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Einweihung des High Performance Einweihung des High Performance Computing Clustersystems

Einweihung High Performance Computing Clustersystems · A330, A340, A350, A380, A400M are registered trademarks. ... gleichartige Jobs mit unterschiedlichen Eingabedaten gerechnet

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Einweihung des High Performance Einweihung des High Performance Computing Clustersystems

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Prof Joachim SzodruchProf. Joachim SzodruchDLR-Vorstand für Luftfahrt und Energie

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Walter HircheWalter HircheNiedersächsischer Minister für Wirtschaft, 

Arbeit und Verkehr 

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Dr Johannes StuhlbergerDr. Johannes StuhlbergerEADS, Vice President

Global Innovation Network 

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Kl B kKlaus BeckerAerodynamic Strategiesy g

Hochleistungsrechnen für AirbusEin Weg zu besseren Flugzeugen

13 M i 200813-Mai-2008

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Herausforderungen des zukünftigen Lufttransports

W h d A f d d L ftt t

U lt f d

Wachsende Anforderungen des LufttransportsDrastisch steigende Passagierzahlen

UmweltanforderungenVerpflichtung zu ökologischer Effizienz

Globale WettbewerbsfähigkeitVerbesserte Produktleistungen

European Aeronautics Vision 202050% weniger CO2-Emissionen,

Verbesserte Business Performance80% weniger NOx

50% weniger Lärmbeeinträchtigung 50% kürzere Produktentwicklungszeit

Führende Technologien am FlugzeugMultidisziplinäre ProduktoptimierungMultidisziplinäre Produktoptimierung

Bahnbrechende Numerische SimulationBahnbrechende Numerische Simulation

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Mehr Simulation – Weniger physikalische Tests

Benötigte BenötigteBenötigteHPC-Kapazität

-15%

-36%

?

-15%

-36%

?

BenötigteW/T Test-Tage

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Y f 2004

2000 2003 2006 2009

Aircraft in development in year

2000 2003 2006 2009

Aircraft in development in year

Arbeits-aufwand Simulations- Integrierte

Year from 2004p yp y

aufwand Simulationsbasiert simulations-

basierte Entwicklung spart Monate

TestTest--basiertbasiert

spart Monate und Jahre

Gesamt-Definition ProduktionDetail-Definition

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Nutzung von CFD für die Airbus-Entwicklung

K biAufhängungskorrekturen Leistungs-• Durchgehende Nutzung

FlügeldesignReiseflug

Rumpf-design

Flatter-Vorhersage

Vereisungs-vorhersage

Kabinen-belüftung

CockpitBelüftung

Kabinen-

Flow ControlDevices(VG/Strakes)

vorhersage• Häufige Nutzung• Zunehmende Nutzung

FlügeldesignHochauftrieb

Reiseflug vorhersage

Steuer-flächen

Kabinenlärm

Triebwerks-integration

Gondel-design

Leitwerks-design

design

Belly FairingD i

KlimaanlageEin-/Auslass-

Einlauf-designTanksystem-

designDesign

APU Ein-/Auslass-design

Ein /Auslassdesign

Wing TipDesign

Boden-effekt

Thermal-Analyse für

Triebwerks-belüftungExterne

Düsen-design

StatischeDeformation

AerodynamischeFlugeigenschaften Aerodynamische

Lastdaten

DesignSystemegExterne

Lärm-quellen

Schub-umkehrerDesign

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Notwendige Methodik: Multi-Disziplinärer Entwurf

Struktur

Aerodynamik

MassenStruktur

Lasten

FlugleistungenAeroelastik

Flugdynamik SystemeAero Daten

Aerothermik AkustikTriebwerk

Flugdynamik Systeme

Methodik eines integrierten DesignsNichtlinearitäten und starke Interaktionen zwischen den Disziplinen werden berücksichtigtEntwurf der Komponenten wird direkt getrieben durch den Gesamteffekt

Verbessertes Produktverstehen durchMultidisziplinäre Numerische SimulationNeue Methodiken des physikalischen Testens

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Erwartungen an die Numerische Simulation

Verfügbare Hardware-Verfügbare Hardware-LESKapazität: Anzahl der Kapazität: Anzahl der Kapazität [Flop/s]Kapazität [Flop/s]

