Linux-Cluster für aufwändige Simulationen finden im Automobilbau zunehmend Verbreitung. Wir berichten über Erfahrungen der Anwender, Hersteller und Systemintegratoren bei großen deutschen Fahrzeug- Konzernen.
Ein Microsoft-Verkaufschef verlangte unlängst von seinen Untergebenen, sie mögen durch die Büros ihrer Kunden gehen und sich alle Linux-Rechner, die sie dort vorfinden, inklusive Verwendungszweck auf den Hintern tätowieren.
Eine Bestandsaufnahme in den Entwicklungsabteilungen deutscher Automobilbauer dürfte das Hinterteil der MS-Vertriebler arg malträtiert hinterlassen. Bei Porsche, BMW, Audi und Daimler-Chrysler setzen die Ingenieure aus den CAE-Abteilungen (Computer Aided Engineering) mehr und mehr Linux-Cluster für aufwändige Crash-Simulationen und andere Aufgaben ein.
Der Hunger nach Rechenleistung ist bei diesen Ingenieuren enorm. Die Hochleistungscomputer für CAE werden im Schnitt alle 18 Monate ausgetauscht. Deshalb steht bei der Auswahl der Architektur ein sehr gutes Verhältnis von Preis und Performance im Vordergrund. Einzelne Hersteller wie Daimler-Chrysler wurden schon im Jahr 1999 auf Linux aufmerksam und begannen Cluster zu testen. Produktive Systeme sind inzwischen über ein halbes Jahr oder länger im Einsatz.
Kaum ein Autobauer ohne Linux-Cluster
Auf einer Veranstaltung der Tübinger Firma Science + Computing berichteten Vertreter der vier süddeutschen Automobilfirmen über ihre Erfahrungen. Das Wichtigste gleich vorweg: Alle vertretenen Autobauer wollen ihr Linux-Engagement verstärken und erwarten im CAE-Sektor außerdem, dass der Anteil von Linux-Clustern an der Gesamtrechenleistung weiter steigt.
Karsten Gaier, der Marketing-Leiter von Science + Computing, geht fürs letzte Quartal des Jahres 2001 bereits von 65 Clustern mit insgesamt 1300 Prozessoren allein für CAE-Anwendungen der deutschen Autoindustrie aus. Bei der allseits bekannten Diskretion der Autobranche kann man jedoch getrost eine höhere Dunkelziffer annehmen. Gut die Hälfte der Prozessorleistung steckt dabei in Crash-Simulationen.
Diese und die Berechnungen der elektromagnetischen Feldverteilung, Simulationen des Gießvorgangs von Motor- und Getriebeteilen sind einige der Aufgaben aus dem High Performance Technical Computing (HPTC), bei denen sich die Linux-Cluster bewährt haben. Die durchschnittliche Größe der Verbundrechner im Automobilbau liegt bei 47 Knoten, einer der acht Cluster “beim Daimler” hat 192 Knoten. Vergleich: Im mittlerweile legendären CLOWN-Cluster der WDR-Computernacht von 1998 waren es 512.
Abbildung 1: Das Forum der Tübinger Firma Science+Computing zum Thema “Linux-Cluster im CAE-Umfeld” zog fast 150 Fachbesucher an, vor allem Hardwarehersteller und Vertreter der Automobilindustrie.
CAE-Anwendungen: Spezialität für Tux
Im Gegensatz zu der sehr heterogenen Architektur bei diesem Projekt, bunt gemischt aus Alphas und PCs, bestehen die einzelnen Knoten bei produktiven Clustern aus identischer Hardware. Die hauptsächlichen Anforderungen an diese Geräte sind ganz zuerst hohe Rechengeschwindigkeit und eventuell geringer Platzbedarf.
Zwar sind Rackserver der kleinstmöglichen Bauhöhe (1-Unit-Server) bereits eine sehr platzsparende Möglichkeit, Rechenleistung auf engem Raum unterzubringen, der Trend geht jedoch in Richtung Server Blades, bei denen die komplette PC-Hardware auf einer Platine untergebracht ist und sich deshalb noch dichter packen lässt. Hewlett-Packard und Compaq haben beispielsweise solche Blades mit den Bezeichnungen Quick Blade beziehungsweise Powerbar im Angebot.
