Doppelte Rechenpower

CAD CAM

Hardware - 3D-Modellierung und Simulation lasten beide den Computer voll aus. Delphi nutzt Nvidia Maximus, um CAD und anspruchsvolles FEM parallel zu betreiben.

12. Dezember 2012

Delphi, weltweit tätiger Anbieter von Elektronik und Technologien für Autos und Nutzfahrzeuge sowie andere Marktsegmente, betreibt große Technologiezentren, Produktionsanlagen und Kundendienst-Niederlassungen in mehr als 30 Ländern. Um seine Produkte möglichst effizient liefern zu können, führt Delphi schon in den ersten Phasen des Entwicklungszyklus umfangreiche Tests, Analysen und Simulationen an digitalen Prototypen durch.

Delphi entwirft und konstruiert seine Produkte auf Hochleistungs-Workstations, von denen viele mit professionellen Nvidia-Quadro-Grafikprozessoren (GPUs) ausgestattet sind. Zu den Designprojekten von Delphi zählen unter anderem Steuerungsmodule für Motor und Getriebe, Sicherheitsfunktionen, Fond-Entertainment- und Navigationssysteme, Audiosysteme und vieles mehr. Delphi arbeitet mit den meisten großen Automobilherstellern zusammen.

Fereydoon Dadkhah ist als Senior Mechanical Engineer für mechanische Analysen und Simulationen in der Abteilung für Elektronik und Sicherheit bei Delphi tätig. Er gehört zum Team des Expertise-Zentrums für Analysen für die Produktentwicklung in Kokomo, Indiana. Außer in Kokomo beschäftigt Delphi in Indien, Polen und Mexiko mehr als 40 Ingenieure, die auf Ansys-Analysen für die Produktentwicklung spezialisiert sind. Um die Arbeitsabläufe bei Analysen zu optimieren, evaluierte Dadkhah in Zusammenarbeit mit Nvidia das Maximus-System des Grafiktechnologieherstellers.

Die Maximus-Technologie von Nvidia besteht aus drei Komponenten: einer Quadro-Grafikkarte, einer Tesla-GPU-Berechnungskarte und dem Maximus-Treiber, die gemeinsam in einer Workstation installiert sind. Der Treiber ist dafür verantwortlich, die Anforderungen des Rechners auf die jeweils optimal geeignete Hardware zu verteilen. So werden GPU-Berechnungen auf die Tesla-Karte gelegt, Grafikberechnungen parallel dazu auf die Quadro-Karte – die ja grundsätzlich ebenfalls für GPU-Berechnungen herangezogen werden kann, dann wäre aber keine Leistung mehr für ein parallel zur Berechnung laufendes CAD-System mehr übrig. Mit Hilfe von Maximus können also Berechnungen ohne Performanceverlust parallel zu grafikintensiven Anwendungen ablaufen.

Im Rahmen der Tests konnte Dadkhah mit Maximus Ansys- und CAD-Tools simultan auf einer einzigen Workstation betreiben. »Ich verwende Ansys seit zwanzig Jahren und habe während meiner Laufbahn als Ingenieur diverse Systeme kennengelernt. Ich kann nur bestätigten, dass GPUs dazu beitragen, wesentlich schneller zu Ergebnissen zu gelangen und Arbeitsabläufe deutlich beschleunigen, indem die Verwendung von CAD-Tools möglich ist, während gleichzeitig Simulationen laufen«, erklärt Dadkhah.

Um möglichst genau vorherzusagen, wie sich ein Produkt in der Realität verhalten wird, müssen sehr umfangreiche und komplexe Modelle analysiert werden. Dabei stehen die Ingenieure zwei Herausforderungen gegenüber: einerseits die Datenqualität und andererseits die Effizienz der Analyse. Beide Probleme lassen sich durch gesteigerte Rechenleistung lösen. »Wir versuchen oft, Ereignisse der realen Welt im Computer zu simulieren, und es ist nicht immer einfach, die entsprechenden Daten korrekt zu erfassen«, erklärt Dadkhah. »Häufig müssen wir komplexe Modelle vereinfachen oder uns mit Schätzwerten für bestimmte Daten begnügen, um Simulationen ausführen zu können. Wir sind immer daran interessiert, die Leistung und Effizienz unserer Analysen zu steigern.«

»Im Lauf eines Entwicklungszyklus werden die Analysen immer komplexer, da sämtliche Nichtlinearitäten, Schwankungen und andere unerwartete Testergebnisse einbezogen werden müssen. Die Modellerstellung erfordert unter Umständen sehr, sehr viele Analyse-Iterationen und wird damit ein sehr zeitaufwendiger Prozess, der eine Workstation für mehrere Tage und Nächte mit Simulationen auslasten kann«, sagt Dadkhah.