1 Exa (1018)102Unsteady

RANS

Rechenfälle pro NachtRechenfälle pro Nacht

1 Peta (1015)103

104

RANS Low Speed

1 Tera (1012)

104

105

RANS High Speed

“Geschickte” Nutzung von HPCAlgorithmen

1980 1990 2000 2010 2020 2030

1 Giga (109)106

• Algorithmen• Data mining• Wissen

1980 1990 2000 2010 2020 2030

CFD-basierteLasten und

CFD-basierteLasten und

Aero Optimierung& CFD CSM

Aero Optimierung& CFD CSM

Multidiszipl.OptimierungMultidiszipl.Optimierung

CFD-Echtzeit-simulation

CFD-Echtzeit-simulation

CFD-basierteLärm-

CFD-basierteLärm-Reiseflug

DesignAero

Daten HQ-DatenHQ-Daten & CFD-CSM& CFD-CSM OptimierungOptimierung des Flugsdes FlugssimulationsimulationDesign Daten

Welche Ergebnisse erhält man in einer Nacht (8 Stunden)?Welche Ergebnisse erhält man in einer Nacht (8 Stunden)?

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Schlagkräftige Forschung und Entwicklung

- Filton/Bristol C2A2S2E - Braunschweig/Bremen

- Umfassende Lösungen für zentrale Anwendungen der Flugzeugentwicklung

- Technologieintegration bis

- Innovatives Gesamtsystem für ProduktdesignNeue simulationsbasierte g g

zur Nutzungsreife- Konzentration weltweiter

Expertise- Hochleistungsrechner

- Neue simulationsbasierte Arbeitsweisen von Ingenieuren

- Anpassung der IT-A hit kt

VereinigtesKönigreich

Deutschland

HochleistungsrechnerArchitektur- Hochleistungsrechner

- Multidisziplinäre Integration- FlowSimulator Software

Integration

Mosart - Toulouse/Paris

- Innovative Architektur fürSpanien

Frankreich

- Design mit Virtual Reality- Field Programmable

P

DOVRES - Getafe/Madrid

- Innovative Architektur für parallele Simulations-anwendungen

- Verbesserung von CFD-Komponenten

Processors- CFD-angepasste

Hardware

p- Breitbandanbindung an

externe Hochleistungsrechner

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CAS Ziel: Vollständige Simulation des Fluges

Echtzeitsimulation von Flugmanövern kompletter Flugzeuge Aerodynamik: Instationäre Navier-Stokes-Simulation der StrömungStruktur: Vollständiges Finite-Element-Modell des FlugzeugsFlugsteuerung: Vollständige Simulation des FlugmanöversIntegration: Vollständige Interaktion aller Disziplinen

Mögliche Belastungen des FlugzeugsMögliche Belastungen des FlugzeugsVollständige Analyse des gesamten FlugbereichsBereitstellung aller aerodynamischen Daten für das Gesamtflugzeug und alle KomponentenVorhersage von Sensitivitäten – Gestaltung des Optimumso e sage o Se s t täte Gesta tu g des Opt u s

Vorhersage von Flugleistungen und Flugeigenschaften vor dem ErstflugUntersuchung von Flugmanövern und -szenarienVollständige Kenntnis über das Verhalten des Flugzeugs im Flug

Zertifizierung des Virtuellen Produkts vor ProduktionsbeginnVollständige Kenntnis der gesamten ProdukteigenschaftenGarantie der Vorhersagegenauigkeit

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Future Simulation Concept

SSA common idea

providing a new capability to Airbus

New SpeedNew SpeedNew ToolsNew ToolsN W f W kiN W f W kiAirbus

with new quality of toolstowards virtual design and analysis

New Way of WorkingNew Way of Working

analysisup to virtual certification

bbybuilding a network ofexpert centerswith major partners involved thatperform targeted researchserving Airbus needs

Simulation Simulation Capability Capability

Increase by 10Increase by 1066Increase by 10Increase by 1066

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© AIRBUS DEUTSCHLAND GMBH. All rights reserved.Confidential and proprietary document.

This document and all information contained herein is the soleproperty of AIRBUS DEUTSCHLAND GMBH. No intellectual

t i ht t d b th d li f thi d tproperty rights are granted by the delivery of this document orthe disclosure of its content. This document shall not bereproduced or disclosed to a third party without the expresswritten consent of AIRBUS DEUTSCHLAND GMBH. Thisdocument and its content shall not be used for any purposeother than that for which it is supplied.