Beide noch getrennten Firmen versprechen sich von Linux-Clustern erhöhte Absatzchancen in einem sonst schwierigen Server-Umfeld. Henry Strauß, Senior Software Analyst bei Hewlett-Packard, glaubt, dass 25 Prozent aller heutigen CAE-Anwendungen auf Linux-Clustern laufen könnten. Jochen Krebs, Supercomputing-Spezialist bei Compaq, geht sogar davon aus, dass etwa ab 2003 Linux den Markt im High Performance Computing dominieren wird. Neben ingenieurtechnischen Berechnungen erwartet er vor allem in der Bio-Informatik und in der Energiewirtschaft die größten Zuwachsraten. In diesen Bereich fällt auch die Ankündigung von IBM, für Shell einen Cluster mit über 1000 Knoten aufzusetzen.
Cluster sind Maßarbeit
Die Erfahrungen der Automobil-Ingenieure haben gezeigt, dass jeder Cluster auf seinen speziellen Zweck zugeschnitten werden muss. Gut parallelisierte Anwendungen wie Simulationen der elektromagnetischen Feldverteilung benötigen keine teuren Interconnects etwa mit Myrinet-Technologie, stattdessen genügt eine Verkabelung mit Fast Ethernet, jedoch lohnen sich bei diesen Anwendungsfällen unter Umständen zwei Prozessoren pro Knoten. Andere Anwendungen wie Crash-Simulationen mit Nastran (siehe den folgenden Artikel) erzielen mit zwei Prozessoren pro Knoten kaum Performancegewinn, brauchen aber eine schnelle Kommunikation zwischen den Knoten, also Myrinet oder ähnliche Technologien. Interessanterweise geht IBM einen etwas anderen Weg und bietet mit dem eServer Cluster 1300 vorgefertigte skalierbare Allzweck-Cluster an.
Traditionell waren CAE-Berechnungen auch eine Domäne teurer Vektorrechner und damit neben Cray/SGI auch von NEC. Deren aktuelles Vektor-Flaggschiff SX-6 soll aber inzwischen viel stärker in Richtung High-End und wissenschaftliche Anwendungen (im Supercomputerjargon Capability) getrimmt werden, den Markt mit dem großen Durchsatz von Rechenleistung (Capacity) bedient auch NEC zunehmend mit Linux-Clustern. NEC verspricht sich dabei vor allem von der guten Memory-Bandbreite des Pentium 4 einiges an Performancegewinn. NEC ist auch im SCore-Konsortium aktiv, das eine Alternative zur freien Clustersoftware Beowulf entwickelt und dem japanischen Industrieministerium MITI untersteht.
Abbildung 2: Cluster sind Maßarbeit: Hier ein Linux-Cluster von Fujitsu-Siemens, wie er für CAE-Berechnungen zum Einsatz kommt.
Überstunden für Systembetreuer
Natürlich bringt Linux aus Sicht der Anwender in der Automobilindustrie nicht ausschließlich Vorteile. Nahezu alle Hersteller beklagten, dass der Betreuungsaufwand deutlich höher sei als bei proprietären Unix-Lösungen auf RISC-Basis, selbst wenn man berücksichtigt, dass die bisherigen Lösungen eher noch Pilotcharakter haben und der Aufwand mit steigender Erfahrung sinkt.
Die Störungshäufigkeit jedoch sei ebenso hoch wie bei proprietären Systemen, dafür ist das Preis-Performance-Verhältnis nach Einschätzung von Karl Huber, CAE-Manager bei Audi, etwa um den Faktor zwei besser als bei RISC-Rechnern. Ein Ärgernis ist aber die Lizenzpolitik der Hersteller von Anwendungssoftware, denn diese berechnen Lizenzkosten in Abhängigkeit von Prozessoren, damit fallen für einen Cluster weit höhere Gebühren an als für SMP-Systeme mit RISC-Prozessoren, die gleiche Leistung mit weniger CPUs bieten.
Wichtig bei der Auswahl der Hardware ist aus Sicht der Industrie in erster Linie Linux-Erfahrung beim Hersteller; Markus Eberl, IT-Koordinator bei Porsche, sieht vor allem in der Vielzahl von Ansprechpartnern bei Linux-Lösungen ein Störpotenzial. Er wünscht sich hier “One face to the customer” und mehr Einigkeit bei beteiligten Firmen.
Zukunft: Workstation
Noch ein Wort zu Porsche: Der Vorzeigekonzern der deutschen Wirtschaft ist nicht nur bei den PS-Zahlen seiner Produkte und den daraus erzielten Gewinnen führend, auch beim Linux-Einsatz ist man kompromissloser als andere. Im Entwicklungszentrum Weißach laufen nicht nur die Cluster, sondern auch die High-End-Workstations der CAE-Ingenieure mit Red Hat Linux. Und das nicht, wie Eberl betont, aus Kosten-, sondern einzig aus Performancegründen.
