Badania testów porównawczych: Optymalizacja testów zrzutowych za pomocą technologii Dell, Intel i Altair

Transkrypt

1 Badania testów porównawczych: Optymalizacja testów zrzutowych za pomocą technologii Dell, Intel i Altair Fredrik Nordgren, mgr inż. (magister inżynierii mechanicznej), inżynier aplikacji, Altair Eric Lequiniou, członek zarządu, systemy obliczeniowe dużej skali, Altair Martin Hilgeman, doradca w zakresie systemów obliczeniowych dużej skali, Dell Dell Część 1 1

2 Wprowadzenie Ocena zderzeniowa (inaczej testy zrzutowe) stanowi jeden z najważniejszych etapów projektowania i opracowywania produktów. Oprogramowanie umożliwiające symulowanie środowiska testowego pozwala znacznie ograniczyć koszty produkcji i skrócić czas wprowadzenia danego produktu na rynek. W wyniku współpracy firm Dell, Intel i Altair powstało rozwiązanie do obsługi wirtualnych testów zrzutowych udostępniające zintegrowane narzędzia analityczne do symulacji i optymalizacji, umożliwiając skrócenie procedur testowych i zwiększenie ich dokładności. Dzięki temu rozwiązaniu inżynierowie mogą przygotować więcej wersji projektu, co przekłada się na większą niezawodność i skuteczność produktu. Producenci mogą zatem znacznie skrócić czas przygotowania optymalnych projektów, poprawiając jakość produktów i skracając czas wprowadzenia ich na rynek. Wyzwanie: Zwiększenie szybkości i dokładności testów zrzutowych Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia ze smartfonem czy częściami samochodowymi, przed rozpoczęciem produkcji dowolnego produktu należy go przetestować pod kątem wytrzymałości na zderzenia. Zadaniem producenta jest zaprojektowanie i opracowanie takiego produktu, który jak najlepiej zniesie upadek, zgniecenie lub inną sytuację narażającą go na trwałe uszkodzenie. Oprogramowanie do obsługi symulacji testów zrzutowych umożliwia producentom przyspieszenie procedury testowania produktu, pozwalając na przygotowanie lepszego projektu i niwelując konieczność przeprowadzania testów fizycznych. Oprogramowanie takie udostępnia replikę fizycznego środowiska i materiałów z uwzględnieniem całej ich złożoności, obsługuje symulowanie zderzeń i upadków, a także rejestruje szczegółowe dane techniczne dotyczące wpływu danej sytuacji na produkt. Oprogramowanie tego typu stanowi stosunkowo sprawdzone rozwiązanie, ponieważ zapotrzebowanie na testy zrzutowe i narzędzia do ich obsługi sięgają początków modelowania samochodowych testów zderzeniowych. Jednak testy zderzeniowe telefonów mają specyficzne wymagania wynikające z tego, że należy uwzględnić dużo więcej części wykonanych z różnych materiałów i zmontowanych za pomocą różnych metod. Wszystko to należy dokładnie odzwierciedlić w modelowaniu w celu uzyskania odpowiedniej oceny potencjalnego uszkodzenia. Poza tym inżynierowie muszą ręcznie skonfigurować modelowanie i przetwarzanie końcowe, co zajmuje sporo czasu. Celem tego procesu jest uzyskanie wytrzymałego produktu odpornego na upadek pod dowolnym kątem oraz na obciążenia różnego typu (ściśnięcie przez ramę okienną, zgięcie, skręcenie itp.). Aby osiągnąć ten cel, trzeba przeprowadzić szereg symulacji z wykorzystaniem szybkiego, skalowalnego solvera oraz środowiska programowego umożliwiającego inżynierom przeanalizowanie różnych wariantów projektowych i uzyskanie wnikliwych informacji na temat fizycznego zachowania produktu w przypadku zderzenia. Ponadto inżynierowie potrzebują zintegrowanych, automatycznych rozwiązań z wbudowanymi niezbędnymi funkcjami (takimi jak optymalizacja) umożliwiającymi uproszczenie obsługi procesów i zredukowanie ryzyka wystąpienia błędów. 2