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Compute-Power für C²A²S²E. Herausforderungen und Lösung

Alfred Geiger Rolf Page Christian SchweitzerAlfred Geiger, Rolf Page, Christian SchweitzerT-Systems Solutions for Research GmbH

16.05.2008 1

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Ein HPC-Konzept für C²A²S²E.fDie besonderen Herausforderungen

Höchste Rechenleistung bei optimaler EnergieeffizienzHöchste Rechenleistung bei optimaler Energieeffizienz

Hochleistung und Durchsatz auf demselben Rechnersystem

Anwendungs- und Softwarelifecycle vs. Hardwarelifecycleg y y

Organisatorische Rahmenbedingungen

16.05.2008 2

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Herausforderung 1: R h l i t St KliRechenleistung - Strom - Klima

A f d d A d D T CFD C dAnforderungen der Anwendung: Der Tau CFD CodeSkalierbare SpeicherbandbreiteGeringe SpeicherlatenzzeitenGeringe Latenzzeiten der InterprozesskommunikationViele kleine Nachrichten

Anforderungen der RZ-InfrastrukturAnschlussleistungKühlleistungFlächenbelastung

Ergebnis: Design Entscheidung für Prozessortechnologie und Knotenanschluss

16.05.2008 3

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Herausforderung 1: Rechenleistung - Strom - KlimaL i t A d d P hit ktLeistung: Anwendung und Prozessorarchitektur

Single Processor Performance Tau 30 Steps F6

12820,5114000,00

7299 278000 00

10000,00

12000,00

4424,78 4273,50

7299,27

5208,33

4000,00

6000,00

8000,00

552,79

0,00

2000,00

IBM Power 6 IBM Blue Gene/L intel Itanium II intel Harpertown AMD Barcelona AMD Opteron (4,7 Ghz) (1,3Ghz) (2,33GHz) (1,9 GHz) (3.0Ghz)

16.05.2008 4

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Herausforderung 1: Rechenleistung - Strom - Klima Effi i A d d P hit ktEffizienz: Anwendung und Prozessorarchitektur

Tau Performance/Watt 30 Steps F6

29,7930,00

35,00

20,4717 9620,00

25,00

13,5012,29

15,26

17,96

10 00

15,00

0,00

5,00

10,00

0,00 IBM Power 6

(4,7 Ghz)IBM Blue Gene/L intel Itanium II

(1,3Ghz)intel Harpertown

(2,33 GHz) AMD Barcelona

(1,9 GHz)AMD Opteron

(3.0Ghz)

16.05.2008 5

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Herausforderung 2: H hl i t (HPC) d D h t (HTC)Hochleistung (HPC) und Durchsatz (HTC)

Bei Capability-Computing (HPC) sollen alle Resourcen des Systems an eine Applikation gebracht werden. Das Verhalten dieser Applikation (Compute, Communication) ist in der Regel weitgehend bekannt.

Lösung: Verteilte (und damit inhärent hochskalierbare) Kommunikationsinfrastruktur.

Bei Capacity-Computing (HTC) werden zu Design und Optimierungszwecken viele gleichartige Jobs mit unterschiedlichen Eingabedaten gerechnet Die Charakteristika diesergleichartige Jobs mit unterschiedlichen Eingabedaten gerechnet. Die Charakteristika dieser Jobs sind weitgehend bekannt.

Lösung: Cluster basierend auf Standard IB-Switches mit bis zu 288 Ports von Voltaire oder Cisco.

C²A²S²E: Mischung verschiedener Applikationen sowie von Capability und CapacityC²A²S²E: Mischung verschiedener Applikationen sowie von Capability und Capacity Computing. Die Gesamtlast auf den Systemen ist unbekannt und unvorhersehbar.

Lösung: Zentraler, nichtblockierender und hochskalierbarer Mehrstufenswitch.

Ergebnis: Design Entscheidung für Verbindungsnetzwerk und System

16.05.2008 6

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HPC-Power für C²A²S²E.H d K fi tiHardware-Konfiguration

GPFS Storage

16.05.2008 7

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Aufbau der C2A2S2E HPC-Infrastruktur

768 Knoten2 x AMD Opteron Quad Core Prozessor 1.9 GHz (Barcelona)758 Knoten mit 16 GB Hauptspeicher10 Knoten mit 32 GB Hauptspeicher 16 Racks à 48 Blades

System6144 Rechenkerne 46.6 Tflop/s (Peak)12.3 TB HauptspeicherParalleles Filesystem GPFS mit 500TB

KommunikationsnetzwerkInfiniband 4X DDR, Connect X1 8 GB/s (uni) pro Knoten 2 4 µs Latenzzeit1.8 GB/s (uni) pro Knoten, 2.4 µs LatenzzeitSun Magnum Switch mit 864 Ports (ausbaubar bis 3456 Ports)

