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22.02.1991 - 

Supercomputer im industriellen Einsatz

Number-Cruncher bringen die bessere Kosten-Nutzen-Relation

22.02.1991

Als Spezialisten unter den Großrechnern erobern sogenannte Supercomputer nicht nur wissenschaftliche Institute und Forschungszentren, sondern kommen auch in den Entwicklungsabteilungen von Industrieunternehmen immer öfter zum Einsatz. Besonderer Beliebtheit erfreuen sie sich in der Flugzeug- und Kraftfahrzeugentwicklung. Schließlich stehen hier Probleme aus der Strömungsmechanik und -dynamik genauso auf der Tagesordnung wie komplizierte Struktur- und Festigkeitsberechnungen.

Auf diesen Gebieten stellen mit Vektorprozessoren ausgestattete Superrechner offenbar die kostengünstigste Lösung dar.

Die Dornier Luftfahrt GmbH setzt ihren Supercomputer unter anderem im Bereich Flug zeugkonstruktion und Raumfahrttechnik zur Berechnung strömungsmechanischer und aerodynamischer Probleme ein. "Wir haben beispielsweise Strömungsberechnungen am europäischen Spaceshuttle Hermes durchgeführt", berichtet Bernhard Wagner, Leiter der Aerodynamik bei Dornier.

Verkauf einiger Software als zweites Standbein

Seine Abteilung, so Wagner weiter, übernimmt aber auch Fremdaufträge - beispielsweise aus der Automobilindustrie: "Da geht es in erster Linie um das Verständnis der Basis-Strömungsmechanismen.- Dabei sei der berühmt-berüchtigte CW-Wert nur ein Punkt, für den man allein "nicht einen solchen Aufwand betreiben würde".

Ein weiteres Bein, das der Abteilung Aerodynamik kostendeckendes Arbeiten ermöglicht, ist die Weitergabe selbstentwikkelter Software: "Natürlich wird ein Großteil der Programme im Rahmen der Projektarbeit entwickelt, dafür gibt es bei uns keine Basisfinanzierung."

So teste man zur Zeit für Automobilhersteller ein bestimmtes Programm, das nach der Pilotphase an den Hersteller weitergehe.

Wagners Team, das aus rund 15 Mitarbeitern besteht, rechnet auf einer C220. Dabei handelt es sich um eine Zwei-Prozessor-Vektormaschine der Firma Convex, die eine Spitzenleistung von 100 Mflops (Million Floating Point Operations per Second) aufweist und deren Betriebssystem Convex-OS auf Unix basiert, das nach Herstellerangaben mit folgenden Ergänzungen für Supercomputer ausgestattet ist:

- Posix-1003.1-Übereinstimmung, die eine leichte Portierung von Programmen ermöglichen soll.

- Disk Stripping, mehrere Platten werden gleichzeitig beschrieben und gelesen, was den Datentransfer erhöhen soll.

- Virtuelles Betriebssystem, um auch sehr große Applikationen berechnen zu können.

- Dynamic I/O Buffer Cache; Schreibbefehle auf Platte werden nur dann ausgeführt, wenn sie wirklich notwendig sind, der vorhandene Hauptspeicher soll so optimal ausgenutzt werden.

- Page Locking; eine Anwendung wird während ihrer Ablaufdauer fest im Hauptspeicher gehalten.

- Shared Memory; mehrere Benutzerprozesse können auf den gleichen Hauptspeicher zugreifen und sind somit effizienter in der Interprozeß-Kommunikation.

- Operator Shell; ein Bediener kann die notwendigen System-Routinetätigkeiten ausführen, ohne alle Systemprivilegien besitzen zu müssen.

- ANSI-Magnetband-Bedienung.

Obwohl im gleichen Haus untergebracht, wird das Rechenzentrum, in dem die Maschine steht, nicht von Dornier, sondern von der Debis GmbH betrieben, einer Tochter der gemeinsamen Mutter Daimler-Benz AG, die es Anfang 1990 für angebracht hielt, ihre Rechenzentren in ein eigenes Unternehmen auszulagern. Außerdem plant Wagner, DEC-Station-5000-Systeme als Workstations für seine Abteilung einzuführen. Diese Computer fungieren dann als Ein- und Ausgabesysteme für den Superrechner und als Grafikplattform für Preund Postprocessing-Programmsysteme.

Bei der Programmentwicklung benutzen die Entwickler im Hause Dornier Fortran. "C kommt aber als Alternative auch in Frage", erklärt Wagner. Viele der Programme müssen selbst geschrieben werden, weil es in bestimmten Fachbereichen keine geeignete kommerzielle Software gibt.