3 Rozwiązanie: Przyspieszenie symulacji testów zrzutowych dzięki oprogramowaniu firm Dell, Intel i Altair W ramach tych badań firmy Dell, Intel i Altair podjęły współpracę w celu przetestowania oprogramowania firmy Altair przeznaczonego do obsługi testów zrzutowych. Oprogramowanie zostało zainstalowane w klastrze Dell pracującym na procesorach marki Intel. Infrastruktura udostępniona przez firmy Dell i Intel pomaga przyspieszyć symulacje, zwiększając wydajność solvera analizującego zderzenia, RADIOSS. Solver działa w zaawansowanym klastrze Dell wyposażonym w najnowsze procesory Intel E5 v2. Solver ten stanowi strategiczny składnik rozwiązania Altair do symulowania testów zrzutowych. Obsługuje intensywne obciążenia obliczeniowe, dzięki czemu pozwala przeprowadzać złożone symulacje wykorzystujące imponujące możliwości wydajnego sprzętu i szybkich procesorów. Rozwiązanie Altair do obsługi testów zderzeniowych Automatyczne rozwiązanie Altair do obsługi testów zderzeniowych obejmuje pakiet zintegrowanych programów narzędziowych do optymalizacji wydajności, przepustowości i funkcjonalności: HyperWorks pakiet oprogramowania do modelowania, analizy i optymalizacji stanowiący kompleksowe rozwiązanie z zakresu obsługi testów zderzeniowych zawierające następujące składniki: o Produkt do wysokowydajnego wstępnego przetwarzania elementów skończonych (HyperMesh) umożliwiający opracowanie nawet największych modeli za pomocą wszechstronnego zestawu narzędzi do edycji geometrii, które pozwalają przygotować odpowiednie modele do utworzenia siatki o Solver do analizy strukturalnej (RADIOSS) używany od ponad 20 lat jako standardowy element motoryzacyjnych testów zderzeniowych i zapewniający najwyższą jakość, skuteczność i skalowalność. Korzystając z technologii AMS (Advanced Mass Scaling) solvera RADIOSS, jego użytkownicy mogą osiągnąć jeszcze wyższą wydajność. o Doskonałe wbudowane oprogramowanie do badania, aproksymacji i optymalizacji projektów (HyperStudy) obsługujące optymalizację kształtów, bezpośrednie określanie parametrów, eksplorację danych oraz udostępniające czytniki bezpośrednich wyników uzyskanych z solvera RADIOSS Oprogramowanie PBS Professional przeznaczone do zarządzania obciążeniami i planowania zadań obliczeniowych dużej skali, charakteryzujące się wysoką skalowalnością i funkcjonalnością sprawdzonymi w tysiącach firm w ciągu ponad 20 lat. Z wcześniejszych testów przeprowadzonych przez firmę Altair wynika, że to rozwiązanie (z włączoną technologią AMS solvera RADIOSS) umożliwia skrócenie czasu testów zrzutowych z 65 do 36 minut (czyli o 45%). Dla porównania w przypadku solvera konkurencyjnego proces ten trwał 64 minuty. Rozwiązania obliczeniowe firmy Dell dużej skali oparte na technologii firmy Intel Firma Dell udostępnia bazowe składniki systemu obliczeniowego dużej skali oraz gotowe rozwiązania umożliwiające firmom wykorzystanie wielkich możliwości wysokowydajnych technologii obliczeniowych oraz zoptymalizowanie procesów doskonalenia i opracowywania produktów. Dzięki współpracy z firmami Intel i Altair udało się wprowadzić na rynek sprawdzone rozwiązania z zakresu opracowywania produktów umożliwiające usprawnienie produkcji, obniżenie kosztów i uproszczenie zarządzania złożonymi środowiskami klastrowymi. 3

