Workstations und Grafik für die parallele Produktentwicklung

Perleffektlack, Chrome und Aluminium – Schatten, Glas und Sonnlicht, das ganze in hoher Auflösung auf die Rückprojektionswand verteilt – wenn Produkte heute zu virtuellem Leben erwachen, sind Ingenieurskunst, Kreativität und Hardware am Werk. Hardware bedeutet eine Workstation oder gar ein Server-Verbund – alles Rechner. In den Rechnern spielen seit Jahren die Komponenten Hauptprozessor und Grafikkarte wichtige Rollen.
Dabei steigt der Reifegrad zusehends: In den 1990ern reichte es, wenn die CAD-Workstation 3D-Modelle als Drahtgitter oder schattiert auf den Monitor brachte, zehn Jahre später folgten verbesserte Schattierungen und erste Lichteffekte. Heute lassen sich realitätsnahe Modelle im perfekt ausgeleuchteten 3D-Raum drehen, wenden, hin- und herbewegen, ohne dass die Grafik ruckelt.
Möglich machen das Funktionen wie Ambient Occlusion (Umgebungsverdeckung). Sie schafft in Echtzeit realistische Schatten. Um durchsichtige Objekte wirklichkeitsgetreu darzustellen, unterstützen moderne Grafikkarten die Reihenfolgeunabhängige Transparenz (Order Independent Transparency – OIT).
Solche Funktionen basieren nicht etwa auf dem so genannten Raytracing, bei dem man einzelnen Lichtstrahlen (rays) folgt und deren Brechung und Absorbtion an den virtuellen Körpern berechnet. Sie bauen vielmehr auf statistische Werte und laufen dadurch deutlich schneller. Im Ergebnis können sich diese Echtzeiteffekte durch gestiegene Rechenleistungen und Weiterentwicklungen bei den Algorithmen mit Offline-Techniken wie dem Raytracing messen.

Rechnen auf der Grafikkarte

Eine einzelne Grafikkarte erreicht heute Leistungen, die ein kompletter Supercomputer um die Jahrtausendwende erbrachte. Denn auf einem Grafikchip (GPU – Graphics Processing Unit) finden sich mittlerweile hunderte oder gar tausende einzelne Rechenkerne. Zum Vergleich: ein aktueller Hauptprozessor (CPU) kommt auf 12 Kerne.
Damit sind Grafikchips bestens für parallele Berechnungen geeignet und arbeiten Simulationen und Visualisierungen (auch mittels Raytracing) schneller ab als die CPU. Neben der eigentlichen Aufgabe, Effekte und Modelle möglichst realistisch darzustellen, erledigen Grafikprozessoren deshalb zunehmend weitere Aufgaben im Rechenverbund von GPU und CPU.
Eine GPU unterstützt zwei Arten Gleitkommaoperationen: solche einfacher und solche doppelter Genauigkeit. Beim Raytracing handelt es sich in der Regel um Operationen einfacher Genauigkeit, während es bei FEM- oder CFD-Simulationen vorwiegend um Operationen doppelter Genauigkeit geht.
Wichtig an dieser Stelle ist, dass die GPU dabei nicht die CPU ersetzt. Beim Rendering beispielsweise startet und organisiert die CPU die Rechnung und lagert nur rechenintensive, parallelisierte Operationen auf die GPU aus. Die Rechnung läuft dadurch von wenigen Prozent bis zu zehn-, hundert- oder gar tausendmal schneller. Aber es geht nicht nur um den Zeitgewinn.
Eine CPU ist der Allzweckprozessor, auf dem Betriebssystem und Applikationen laufen. Macht er dies ohne weitere Unterstützung, bildet sich ein Flaschenhals. Sobald eine Software hohe Rechenleistung fordert, ruckeln Bilder, und Programme hängen schon beim Öffnen. Wenn die CPU aber rechenintensive Aufgaben auf die GPU verlagert, kann das System beispielsweise einen Render-Lauf oder eine Simulation berechnen, während der Anwender weiter produktiv im CAD-System arbeiten kann.

