Was finden Porsche, BMW oder Mercedes an Linux-Clustern im Computer Aided Engineering? Welche Software setzen sie auf ihnen ein und wie funktioniert sie?

Vor dreißig Jahren war Automobilentwicklung Handarbeit: Designer entwarfen erste Skizzen am Reißbrett. Die Werkstatt baute immer detailliertere Modelle. Ingenieure testeten die Modelle in unzähligen Versuchen auf Stabilität, Fahrverhalten und viele Kriterien mehr. Sie bemängelten Schwachstellen in der Konstruktion, forderten Nachbesserungen von den Designern, ließen neue Modelle und Prototypen anfertigen.

Fast zehn Jahre dauerte es vom ersten Federstrich bis zum Showroom im Autohaus. Wenig ist seitdem beim Alten geblieben. Vom Technical Computing versprechen sich die Konzernbosse heute den Schlüssel zum Erfolg, Autos entstehen fast komplett am Computer.

Den meisten Mitarbeitern hat man ein CA vor den Namen gesetzt. Wer früher Designer war, macht heute CAD und heißt Konstrukteur, aus Ingenieuren wurden CAE-Fachleute, selbst an der Tür zur Werkstatt prangen nun drei Großbuchstaben: CAM. CA steht für Computer Aided. Der Computer unterstützt alle Arbeitsschritte auf dem Weg von der Idee zum fertigen Auto.

Computer Aided Design

In der CAD-Abteilung wird aus der Idee ein Bild. Jede Schraube, jeder Zylinderkopf, jeder Kotflügel formt sich hier am Bildschirm zu einem dreidimensionalen Modell und wird mit Abertausenden weiterer Teile zusammengesetzt zu einem kompletten Auto. “Früher”, so erzählt ein Konstrukteur mit Wehmut, “waren wir die bunteste Abteilung. An jedem Arbeitsplatz standen Silicon Graphics Workstations in frischem Indigo oder Türkis.”

Silicon Graphics heißt heute SGI und ist längst nicht mehr die Nummer eins im Bereich der 3D-Grafik und nur noch wenige Farbtupfer blitzen aus dem Mausgrau an den Tischen. Hewlett-Packard oder IBM liest man da, unter der Haube meist RISC-Prozessoren, betrieben mit der jeweiligen Unix-Variante. Seit kurzem finden HP und IBM jedoch immer mehr Gefallen an Linux als Betriebssystem auf gewöhnlicher Intel-Hardware.

Computer Aided Engineering

“Hübsch, aber so überlebt das doch nie und nimmer die ersten hundert Meter” – in der CAE-Abteilung spöttelt man zwar immer noch gerne über die ersten Entwürfe der Kollegen vom CAD; in den letzten Jahren jedoch zunehmend seltener, denn die Designer nehmen den Ingenieuren immer mehr Arbeit ab.

Deren Domäne, das Computer Aided Engineering, muss sicherstellen, dass jedes Bauteil den auftretenden Belastungen gewachsen ist, dass der Kraftstoff im Zylinder optimal zerstäubt und die Klimaanlage auch noch die Plätze auf der Rückbank angenehm temperiert. Der Motor muss angemessen klingen und der Airbag sollte tunlichst nicht durch ein klingelndes Mobiltelefon ausgelöst werden. Die CAE-Abteilung simuliert das Verhalten des Autos in den unterschiedlichsten Situationen, spielt mit Abmessungen und Materialien, bis die optimale Kombination gefunden ist.

Sie kann dafür gar nicht genug Rechenzeit bekommen. “Unsere Großrechner haben schon immer ein ganzes Zimmer belegt”, erinnert sich ein Ingenieur, “nur dass die Zimmer von heute tausendmal schneller rechnen.” Das Gros der Arbeit kann schon jetzt oft ein so genannter Cluster aus mehreren hundert vernetzten Linux-PCs erledigen. Dazu kommt noch ein Sammelsurium von Servern: Alphas mit Tru64, HPs mit HP-UX, IBMs mit AIX, SGI und NEC. Dort laufen all die Simulationen, die nicht für das Parallelrechnen auf dem Cluster geeignet sind oder deren Software es nur für spezielle Betriebssysteme gibt.