CPU-intensive Rechnungen auf Mainframes zu teuer

Trotz der enormen Rechengeschwindigkeit des Computers und der Möglichkeit, mit speziellen Berechnungsverfahren beispielsweise Flugzeugkonstruktionen beziehungsweise Änderungen daran auf ihre Tauglichkeit hin zu überprüfen oder zu optimieren, erwartet Wagner keine "Revolutionen". Er spricht von "evolutionären Schritten", die durch den Einsatz dieser modernen Methoden schneller, billiger und zum Teil auch optimaler getan werden können.

Den größten Vorteil eines Superrechners sieht er im besseren Preis-Leistungs-Verhältnis: "Wenn man solche CPU-intensiven Rechnungen auf einem General-purpose-Rechner durchführen würde, dann wäre das viel zu teuer." Für eine Rechenstunde auf der Convex bezahlt seine Abteilung etwa 200 bis 250 Mark, erklärt er. Das sei viel günstiger als bei einem normalen Mainframe,

wo nicht nur ein Obulus für die CPU-Beanspruchung entrichtet werden müsse, sondern auch die Zahl der Zugriffe, Spooling, Output und Speicherplatzbelegung in die Kosten einfließen würden.

Wolfgang Schmidt, Leiter des Ressorts "Entwicklung Flugzeugtechnik" bei der Messerschmidt-Bölkow-Blohm GmbH, ist ebenfalls von der Preiswürdigkeit der Supercomputer überzeugt: "Solche Rechner sind die ideale Ergänzung zur General-purpose-Maschine bei günstigerem Preis-Leistungs-Verhältnis. Es muß nicht immer schneller sein, solange die Anwendung billiger ist. Bei gleichem Preis können Sie detailliertere und genauere Ergebnisse durch feinere Auflösung (mehr Netzpunkte) erreichen."

Schmidt weiß, wovon er redet, schließlich rechnen etwa 50 seiner rund 600 Mitarbeiter gleich auf drei verschiedenen Number-Crunchern, einer Cray, einer Convex und einer Fujitsu i VP 200. Das zum Teil aufwendige Pre- und Postprocessing erledigen IBM-RS6000- und DEC-Station-5000-Systeme. Die Superrechner selbst gehören nicht MBB, sondern befinden sich in verschiedenen Rechenzentren der Debis (MBB ist seit 1990 ebenfalls eine Tochter der Daimler-Benz AG), die die Rechenzeiten bereitstellt. "Allerdings erledigen wir die CAD-Arbeiten unter Nutzung von ,Catia' auf einer IBM 3090", berichtet Schmidt. Damit sind die mathematischen Modelle gemeint, die ein zu untersuchendes Objekt darstellen. Außerdem fungiert der Mainframe als zentrale Datenbank, von der die anderen Rechner ihre Informationen beziehen.

Eingesetzt werden die Rechengiganten bei MBB für Strömungsberechnungen, Strukturberechnung und -optimierung sowie für Signaturberechnungen. "Vereinfacht gesagt handelt es sich bei letzterem um Verfahren, mit denen wir ermitteln können, welche Radar- oder Infrarot-Antworten bestimmte Objekte geben. So versuchen wir, die Frage zu beantworten, wie man ein Flugzeug bauen muß, damit es eine möglichst geringe (Radar-)Rückstrahlung aufweist." Außerdem geht es seiner Abteilung, so Schmidt weiter, auch um Festigkeitsberechnungen für Bauteile. Für vorgegebene Belastungen sollten alle Bauteile aus Gewichts- und Kostengründen unter Einhaltung von Sicherheitsfaktoren dimensioniert werden.

Beispielsweise habe man die Umströmung von "Sänger" im Hyperschall untersucht. Dabei existiert Sänger, ein luftatmender Raumtransporter, der wie ein Flugzeug aus der Horizontale starten können soll, bislang nur als Konzept. Um diese Berechnungen durchführen zu können, wurde allerdings die (zur Zeit vorliegende) Geometrie des Obiektes und eine Reihe von Flugzuständen wie Anstellwinkel und Machzahl in den Rechner gespeist. In der einige Stunden dauernden Berechnung eruierte man die gesamte Strömung - also Geschwindigkeit, Druck und Temperaturverteilung - auf und um das gesamte Objekt.