16.05.2008 8

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Herausforderung 3:A d d S ft lif l H d lif lAnwendungs- und Softwarelifecycle vs. Hardwarelifecycle

FaktenHardware Lifecycle: 2-4 JahreSystem-Software Lifecycle: 5-10 JahreData-Management Lifecycle: 10+ JahreApplication-Software Lifecycle: 10+ Jahre

Konsequenzen Hardware muss an Software angepasst werden und nicht umgekehrt!Integration von Produkten unterschiedlicher Hersteller durch Service-Provider

Ergebnis: Design Entscheidung für den System-Software Stack

16.05.2008 9

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HPC-Power für C²A²S²E.S ft K fi tiSoftware-Konfiguration

Operating SystemOperating SystemNovell SLES 10

CompilersIntel

MPI-LibrarySCALISCALI

PerformanceFault-Tolerance (Failover)

ToolsAlliAllinea

Cluster File SystemGPFS

Grid-MiddlewareUNICORESynfiniway

16.05.2008 10

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Herausforderung 4:O i t i h R h b diOrganisatorische Rahmenbedingungen

Einbettung in industrielle und öffentliche ForschungsumgebungenUnterschiedliche SicherheitskonzepteUnterschiedliche Grid-Middleware

Synfiniway bei AirbusSynfiniway bei AirbusUNICORE in öffentlichen Grossforschungseinrichtungen und Unis

C²A²S²E als Private-Public Partnership von Airbus, DLR und Land NiedersachsenT-Systems als Service-Partner kann auf 10 Jahren Erfahrungen mit den beiden erfolgreichsten IT-PPPs imT Systems als Service Partner kann auf 10 Jahren Erfahrungen mit den beiden erfolgreichsten IT PPPs im wissenschaftlichen Sektor in Deutschland aufbauen:

T-Systems SfR ist selbst ein PPP von T-Systems und DLRDie hww (Höchstleistungsrechner für Wissenschaft und Wirtschaft GmbH) als spezialisiertesPPP für HPC mit den operativen Partnern T-Systems, Porsche, KIT und HLRS hww

Einbettung als spezialisiertes Topical Center in ein umfassendes Versorgungskonzept für die LuftfahrtNutzung nationaler und europäischer Resourcen für das absolute Top-End

Enger Zeitrahmen und Neueste TechnologieWeniger als 9 Monate von der Projektidee bis zur Realisierung des HPC-Service.Frühestmöglicher Einsatz von SUN Magnum, Mellanox Connect X und AMD Barcelona

16.05.2008 11

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HPC-Services für C²A²S²E: .Integriertes Konzept: Expertise in Systemen and AnwendungenIntegriertes Konzept: Expertise in Systemen and Anwendungen

19601960

2015

16.05.2008 12

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Thank YouContact: Alfred Geiger, Rolf Page, Christian Schweitzer

T-Systems Solutions for Research [email protected] g y

16.05.2008 13

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C2A2S2E – Aufbau und erste Ergebnisse

N. Kroll

C2A2S2E Cluster-Einweihung, 13. Mai 2008

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C2A2S2E

Zielsetzungen

Innovationspartnerschaft: DLR, Airbus, Land Niedersachsen

g

Aufbau eines multidisziplinären Kompetenzzentrumsfür numerische flugphysikalische Simulationen

Zielgerichtete Entwicklung von Prozessen & Methodenfür hochgenaue Simulationen des fliegenden Flugzeugs unter Berücksichtigung aller Kerndisziplinen

Fly theunter Berücksichtigung aller Kerndisziplinen

Manöversimulation

Ermittelung aerodynamischer

Virtual Aircraft

Ermittelung aerodynamischer Lasten des Flugzeugs im gesamtenFlugbereich

Multidisziplinäre Optimierung Virtual AircraftMultidisziplinäre Optimierung

Numerische Vorhersage der Flugleistungenund Flugeigenschaften vor Erstflug

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Aufbau C2A2S2E

RealisierungLangfristiges Vorhaben

Erste Fünf-Jahres Phase- Laufzeit: 15.6.2007 bis 30.6.2012 - Gesamtvolumen: 30 Millionen Euro 10 Millionen Euro pro Partner- Gesamtvolumen: 30 Millionen Euro, 10 Millionen Euro pro Partner

C2A2S2E ist Abteilung des DLR Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik am Forschungsflughafen Braunschweig