4 Do obsługi analiz testów zrzutowych wybrano serwery kasetowe Dell PowerEdge M620 z procesorami z rodziny Intel Xeon E5-2600v2. Te niezwykle wydajne i energooszczędne procesory udostępniają o 50% więcej rdzeni i pamięci cache niż ich odpowiedniki poprzedniej generacji. Do tego w tej odsłonie charakteryzują się szybszą pamięcią i dodatkowymi usprawnieniami sprzętowymi w porównaniu z poprzednią generacją serwerów z procesorami Intel Xeon. Wyższą wydajność zastosowań systemów obliczeniowych dużej skali można osiągnąć dzięki technologii Intel Advanced Vector Extensions (Intel AVX). Rozwiązanie Intel AVX przyspiesza obliczenia wektorowe i zmiennoprzecinkowe i zapewnia obsługę wektorów 256-bitowych oraz przyspieszoną konwersję danych (z 32- na 64-bitowe). Procesory Intel Xeon E5 v2 obejmują wiele modeli o różnych specyfikacjach: od liczby rdzeni po modele zoptymalizowane pod kątem częstotliwości w celu zaspokojenia określonych wymagań użytkowników. Omówienie projektu testów porównawczych Wprowadzamy uszczelkę między płytą główną a modułem LCD, która ograniczy deformacje związane z upadaniem urządzeń dwa różne kształty podstawki zostały przedstawione po prawej stronie. Aby przetestować skuteczność rozwiązania Dell-Intel-Altair, inżynierowie skupili się na jednym scenariuszu. Polegał on na sprawdzeniu, czy dodanie uszczelki pomoże zmniejszyć siłę nacisku na konstrukcję telefonu. W testach zrzutowych przeprowadzanych w ramach tego scenariusza przerwa między pokrywą telefonu a płytką nośną powodowała powstawanie mocnego nacisku w module wyświetlacza LCD. Chodziło o opracowanie projektu uszczelki o cechach takich jak grubość, rozmiar, elastyczność itp. które pozwoliłyby zmniejszyć nacisk na krawędziach wyświetlacza LCD. 1. Projektowanie: na pierwszym etapie projektu przeprowadzono modelowanie obiektu w programie HyperMesh, wygenerowano zmienne projektu przy użyciu technologii morfingu oraz określono parametry pliku wejściowego. 2. Optymalizacja: wykonano planowanie eksperymentu w celu wygenerowania powierzchni odpowiedzi. Następnie przeprowadzona została optymalizacja na powierzchni odpowiedzi, a nie na modelu elementów skończonych. 3. Weryfikacja: zoptymalizowany projekt został poddany ocenie i symulacji metodą analizy elementów skończonych, po czym nastąpiła weryfikacja wyników. 4

5 Symulacje przeprowadzono w systemie obejmującym następujące składniki: 16 serwerów kasetowych Dell PowerEdge M620 z procesorami Intel Xeon E5-2680v2, E5-2667v2 i E5-2697v2, 128 GB pamięci na węzeł, złącza międzyskładnikowe Mellanox FDR Inifiniband. Powierzchnia wynikowa naprężeń w postaci funkcji obszaru podstawki i grubości. Wyniki testów Korzystając z oprogramowania RADIOSS marki Altair uruchomionego w systemie kasetowym Dell PowerEdge M620, inżynierowie przeprowadzili 21 symulacji testów zrzutowych w ramach badań optymalizacji oraz porównali 3 różne procesory firmy Intel (Intel Xeon E5-2690v2, E5-2667v2 i E5-2697v2) w konfiguracjach z 2 węzłami z zastosowaniem następującej liczby rdzeni i nieprzetworzonych danych dotyczących wydajności: Procesor Liczba rdzeni przypadających na 2 węzły Wydajność obsługi nieprzetworzonych operacji zmiennoprzecinkowych w GFLOP/s Jeden przebieg Czas średni (s) Czas łączny Dla 21 przebiegów (s) E5-2680v E5-2667v E5-2697v Rysunek 1. Podsumowanie wyników wydajnościowych Jak widać, procesorem, który najlepiej wypadł w kontekście czasowym, jest E5-2697v2 produkt charakteryzujący się niższą częstotliwością, ale większą liczbą rdzeni. Wysoka wydajność jest wynikiem wyjątkowej skalowalności rozwiązania RADIOSS. Niższa częstotliwość natywna poszczególnych rdzeni nie ma bowiem wpływu na wydajność w przypadku dużej liczby rdzeni. 5

