen Aufbau eines multidisziplinären Kompetenzzentrums für numerische flugphysikalische Simulationen Zielgerichtete Entwicklung von Prozessen & Methoden für hochgenaue Simulationen des fliegenden Flugzeugs unter Berücksichtigung aller Kerndisziplinen Manöversimulation Ermittelung aerodynamischer Lasten des Flugzeugs im gesamten Flugbereich Multidisziplinäre Optimierung Numerische Vorhersage der Flugleistungen und Flugeigenschaften vor Erstflug Fly the Virtual Aircraft

33 Aufbau C 2 A 2 S 2 E Realisierung Langfristiges Vorhaben Erste Fünf-Jahres Phase - Laufzeit: bis Gesamtvolumen: 30 Millionen Euro, 10 Millionen Euro pro Partner C 2 A 2 S 2 E ist Abteilung des DLR Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik am Forschungsflughafen Braunschweig 3 Säulen - Simulationszentrum - Experten-Campus - Hochleistungsrechner DLR Zentrum Forschungsflughafen Braunschweig

34 Simulationszentrum Seit Projektstart 15 neue wissenschaftliche MitarbeiterInnen eingestellt Abteilung C 2 A 2 S 2 E insgesamt mehr als 45 MitarbeiterInnen Neue Qualität in der DLR/Airbus Kooperation auf dem Gebiet der Numerischen Simulation, Bildung von Joint Teams Aufstockung des DLR Gebäudes 130 Aufstockung, 3. Etage Institut AS neue Arbeitsplätze Übergangslösung Containerdorf: 8 Container, 16 Arbeitsplätze

35 Simulationszentrum Aktuelle Arbeiten Entwicklung von Verfahren zur Vorhersage stationärer aeroelastischer Effekte bei komplexen Flugzeugkonfigurationen g g Kopplung von Strömung und Struktur auf Basis höherwertiger Verfahren Analyse des Hochauftriebsverhaltens für Start/Lande-Konfigurationen Entwurf von Flügelspitzen

36 Experten - Campus Maßnahmen Forum für international renommierte Gastwissenschaftler Postdoc-Stellen Workshops / Konferenzen / Schulungen Aktivitäten 2007 / 2008 Gastwissenschaftler - Dr. C. Swanson, NASA-Langley, USA - Dr. T. Barth, NASA-Ames, USA - Prof. K. Visser, Clarkson University, USA - Prof. N. Sandham, University of Southampton, UK - Prof. R. Cummings, US Air Force, Academy - A. Baeza, IMDEA, Spanien - E. Andres, INTA, Spanien Schulungen - Mehrtägiger Kurs Innovative Lösungsalgorithmen - Anwenderschulung für DLR CFD-Software TAU Workshops p - Physikalische Modellierung im Grenzbereich der Flugenveloppe (gemeinsam mit TU-BS, DFG-Forschergruppe)

37 High Performance Computing HPC Cluster SUN Cluster mit 768 Rechenknoten Rechenkerne seit März Rechenkerne ab Juli 2008 Teilnutzung seit Januar 2008 Derzeit ca. 50 Nutzer, Auslastung bei 75% Verbindung zu Airbus Bremen beauftragt Virtual Reality Visualisierung i und Analyse komplexer Strömungsphänomene Verfügbar seit Frühjahr 2007 Intensivierung der Nutzung und Einbettung in Prozessketten

38 High Performance Computing Vorhersage der Hochauftriebsleistung von Transportflugzeugen Sensitivitätsanalyse bezüglich Strömungsparameter Konfigurationsstudien Nutzung des C 2 A 2 S 2 EHPCClusters HPC-Clusters DLR Strömungslöser TAU Insgesamt ca. 60 Simulationsfälle Pro Simulation - Lösung eines Gleichungssystems mit 300 Millionen Freiheitsgraden - 70 Stunden Rechenzeit

39 Weitere Partner / Kooperationen Weitere Partner EADS Eurocopter Deutschland (Patenschaftstelle im DLR eingerichtet) EADS Astrium (Beteiligung bei C 2 A 2 S 2 E ab Mitte 2008, derzeit inhaltliche Abstimmung) Kooperationen Forschungsprojekte der EU Hochschulen im Rahmen von grundlagenorientierten g DFG-Vorhaben - Simulation des Überziehens von Tragflügeln und Triebwerksgondeln (PAK 136) Forschungsnetzwerk aus Luftfahrtindustrie, DLR und Hochschulen im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms der Bundesregierung (LUFO IV) - Projekt MUNA: Management von Unsicherheiten in der Numerischen Aerodynamik (1. Call) - Projekt ComFliTe: Computational Testing (beantragt, 2. Call) Technologieträger im HPC-Umfeld - T-Systems SfR - Beteiligung an BMBF-Ausschreibung HPC Software für skalierbare Hardware

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