Hat ein Design das Dickicht der Berechnungen und Simulationen durchlaufen, bekommt es entweder das Okay der Ingenieure oder es muss zurück zum Nachbessern in die CAD-Abteilung. Doch Fehler werden immer seltener, seit die CAD-Programme um kleine CAE-Module ergänzt werden. So können schon die Designer einfache Tests an ihren Entwürfen ausführen, daher werden sie immer besser. Und den Ingenieuren bleibt mehr Zeit für exaktere Simulationen.

Computer Aided Manufacturing

Ein kleiner Blick in die nahe Zukunft der Fertigung: Viele Arme packen zu, wenn ein neues Auto vom Band rollt. Doch die Fertigungshalle ist menschenleer. Roboter sind es, die die Produktion in Gang halten. Computergesteuerte Drehbänke werden von automatischen Greifarmen gefüttert. Kleine Lastkräne pendeln selbstständig zwischen den Lagerhallen hin und her. Computer Aided Manufacturing heißt das zwar, aber diese Werkstatt hat mit Manufaktur, also Handarbeit, nichts mehr zu tun. Daher brauchen sie heute nur noch drei Jahre von der Idee zum Produkt. Kein Wunder, denn schließlich ist sind wir der Zeit ein wenig voraus. Doch die Konkurrenz schläft nicht.

CAE im Einsatz

Computer Aided Engineering ist aus kaum einem Industriebereich mehr wegzudenken. So vielfältig wie die Anwendungsbereiche sind auch die Arbeitsfelder des Ingenieurs. Besonders gut zeigt sich das in einer klassischen CAE-Sparte, dem Fahrzeugbau. Die deutschen Automobilkonzerne sind auch ein wichtiger Wegbereiter für Linux in Entwicklungsabteilungen. Sie dienen als Beispiel für den folgenden Rundgang durch ein typisches CAE-Labor.

Strukturanalyse

Möglichst leicht soll ein Bauteil sein, aber dennoch stabil. Dazu setzen die Ingenieure auf neue Materialien und ausgetüftelte Konstruktionen. Die optimale Form lässt sich nicht einfach berechnen, ein bisschen muss immer ausprobiert werden. Natürlich wäre es zu teuer, von jeder Variante einen Prototyp zu bauen. Stattdessen wird das Bauteil als Finite-Elemente-Modell am Computer simuliert. Dort wird es gerüttelt, geschlagen, erhitzt, gestaucht und gebogen. Als Ergebnis der Tests erhält der Ingenieur eine Übersicht, an welchen Stellen die höchsten Belastungen auftreten und welche Bereiche kaum strapaziert werden. Damit kann er gezielt Problemzonen verstärken oder an anderer Stelle Material einsparen.

Solche Optimierungsaufgaben lösen, Schwachstellen analysieren, nachbessern, neu berechnen – das alles läuft heute oft bereits komplett automatisch. Größere Änderungen sind aber nach wie vor Handarbeit, wenn etwa ein Bauteil nicht weiter verstärkt werden kann und an eine weniger stark vibrierende Stelle im Motorraum versetzt werden muss. Unter Umständen verweist der Ingenieur das Bauteil komplett zurück in die Konstruktionsabteilung.

Die Stabilitäts- oder Strukturanalyse ist die gebräuchlichste Disziplin des CAE. Der Großteil der Codes beruht auf der Finite-Elemente-Methode. Softwarepakete wie ABAQUS oder ANSYS kommen in der Strukturanalyse zum Einsatz. Dominierend in diesem Bereich ist jedoch Nastran, das NASA Structural Analysis System. Bereits Mitte der sechziger Jahre wurde es von der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde (NASA) entwickelt, um die Konstruktionsphase eigener Projekte zu beschleunigen. In den vergangenen Jahrzehnten wurde es stetig erweitert und auf neue Rechnerplattformen portiert. Wie viele Numerikprogramme mit langer Geschichte ist es in Fortran 77 geschrieben. Der NASA-Code wird heute noch für OSF1, Solaris, AIX und IRIX angeboten. [http://www.openchannelfoundation.org/projects/NASTRAN/]

Daneben vertreiben aber noch mehrere andere Software-Unternehmen eigene Nastran-Varianten. MSC – von Beginn an als Kooperationspartner an dem NASA-Projekt beteiligt – hat den wichtigen CAE-Code 1999 auch auf Linux portiert und inzwischen sogar eine eigene Linux-Distribution im Angebot, die speziell auf die Bedürfnisse des Technical Computing zugeschnitten ist. [http://www.msclinux.com].

