| Peter Luksch |
Computational Prototyping bezeichnet den rechnergestützten Entwurf eines digitalen Prototypen und die Untersuchung von Eigenschaften dieses virtuellen Produkts durch Simulation. Die meisten Anwendungen, die im Rahmen der obengenannten Projekte parallelisiert werden, fallen in diesen Bereich, z.B. Strömungssimulation, strukturmechanische Berechnungen, Digital Mockup. Langfristiges Ziel ist die Integration unterschiedlicher Simulatoren in einer Problemlösungsumgebung. Strategien dieses Ziel zu erreichen, sind in meiner Habilitationsschrift beschrieben.
Kooperative Arbeitsumgebungen im Computational Prototyping unterstützen die Arbeit multi-disziplinärer Entwurfs-Teams. Räumlich voneinander entfernte Team-Mitglieder werden in die Lage versetzt, gemeinsam Ergebnisse einer laufenden Simulation zu betrachten, zu diskutieren und Simulationsparameter zu steuern. In Kooperation mit Prof. Vaidy Sunderam, Department of Math and Computer Science, Emory University, Atlanta, GA, USA, wird eine prototypische kooperative Simulationsumgebung entwickelt, die auf Ergebnissen früherer Projekte aufbaut: CCF, OViD und dem im Rahmen des Projekts SEMPA parallelisierten Strömungssimulationspaket ParTfC.
MethWerk ist ein Verbundprojekt mit der Firma MTU Aero Engines GmbH und dem DLR Institut für Antriebstechnik, das im Rahmen des Kompetenznetzwerks für Technisch-Wissenschaftliches Hoch- und Höchstleistungsrechnen in Bayern (KONWIHR) gefördert wird. Nachfolgend sind die Forschungsschwerpunkte des Projekts zusammengefaßt.
Der Entwurf komplexer Produkte (etwa im Maschinenbau, der Automobilindustrie oder dem Flugzeugbau) erfordert in immer stärkerem Maße eine enge Kooperation zwischen Experten unterschiedlicher Disziplinen. Diese arbeiten meist in verschiedenen Organisationen und sind geografisch verteilt. Als zentrales Entwurfswerkzeug hat sich die rechnergestützte Simulation fest etabliert, z.B. CFD, CSM, Digital Mockup. Durch Parallelisierung konnte die Leistungsfähigkeit der Simulatoren erheblich gesteigert werden. Verteilte Entwurfteams benötigen neben den gängigen Funktionen kooperativer Arbeitsumgebungen, wie Chat, Whiteboard, Audio/Video, vor allem die Möglichkeit gemeinsam und koordiniert auf Simulationsergebnisse zugreifen und die Simulation interaktiv steuern zu können.
Die Anforderungen an eine kooperative Simulationsumgebung lassen sich derzeit nur sehr vage formulieren. Unser Ansatz besteht deshalb darin, zunächst auf der Grundlage früherer Projekte einen Prototypen mit elementarer Funktionalität zu entwickeln. Das parallele Strömungssimulationsprogramm ParTfC bzw. dessen Weiterentwicklung CFX-5 wird unter Verwendung der Ergebnisse der Projekte CCF und OViD zu einer kooperativen Arbeitsumgebung für die Strömungssimulation erweitert. Anhand des Feedback von Nutzern des industriellen Strömungssimulationsprogramms soll die kooperative Funktionalität des Systems entsprechend den Anforderungen der Praxis erweitert werden.
Das Projekt EPaCTS (Efficient Parallelisation of Crash Test Software) optimiert die Laufzeiteffizienz eines parallelisisierten industriellen Crash Simulators (Strukturmechanik). Der Simulator wird in der Automobilindustrie eingesetzt um das Unfallverhalten neuer Automodelle zu untersuchen. Die Parallelisierung basiert auf dem SPMD Modell und der Partitionierung des räumlichen Gitters. Die Berechnung besteht aus zwei Hauptteilen: der Finite Element Analyse und der Kontaktbehandlung. Leistungsanalysen ergaben gute Lastbalancierung bei der Finite Element Analyse aber große Lastungleichheit bei der Kontaktbehandlung. Hoher Rechenaufwand für die Kontaktbehandlung entsteht in den Zonen starker Verformung. Die Lastverteilung kann daher nur schwer vorhergesagt werden. Leistungsmessungen haben ergeben, daß ungleiche Lastverteilung die Hauptursache für die begrenzte Skalierbarkeit des parallelen Programms sind. Deshalb ist zur Effizienzsteigerung dynamischer Lastausgleich nötig. Dazu wurde das Programmiermodell der Virtuellen Arrays (VA) definiert. Es stellt eine Abstraktion oberhalb der Message Passing bzw. Shared Memory Schicht bereit, die auf die Bedürfnisse feldbasierter Berechnungen zugeschnitten ist.
Weitere Information: Projekt Home Page
In der dritten Förderphase des Bayerischen Forschungsverbund für technisch-wissenschaftliches Hochleistungsrechnen (FORTWIHR) werden im TP 6 in Kooperation mit den Firmen Tecoplan AG, BMW AG, dem Lehrstuhl Informatik V der TUM und dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik (LSTM) der Universität Erlangen-Nürnberg Methoden zur Produktivitätssteigerung im digitalen Prototyping durch Interoperabilität von CAx und numerischer Simulation sowie Parallelverarbeitung entwickelt. In Kooperation von LRR-TUM und Tecoplan AG wurde der Digital Mockup Server, die rechenintensivste Komponente von Tecoplan's Software Paket Virtual Workshop, parallelisiert. Diese Software ermöglicht Paßformprüfungen sowie Ein-/Ausbau-Simulationen an einem digitalen Prototypen.
Das vom BMBF geförderte Verbundprojekt SEMPA (1995-1998) entwickelte Software Engineering Methoden zur Parallelisierung komplexer wissenschaftlich-technischer Anwendungen. Diese Methoden wurden bei der Parallelisierung des industriellen Strömungssimulationspaketes TfC erfolgreich evaluiert. Das parallele Strömungssimulationsprogramm wurde von unserem Projektpartner AEA Technology weiterentwickelt und 1999 in die Produktlinie CFX integriert. Außerdem entwickelte das Projekt ein Ressourcenverwaltungssystem für heterogene Workstation-Netze.
Weitere Information: Projekt Home Page, Abschlußbericht.
Das vom BMBF geförderte Verbundprojekt PAR-CVD (1995-1998) entwickelte Verfahren zur Simulation von Dampfabscheidungsprozessen in Reaktoren zur Halbleiterherstellung. Im Rahmen des Projekts wurde am IAM ein Navier-Stokes Löser auf Basis Dünner Gitter entwickelt. In Kooperation von IAM und LRR-TUM wurde die Bibliothek der Dünngitter-Operatoren parallelisiert, auf die sich der Löser stützt. Damit ist die Grundlage für die parallele Ausführung anderer Verfahren gegeben, die sich auf dieselben Finite Differenzen Operatoren stützen.
Weitere Information: Projekt Home Page, Abschlußbericht.
Die IEEE Computer Society Task Force Cluster Computing (TFCC) wurde 1999 gegründet. Sie bildet ein Forum für die Förderung der Nutzung von Workstation-Clustern als kosteneffektive parallele Rechenplattformen. Ich bin Koordinator der Technical Area (TA) Software Engineering, einer von 16 TAs der TFCC.
