Anwenderbericht NVIDIA - Parametric Solutions

Parametric Solutions Inc. (PSi) ist ein Anbieter von Ingenieurdienstleistungen, mechanischem Konstruktionsdesign und Analysen für unterschiedlichste Kunden von Erfindern bis hin zu Großkonzernen. Seit 1993 übernimmt PSi Projekte, aus allen Stadien des Produktionszyklus– von der Konzeptphase bis zur Fertigung. Die Kunden stammen aus den Bereichen Luftfahrt, Consumer-Electronics, medizinische Geräte, alternative Energien und Transport. Der Erfolg von PSi bei einem derart breit gefächerten Kundenstamm beruht auf den innovativen Design- und Ingenieursfähigkeiten, die PSi in seinen Schwerpunktgebieten entwickelt hat: der Stromerzeugung und der Entwicklung von Gasturbinen für Industrie und Luftfahrt.

Ein Großteil der Arbeit von PSi umfasst komplexe Analysen und Designs in den Bereichen Wärmeverhalten, Strukturen, Flusssimulationen, Vibrationen, kinematische Synthese und Optimierung sowie Kombinationen aus diesen Disziplinen in vollständig integrierten Simulationen. Die mehr als 70 Ingenieure des Unternehmens, von denen viele mit ANSYS-Software arbeiten, konnten mit der neuen NVIDIA-Maximus-Technologie eine beachtliche Steigerung der Systemleistung und Produktivität erzielen: Sie arbeiten an CAD-Modellierungen, während auf der gleichen Workstation rechenintensive ANSYS-Prozesse laufen.

„Die NVIDIA-Maximus-Technologie hat sich als extrem leistungsfähiges Hilfsmittel für unsere Arbeit erwiesen. Die Verdoppelung der Leistung hat sich sofort bemerkbar gemacht und unsere Arbeitsabläufe und Produktivität deutlich verbessert", sagt David Cusano, leitender Ingenieur und Miteigentümer von PSi.

DIE HERAUSFORDERUNG

PSi arbeitet mit sehr umfangreichen Simulationen. So kann ein Strukturanalysemodell einer großen Turbinenschaufel zwischen vier und acht Millionen Freiheitsgrade umfassen. Selbst kleine, einfache Simulationen erfordern bis zu zwei Millionen Freiheitsgrade.

Bevor wir das Maximus System hatten, waren die Anforderungen für eine typische Simulation so hoch, dass wir Design und Simulation nicht auf derselben Workstation durchführen konnten", sagt Cusano. „Insbesondere die ANSYS-Analysen benötigten so viel Rechenleistung, dass eine einzige Analyse mehrere Tage dauerte, wenn wir gleichzeitig auf demselben Rechner andere Aufgaben ausführen wollten. Selbst wenn der Rechner nicht zusätzlich belastet wurde, konnte eine Analyse das System volle acht bis zwölf Stunden in Anspruch nehmen."

Früher bestand die Lösung für rechenintensive Aufgaben in der Einrichtung einer separaten „Run Box" – einem System mit zwei CPUs mit je sechs 3 GHz Prozessorkernen, 16 GB RAM und einem Zero Disk-Array zum Speichern.

Die Ingenieure mussten entweder selbst zur Run Box gehen um ihre Analysen zu starten oder konnten sie per Fernzugriff anfordern. Anschließend gingen sie zum Arbeiten an einen separaten Computer.

„Dieser Prozess war alles andere als ideal", erklärt Cusano. „Die Übertragung der Dateien über das Netzwerk war umständlich, und es war sehr unpraktisch, mit den „Runs" zu interagieren oder ihren Fortschritt zwischendurch zu prüfen. Das größte Problem ergab sich aus der Tatsache, dass die Box eine gemeinsam genutzte Ressource war, so dass die Ingenieure nie wissen konnten, wann sie frei sein würde. Wer eine rasche Durchführung von Design und Analyse benötigte, hatte manchmal Pech."

DIE LÖSUNG

PSi installierte eine NVIDIA-Maximus-Konfiguration in einer Dell-Precision-T7500-Tower-Workstation, die die 3D-Grafikfähigkeiten des professionellen NVIDIA-Quadro-6000-Grafikprozessors mit der parallelen Rechenleistung des neuen NVIDIA-Tesla-C2075-Companion-Prozessors kombiniert. Die Maximus-Technologie beschleunigt rechenintensive Prozesse und ermöglicht PSi die gleichzeitige Ausführung von Design- und Simulationsanwendungen auf einer einzigen Workstation.

