Research & Innovation

HPC beschleunigt die Produktentwicklung

Auch KMUs profitieren von High-Performance-Computing. Maßgeschneiderte HPC-Pakete richten sich individuell nach den Anforderungen und Kostenkalkulationen des jeweiligen Unternehmens.

08.02.2016 Thomas Weselowski
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HPC erlaubt Unternehmen beispielsweise aufwendige Testverfahren virtuell und flexibel durchzuführen. (Foto: Oleksiy Mark / Shutterstock.com)

Podukttests simulieren

Ohne eine digitale Produktentwicklung und deren präzisen Simulationen kommt kein Unternehmen in der Automobilindustrie und im Maschinenbau mehr aus. Die Entwicklungsschritte und -prozesse in den Konstruktions-, Entwicklungs- und Testphasen werden zunehmend digital dargestellt – aus naheliegenden Gründen: Für Material- und Produktanalysen – beispielsweise Crashtests – mussten früher mehrere physikalische Prototypen teuer und aufwendig hergestellt werden. Heute werden diese Testschritte wesentlich kostengünstiger am Rechner simuliert.

Zudem erhöhen sich Flexibilität und Innovationskraft, da sich eine Vielzahl von Varianten mit unterschiedlichen Prototypen schnell und mit beliebigen Wiederholungen durchspielen lässt. Kein Wunder also, dass auch Unternehmen anderer Branchen zunehmend auf High-Performance Computing (HPC) setzen, um die Entwicklung ihrer Produkte zu beschleunigen.

Während im wissenschaftlichen Umfeld Systeme mit Tausenden von Rechnern durchaus die Regel sind, kommt die Industrie meist mit kleineren Installationen aus. Deren Leistung ist aus Kostengründen vor allem dafür konzipiert, viele verschiedene Aufgaben oder mehrere Alternativen derselben Fragestellungen gleichzeitig zu erledigen.

Wie groß eine Installation sein muss, das bestimmen letztendlich die Effizienzberechnungen sowie die Geschwindigkeitsbedürfnisse der Unternehmen. Bei der Hochrechnung dieser Leistungsanforderungen können erfahrene HPC-Anbieter sowohl durch valide Kalkulationen als auch durch Erfahrungswerte unterstützen.

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(Foto: com! professional)

Passende Lösungen für HPC-Systeme finden

Obwohl die Hardware der meisten Supercomputer zu großen Teilen auf Standardkomponenten basiert, lässt HPC keine Standardlösungen zu. Die Installationen müssen sich an den teilweise sehr komplexen Anwendungen orientieren, die spezielle Konfigurationen und Interconnect-Anordnungen erfordern. Hinzu kommen die individuellen Eigenheiten spezifischer Umgebungen wie die Energieversorgung oder die Kühlung.

Dafür ist eine adäquate, skalierbare Hardware notwendig, die sich flexibel in eine Infrastruktur integrieren lässt. Sie sollte ein breites Spektrum an Anwendungen verarbeiten können und mit allen weiteren Komponenten der vorhandenen Infrastruktur Hand in Hand gehen.

Je weitreichender HPC-Systeme auf gängigen Komponenten beruhen, desto leichter fallen die Integration sowie die Wartung und Pflege der Systeme.

Die Umstellung auf Hochleistungssysteme mit mehreren Prozessorkernen verlangt, dass auch die verwendete Software eine Parallelverarbeitung und damit eine Verteilung der zu bewältigenden Aufgaben über viele gleichzeitig arbeitende Prozessoren unterstützt.

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Chancengleichheit: Mit der Cloud ist High-Performance Computing auch für KMUs erschwinglich. (Foto: Forschungszentrum Jülich)

Den Anwendern stellt sich die Aufgabe, einen höheren Grad an Parallelität in der Software zu realisieren, immer hybridere Konfigurationen zu integrieren und zunehmende Heterogenität zu bewältigen. Die gängige Standardsoftware ist meist durch die Hersteller vorkompiliert. Anwender haben daher nur wenige Möglichkeiten für ein individuelles „Tuning“ der Anwendungen, da sie nicht auf den Quellcode zugreifen können. Deshalb sind hier neben Expertenwissen auch entsprechende Tools gefragt, um die optimale Leistung aus HPC-Umgebungen herauszuholen.