6 Czas (s) E5-2680v2 E5-2667v2 E5-2697v Numer przebiegu Rysunek 2. Szczegółowe wyniki wydajnościowe W zestawieniu z czasem odniesienia wynoszącym 65 minut (3900 sekund) osiągniętym na jednym węźle z procesorem Intel Xeon X5570 o częstotliwości 2,93 GHz (z 8 rdzeniami) 2 węzły z procesorami E v2 okazały się około 6 razy szybsze (tylko 660 sekund w przypadku jednego przebiegu). Dzięki temu całe badanie optymalizacyjne (21 przebiegów symulacyjnych) udało się ukończyć w niecałe 4 godziny ( sekund). Ponadto, korzystając z opcji Advanced Mass Scaling (AMS) dostępnej w przypadku solvera RADIOSS, można dodatkowo przyspieszyć znalezienie rozwiązania, a przy tym zachować równie wysoką dokładność wyników. Technologia AMS stanowi zaawansowane rozwiązanie umożliwiające obsługę problemów pseudostatycznych oraz alternatywę dla pośrednich symulacji nieliniowych, które często nie pozwalają uzyskać konwergencji (na przykład na skutek wysokiej nieliniowości połączeń, złożonych zachowań materiałów oraz w przypadku modelowania pęknięć). Oczekuje się, że dzięki zastosowaniu technologii AMS można ukończyć ten proces 1,7 raza szybciej, a zatem w ciągu mniej niż 2,5 godzin (mniej niż 400 sekund na jeden przebieg), o ile używana jest najszybsza konfiguracja bazująca na procesorze Intel E5-2697v2. Podczas optymalizowania konfiguracji należy także uwzględnić fakt, że skalowalność nie zależy tylko od procesora Intel Xeon oraz liczby rdzeni, ale także od liczby węzłów. Z uwagi na równoległy charakter symulacji można założyć, że uruchomienie około połowy z 21 przebiegów na pierwszych 2 węzłach, a reszty na drugiej grupie 2 węzłów pozwoli osiągnąć dwukrotne przyspieszenie symulacji. Kierując się tą logiką, można dokonać ekstrapolacji rzeczywistych wyników użycia większej liczby węzłów w celu uzyskania określonego czasu symulacji na przykład w przypadku klastra symulacyjnego obejmującego 8 węzłów. Działania tego typu można łatwo wykonać za pomocą narzędzia, takiego jak PBS Professional, które dokonuje automatycznej dystrybucji zadań symulacji na dostępne zasoby, optymalizując wydajność obliczeniową i wykorzystanie zasobów. 6

7 Energooszczędność i wydajność W kontekście podejmowania decyzji zakupowych w ramach współczesnych biznesowych procesów strategicznoplanistycznych coraz większą rolę odgrywają zagadnienia zasilania i chłodzenia. Energooszczędność dowolnego rozwiązania do obsługi symulacji może mieć zatem kluczowe znaczenie w przypadku firm, którym zależy na optymalnym wykorzystaniu energii oraz zapewnieniu optymalnej wydajności. Podczas przeprowadzania testów symulacyjnych w systemie kasetowym Dell PowerEdge zmierzono zużycie energii (w liczbie watów) dla każdego przebiegu symulacyjnego (patrz wykres poniżej). W przypadku procesorów Intel Xeon E5-2667v2 i E5-2697v2 łączne zużycie energii utrzymywało się na podobnym poziomie. Natomiast procesor Xeon E5-2680v2 wymagał zdecydowanie mniej energii na obsługę 21 symulacji w tym scenariuszu testowym. Patrząc z innej strony w przypadku obciążeniowego środowiska produkcyjnego o stałej dostępności procesor Xeon E5-2680v2 zapewnia o 21,3% niższe zużycie energii na węzeł niż procesor Xeon E5-2697v2. To więcej niż różnica w znamionowej mocy termicznej, która wynosi 17% (115 W w porównaniu z 135 W). 7