Gewöhnlich beginnt der Arbeitsablauf für die Ingenieure bei PSi mit dem Konzeptdesign einer Komponente in einer CAD-Modellierungssoftware wie Pro/E, Unigraphics, CATIA oder SolidWorks. Anschließend wird das Modell einer detaillierten Analyse unterzogen, um Materialien, Dauerbeständigkeit und anderen Anforderungen an die Komponente zu bestimmen. PSi verwendet die Struktur-, Thermo-, CFD- und Kinetikmodule von ANSYS und entsprechende MSC-Produkte.

„Mit dem Maximus-System können wir CAD-Modellierung und rechenintensive Analysen, die zuvor getrennte Prozesse waren, in einem einzigen Projekt auf einer Workstation kombinieren", sagt Cusano. „Außerdem haben unsere Ingenieure aufgrund der Leistungssteigerung endlich eine Ressource, die mit ihren Arbeitsabläufen mithalten kann."

Ein Beispiel: Ein PSi Ingenieur arbeitet an einem industriellen Turbinenmodul wie den großen Schaufeln, die an einem riesigen Rotor montiert sind. Hierfür muss er unterschiedliche Analysen in ANSYS durchführen (Wärmeverlauf, Struktur und Flusssimulation (CFD)) und die Ergebnisse anschließend wieder in das Design der Komponente einfließen lassen. Dieser iterative Prozess ist sehr zeitaufwändig, besonders wenn die Analyse auf einen anderen Rechner ausgelagert wird und man auf das Ergebnis warten muss.

Jetzt können die Ingenieure diese Analysen auf ihrer eigenen Workstation durchführen und zwar auf dem Grafikprozessor, anstatt wie zuvor auf der CPU. Der Prozess wird dabei um das Doppelte beschleunigt, gleichzeitig können andere Aufgaben auf dem Rechner ausgeführt werden", erklärt Cusano.

DIE AUSWIRKUNGEN

„Wenn man alle Aufgaben auf dem eigenen Rechner ausführen kann, kommt es nie zu Engpässen wie es der Fall ist, wenn alle dieselbe Run Box nutzen", sagt Cusano. „Mit der NVIDIA-Maximus-Technologie können die Ingenieure von PSi ihre Arbeitsabläufe wesentlich effektiver planen und eine höhere Produktivität erzielen."

Auch die Verdoppelung der Leistung durch das Maximus-System ermöglicht eine deutliche Steigerung der Produktivität bei PSi.

Die schnellste diskrete Run Box von PSi benötigte circa zehn Minuten pro Iteration. Bei einem typischen Prozess mit 50 Iterationen waren das 500 Minuten − über acht Stunden − die die Box mit einer einzigen Analyse beschäftigt war.

„Mit dem Maximus-System können wir den selben Prozess wesentlich günstiger auf der Workstation ausführen − und gleichzeitig andere Aufgaben auf derselben Workstation erledigen", sagt Cusano. „Die Tatsache, dass wir keine separaten Run Boxes mehr benötigen hat unsere Unternehmensabläufe komplett verändert."

Hinzu kommen signifikante Kosteneinsparungen. Durch Workstations mit NVIDIA Maximus spart PSi den Betrieb der separaten Run Boxes. Außerdem profitiert das Unternehmen von indirekten Einsparungen, da die einzelnen Workstations der Ingenieure produktiver genutzt werden.

"Ich möchte nie wieder zu unserem alten System vor Maximus zurückkehren", sagt Cusano. „Die Leistungseinbußen wären einfach zu groß. Die Verdoppelung der Analysegeschwindigkeit und die Möglichkeit, gleichzeitig andere Anwendungen auszuführen, haben zu beeindruckenden direkten und indirekten Steigerungen der Produktivität geführt, darauf beruht der Erfolg unseres Unternehmens. Eine Steigerung der Produktivität ist das Beste was uns passieren kann und genau dafür sorgt NVIDIA Maximus."

Trotz seines begeisterten Lobs für die Maximus-Plattform beantwortet Cusano die Frage, ob er sie auch anderen Unternehmen in seiner Branche empfehlen würde, mit „Nein". „Ich würde sie niemand sonst empfehlen, da sie uns einen enorm großen Wettbewerbsvorteil verschafft", sagt er und lacht. „Ganz im Ernst − wenn alle anderen mitbekommen, welche Vorteile NVIDIA Maximus bringt, werden wir sie kaum davon abhalten können, auch solche Systeme zu kaufen."

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