Stärker als ein Supercomputer

Schwerpunkt

Grafikkarten– Die Geschichte der Grafikkarten ist gleichzeitig auch eine Geschichte einer enorm gesteigerten Performance und vorher ungeahnter Anwendungen. PNY zeigt auf, was möglich ist.

03. November 2016

Mit der aktuellen Generation an Grafikkarten und den dort verwendeten Prozessoren (GPU) werden mittlerweile Leistungsdaten erreicht, die noch vor zehn Jahren für eine vordere Platzierung auf der Top-500-Liste der weltweit schnellsten Supercomputer gereicht hätte. Der im Jahr 2004 schnellste Supercomputer in Europa, das Jump Supercomputer-System im Forschungszentrum Jülich, basiert auf 1.312 einzelnen Prozessoren vom Typ Power4+, aufgeteilt auf 41Knoten, und kommt auf eine maximale Leistung von rund 8.900Giga-FLops (Floating Point Operations per Second). Flops bezeichnet dabei die Anzahl an Gleitkomma-Operationen, die das jeweilige System pro Sekunde durchführen kann.

Die jetzt erhältlichen Grafikkarten kommen auf bemerkenswerte Leistungswerte, die bei rund 10.000Giga-FLops pro Karte liegen. Eine normale Workstation kann so, ausgestattet mit mehreren handelsüblichen Grafikkarten, eine enorme maximale Rechenleistung erreichen.

Ursprünglich waren Grafikkarten, wie der Name auch sagt, nur für die reine Darstellung von 2D und 3D Inhalten zuständig. Dafür reichten relativ einfache Bausteine, welche nur vorgefertigte Funktionen abgerufen und dargestellt haben. Mit dem zunehmenden Realismus der 3D-Darstellung waren hier allerdings auch immer schnellere und aufwendigere Verfahren und später auch komplexe Echtzeitberechnungen auf der GPU gefragt. Eine aktuelle GPU besitzt mit etwa zwölf Milliarden Transistoren dann auch rund viermal so viele wie eine Intel 8-Kern-CPU.

Hier liegt es dann nahe, diese Rechenleistung abseits der reinen Grafikdarstellung auch für andere Anwendungswecke zu nutzen. Um die Geschwindigkeit der heutigen Multicore-GPUs effektiv einsetzen zu können, braucht es aber auch Anwendungsfälle, die sich auch in viele parallele Teilaufgaben zerlegen lassen.

Rund um die Konstruktion und Entwicklung sind das hauptsächlich Anwendungen aus den Bereichen der Strömungssimulation (CFD), Thermodynamik und Strukturmechanischen Simulation mit der Finiten Elemente Methode (FEM). Viele Programme setzten hier auf die GPU, um die Rechenzeiten der Solver um Faktoren zu reduzieren. Hauptsächlich werden Grafikkarten aber immer noch für die 3D-Darstellung von Teilen und Baugruppen in Programmen für CAD- und CAM-Anwendungen verwendet. Die meisten Produkte sind ohne eine performante und zertifizierte 3D-Grafikkarte praktisch nicht nutzbar.

Zeit der Beschleunigung

Als eines der ersten CAD-Programme für einen größeren Massenmarkt führte aber Autocad dazu, dass sich in den 80er-Jahren ein Markt für Zubehör und Beschleuniger-Produkte entwickelte. Diese erlaubten es dem Anwender dann etwa auch, mit höheren Auflösungen, mehreren Monitoren und mehr Geschwindigkeit zu arbeiten. Zu dem Zeitpunkt waren im PC-Umfeld nicht-grafikfähige Systeme wie Herkules (MGA) noch Standard. Wer grafisch CAD machen wollte, war auf extrem teure Spezialhardware angewiesen. Festfrequenzmonitore mit hoher Auflösung kosteten zu dem Zeitpunkt fast so viel wie ein Kleinwagen.

Das Unternehmen Elsa begann 1986 als Vorläufer der heutigen PNY Technologies GmbH, Subsystemgrafikkarten auf Basis von Hitachi Controllern zu entwickeln. Vorrangiges Ziel war hier, in Zeiten von CGA mit 320x200Pixeln, höhere Auflösungen und mehr Geschwindigkeit zu erreichen. Zur Performance-Steigerung wurde mit so genannten Displaylisten gearbeitet.

Der größte Teil der Arbeit, der beim Arbeiten mit CAD-Programmen geleistet werden muss, ist das Aufbauen der Zeichnung auf dem Bildschirm. Dies ist praktisch nach jedem Scrollen und nach jeder Änderung des Zoom-Faktors erforderlich. Dazu berechnet Autocad aus den Grunddaten der Zeichnung Vektoren, rechnet diese in Bildschirmkoordinaten um und lässt sie entweder von einem Grafikprozessor oder vom Hauptprozessor selbst auf den Bildschirm zeichnen. Diese werden dann über das Autocad-Device-Interface (ADI) in der Displaylist abgelegt. Der Vorteil einer Displaylist liegt darin, dass der Grafikprozessor eigenständig die Berechnung des Bildschirminhalts vornehmen kann und damit deutlich schneller ist. Praktisch alle Beschleunigerkarten bis Autocad 2007 arbeiten so.

Elsa entwickelte spezielle Tools, die dem Autocad-Anwender die tägliche Arbeit erleichtern sollten. Dazu gehörten etwa das Powerdraft-Cockpit für ein interaktives Zoomen und Pannen, Multiview zur Verwaltung mehrerer Ansichten oder Magniview als eigenständiges Zoom-Fenster. Diese wurden später noch mit Elsaview 3D als erstem vollintegrierten und OpenGL-Hardware-beschleunigtem Viewer für Autocad ergänzt.