8 Zalecane konfiguracje Poniżej przedstawiono zalecenia dotyczące węzłów stanowiących podstawę środowiska symulacyjnego do obsługi testów zrzutowych. W zaleceniach uwzględniono całkowitą wydajność, stosunek ceny do wydajności oraz energooszczędność rozważanych rozwiązań. Rzeczywista liczba węzłów zależy od łącznych wymagań dotyczących obciążenia. Najwyższa wydajność: Węzeł obliczeniowy Dell PowerEdge z procesorami Intel Xeon E5-2697v2 (24 rdzenie na węzeł), 64 GB pamięci i kartą Mellanox ConnectIB Konfiguracja minimalna: 2 węzły Wysoka wydajność, najwyższa energooszczędność: Węzeł obliczeniowy Dell PowerEdge R720 z procesorami Intel Xeon E5-2680v2 (20 rdzenie na węzeł), 64 GB pamięci i kartą Mellanox ConnectIB Konfiguracja minimalna: 2 węzły Konfiguracja podstawowa: Węzeł obliczeniowy Dell PowerEdge R620 z procesorami Intel Xeon E5-2667v2 (16 rdzeni na węzeł), 32 GB pamięci i kartą Intel NetEffect X520 iwarp Konfiguracja minimalna: 2 węzły 8

9 Podsumowanie wyników Przeprowadzane badania pozwoliły wyciągnąć szereg wniosków. Oto najważniejsze z nich: W porównaniu ze scenariuszem referencyjnym klaster Dell-Intel umożliwia uzyskanie sześciokrotnego przyspieszenia symulacji testów zrzutowych w środowisku RADIOSS. o Spośród 3 testowanych procesorów najszybsze działanie zapewnia model Intel Xeon E5-2697v2: o Ukończenie 21 przebiegów symulacji zajęło niecałe 4 godziny. Technologia Advanced Mass Scaling (AMS) solvera RADIOSS umożliwia uzyskanie dodatkowego przyspieszenia (o 1,7 razy). o Około 1,7 razy szybsze działanie w przypadku wykorzystania technologii AMS. o Czas ukończenia wynoszący mniej niż 2,5 godziny (niecałe 400 sekund na każdy przebieg). Procesor Intel Xeon E5-2680v2 zapewnia optymalną energooszczędność. o Procesor Xeon E5-2680v2 wymaga mniej energii podczas obsługi 21 symulacji w ramach scenariusza testowego. o W przypadku obciążeniowego środowiska produkcyjnego o stałej dostępności procesor Xeon E5-2680v2 zapewnia o 21,3% niższe zużycie energii na węzeł niż procesor Xeon E5-2697v2. To więcej niż różnica w znamionowej mocy termicznej, która wynosi 17% (115 W w porównaniu z 135 W). Korzystając z rozwiązania marki Altair do obsługi testów zrzutowych w środowisku Dell/Intel, konstruktorzy mogą zoptymalizować wytrzymałość zderzeniową telefonów i zapewnić zgodność z warunkami gwarancji oraz oczekiwaniami użytkowników. Ponadto mogą poprawić jakość projektów, analizując wyniki zmian i szczegółowe dane dotyczące dynamicznego zachowania poszczególnych części produktu podczas rzeczywistych testów zrzutowych. Dzięki możliwości opracowywania produktów przy mniejszych nakładach czasowych i finansowych producenci mają więcej czasu na udoskonalanie projektów, co przekłada się na lepszy produkt końcowy. Oprócz testów zrzutowych istnieje jeszcze szereg technicznych zastosowań obliczeniowych, w których rozwiązanie Altair HyperWorks do obsługi symulacji umożliwia optymalne wykorzystanie wydajnych klastrów Dell z najnowszymi procesorami Intel. Są to obszary takie jak tłoczenie, symulacje hałasu, drgań i uciążliwości użytkowania, symulacje obliczania dynamiki płynów itp. Więcej informacji Więcej informacji o oprogramowaniu marki Altair: o Pakiet HyperWorks: o Pakiet PBS Works: Wniosek o wersję demonstracyjną: Więcej informacji o firmie Dell: i Więcej informacji o firmie Intel: o newsroom.intel.com o blogs.intel.com. o Kontakt z nami: o Altair: o Dell: www,dell.com and o Intel: 9