Nur wenig später, im Juli 2000, gab es die erste parallelisierte Nastran-Version für Linux-Cluster. Ein Datum, das nicht zufällig in den Zeitraum fällt, in dem immer mehr Automobilkonzerne ihre CAE-Abteilungen mit ersten PC-Clustern ausrüsteten und dem Linux-Cluster so einen ungeahnten Boom verschafften.

Neben der Strukturanalyse ist das Untersuchen des Crashverhaltens der zweite große Einsatzbereich für das CAE speziell in der Automobilindustrie.

Abbildung 1: Strukturanalyse eines Motorblocks mit Nastran.

Crashanalyse

Die Computersimulation von Zusammenstößen spart bares Geld. Schließlich lässt sich ein virtueller Testwagen beliebig oft gegen eine Wand fahren. Noch wichtiger ist den Ingenieuren aber, dass sie im Computercrash totalen Überblick besitzen. Echte Crashtest-Dummies zeichnen zum Beispiel nur an wenigen Stellen die Belastungen während des Zusammenstoßes auf. Der Computer dagegen kann die entsprechenden Daten für jeden beliebigen Punkt berechnen. So lassen sich Gurte und Airbags optimal platzieren, Längs- und Querträger gezielt verstärken oder Sollbruchstellen so anordnen, dass sie den Fahrzeuginsassen nicht zur Gefahr werden.

Im Prinzip sind sich Crash- und Strukturanalyse ähnlich. Beide untersuchen das Stabilitätsverhalten von Bauteilen. Der Unterschied liegt in der Stärke der Belastungen. In der Strukturanalyse sind die Materialien relativ geringen Kräften ausgesetzt, die die Form nur wenig verändern. Crashtests arbeiten mit extrem großen Kräften und bedingen sehr starke Verformungen. Der Physiker spricht von Untersuchungen im linearen beziehungsweise nicht-linearen Bereich.

Deshalb sind für die Crashanalyse eigene FEM-Codes nötig. Am gebräuchlichsten sind LS-DYNA, RADIOSS und PAM-CRASH. PAM-CRASH ist auf PC-Hardware bislang nur unter Windows verfügbar. RADIOSS und LS-DYNA sind auch in Linux-Varianten erhältlich. Für alle Pakete gibt es inzwischen parallelisierte Versionen für die Distributed-Memory-Umgebung von PC-Clustern.

Abbildung 2: Offset-Crash-Simulation an einem Mercedes Vaneo, berechnet mit LS-DYNA.

Schwingungs- und Akustikanalyse

Auch die Schwingungs- und Akustikanalyse ähnelt zunächst der Strukturanalyse. Aber hier geht es hauptsächlich um Komfort. Im Fachjargon heißt diese Disziplin auch Noise-Vibration-Harshness, kurz NVH. Der dröhnende Motor zählt zum Aufgabengebiet oder das Lenkrad, das bei Tempo achtzig unangenehm zu vibrieren beginnt. Das passiert, wenn Bauteile auf ihren Resonanzfrequenzen zum Schwingen angeregt werden. NVH berechnet die Resonanzfrequenzen und vergleicht sie mit denen der umliegenden Schwingungsquellen.

Auch NVH beruht auf FEM-Codes, die hier jedoch nicht nur feste Körper simulieren müssen, sondern die Verbindung zwischen Festkörpern und umgebenden Gasen und Flüssigkeiten, hauptsächlich die Schallabstrahlung in die umgebende Luft. Linux als Computerplattform setzt sich in der NVH erst langsam durch. Die weit verbreiteten Pakete MSC.Akusmod und SYSNOISE gibt es derzeit nur für Windows und kommerzielle Unixe. PERMAS und PV-WAVE hingegen laufen unter Linux bereits voll parallelisiert für Cluster-Umgebungen.

