Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) strávila desetiletí budováním výpočetního výkonu, díky kterému se konvenční hardware jeví jako hračka. Mandát byl dlouho jasný: byla to pevnost pro vědu. Klíče měly univerzity a výzkumné ústavy. Potřebovali simulovat klimatické vzorce, analyzovat proteinové struktury nebo rozluštit kódy, jejichž vyřešení by shluku konvenčních notebooků trvalo století. Podnik to sledoval z povzdálí, většinou se spokojil s prací na svých tabulkách.
Tato dynamika se mění. Rychle.
Společnosti si uvědomují tvrdou pravdu: problémy, kterým dnes čelí, jsou příliš složité na to, aby je zvládly standardní servery. Objemy dat rychle rostou. Tolerance chyb ve výrobě, financích a logistice je snížena na nulu. HLRS již není exkluzivní univerzitní klub. Stává se kritickou infrastrukturou pro ekonomiku.
Nová poptávka po surové energii
Proč podniky najednou klepou na dveře stuttgartského superpočítačového centra? To už se nebavíme o ukazatelích prestiže. Jde o přežití.
Tradiční IT infrastruktura narazí na zeď, když se pokusíte simulovat chaos v reálném světě. Srážku auta můžete simulovat na běžném serveru. Nemůžete ale simulovat aerodynamický odpor celé flotily autonomních vozidel projíždějících hurikánem. Globální dodavatelský řetězec, který je narušen stávkou v přístavu na druhé straně kontinentu, nemůžete optimalizovat v reálném čase.
“Unternehmen werden künftig wohl häufiger auf tak masivní Rechenkapazitäten angewiesen sein.”
Překlad: V budoucnu budou společnosti stále více spoléhat na takto výkonné výpočetní zdroje.
To není trend. Jedná se o strukturální posun. Rozdíl mezi tím, co firma potřebuje znát, a tím, co může vypočítat pomocí standardní technologie, se každým rokem zvětšuje. HLRS tuto mezeru vyplňuje. Jejich systémy nejen zpracovávají čísla rychleji. Zpracovávají je způsobem, který odhaluje vzory neviditelné pro menší stroje.
Od laboratorní lavice až po představenstvo
Přechod z čistě akademického prostředí do komerčních aplikací je nepříjemný. Nemělo by to tak být, ale je to tak. Výzkumníci mluví jazykem petabajtů a exaflopů. Ředitelé mluví jazykem ROI (návratnost investic) a podíl na trhu. Tyto jazyky spolu nehrají dobře.
Ale hardwaru je to jedno. Záleží mu na propustnosti.
Když chce výrobní společnost otestovat nový design motoru, už nepotřebuje stavět dvanáct fyzických prototypů. Potřebuje superpočítač schopný spouštět tisíce simulací současně. Systémy HLRS ve Stuttgartu se s touto zátěží vyrovnávají. Mohou chroupat data, najít místa selhání a poslat výsledky zpět, dokud je káva v odpočívárně ještě horká.
Pro podnikání to znamená rychlost. Skutečná rychlost. Nikoli rychlost „stažení za 4 sekundy“ díky rychlejší Wi-Fi, ale rychlost „vyřešte problém za hodinu, která dříve trvala měsíc“. Tady leží peníze.
Úzkým místem není počítač
Možná si myslíte, že jedinou překážkou je zde přístup. Jak dosáhnout provozuschopnosti superpočítače? Není to tak jednoduché. Architektura superpočítačů je většině IT oddělení cizí. Psaní kódu pro systém na úrovni HLRS vyžaduje specializované znalosti. Nemůžete jen vzít starší software a očekávat, že bude fungovat.
To vytváří nový trh. Konzultační firmy, poskytovatelé specializovaného softwaru a poskytovatelé hybridních cloudových řešení vstupují na scénu, aby pomohli společnostem převést jejich podnikání
Jízda prudkým lijákem, myčkou nebo hlubokou louží by neměla vést k zaplavení interiéru vozu. Vypadá to přirozeně a jednoduše. Udržet interiér zcela suchý ale není věcí štěstí. Je to výsledek masivního inženýrského úsilí.
Těsnění dveří a oken vyžaduje precizní provedení. Spodní blatníky a kryty motorového prostoru musí být správně tvarovány a bezpečně upevněny, aby se zabránilo deformaci nebo oslabení pod tlakem. Dále přichází na řadu klimatizační systém, který vyžaduje přívody vzduchu. Tyto otvory by měly být navrženy tak, aby zcela odpuzovaly vodu.
