Supercomputing: Die optimale Nutzung von Hardware-Ressourcen

Zunehmend sollen Hardware-Ressourcen von unterschiedlichen Anwendungen parallel genutzt werden – etwa für
Simulationen und Virtual Reality (VR). Wie sich die schnelllebige VR-Visualisierung nicht mit der langlaufenden
CAE-Berechnung ins Gehege kommt. von Dr. Sebastian Treiber und Christopher Woll

Numerische Simulation, Virtual Reality oder Big-Data-Analysen eröffnen Unternehmen aller Industriebereiche großartige Möglichkeiten, die noch bis vor wenigen Jahren undenkbar gewesen wären. Da dies jedoch zumeist mit einem enormen Bedarf an Rechenleistung einhergeht, investieren viele Unternehmen zunehmend in ihre High-Performance-Computing-Ressourcen.

Dabei kommen Supercomputer und Cluster zum Einsatz, die entsprechend aufgesetzt und den jeweiligen Erfordernissen sowie den individuellen Gegebenheiten vor Ort angepasst werden müssen. Neben Berechnungsabteilungen aus dem Engineering sind die Unternehmen auch für Bereiche wie Big-Data und Data-Mining oder in der Softwareentwicklung auf leistungsstarke IT-Ressourcen angewiesen. Ein weiterer Bereich, in dem sehr viele Hardware-Ressourcen benötigt werden, ist Virtual Reality (VR).

CAE-Anwendungen laufen dabei oft Stunden oder Tage sehr kontinuierlich und können flexibel, also etwa auch über Nacht, ausgeführt werden. VR-Applikationen, beispielsweise für Produktpräsentationen, gehören hingegen zu den Anwendungen bei denen sehr viel Leistung ad hoc benötigt wird. Aufgrund des enormen, spontanen Leistungsbedarfs von Virtual-Reality-Systemen ist die Integration solcher Anwendungen in bestehende IT-Infrastrukturen eine besondere Herausforderung.

Die GNS Systems GmbH plant, implementiert und betreibt komplexe System- und Anwendungsinfrastrukturen. Die Schwerpunkte des Anbieters von IT-Dienstleistungen für Produktentwicklung und Engineering liegen auf Linux- und Windows-Systemmanagement, High-Performance-Computing, technischem Datenmanagement, Softwareentwicklung, Application-Management und Out­sourcing.

Dabei ist das Unternehmen überwiegend für die Entwicklungsabteilungen von Automobilzulieferern tätig. Die benötigte Rechenleistung wird meist von Clustern geliefert, die, je nach Kundengröße zwischen einer Handvoll und hunderten Servern umfassen.

Ressourcen besser nutzen

Um eine optimale Nutzung der Hardware-Ressourcen zu erzielen, setzen die Mitarbeiter von GNS Systems unter anderem auf die HPC-Workload-Management-Lösung PBS Professional von Altair, die innerhalb der PBS Works Suite angeboten wird. Mit dieser Lösung für ein umfassendes, sicheres Workload-Management für High-Performance-Computing (HPC) und Cloud-Umgebungen können HPC Kunden ihre Umgebungen vereinfachen, die Systemnutzung und die Leistung der Anwendungen optimieren. Das Ergebnis ist ein verbesserter ROI der Hard- und Softwareinvestitionen.

Beispielsweise erlaubt PBS Professional das Priorisieren von Berechnungsjobs und die Verteilung der Jobs auf die vorhandene Hardware.

Lösungen für die Jobsteuerung

In der Produktentwicklung eines Unternehmens sind gewöhnlich verschiedene Softwarelösungen im Einsatz, für die eine einheitliche Schnittstelle zur Bedienung auf einem Cluster benötigt wird. Altair bietet hierfür den PBS Compute Manager an, eine Web-basierte Lösung innerhalb der PBS Works Suite, zur Übermittlung und dem Monitoring von Berechnungsjobs. Zudem bietet GNS Systems mit JGen eine eigene Lösung, die ebenfalls für die Jobsteuerung eingesetzt werden kann.

Dank Lösungen wie PBS Professional und PBS Compute Manager kann GNS Systems dem Anwender eine schlüsselfertige Lösung bereitstellen, mit der ein Ingenieur verschiedenste Berechnungsprogramme wie etwa Altairs Radioss oder Optistruct oder auch Solver und Tools anderer CAE-Anbieter bedienen kann. Darüber hinaus ermöglicht GNS Systems mit Dienstleistungs- und Softwarepaketen die Automatisierung von Prozessketten vom Pre- bis hin zum Post-Processing und hilft dadurch, die jeweilige Durchlaufzeit und Fehleranfälligkeit der Projekte zu reduzieren.

Besonders interessant sind die Altair Lösungen PBS Compute Manager und PBS Professional für die Unternehmen, die bereits auf Altair Units zugreifen können – stellen sie doch für diese Kunden eine kostengünstige Lösung dar, die sowohl Berechnungsaufgaben mit Hyperworks als auch das HPC-Jobmanagement mit PBS abdeckt. Die ersten größeren Installationen von PBS Professional hat GNS Systems bereits vor über zehn Jahren implementiert.