Mehrere Karten parallel

Auch Mehrschirmkonfigurationen wurden immer wichtiger. Anfangs konnte ein über eine spezielle Subsystemkarte wie die Elsa XHR Alpha oder Gemini angesteuerter Grafikmonitor nur mit einem reinen Textmonitor über MAG ergänzt werden. Mit späteren Generationen wie der Elsa-Winner-Serie konnten dann über mehrere baugleiche Karten dann sogar bis zu vier Monitore parallel betrieben werden. Mit heutigen Karten wie der Quadro P5000 sind sogar bis zu 32Monitore über einen Rechner möglich.

Die Treiberschnittstellen in Autocad waren dabei über die verschiedenen Versionen auch immer einem starken Wandel unterzogen. Anfangs würde noch auf das ADI für die Grafik und auf das Autodesk Development System (ADS) für Erweiterungen gesetzt. Mit R14 fiel hier dann zuerst ADS weg und wurde durch die Autocad Runtime Extension (ARX) ersetzt. In der Version 2000 erübrigte sich dann auch die ADI-Schnittstelle und fand mit Whip nur einen begrenzt gleichwertigen Nachfolger. Heidi wurde dann 2008 alleinige Schnittstelle für Grafikanwendungen. Diese entfiel dann auch mit Autocad 2013, so dass heute bei aktuellen Produkten die Beschleunigerfunktionen direkt über den Grafikkartentreiber realisiert werden.

Alle Funktionen über den Treiber

Die aktuellen auf NVidia Quadro basierenden Produkte von PNY bieten dabei heute mehr Leistung als je zuvor– und dies sowohl im 3D- als auch im 2D-Bereich, selbst wenn hier schon seit langem nicht mehr mit Displaylisten, sondern mit 3D-Objekten in OpenGL und Direct3D gearbeitet wird.

Heute ist es daher wichtig, alle Funktionen der 3D-Schnittstellen OpenGL und Direct3D über den Treiber der Karte zu unterstützen. Diese werden dann durch die Hersteller der jeweiligen Software getestet und zertifiziert, um dem Anwender den vollen Funktionsumfang und Stabilität zu garantieren.

Aber Highend-Grafikkarten können auch noch mehr. Auf der Eröffnungsfeier der Hannover Messe 2016 hat etwa das Unternehmen three10 eine komplexe Animation und Performance mit sieben Industrierobotern von Kuka gezeigt. Zusammen mit drei LED-Wänden und sieben Monitoren zeigte die Installation, was technisch wirklich machbar ist. Es kamen zwei Quadro-M6000-Karten zum Einsatz, von denen eine die drei LED-Wände versorgte, die zweite lieferte den Kontrollausgang für das Bedienpult. Grundsätzlich wäre an der ersten Karte noch ein Ausgang frei gewesen, Kontrollmonitore müssen allerdings aus technischen Gründen an einer getrennten Karte betrieben werden.

Eine weitere, sehr öffentlichkeitswirksame Installation befindet sich in der Gepäckausgabe und Sicherheitskontrolle des Flughafens Wien. Bei dem Kunstprojekt »ZeitRaum« der ARS Electronica am Flughafen werden Karten von PNY eingesetzt; es handelt sich dabei um etwa 100Exemplare der NVidia Quadro M2000. Diese interaktive Kunstinstallation wurde für den neuen Terminal am Flughafen Wien entwickelt, die den ein- und ausgehenden Flugverkehr in Echtzeit interpretiert. »ZeitRaum« setzt sich aus mehreren Stationen zusammen und begleitet die Passagiere künftig auf ihrem Weg zum Flugzeug. Eine meterhohe Wand aus Screens überspannt hier die Ein- und Durchgänge zur Sicherheitskontrolle. Nähert sich jemand dieser Wand, löst das virtuelle Schneeschauer aus Buchstaben aus, die die Wand herunterrieseln. Unten angekommen, fügen sich diese Buchstaben zu Texten, die wiederum die Topografie einer Landschaft formen. Die Installation wird daneben vom Flughafen Wien zu 50Prozent der verfügbaren Zeit überdies als Werbemedium genutzt.

In Zukunft ist davon auszugehen, dass ein immer größerer Teil der gesamten Rechenleistung in einer Workstation in Richtung Grafikkarten gehen wird. Schon während des Designprozesses und der Konstruktion werden fotorealistische und hochauflösende Darstellungen immer wichtiger.

Das Ganze sollte dann möglichst in Echtzeit geschehen und ohne dass der Anwender auf das Ergebnis warten muss. Programme wie Solidworks Visualize oder auch Autodesk VRED zeigen hier die Richtung auf, in die es für die Hardware in den nächsten Jahren gehen wird. mk

Auf einen Blick

PNY

• Die PNY-Unternehmenslösungen steuern auf effiziente Weise hohe Arbeitslasten bei Daten und Anwendungen innerhalb von IT-Infrastrukturen.

• Von robusten Netzwerken, bis hin zu Datenzentren, Servern und einsatzkritischen Netzwerkanwendungen, ist PNY der einzige Anbieter für hochwertige, zuverlässige und einsatzbereite Flash-Speicher- und Netzwerklösungen, die eine hohe Verfügbarkeit bieten und die Langzeit-Supportkosten reduzieren.

Erschienen in Ausgabe: 08/2016