Porsche celý tento soubor požadavků nazývá vodohospodářství ve vozidle.
Jak simulace nahrazuje testování v terénu
Po desetiletí byl tento proces založen na fyzické realitě. Stavěli jste auto. Postříkal jsi ho vodou. Zkontrolovali jste, zda neteče?
Monika Wierse, která vede modelové metody a systémové inženýrství ve společnosti Porsche, říká, že se to změnilo teprve nedávno. K posunu došlo díky vhodným simulacím. Inženýři nyní mohou řešit problémy s hospodařením s vodou pomocí digitálních modelů. V tomto případě skutečné dešťové kapky nepadají.
„Vodní hospodářství dlouho spoléhá na testování v terénu,“ říká Wierse. “To se změnilo až v posledních letech díky vhodným simulacím.”
Počítačový model je detailní kopií skutečného auta. Inženýři zjednodušují interiér kabiny. Vylučují sedadla z modelu. Ale vzhled? Musí to být přesné.
V simulaci je digitální auto virtuálně namočené ve vodě. Je vystaven silnému dešti. Projíždí vodou hlubokou půl metru. Zrychlil, aby viděl kapky stékající po těle směrem dozadu. To je jen jeden aspekt problémů s vodou, které řeší technické týmy.
Logika ponoření do vany
Simulace pokrývá i výrobní fáze. Před lakováním procházejí karoserie obrovskými ponornými lázněmi.
Zní to kontraintuitivně. Ve skutečném životě chcete dešťovou vodu udržet mimo. V lakovací lázni chcete, aby se ochranný povlak dostal všude. V každém rohu. V každé štěrbině.
Zatímco dešťová voda by následně do vozu neměla proniknout, v namáčecích vanách je situace zcela opačná: samotný nátěr se musí dostat až do posledních rohů karoserie.
Simulace dynamiky tekutin je složitá. Matematika je těžkopádná. Náročné na výpočet.
Vlastní servery Porsche to nezvládají. Ekonomicky to není možné. Bylo by plýtvání držet takové obrovské množství výpočetního výkonu ve firmě jen pro tyto testy.
Kam jsou data odesílána
Kam tedy data jdou? Porsche ze Stuttgartu používá systémy HLRS (High Performance Computing Center Stuttgart).
Toto není nový vztah. Porsche používá HLRS pro simulaci od poloviny 90. let. Jsou mezi prvními společnostmi, které outsourcují tento těžký výpočetní systém.
Průmysloví uživatelé nyní představují asi deset procent zátěže počítačů HLRS. Trend je zřejmý. V roce 2017 tam provedlo simulace 25 společností. Do roku 2021 se toto číslo zvýšilo na 61.
Déšť v digitálním světě nadále klesá. Auta zůstávají suchá. Inženýři pokračují ve výpočtech.
Cena oceli vs křemík
Dohoda není jen výhrou pro automobilky. Výhodou je také High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS). To mu umožňuje udržet si své dovednosti na vysoké úrovni a naučit se využívat superpočítačový výkon k řešení skutečných inženýrských problémů.
Automobilový průmysl je největším spotřebitelem této výpočetní síly. Myslete na prototypování. Abyste pochopili, zda návrh funguje, potřebujete fyzické auto. Vytvoření takového auta je ale pomalý a drahý proces. Prototyp lze sestavit pouze tehdy, jsou-li všechny komponenty již plně definovány. Co když chybí nějaký detail? Musíme začít znovu. To pálí peníze a čas.
Monika Wierse z Porsche to říká jednoduše. Strategie je jasná: vytvořit co nejméně fyzických prototypů.
“Máme strategickou směrnici pro vývoj vozidel s použitím minimálního počtu fyzických prototypů.”
Vezměme Taycana. První plně elektrický model. Než byl uříznut jediný plech, absolvoval již mnoho virtuálních kol na Nürburgringu-Nordschleife. To umožnilo inženýrům otestovat chladicí systém vysokonapěťové baterie a elektromotorů dlouho předtím, než se objevil skutečný vůz. Mohli zjistit, zda systém vydrží extrémní zatížení. Simulace najde optimální řešení i v případě, že požadavky jsou ve vzájemném rozporu.
Aerodynamika, hluk a nárazové testy
Běžné podnikové servery zvládají jednoduché úkoly. Některé práce ale vyžadují superpočítač. stroje HLRS. Zabývají se modelováním chladicích systémů. Aerodynamika. Aeroakustika. A nárazové testy.