Von der Beratung bis zum Betrieb

Ausgehend von den Spezifikationen des Kunden bildet GNS Systems den kompletten Zyklus der Integration und des Betriebs ab, von der Beratung bis hin zu Implementierung und Betrieb sowie fortlaufender Optimierung. Dabei werden vorhandene Workstations oder heterogen gewachsene Landschaften berücksichtigt, und der Kunde wird bei der Hardwareauswahl umfassend beraten. Sämtliche Ressourcen werden in das Kundennetzwerk integriert, angefangen von der hardwareseitigen Installation, der Betriebssysteminstallation, Middleware-Installation und Applikationsintegration bis hin zur schlüsselfertigen Übergabe und der Schulung der Anwender und Administratoren.

VR und CAE kombinieren

Das Team von GNS Systems hat in einem kürzlich durchgeführten Projekt für einen Kunden eine IT-Infrastruktur so angepasst, dass sie sich nun für unterschiedliche Bereiche nutzen lässt. Hierbei hatte der Kunde bereits in ein Cluster für VR-Anwendungen investiert und wollte die Leistung dieser Hardware in den Zeiten, in denen sie nicht ausgelastet ist, für andere Anwendungen, wie etwa für Simulationen nutzen.

Die Virtual-Reality-Anwendung wird verwendet, um Kunden, Gästen oder Managern neue Produkte vorzuführen, noch bevor sie real existieren. Das System kommt jedoch nur sporadisch etwa bei Führungen oder an Präsentationstagen zum Einsatz. Um das für die VR-Darstellung nötige Echtzeit-Rendering oder Echtzeit-Raytracing durchführen zu können, wird an diesen Tagen besonders viel Hardwareleistung benötigt. Hierbei war es dem Kunden wichtig, dass die erforderlichen Investitionen in zusätzliche Hardware möglichst gering gehalten werden, und das bestehende VR-Cluster auch für CAE-Anwendungen genutzt werden konnte.

Die Lösung

Da die VR-Anwendung, wann immer sie in Betrieb ist, einen Großteil der vorhandenen Leistung in Beschlag nimmt, müssen laufende CAE-Berechnungen in dieser Zeit pausieren und nach Beendigung der VR-Anwendung automatisch wieder starten. Hierfür bietet PBS Professional eine gute Lösung.

Sobald die VR-Applikation, in diesem Fall das Programm VRED, gestartet wird, reicht es einen Job mit hoher Priorität bei PBS ein. Dieses stoppt die CAE-Berechnungen und sorgt somit dafür, dass sämtliche Cluster-Ressourcen für VRED zur Verfügung stehen. Sobald das VR-Programm nicht mehr benötigt wird, werden die Jobs von VRED beendet und die anderen Applikationen können weiter laufen.

Dieser Vorgang erfordert weder eine Anleitung noch die Ausführung spezieller Befehle. Nach der Integration der Lösung genügt es, den Job über einen Klick einzureichen und dann zu warten, bis die Hardware wieder verfügbar, und der Berechnungsjob abgeschlossen ist.

Durch die ähnlichen Anforderungen von Anwendungen aus den Bereichen VR und CAE lässt sich dieselbe Hardware auf diese Weise für unterschiedliche Anwendungen nutzen, ohne dass umfassende Investitionen in neue Hardware notwendig sind: Statt einer Investition in Hardware fallen lediglich Dienstleistungskosten an, die nur etwa 10 Prozent der Hardware-Investition betragen. So spart sich der Kunde eine zweite Infrastruktur und kann neben der Hardware auch beim Aufwand in die laufende Betreuung der IT-Infrastruktur sparen.

Fazit

Die beschriebene Lösung für den Einsatz von VR-und CAE-Applikationen ist zwar eine sehr spezielle Anwendung, jedoch ist der Wunsch bei Unternehmen, bestehende Infrastrukturen optimal zu nutzen, allgegenwärtig. Zukünftig werden weitere rechenintensive Anwendungen in bestehende Berechnungscluster integriert werden und sind entsprechend zu verwalten, damit die Berechnungsressourcen optimal genutzt und Investitionen in Hardware möglichst gering gehalten werden
können.

PBS Professional kommt bereits in vielen Unternehmen für verschiedenste Bereiche zum Einsatz. Bei den meisten Kunden von GNS Systems wird die Software auch zukünftig für Job-Scheduling und -Management, hauptsächlich für numerische Simulationen, genutzt werden. Aber auch andere Anwendungsgebiete, wie Big-Data-Analysen oder bestimmte Bereiche der Softwareentwicklung, benötigen große Rechenkapazitäten. In allen diesen Fällen ist es naheliegend, Werkzeuge wie PBS Professional einzusetzen, um so auch bei diesen Anwendungen die vorhandenen HPC-Infrastrukturen optimal zu nutzen.

Autoren: Dr. Sebastian Treiber ist Systemanalytiker und
Projektleiter bei GNS Systems.
Christopher Woll, M.Sc. ist Geschäftsführer
von GNS Systems.

  • Sobald die Hardware für die VR-Applikation benötigt wird, pausiert PBS Professional die CAE-Berechnungen und stellt sämtliche Cluster-Ressourcen für die VR-Anwendung zur Verfügung. Bild: Altair
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