HPC-Welt auch für kleinere Unternehmen

Für Konzerne oder größere Mittelständler ist der Aufbau einer eigenen HPC-Infrastruktur ausgesprochen attraktiv, da sich die Kosten zügig amortisieren. In der Automobilindustrie haben die meisten OEM-Hersteller wie Daimler, Porsche oder BMW bereits vor Jahrzehnten eigene HPC-Strukturen installiert, um ihre Prozesse zu optimieren. Die großen Zulieferer halten, wie viele andere Mittelständler im oberen Segment, bei der Einführung der Hochgeschwindigkeitstechnologie mit.

Für kleinere oder mittelgroße Unternehmen dagegen ist eine eigene HPC-Infrastruktur mit Blick auf die Kosten wenig interessant. Da sie meist nur wenige Ingenieure beschäftigen, die für ihre Aufgaben rechenintensive Software einsetzen, vertrauen viele Unternehmen auf klassische Workstations. Diese können jedoch naturgemäß nicht mit der Rechenleistung von HPC-Systemen mithalten. Dadurch dauern die Berechnungsprozesse länger. So lassen sich in einer Entwicklungsumgebung weniger unterschiedliche Fälle und Verfahren durchspielen. Markteinführungen verlangsamen sich und die Wettbewerbsfähigkeit steht auf dem Spiel.

Spezialisierte IT-Dienstleister bauen Mittelständlern eine Brücke zur Technologie der Zukunft: In maßgeschneiderten Paketen liefern sie die notwendige Hardware sowie die passenden IT-Dienstleistungen, Lösungen und Software für die effiziente Nutzung komplexer Rechnerumgebungen in Forschung, Entwicklung und Kalkulation. Der Bedarf an eigenen IT-Experten – auf dem leergefegten Markt für qualifizierte Fachkräfte ohnehin kaum zu finden – entfällt dadurch. Als Alternative zu Cloud- oder Remote-Diensten lässt sich die Hardware bei diesem Servicemodell auf Wunsch auch physikalisch beim Kunden installieren und vor Ort durch den IT-Dienstleister betreuen.

HPC-Lösungen sind individuell

Die HPC-Pakete richten sich individuell nach den Anforderungen und Kostenkalkulationen der KMUs. Dazu zählen unter anderem die Softwareprogramme, die auf einer HPC-Plattform eingesetzt werden, sowie die Art und das Volumen der Rechenjobs, die erledigt werden sollen.

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(Foto: Atos)

Hinzu kommen die notwendigen Datenspeicher, die genügend Kapazitäten bieten müssen, um den Bedarf für die jeweiligen Rechenjobs zu decken. Zugleich benötigen sie ein ausreichendes Maß an Skalierbarkeit, um bei Bedarf ohne großen Aufwand mit dem anfallenden Datenvolumen wachsen zu können.

Für Unternehmen hat dieser IT-Service den Vorteil, dass sie sich nicht um eine IT-Infrastruktur kümmern müssen, sondern sich vollständig auf ihr Kerngeschäft konzentrieren können. Die Dienstleister sorgen im Hintergrund für eine ausfallsichere, kostengünstige und effiziente Rechnerumgebung.

HPC in der Cloud: Opex statt Capex

Nach dem Motto "Rent a Supercomputer" bieten spezialisierte Dienstleister über die Cloud einen weiteren kostengünstigen Zugang zu HPC-Kapazitäten – unabhängig von Betriebsgröße und Branche. Unternehmen müssen deswegen keine aufwendigen Investitionen mehr in eigene Hardware tätigen und können den Cashflow und die Bilanz entscheidend entlasten, da zu bilanzierende Investitionskosten (Capex) in laufend abschreibbare Betriebskosten (Opex) umgewandelt werden. Zwischen dem Mittelstand und Großkonzernen schafft HPC as a Service gewissermaßen Chancengleichheit.