Strömungsanalyse

Der Windkanal ist das wohl bekannteste reale Gegenstück zur Strömungsanalyse im Computer. Die Karosserie eines Autos soll möglichst wenig Luftwiderstand und Verwirbelungen erzeugen. Doch das ist nur ein Anwendungsbereich der Strömungsanalyse. Ebenso gehören dazu Berechnungen für die optimale Einspritzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in den Motor, Strömungsingenieure legen darüber hinaus den Verlauf der Kühlwasserleitungen fest und stellen sicher, dass das Lüftungssystem beschlagene Scheiben rasch trocknet.

Im Gegensatz zu den bisher genannten CAE-Disziplinen setzt die Strömungsanalyse nicht auf FEM-, sondern so genannte CFD-Codes. Das steht für Computational Fluid Dynamics und unterscheidet sich von den Finiten Elementen dadurch, dass ein festes Gitternetz vom Material durchströmt wird und sich nicht mit dem Material mitbewegt. Die praktischen Auswirkungen sind enorm: CFD-Codes lassen sich erheblich besser parallelisieren als FEM-Codes.

Linux-Cluster erzielen Speed-ups nahe am theoretischen Maximum und sind in Strömungsabteilungen entsprechend beliebt. Das bekannteste CFD-Paket, STAR-CD, gibt es unter dem Namen STAR-HPC auch in einer Variante, die speziell für das Höchstleistungsrechnen auf Linux-Clustern optimiert ist. Auch das Konkurrenzprodukt FLUENT 6 verfügt über eine Linux-Portierung, die im Parallelbetrieb ausgezeichnet skaliert.

Mehrkörpersystem-Analyse

Die Mehrkörpersystem-Analyse, kurz MKS, ist eine weitere numerische Methode, die im CAE zum Einsatz kommt. Sie wird immer dann verwendet, wenn Bewegungen kompakter Körper simuliert werden sollen. Im Unterschied zur FEM wird das Computermodell nicht in möglichst kleine Einzelteile zerlegt, sondern in wenige große Blöcke, die durch Gelenke oder Federn miteinander verbunden sind. Das kann der Kopf eines Menschen sein, der beweglich auf dem Rumpf sitzt, oder ein Kolben, der sich im Motorblock auf und ab bewegt.

So lassen sich zum Beispiel Bewegungsabläufe im Motor optimieren, Fertigungstoleranzen festlegen und Stoßfedern einpassen. Berechnungen zur Fahrdynamik stellen sicher, dass die Räder auch auf holprigen Strecken noch sicher auf der Straße liegen. Dem Menschen nachempfundene MKS-Modelle untersuchen den Fahrkomfort neuer Sitze oder Fahrgestelle.

Airbag-Simulationen kombinieren häufig FEM und MKS: Die Insassen werden mit MKS modelliert, die Airbags sind aus finiten Elementen zusammengesetzt. Das spart – im Vergleich zur kompletten FEM-Analyse – Rechenzeit und kann trotzdem die Bewegungen der Fahrzeuginsassen korrekt nachbilden.

In der Mehrkörper- system-Analyse ist Linux zurzeit noch ein Stiefkind. Die verbreiteten Pakete SIMPACK, MADYMO und LMS DADS sind lediglich für kommerzielle Unixe und Windows erhältlich. Doch es gibt bereits Bewegung: MADYMO-Hersteller TNO hat für Ende des Jahres eine Version für Linux angekündigt.

Elektromagnetische Verträglichkeitsanalyse

Moderne Fahrzeuge werden mit immer mehr elektrischen und elektronischen Bauteilen ausgestattet, von der Zündspule bis zum Reifendrucksensor. Jedes dieser Teile ist zugleich Sender und Antenne für elektromagnetische Strahlung. Sie so auszurichten, dass sie sich gegenseitig nicht in die Quere kommen, ist Aufgabe der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeitsanalyse).

Zum einen geht es ihr um Komfort, etwa um optimalen Radio- und Mobiltelefon-Empfang im Auto. Zum anderen aber spielen handfeste Sicherheitsüberlegungen ein große Rolle in der EMV: Wie nahe darf der empfindliche Airbagsensor dem Störsender Zündspule kommen, ohne versehentlich ausgelöst zu werden? Zudem haben die EMV-Ingenieure immer mehr mit mobilen, unberechenbaren Störstrahler wie Handy oder Laptop zu kämpfen.