Die Möglichkeit, CAD-Aufgaben und Ansys-Simulationen gleichzeitig durchführen zu können, stellt einen deutlichen Vorteil für die Arbeitsabläufe dar. »Es ist sehr langwierig, wenn man immer erst warten muss, bis die FEA abgeschlossen ist, bevor man mit dem CAD-Design fortfahren kann. Wesentlich effizienter ist es, bereits während der Analyse am nächsten Schritt zu arbeiten, zum Beispiel das nächste Modell für die Analyse vorzubereiten oder notwendige Änderungen einzuarbeiten«, erläutert Dadkhah. Dies wird dadurch möglich, dass die Tesla-GPU einen Teil der Rechenlast von den CPUs der Workstation übernimmt und so Ressourcen freisetzt, die für die CAD-Modellerstellung genutzt werden können.

Um die Analyseabläufe bei Delphi zu optimieren, ohne einen großen Server oder ein Cluster einzurichten, testete Dadkhah eine Desktop-Workstation, die die aktuellsten GPU-basierten Workflow-Lösungen von Nvidia zum Einsatz bringt.

»Eines meiner derzeitigen Projekte ist eine Getriebesteuerungseinheit. Aktuell beurteilen wir konkret den Anschluss dieses Moduls. Um präzise Ergebnisse zu erzielen, mussten wir jedoch das Modell der gesamten Steuereinheit in unsere Analysen einbeziehen. Die Arbeit mit dem gesamten Modell - über eine Million Knoten beziehungsweise 4,5 Millionen Freiheitsgrade - ist auf einer herkömmlichen Workstation kaum machbar. Auf dem Maximus-System waren dagegen die meisten Durchläufe innerhalb von etwa 20 Minuten abgeschlossen.«

Deutliche Beschleunigung

»Die genaue Geschwindigkeit hängt natürlich maßgeblich von der Komplexität des Modells und der jeweiligen Simulation ab, aber es ist in jedem Fall eine deutliche Beschleunigung zu spüren im Vergleich zur bisherigen Situation, bei der Simulationen häufig Stunden oder die ganze Nacht dauerten«, erklärt Dadkhah. »Außerdem kann meine Workstation mit der GPU sehr große Modelle verarbeiten. Ich muss die Modelle für die Simulation nicht mehr so sehr vereinfachen und kann während der Simulation weiterarbeiten.«

Oft konnte Delphi bei Simulationen auf dem Maximus-System Beschleunigungen zwischen 20 und 40 Prozent verzeichnen. Bei der Arbeit mit großen Modellen summieren sich diese Werte beträchtlich. Dadurch kann das Team während des Entwicklungsprozesses häufigere und präzisere Iterationen durchführen.

Die Testergebnisse belegen, dass die Maximus-Technologie Delphi dabei unterstützt, Analysen mit vollständigeren Modellen ohne Vereinfachungen durchzuführen, wie sie auf Systemen mit geringerer Grafikprozessorleistung zur Gewährleistung der Effizienz unvermeidbar wären.

„Kürzlich hatte ich ein Projekt für einen Fensterheberschalter, bei dem ich auf den ersten Blick davon ausging, dass ich mit vielen Annahmen und Vereinfachungen arbeiten müsste, um das Modell auf meiner Workstation simulieren zu können. Mit Maximus konnte ich jedoch ein großes Modell mit allen wichtigen Produktmerkmalen bearbeiten und erhielt präzise Ergebnisse“, schließt Dadkhah.

Die Möglichkeit, Ansys- und CAD-Anwendungen parallel zu betreiben, bedeutet für die Ingenieure bei Delphi eine deutliche Steigerung der Geschwindigkeit und Effizienz. Die Fähigkeit, Prozesse gleichzeitig anstatt nacheinander auszuführen, spart Zeit und erhöht die Produktivität, da die Ingenieure CAD-Modelle bearbeiten können, während eine Simulation läuft. Sie müssen nicht warten, bis die Analyse beendet ist, um mögliche Optimierungen des Designs oder der Materialien zu implementieren.

Für Delphi bedeuten höhere Geschwindigkeit und die Möglichkeit, mehr Iterationen durchzuführen, dass das Analyseteam Simulationen mit besseren, komplexeren Stresstest-Modellen durchführen kann und präzisere Voraussagen über das Verhalten unter realen Bedingungen erhält. Die gleichzeitige Nutzung von Design- und Simulationstools spart wertvolle Zeit, steigert die Produktivität und ermöglicht die maximale Nutzung der Workstations ohne den Zeitaufwand und die Logistik, die einen Wechsel zu einem anderen System erfordern würde.

Analysen sind ein wichtiger Bestandteil der Produktentwicklung für Delphi und ihre Großkunden, die sehr strenge Design-Standards haben. Im Test ist Dadkhah zu dem Schluss gekommen, dass die Nvidia-Maximus-Technologie Leistungssteigerungen realisiert, die ihm die Durchführung von Finite-Element-Analysen mit größeren Modellen, schnellere Simulationen und präzisere Ergebnisse für bessere, zuverlässigere Produkte ermöglicht.

Erschienen in Ausgabe: Industrie Handbuch/2013