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16.08.1991 - 

CAD-Netzwerk an der Universität BochumTeil 2

Ein Hardwarekonzept für die CAD-Ausbildung an der Hochschule

Eine Hauptforderung der Industrie an Universitäten bezüglich Forschung und Lehre ist bekanntlich die praxisbezogene Ausbildung an möglichst industrienahen Beispielen. Am Institut für Konstruktionstechnik der Retorten-Universität Bochum ist man diesem Anliegen in den letzten Jahren mit der Einführung des "Reformierten Grundstudiums" und einer CAD-Rechenanlage in vorbildlicher Weise nachgekommen. Im zweiten Teil seines Artikels beschreibt Prüfer, wie sich die Investitionen der Uni Bochum für ein neues CAD-Hardware-Konzept bezahlt gemacht haben.

Um die benötigte Zentralrechenleistung zu erhalten, wurde anstelle eines sehr teuren Mainframes eine Kombination von drei gleichartigen miteinander ebenfalls vernetzten Servern vom Typ Sun 4/280 mit jeweils 32 MB Arbeitsspeicher und 892 MB Plattenspeicher gewählt. Da der Datenaustausch zwischen den Servern über ein vom PC-Terminal-Netz getrenntes eigenes Ethernet-Interface erfolgt, bleibt die Netzwerkauslastung vergleichsweise gering, obwohl jeder Server via NFS anteilig über die Platten der anderen verfügen kann. Die Gleichartigkeit der drei Server hat darüber hinaus die erfreuliche Folge, daß selbst bei Ausfall eines Systems aufgrund der Redundanz der Betrieb weitergeführt werden kann, was für die termingebundene Abgabe der Übungsaufgaben unerläßlich ist.

Jeder PC-Arbeitsplatz besitzt zwei Diskettenlaufwerke, von denen eines für den Start mit einer Systemdiskette verwendet wird. Letztere wird für jeden Studenten individuell angefertigt. Sie enthält Daten nach Art eines Ausweises und garantiert die "Fälschungssicherheit" der erstellten Aufgaben. Weiter sind die Diskettenlaufwerke für die persönliche Datensicherung der Studenten vorgesehen, die damit für ihre Daten selbst verantwortlich sind, was die Systemwartung wesentlich vereinfacht.

Mehr als 1600 Benutzer verwaltet das System

Ein so ehrgeiziges Projekt ist mit reinen Hochschulmitteln nicht zu realisieren. Da außerdem vom Land Nordrhein-Westfalen keine Mittelzusagen zu erhalten waren, wurde Anfang 1987 ein Antrag an die Stiftung Volkswagenwerk gestellt, der Ende 1987 mit einem nur geringfügig reduzierten Volumen von 1,1 Millionen Mark bewilligt wurde. Mit diesen Mitteln konnte das Ausbildungsrechnersystem in insgesamt zwei Jahren installiert, erprobt und zur Nutzung freigegeben werden.

Obwohl die PC-Arbeitsplätze selbst unter MS-DOS laufen, kommen die Benutzer außer beim Systemstart und zur Datensicherung mit dem Betriebssystem nicht in Berührung. Die CAD-Software ist ebenso wie weitere in der Ausbildung genutzte Programme auf den Servern unter Unix installiert. Die oft beklagte "Unsicherheit/Offenheit" dieses Betriebssystems ist dadurch kompensiert worden, daß der Login-Prozeß in der Regel programmgesteuert unsichtbar abläuft und nach dem Login eine Shell-Routine gestartet wird, die den Benutzer gemäß seiner Kennung - Name und Matrikelnummer - in seinen persönlichen Arbeitsbereich führt, den er nicht verlassen kann. Ein erzwungener Ausstieg aus der Shell-Routine hat einen sofortigen Abbruch der Netzwerkverbindung zur Folge: Der typische CAD-Benutzer hat damit keinen Zugriff auf Systemfunktionen.

Nach der Erprobungsphase in den Jahren 1988/90 wurde im Wintersemester 1989/90 der reguläre Ausbildungsbetrieb gemäß der Prüfungsordnung aufgenommen. Inzwischen werden innerhalb des Systems mehr als 1600 Benutzer mit jeweils eigenen Arbeitsbereichen verwaltet, wobei sich diese Zahl pro Jahr um die Anzahl der Anfänger erhöhen wird bis schließlich jeder Maschinenbaustudent seine persönliche, studienbegleitende Benutzerberechtigung in Form der individuellen Systemausweisdiskette besitzt.

Trotz einiger anfänglicher Schwierigkeiten kann der Ausbildungsbetrieb inzwischen als stabil angesehen werden.

