Erdbeben: Schneller zum Simulationsergebnis dank GPU-Computing

Die von Wolkenkratzern dominierte Pekinger Skyline ist ein Sinnbild für den in ganz China herrschenden Bauboom und der damit einhergehenden Errichtung zahlreicher hoher Gebäude. Jedoch wurde China in seiner Geschichte immer wieder von Erdbeben heimgesucht, sodass entsprechend strenge Bauvorschriften erlassen wurden. Alle Bauträger müssen nachweisen, dass sie die vorgeschriebenen Sicherheits- und Leistungsstandards für geplante Bauprojekte erfüllen. Diese Vorschriften sollen gewährleisten, dass Hochhäuser Erdstößen standhalten, um Menschen zu schützen und Schäden zu minimieren.
Die für die Baubranche geltenden Standards, Normen und Vorschriften werden von der China Academy of Building Research (CABR) erstellt und durchgesetzt. Diese Organisation führt Qualitätsprüfungen für Konstruktions- und Bauprozesse sowie für Produkte wie Klimaanlagen, Aufzüge und diverse Baustoffe durch.

Das Unternehmen gehört zu 50 Prozent dem Staat und zu 50 Prozent privaten Gesellschaftern. CABR entwickelt unter anderem die Software PKPM, ein umfassendes CAD- und Konstruktionssystem, das alle Aspekte der Bauplanung und -technik einschließlich Wasser- und Abwasserleitungen, Heizung, Lüftung, Elektro- und Gebäudemanagement berücksichtigt. PKPM wird tagtäglich von Zehntausenden Instituten und Unternehmen, also von einem nicht unerheblichen Teil chinesischer CAD-Anwender, genutzt.

Wenn die Erde bebt

Eines der am häufigsten verwendeten Module von PKPM ist „Sausage“. Mit dem Tool lässt sich simulieren, wie eine bautechnische Struktur auf ein Erdbeben reagieren wird. Da ein großer und dynamischer Bereich von Parametern wie Elastizität, Plastizität, Zeit und Historie analysiert werden muss, ist Sausage auf eine hohe Rechenleistung angewiesen. Die Software wurde ursprünglich für eine parallel arbeitende Programmierungs- und Rechenplattform entwickelt, wobei einige Analyseszenarien schon einmal 60 Stunden oder gar eine ganze Woche dauern können.
Da für jedes Gebäude viele unterschiedliche Szenarien durchgespielt werden müssen, dauert die komplette Analyse und Nachweisführung mitunter mehrere Monate. Dies führt nicht nur zu Verzögerungen bei landesweiten Bauprojekten, sondern auch zu hohen, teils unvorhersehbaren Zusatzkosten.

Gemeinsam für mehr Effizienz

Als Reaktion auf diese Anforderung und die von mehr und mehr Anwendern geforderte GPU-Beschleunigung, wie sie AMD-Grafikkarten bieten, hat sich die CABR zur Entwicklung einer OpenCL-Version von Sausage entschieden. Im Jahr 2014 arbeiteten dazu CABR-Ingenieure, die bestens mit den Sausage-Algorithmen vertraut sind, eng mit OpenCL-Spezialisten von AMD zusammen. Gemeinsam gelang es, den Großteil der Berechnungsaufgaben von Sausage nach OpenCL zu portieren, sodass nun die Analysen, unterstützt durch die Leistung der Grafikkerne, schneller und effizienter durchgeführt werden können.
Unter Leitung des PKPM-Projektmanagers, Dr. Qi Nie, der für die OpenCL-Optimierung zuständig ist, testeten CABR-Entwickler verschiedene professionelle Grafiklösungen. Hierzu gehörten zwei AMD-Karten, eine CPU-Lösung und eine für die ursprüngliche Sausage-Version konzipierte Karte. Mit jeder Lösung wurden fünf verschiedene Datasets testweise verarbeitet.
Es zeigte sich, dass die Sausage-Algorithmen sehr gut für parallele GPU-Berechnungen geeignet sind. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass für die Software eine enorme Datenverarbeitungsleistung mit doppelter Genauigkeit erforderlich ist. Die Tests zeigten zudem deutliche Leistungssteigerungen bei Nutzung der OpenCL-Version in Verbindung mit professionellen FirePro-W8100- und FirePro-W9100-Grafikkarten von AMD.

Ab jetzt mit „Turbo-Button“

PKPM-Anwender können nun zusätzlich wählen, ob sie eine OpenCL-Version von Sausage auf professionellen AMD-Grafikkarten ausführen möchten. „Seit unserer Kooperation mit AMD nutzen wir deren professionelle Grafikkarten und OpenCL-Programmiertechnologie“, kommentiert Dr.Qi Nie. „Unser 2014 begonnenes Projekt ist auch 2015 noch nicht abge­schlossen.“jbi |

John M. Swinimer ist PR Manager, Professional Graphics, bei AMD in Markham (Kanada).