Die Kooperation von HPC-Anbietern mit führenden Softwareherstellern stellt zudem sicher, dass die Anforderungen zahlreicher Branchen über ein Online-Portal abgedeckt werden können. Anwender haben so einen geschützten Zugang zu HPC-Infrastrukturen und können ihre gesamten Arbeitsschritte eines Projekts darüber abwickeln.

Das Spektrum von verfügbaren Software-Anwendungen reicht dabei von der Datenintegration bis hin zur Visualisierung der Endergebnisse. In der Cloud entsteht auf diese Weise ein genaues Replikat einer Arbeitsumgebung, die über das Internet für den autorisierten Nutzerkreis jederzeit zugänglich ist. Dank HPC as a Service entdecken selbst Unternehmen, die nur sporadisch Computersimulationen benötigen, die Vorteile der Technologie für sich, da sie nur für die Rechenleistung zahlen, die sie tatsächlich brauchen.

Volle Bandbreite mit HPC as a Service

Wie viele andere Cloud-Dienste lässt sich HPC as a Service entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Kunden konfigurieren. In einer On-Demand-Version hat ein Anwender Zugriff auf HPC-Ressourcen, die nach Verbrauch abgerechnet werden. Bei diesem Modell wird die Infrastruktur von unterschiedlichen Nutzern gemeinsam verwendet. HPC on Demand ist daher eine kosteneffiziente Möglichkeit, bei Bedarf auf HPC-Plattformen zuzugreifen oder die eigene Infrastruktur in Spitzenzeiten um zusätzliche Kapazitäten zu erweitern.

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Managed HPC: In einem Service-Modell wird Hardware physikalisch beim Kunden installiert und vor Ort durch IT-Dienstleister betreut. (Foto: Atos)

Zudem lassen sich HPC-Ressourcen für einen bestimmten Zeitraum vorab reservieren und stehen dann ohne Einschränkung exklusiv zur Verfügung. Damit haben Unternehmen einen garantierten Zugriff auf Ressourcen und Rechenleistungen – und das zu Fixkosten. Diese Lösung bietet sich an, wenn für einzelne Projekte mehr CPU-Kapazitäten benötigt werden als lokal vorhanden sind.

Alternativ können sich Unternehmen eine individuelle und damit exklusive HPC-Cloud einrichten. In einer On-Premise-Variante wird diese im unternehmenseigenen Rechenzentrum installiert und betrieben. IT-Dienstleister übernehmen dabei die Einführung neuer Infrastrukturen, optimieren die vorhandenen Lösungen, setzen bedarfsgerecht individuelle Strukturen auf und harmonisieren die Prozesse.

Schließlich können Unternehmen die HPC-Cloud auch komplett von einem Dienstleister beziehen. Dafür wird die nötige Infrastruktur in einem sicheren Rechenzentrum exklusiv geplant, implementiert und von Experten des Anbieters betrieben. Der Zugang erfolgt über eine sichere Breitband- oder VPN-Verbindung. Mit dieser Service-Version lassen sich individuelle HPC-Umgebungen etablieren, die ausdrücklich an den Wünschen eines Unternehmens ausgerichtet sind. Je nach den vereinbarten Service Level Agreements werden Hochverfügbarkeit, hohe Performance sowie ein sicherer und permanenter Zugriff auf die Plattform garantiert.

Über diese Palette an Optionen können Kunden ihre Anforderungen bestmöglich abdecken. Zudem lassen sich die verschiedenen Service-Modelle miteinander kombinieren und der Aufbau hybrider Strukturen vereinfachen. Dadurch stehen jedem Anwender genau die Umgebung und Ressourcen zur Verfügung, die er für seine Arbeit benötigt. Darüber hinaus können die Rechenkosten Abteilungen oder Projekten zugeordnet werden, was die Transparenz erhöht und zu einer Kostenoptimierung führt.

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