Aerodynamika ovlivňuje spotřebu paliva. Určuje ovladatelnost. Nastavuje úroveň pohodlí. Aeroakustika? Jedná se o hluk uvnitř kabiny, když je stažené okno nebo otevřené střešní okno. Virtuální crash testy jsou výrazně levnější než ničení skutečných aut.
Přesnost změnila hru. Virse poznamenává, že virtuální testy nyní dosahují milimetrového rozlišení. Inženýři mohou vidět, zda se lepicí šev rozpadne. Mohou zkontrolovat, zda místo svaru vydrží.
K tomu potřebujete virtuální model. Ale superpočítač funguje jinak než váš notebook. Osobní počítač provádí instrukce postupně. Superpočítač pracuje ve vysoce paralelním režimu. Rozkládá obrovské problémy na menší části a řeší je všechny najednou.
Myslete na hardware. Smartphone nebo PC má nízký počet procesorových jader – od několika po desítky. Superpočítače HLRS mají stovky tisíc jader. Jsou určeny pro paralelní zpracování dat.
Analýza obra
Tento rozdíl v hardwaru mění způsob, jakým inženýři sestavují modely. Virtuální vůz musí být rozřezán na logické části. Tyto sekce si musí vyměňovat fyzicky smysluplná data. Teplota. Násilím. Deformace. Vlastnosti vibrací.
Model je rozdělen na části, takže výpočty jsou prováděny efektivně paralelně.
Vnější plášť je tvořen miliony dvourozměrných povrchů. Zakrývají trojrozměrný tvar vozu. Hovoříme o číslech mnohonásobně větších než deset milionů faset. Model také bere v úvahu materiálová data. Hustota. Pevnost v tahu. Experimentálně stanovené hodnoty. Například jak konkrétní součástka vibruje.
To je kolosální úsilí. Výsledkem je ale auto, které funguje ještě před svým fyzickým vzhledem. Auto, jehož vývoj stojí méně. A který z nich je bezpečnější. Otázkou zůstává: Kolik složitosti můžeme udělat, než se samotná fyzika stane úzkým hrdlem?
Skrytá cena virtuální vody
Aby superpočítač produkoval odpovědi rychleji než tradiční systémy, nestačí jednoduše věnovat více výpočetního výkonu řešení problému. Paralelní výpočetní algoritmy jsou vyžadovány, ideálně přizpůsobené pro konkrétní hardware. Pokud kód není přizpůsoben tomuto paradigmatu, masivní paralelní infrastruktura prostě nečinně sedne.
Po dokončení přípravných prací se spuštění samotné simulace stává rutinním procesem. Inženýr Porsche nemusí létat do HLRS ve Stuttgartu. Ke spuštění úlohy stačí jedno kliknutí z libovolné vývojářské pracovní stanice. Výsledky jsou vráceny automaticky.
„Nikdy jsme tomu tak neříkali, ale z hlediska IT je to cloud computing,“ vysvětluje Virze. “Přímý, bezpečný, automatizovaný přenos dat.”
Pět sekund deště, dva dny výpočtů
Matematika za simulacemi hospodaření s vodou Porsche demonstruje rozsah vysoce výkonné výpočetní techniky. K simulaci prudkého deště na celou karoserii vozu systém využíval 256 jader CPU. Ve virtuálním světě pršelo jen pět sekund. Skutečná doba výpočtu byla 53 hodin.
Jízda louží 15 centimetrů hlubokou rychlostí 30 km/h trvala dvě virtuální vteřiny. To vyžadovalo 512 jader, aby běžely 105 hodin bez přerušení.
Tato čísla jsou působivá. Většina firem váhá.
Generální ředitel HLRS Bastrian Koller tyto výkyvy zná. Uživatelé se poprvé potýkají s obavami z nákladů. Mají obavy o bezpečnost dat. Zajímají se o kvalitu podpory.
Řešení nespočívá v prodejních prezentacích, ale v inženýrských diskusích.
Žádné minimální množství, žádné smlouvy
Účelem úvodní konzultace není podepsání smlouvy, ale posouzení rozsahu úkolu. Inženýři musí pochopit, zda lze existující simulační algoritmy pro superpočítače vůbec paralelizovat.
Neexistují žádné minimální kvóty využití. Za rezervovaný výkon neplatíte.
„Účtují se pouze skutečně použité zdroje,“ říká Koller.
