High-Performance-Computing

Seit seiner Gründung hat sich das Institut für Computational Engineering (ICE) als kompetenter Ansprechpartner für die Anwendung anspruchsvoller mathematischer Methoden in den Ingenieurwissenschaften etabliert. Im Rahmen zahlreicher Industrie-Projekte, viele davon öffentlich gefördert, konnte das Spezialisten-Know-How „Simulation und Modellbildung“ vom ICE zum Industrie-Partner transferiert werden. Worum geht es?

  • Zahlreiche Fragestellungen können nicht mit kommerziell erhältlichen Standard-Simulations-Werkzeugen gelöst werden. Dann erstellen die Mitarbeiter des ICE für den Kunden einen spezifischen, für die konkrete Aufgabe massgeschneiderten, Simulator.
  • Andere Aufgaben lassen sich mit Standard-Simulations-Werkzeugen  (z.B. ANSYS, Comsol Multiphysics, CST u.a.) lösen. Dann unterstützen die Mitarbeiter des ICE den Kunden beim schnellen und effizienten Einsatz der Simulations-Technologie.
  • Im Rahmen der Technologien der „Künstlichen Intelligenz“ und „Automatische Optimierung“ unterstützen die Mitarbeiter des ICE die Kunden darin, optimale Designs zu identifizieren.
  • Es werden zahlreiche Anwendungsfelder bedient: Mechanik, Strömungsmechanik, Elektromagnetik, Multiphysics, Elektronik, und andere.

Die Rechenleistung wächst „parallel“

In den 80er und 90er Jahren des letzten Jahrhunderts wuchs die Rechenleistung eines einzelnen Rechenknotens durch (a) steigende Taktraten der Prozessoren und Busse und (b) grössere Speicher. Die Performance der Algorithmen wuchs im Rahmen dieses Prozesses mit der Geschwindigkeit der Hardware. So konnten die SW-Hersteller und Anwender quasi „kostenfrei“ von der steigenden Performance der Hardware profitieren. 

Seit wenigen Jahren hat sich dieser Prozess verändert. Die Leistungsfähigkeit der Rechner wächst nun nicht mehr durch höhere Taktraten, sondern dadurch, dass mehrere Rechenkerne auf einem Prozessor vereint sind, und parallel arbeiten (Multicore-Technologie) sowie durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Prozessoren.  Einer der Vorreiter dieser Entwicklung sind die massiv parallelen Architekturen, wie sie heute in Grafik-Karten zu finden sind. Auch bei Standard-Prozessoren wächst die Anzahl der Rechenkerne inzwischen ebenso von Generation zu Generation. Mit dieser Entwicklung stellen sich allerdings zusätzliche Anforderungen an die Algorithmen: Damit sie von der gesteigerten Rechenleistung Gebrauch machen können, müssen sie gut parallelisiert sein. Teilweise ist der Einsatz von neuen Algorithmen notwendig.

 Im Bereich der Simulations-Werkzeuge haben inzwischen die Hersteller von kommerziellen Simulations-Werkzeugen, aber auch die Communities, die open-source-Werkzeuge pflegen, ihre Hausaufgaben gemacht; heute sind sehr gut parallelisierte Werkzeuge und Algorithmen verfügbar.  Somit ist der Weg (endlich) frei, hoch-parallele HW-Architekturen auch für den Einsatz für typische Ingenieur-Fragestellungen zu nutzen.

Der Rechencluster an der NTB

Daher hat sich die NTB entschieden, in diese Technologie zu investieren: Ende 2012 wurde ein Rechencluster der Firma Dell aufgebaut. Um den vielfältigen Anforderungen innerhalb der NTB und auch ihrer Kunden gerecht zu werden, wurde ein besonderes System ausgewählt. Es kann sowohl unter Windows als auch unter Linux betrieben werden. Unter Windows stellt sich das System wie ein Verbund von Multiprozessor-Workstations dar, unter Linux arbeitet das System als ein grosser Cluster. Die Konfiguration, wie viele der Knoten unter Windows bzw. unter Linux arbeiten, ist frei veränderbar. So lässt sich das System ideal an die wechselnden Anforderungen anpassen und bietet den optimalen Kompromiss aus Bedienerfreundlichkeit und Leistungsfähigkeit. Der Rechencluster ist seit März 2013 komplett aufgebaut und verfügbar. Inzwischen wurde er in mehreren Stufen erweitert.

Der Cluster wird sowohl innerhalb der NTB verwendet, steht aber auch den Kunden des ICE zur Verfügung.

Projekte

Allgemeines Projekt

Eisportionieren leicht gemacht

Keywords: Ultraschall, thixotropes material, Scherspannung, Speiseeis Rahmeis ist ein komplexer Stoff mit thixotropen Eigenschaften [1-4]. Das bedeutet, dass die Viskosität des Eises unter der Einwirkung von Scherspannungen verringert, d.h. 'flüssiger' wird. Wird ein Eisportionierer mit Ultraschall beaufschlagt, sodass...

Allgemeines Projekt

Modellierung der Wärmebehandlung an Kugelgewindespindeln unter Berücksichtigung vorgeschalteter Prozessschritte

Die Firma SFS intec verwendet ein induktives Verfahren zum Härten der Randschichten von Kugelgewindespindeln. Es wird beobachtet, dass sich bei der Randschichthärtung die Spindeln verbiegen und verkürzen. Diese Mass- und Formänderungen führen zu einem hohen Ausschuss und machen derzeit eine 100%-Kontrolle notwendig. Um den...

Allgemeines Projekt

CFD-Simulation von Vortex-Generatoren mit Ansys CFX und dem Transition Modell

Inspiriert von der Firma Valeria Dedalo in Gradara, die Vortex-Generatoren für Ultraleicht-Flugzeuge herstellt, wurden am Institut für Computational Engineering im Rahmen einer Diplomarbeit Simulation mit Ansys CFX durchgeführt. Dabei wurde das Gamma-Theta-Transition Modell in CFX untersucht. Der Aufwand für die Vernetzung...

Allgemeines Projekt

Erweiterung des OpenFOAM-Frameworks für viskoelastische Zweikomponentensimulationen mit dynamischem Netz

Die Designentwicklung von Spritzgussdüsen ist aufgrund der hochviskosen und rheologisch komplexen Eigenschaften der verwendeten Materialien ein langwieriger und ressourcenintensiver Vorgang. Durch die Unterstützung mit einem Simulationstool kann hier sehr viel Zeit und Geld eingespart werden. Das Institut für Computational...

Allgemeines Projekt

Plasma-Turbulenzen im invertierten Magnetron

Ein invertiertes Magnetron ist eine Druckmesszelle, welche im Ultrahochvakuum (UHV) eingesetzt wird. Bei einem Druck von ca. 10e-5 Pa tritt ein Knick in der Druck-Strom Kennlinie auf, welcher bis heute nicht genau erklärt werden kann. Diese Arbeit befasste sich mit der Modellierung des Plasmas und der Untersuchung dieses...

Allgemeines Projekt

Automatisches Design von Strömungssystemen

Flugzeugflügel, Windräder oder Pumpen haben eines gemeinsam: Es handelt sich um Strömungssysteme. Deren Auslegung wird in vielen Fällen gemäss „Versuch und Irrtum“ bestimmt. Dies führt zu nicht optimalen Produkten und langen und teuren Entwicklungsprozessen. Entsprechend gross ist das Bedürfnis nach einem praxisnahen...

Prof. Dr. Michael Schreiner

Institutsleiter ICE

+41 58 257 34 63 michael.schreiner@ost.ch