Genauso wie das Team von Bernhard Wagner besteht auch Schmidts Mannschaft in der Regel aus Ingenieuren und Mathematikern, die sich ihr Computerwissen selbst erworben haben. "Es sind technisch-wissenschaftliche Anwender, die Berechnungsverfahren entwickeln und Flugzeuge entwerfen", meint Schmidt. Dabei arbeiten die Entwickler ebenfalls mit Fortran als Basissprache. "Wir setzen C nicht in großem Maßstab ein, weil wir eine Sprache benötigen, die in IBM-, DEC-, Fujitsu-, und Convex-Umgebungen gleichermaßen funktioniert." Als Argument für Fortran kommt für den Ressortleiter noch die Tatsache hinzu, daß "alle verfügbaren älteren Programme - in dieser Sprache geschrieben sind".

Auch für die Simulation dynamischer Vorgänge

Bei Peter Reipert, Leiter der Abteilung Berechnungen und Systeme der Firma Kolbenschmidt AG, stehen Festigkeits- und Temperaturfeldberechnungen an ihrem Hauptprodukt noch als einzige Einsatzgebiete auf der Tätigkeitsliste des Superrechners. "Wir wollen ihn in Zukunft auch für die Simulation dynamischer Vorgänge wie Kolben- oder Ringbewegungen einsetzen", berichtet er. Bei dem schwäbischen Kolbenhersteller dessen Produkte in Schiffsmotoren genauso ihren Dienst tun wie in den neuen 12-Zylinder-Motoren von BMW, ist die mit einem Prozessor ausgestattete Convex 210 erst seit September vergangenen Jahres im Einsatz und deshalb noch nicht voll ausgelastet.

Vorher arbeitete man bei Kolbenschmidt mit einer IBM 3090, deren Prozessoren allerdings nicht mit Vektor-Features ausgestattet waren. "Der Supercomputer berechnet die Sachen eindeutig schneller und damit billiger. Außerdem würden bei der Durchführung solch gewaltiger Rechnungen auf einem Mainframe der gesamte übrige Rechenbetrieb zum Erliegen kommen", erklärt Reipert. Die 1,6 Millionen Mark teure Maschine ist dem Abteilungsleiter zufolge über Ethernet und TCP/IP-Protokoll mit dem IBM-Host verbunden. Als Ein-Ausgabe-Einheiten sollen in Zukunft RS6000-Systeme der Modelle 520 und 530 fungieren.

Das Zehn-Mann-Team rund um Reipert muß zu der gekauften Standardsoftware Erweiterungen schreiben, damit sie auf das spezielle Einsatzgebiet paßt. "Ein Kolbenbewegungsprogramm gibt es auf dem Markt eben nicht", meint er lakonisch.

Durch den Einsatz des Rechners, der in dieser Konfiguration rund 50 Mflops bietet, ist nach Reiperts Dafürhalten bereits heute eine "wesentliche" Qualitätsverbesserung zu verzeichnen: "Dabei ist besonders wichtig, daß die Entwicklungszeit kürzer wird, weil wir weniger Fehlschüsse machen. Zudem können neue Wege vorher simuliert und so neue Konstruktionen abgesichert werden."

Markteinstieg nur über große Stückzahlen möglich

Schließlich produziere man Kolben für völlig unterschiedliche Einsatzgebiete, die erhebliche Konstruktionsunterschiede aufweisen würden. Reipert: "Es handelt sich sowohl von der Geometrie als auch von der Physik her um ein schwieriges Produkt."

Genauso wie die anderen Anwender hat sich Reipert nicht für ein massiv-paralleles, sondern für ein Vektorrechner-Konzept entschieden: "Als vor anderthalb Jahren die Entscheidung anstand, waren die anderen Konzepte noch nicht so weit, als daß sie für uns in Frage gekommen wären."

Wolfgang Schmidt von MBB erläutert die Entscheidung für Vektorrechner ähnlich: "Wir verfolgen die Entwicklung der massiv-parallelen Rechner mit sehr großem Interesse, sehen aber noch Schwierigkeiten hinsichtlich der eingesetzten Betriebssysteme, der Compiler und der Verwendungsmöglichkeiten bereits existierender Software. Die Parallelrechner haben den Schritt weg von ganz speziellen Einsatzbereichen hin zu etwas breiteren Aufgaben noch nicht vollzogen. Ich würde in den nächsten drei bis fünf Jahren keine solche Maschine für Routinearbeiten einsetzen." Superrechner haben seiner Meinung nach prinzipiell nur dann eine Chance auf größere Verbreitung, wenn es ihre Hersteller schaffen, die Industrie "in ihrer ganzen Breite anzugehen". Der Einstieg in diesen Markt funktioniere eigentlich nur über große Stückzahlen, hohe Verbreitung, guten Produktsupport und eine ausgezeichnete Betriebssystem-Software. Und das traut Schmidt den meisten derjenigen Firmen, die an Parallelrechner-Konzepten arbeiten, heute noch nicht zu.