Tento model snižuje bariéru vstupu. Společnosti mohou otestovat schopnosti systému, aniž by se musely zavázat k zásadní revizi infrastruktury. Riziko se přesouvá z fixní režie na variabilní výpočetní náklady.
stojí to za to? Pro komplexní hydrodynamické problémy ano. Na všechno ostatní? Pravděpodobně ne. Růst efektivity se neškáluje lineárně. Vyžaduje specifické úkoly náročné na zdroje.
Překonávání překážek pro MSP v HPC
Snížení bariéry vstupu do high-performance computingu (HPC) není jen pro technologické giganty. Univerzita ve Stuttgartu, kde HLRS sídlí, spojila své síly s Karlsruhe Institute (KIT) v roce 2010 a uvedla na trh SICOS BW. Tento rámec aktivně snižuje vstupní bariéry pro malé a střední podniky (MSP). Nejenže vystupují na oborových akcích, ale také poskytují konkrétní obchodní poradenství ohledně programů financování a pomáhají společnostem najít potřebné partnery.
Vezměte si projekt „FF4EuroHPC“ financovaný EU, který skončil v létě 2023. HLRS koordinovalo toto tříleté úsilí, které zahrnovalo několik evropských superpočítačových center.
„V rámci tohoto projektu mohly malé a střední podniky žádat o finanční prostředky na provedení jednoletého podnikatelského experimentu… v podstatě to byla příležitost ‚ochutnat‘ toto téma.“
Tento přístup umožňuje společnostem vstupovat do tématu opatrně bez výrazných počátečních rizik. Kromě svých konzultačních rolí provozuje HLRS Supercomputing Academy pro profesionální rekvalifikaci na částečný úvazek. Existují také specializovaná Centra řešení pro konkrétní průmyslová odvětví: automobilový průmysl, kreativní průmysl a v současnosti i lékařskou techniku.
Propojování účastníků z oboru
Tato centra sdružují uživatele, výzkumníky a poskytovatele softwaru. Logika je jednoduchá. Všechny společnosti v daném sektoru čelí podobným výzvám v oblasti výpočetní techniky.
Automotive Solution Center funguje od roku 2010. Zaměřuje se na pět klíčových oblastí:
– Řídit vozidla
– Design vozidla
– Fyzika vozidel
– Automatizace a konektivita
– Numerické metody a digitalizace
Síť je pevně připojena. Součástí tohoto centra je téměř 50 členů, včetně těžkých vah jako Audi, BMW a Porsche. Tato blízkost již dala vzniknout předsoutěžní spolupráci na společných projektech.
Skutečné případy použití
Seznam průmyslových odvětví využívajících systémy HLRS se rychle rozšiřuje. Vezměme si specialistu na letecký průmysl a technologii pohonů, který vyrábí ventilátory pro systémy klimatizace. Jejich vnitřní výpočetní výkon dosáhl svého limitu. Simulace vyžadovaly tak vysoké prostorové rozlišení, že pouze identifikace kolísání tlaku a turbulence mohla předpovědět hladiny hluku slyšitelné lidským uchem. Zdroje HLRS tento problém vyřešily.
Výpočetní sílu Stuttgartu využila i strojírenská firma specializující se na požární bezpečnost. Navrhování speciálních staveb, jako jsou nákupní centra, je často v rozporu se stavebními předpisy. Aby se vyhnuli přísným regulačním požadavkům, použili alternativní hodnocení bezpečnosti prostřednictvím simulací požáru. To vyžaduje výpočet každé sekundy požáru pomocí malých časových intervalů. To, co by trvalo jejich interním systémům týdny, trvalo méně času na prostředcích sítě HLRS.
Výrobce výtahů TK Elevator použil stejnou infrastrukturu pro nový koncept výtahu. Simulovali klíčové funkce pro analýzu hluku a vibrací během pohybu. Tým HLRS dokonce poskytl vizualizaci procesu návrhu výtahu ve virtuální realitě.
Nad rámec tradičních simulací
Ředitel managementu HLRS Koller předpovídá, že mnoho společností bude v blízké budoucnosti více spoléhat na superpočítače. Definice vysoce výkonných počítačů se mění.
“Po dlouhou dobu bylo HPC pouze o simulacích. Ale to se mění.”
Big Data analýza a algoritmy AI dnes vytvářejí intenzivní výpočetní zátěž. Zde jsou také nezbytné superpočítače. Společnost HLRS již upgradovala své systémy, aby zvládla tyto specifické úlohy. Tento technologický posun podporuje společnosti, které v současnosti zkoumají oblasti datové vědy a umělé inteligence.
Tento článek je součástí speciální publikace připravené ve spolupráci s High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS). Zde si můžete stáhnout kompletní vydání Wissenschaft extra.