Glücklicherweise lassen sich die nötigen Berechnungen sehr effizient auf Parallelrechnern umsetzen. Geeignet diskretisiert, wird aus den elektromagnetischen Feldgleichungen ein lineares Gleichungssystem, das prinzipiell recht einfach zu lösen ist. Allein die Größe des Systems bereitet Schwierigkeiten, vor allem, wenn ein komplett dreidimensionales Bild errechnet werden soll. EMV-Anwendungen profitieren deshalb von viel RAM und hohem Speicherdurchsatz. Im Parallelbetrieb sind sie kommunikationshungrig, aber nicht so stark gekoppelt wie beispielsweise die Codes zur Strukturanalyse.

Das EMV-Paket FEKO etwa skaliert auf Clustern nahezu linear mit etwa achtzig Prozent Effizienz pro Knoten. FEKO, das ursprünglich an der Universität Stuttgart entwickelt wurde und inzwischen zu einem kommerziellen Produkt ausgebaut ist, bietet neben Windows- und Unix- auch Linux-Versionen für Einzel- oder Parallelbetrieb.

Linux und CAE – Gespann mit Zukunft

So klar sich im Technical Computing ein Trend hin zu Linux als Computerplattform abzeichnet, so überraschend ist er – auf den ersten Blick. Denn gerade in stark rechenlastigen Numerikcodes ist das zugrunde liegende Betriebssystem nur eine Randfigur. Kontext-Switch-Latenzen und ausgeklügelte Speicherverwaltung spielen eine untergeordnete Rolle, wenn lediglich ein CPU-intensiver Prozess das System auslastet.

Die Frage “Warum Linux?” ist daher zunächst die Frage “Warum PCs?”. Denn die eigentliche Revolution im Technical Computing ist nicht der Wechsel auf ein weiteres Betriebssystem – davon gab es in CAE-Abteilungen schon immer eine bunte Vielfalt -, es ist der Schritt weg von hoch gezüchteten Supercomputern hin zur Standard PC-Architektur. Intel und AMD haben in den vergangenen Jahren in Floating-Point-Leistung und Speicherbandbreite deutlich zugelegt; die Lücke zu den RISC-Prozessoren schrumpft immer weiter.

Zwar sind Pentium und Athlon High-End-Produkten wie IBMs Power4 technisch unterlegen, doch ihr Preis-Leistungs-Verhältnis ist unschlagbar. Wer bei festem Budget maximale Rechenleistung sucht, kommt am PC-Cluster nicht mehr vorbei. Das Betriebssystem kommt erst dann ins Spiel, wenn es darum geht, bestehende Software auf PC-Clustern verfügbar zu machen. Linux profitiert hier von seiner engen Verwandtschaft zu Unix. CAE-Applikationen laufen traditionell unter AIX, HP-UX, IRIX oder speziellen Unixen für Supercomputer von Cray, NEC oder IBM.

Dagegen steht die Windows-Welt mit ihren Standardapplikationen und gut unterstützter Hardware – der Linux-Treiber ist nach wie vor für so manchen Hersteller – auch einzelnen CAE-Softwarefirmen – noch nicht selbstverständlich. Dem Kunden, der die Vorteile von Linux nutzen möchte, antwortet man mit Kopfschütteln: Linux-Version nicht verfügbar. In vielen Anwendungsbereichen des CAE finden sich heute jedoch gleichwertige Konkurrenzprodukte für fast jedes Betriebssystem.

Unter dem Strich halten sich Windows NT und Linux in puncto Verfügbarkeit von CAE-Applikationen in etwa die Waage. Performance-Unterschiede zwischen den Versionen sind marginal. Im Cluster freilich kann Linux glänzen. Die Linux-typische Systemkonfiguration mit Skripten und vielen kleinen Hilfsprogrammen macht die Cluster-Administration und Fernwartung via Netzwerk besonders einfach.

Ausgereifte MPI-Implementierungen und die vielen Batch-Tools prädestinieren Linux für den Parallelbetrieb. Hinzu kommen Initiativen wie SCore, die den normalen Netzwerk-Stack durch spezielle Versionen zur Hochgeschwindigkeits-Kommunikation ersetzen. Das macht Linux zu einem ernst zu nehmenden Kandidaten für Compute-Server. (uwo)

Tabelle 1: Wichtige CAE-Applikationen im Überblick