Die Akzeptanz der Systeme übertrifft alle Erwartungen

Die Akzeptanz der Rechenanlage durch die Studenten ist noch weit höher als erwartet. Es zeichnet sich ein Trend ab, daß praktisch alle Konstruktionsaufgaben ab dem zweiten Semester auf der Anlage angefertigt werden. Außerdem steigt die Anzahl von auf der Anlage erstellten Studien- und Diplomarbeiten sowie konstruktiven Entwürfen ständig. Dies geht sogar soweit, daß selbst nicht typisch konstruktiv orientierte Lehrstühle, beispielsweise aus dem Bereich der Thermodynamik, die Anlage in unerwartet hohem Maße nutzen.

So erfreulich diese intensive Nutzung ist, so sehr befindet man sich in der Situation des Zauberlehrlings von Goethe: Die Geister, die ich rief....". Der prägnante Ausdruck "Success desaster" beschreibt die Lage recht treffend. Es fehlt inzwischen an frei verfügbaren Nutzungszeiten. Hier könnte zwar ein Zweischichtenbetrieb Abhilfe schaffen. Dies ist jedoch wegen der schlechten Personalbasis - es gibt nur einen hauptamtlichen Systembetreuer - nicht realisierbar.

Anforderung an Ausbildung und Technik steigt ständig

Die berechtigten Wünsche der Benutzer nach weiteren Softwarepaketen - hier sind vor allem Finite-Elemente-Systeme möglichst mit CAD-Schnittstellen zu nennen - gehen nur in Erfüllung, wenn die Leistung der Anlage, die für derart rechenintensive Programme mit extrem hohem Datenaufwand nicht ausgelegt ist, erweitert wird.

Ebenso steigen die Anforderungen an Ausbildung und Technik von seiten der Industrie ständig. Es kann nicht sinnvoll sein, hier und heute Wunschträume einer allen Benutzern gerecht werdenden Rechnerzukunft vorzustellen. Einige grundsätzliche und tendenziell realisierbare Gedanken sollen dennoch angesprochen werden.

An erster Stelle ist eine "einfache" Hardware-Aufrüstung zu nennen, bei der jeder Server etwa doppelt soviel Arbeits- und Massenspeicher-Kapazität erhalten wird. Der erforderliche Kostenaufwand beläuft sich zur Zeit auf eine geschätzte Größenordnung von 100 000 Mark, was angesichts des bisherigen Gesamtinvestitionsvolumens von 1,1 Millionen Mark nicht übertrieben hoch erscheint.

An zweiter Stelle ist die Umstellung der PC-Arbeitsplätze auf das X-Window-Konzept geplant, wodurch im Gegensatz zu der bislang genutzten - leider nicht vollständig implementierten - Tektronix-Emulation der Zugriff auf einen erheblichen größeren Pool grafisch orientierter Software möglich wird. Außerdem ergibt sich damit als Nebenprodukt ein verbesserter Bedienungskomfort.

Die hierfür erforderlichen Änderungen an den PCs umfassen nach bisherigen Schätzungen die Erweiterung des Arbeitsspeichers um jeweils 1 MB, außerdem den Einbau von VGA-Karten mit einem geschätzten Aufwand von 600 Mark pro Arbeitsplatz. Hier erweist sich das Konzept der auf PCs basierenden Arbeitsplätze mit ihrer inhärenten Flexibilität und kostengünstigen Erweiterbarkeit als außerordentlich vorteilhaft.

Schließlich ist eine erhebliche Erweiterung der Ausbildungsrechenanlage unverzichtbar. Da ein Zweischichtenbetrieb aus den genannten Gründen nicht realisierbar ist, müssen schon kurzfristig zusätzliche Arbeitsplätze nach dem bewährten Muster eingerichtet werden, um wenigstens die Studenten höherer Semester vom Massenbetrieb des Grundstudiums abzukoppeln.

Die in der Prüfungsordnung festgeschriebene Ausbildung in der Methode der Finite Elemente verlang darüber hinaus zwingend einen Hochleistungsrechner, wenn mit industriebewährter Software unter realistischen Bedingungen ausgebildet werden soll. Unter dem Aspekt einfacher Systemwartung und der vorhandenen Hardware kommt hierfür nur ein Supercomputer auf der Basis der Sparc-Technologie in Frage, der wie zum Beispiel der FPS-Rechner System 500 mit einem Vektorprozessor ausgestattet werden kann und in der Lage ist, eine größere Anzahl von Benutzern gleichzeitig mit kurzen Antwortzeiten zu versorgen.