3 Säulen- Simulationszentrum- Experten-Campus- Hochleistungsrechner

DLR ZentrumForschungsflughafen Braunschweig

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Simulationszentrum

Seit Projektstart 15 neue wissenschaftliche MitarbeiterInnen eingestellt

Abteilung C2A2S2E insgesamt mehr als 45 MitarbeiterInnen g g

Neue Qualität in der DLR/Airbus – Kooperation auf dem Gebiet der Numerischen Simulation, Bildung von „Joint Teams“

Aufstockung des DLR Gebäudes 130

Übergangslösung Containerdorf:Aufstockung 3 Etage Institut AS Übergangslösung Containerdorf:8 Container, 16 Arbeitsplätze

Aufstockung, 3. Etage Institut AS18-20 neue Arbeitsplätze

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Simulationszentrum

Aktuelle ArbeitenEntwicklung von Verfahren zur Vorhersage stationärer aeroelastischer Effekte bei komplexen Flugzeugkonfigurationen p g g gKopplung von Strömung und Struktur auf Basis höherwertiger Verfahren

Analyse des Hochauftriebsverhaltensf S / f

Entwurf von Flügelspitzenfür Start/Lande-Konfigurationen

g p

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Experten - Campus

MaßnahmenForum für international renommierte GastwissenschaftlerPostdoc-StellenPostdoc Stellen Workshops / Konferenzen / Schulungen

Aktivitäten 2007 / 2008Aktivitäten 2007 / 2008Gastwissenschaftler

- Dr. C. Swanson, NASA-Langley, USA- Dr T Barth NASA-Ames USADr. T. Barth, NASA-Ames, USA- Prof. K. Visser, Clarkson University, USA- Prof. N. Sandham, University of Southampton, UK- Prof. R. Cummings, US Air Force, Academy - A. Baeza, IMDEA, Spanien- E. Andres, INTA, Spanien

Schulungen- Mehrtägiger Kurs “Innovative Lösungsalgorithmen”- Anwenderschulung für DLR CFD-Software TAU

Workshops p- Physikalische Modellierung im Grenzbereich der Flugenveloppe

(gemeinsam mit TU-BS, DFG-Forschergruppe)

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High Performance Computing

HPC ClusterSUN Cluster mit 768 Rechenknoten

- 3072 Rechenkerne seit März 08- 6144 Rechenkerne ab Juli 2008

Teilnutzung seit Januar 2008 gDerzeit ca. 50 Nutzer, Auslastung bei 75% Verbindung zu Airbus – Bremen beauftragt

Virtual RealityVi li i d A l k lVisualisierung und Analyse komplexerStrömungsphänomene Verfügbar seit Frühjahr 2007 Intensivierung der Nutzung und Einbettung in Prozessketten

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High Performance Computing

Vorhersage der Hochauftriebsleistung T tflvon TransportflugzeugenSensitivitätsanalyse bezüglichStrömungsparameterKonfigurationsstudien

Nutzung des C2A2S2E HPC ClustersNutzung des C2A2S2E HPC-ClustersDLR Strömungslöser TAU Insgesamt ca. 60 SimulationsfällePro Simulation- Lösung eines Gleichungssystemsmit 300 Millionen Freiheitsgradenmit 300 Millionen Freiheitsgraden

- 70 Stunden Rechenzeit

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Weitere Partner / Kooperationen

Weitere PartnerEADS Eurocopter Deutschland (Patenschaftstelle im DLR eingerichtet)p ( g )

EADS Astrium (Beteiligung bei C2A2S2E ab Mitte 2008, derzeit inhaltliche Abstimmung)

KooperationenKooperationenForschungsprojekte der EU

Hochschulen im Rahmen von grundlagenorientierten DFG-Vorhabeng g- Simulation des Überziehens von Tragflügeln und Triebwerksgondeln (PAK 136)

Forschungsnetzwerk aus Luftfahrtindustrie, DLR und Hochschulen im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms der Bundesregierung (LUFO IV)Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms der Bundesregierung (LUFO IV)

- Projekt MUNA: Management von Unsicherheiten in der Numerischen Aerodynamik (1. Call)

- Projekt ComFliTe: Computational Testing (beantragt 2 Call)- Projekt ComFliTe: Computational Testing (beantragt, 2. Call)

Technologieträger im HPC-Umfeld - T-Systems SfR- Beteiligung an BMBF-Ausschreibung „HPC Software für skalierbare Hardware“

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