High End für Desktop und Server

AMD bietet professionelle Grafikkarten in unterschiedlichen Leistungsklassen – von der einfachen Grafikkarte für die Desktop-CAD-Workstation bis hin zu High-End-Karten wie die FirePro S10000, die zwei GPU auf einer Karte vereint und im Super-Computer-Server-Verbund Simulations- und Rendering-Prozesse übernimmt.
Die meisten modernen Grafikkarten bieten bei Operationen einfacher Geschwindigkeit eine hohe Leistung. Jedoch sind nicht alle Karten, die auf 3D-Grafik ausgelegt sind, auch für Operationen doppelter Genauigkeit und damit für Simulationen optimiert. Insbesondere gilt das für Modelle der Einsteiger- und Mittelklasse.
Die Leistung eines Prozessors lässt sich messen, indem man feststellt, wie viele Operationen er in einer Sekunde ausführt (FLOPS – floating-point operations per second). Eine Oberklasse-GPU bringt heute Werte von einigen Tera-FLOPS. Wollte man mittels aktueller Mehrkern-CPU einen solchen Wert erreichen, wäre eine sehr große Zahl Prozessoren nötig. Das zeigt, wie leistungsfähig aktuelle GPU sind. Knackpunkt sind aber auf die Anwendung zugeschnittene Treiber, die diese enorme Rechenleistung ausreizen zu können.
Auch der Arbeitsspeicher muss mitspielen und das komplette Rechen-Ergebnis aufnehmen können. Ist der Speicher voll, muss die Aufgabe manchmal sogar komplett abgebrochen und erneut gerechnet werden. Gerade FEM-Berechnungen erzeugen große Datenmengen, aber auch beim Rendern von Bildern mit Texturen, die echte Materialien wie Holz, Gummi oder Chrome nachempfinden, ist der Speicher und dessen Anbindung bei einfachen Systemen überfordert.

Supercomputer für den Schreibtisch

Eine Kombination für den Schreibtisch, mit der sich die Vorteile der parallelen Prozesse nutzen lassen, ist beispielsweise eine AMD-FirePro-W7000-GPU in einer Fujitsu-
Celsius-M730-Workstation. Alle Grafikkarten der AMD-FirePro-W-Serie und auch die M730 unterstützen den schnellen Standard PCI Express 3.0 zur Anbindung der GPU. Die Firepro W7000 bietet 4 GByte DDR5-RAM und erreicht mit seinen 1.280 Kernen bei einfacher Genauigkeit 2,4 Tera-FLOPS und bei doppelter noch 152 Giga-FLOPS. Noch leistungsfähiger sind die W8000 und die W9000. Die AMD FirePro W9000 kommt mit 6 GByte Speicher auf 4 bei einfacher beziehungsweise 1 Tera-FLOPS bei doppelter Genauigkeit.
Aber schon die W7000 verwandelt die Celsius-M730-Workstation in einen Rechner für High-End-3D-CAD, Simulationen und Rendering an der sich bis zu vier Schirme anschließen lassen. Um die Rechenleistung ausnutzen zu können, müssen auch die weiteren Komponenten mitspielen – in der M730 arbeitet eine Intel-Xeon-E5-CPU mit bis zu 12 Kernen, unterstützt von bis zu 128 GByte Arbeitsspeicher.

Software im Zusammenspiel

Neben der Hardware muss auch die Software mitspielen und die Funktionen der Grafikkarte und Workstation wie OIT oder Ambient Occlusion nutzen. Deshalb arbeiten die Hardwarehersteller sehr eng mit Firmen wie Siemens PLM, Dassault Systems und PTC zusammen.
Beispielsweise wurden PTC Creo und
SolidWorks auf die FirePro W7000 abgestimmt und zertifiziert. Das hat in der Praxis den Vorteil, dass sich der Nutzer sicher sein kann, dass die Software die Funktionen der Grafikkarte voll ausschöpft.

Entscheidend für den Kauf

Mit den neuen Grafikchips muss sich beim Kauf einer Workstation die Sichtweise ändern. Sollten bis dato Simulation oder Rendering ausgeführt werden, bedeutete das meist zwangsläufig, eine zweite CPU einzukalkulieren oder diese auf einen Server oder einen Server-Verbund auszulagern. Alternativ haben aktuelle Workstations – dank Multikern-Architektur und Zusatzfunktionen der Grafikchips – die Fähigkeit, hochwertige 3D-Darstellung und Berechnungen parallel abzuarbeiten.  Ein integrierter Workflow ist so je nach Anforderung auch auf einem Desktoprechner mit entsprechender Grafikkarte möglich, sinnvoll und wirtschaftlich.