US-Raummission erreicht hohe Prozesseffizienz – auch dank AMD

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Wenn in Zukunft Astronauten an Bord des neuen Space-Launch-Systems der NASA in den Weltraum aufbrechen, dann werden hierzu nicht zuletzt die von Orbital ATK entwickelten und gefertigten Feststoff-Boosterraketen beitragen. Die Orbital ATK Flight Systems Group stellt neben Feststoff-Antriebssystemen auch die Raketentriebwerke für das Notfall-Rettungssystem her, das sich oben auf der Orion-Raumkapsel befindet und bei eventuellen Problemen während des Starts die Besatzung in Sicherheit bringen soll.
Die Orbital ATK Flight Systems Group gehört zu Orbital ATK (OA), einem langjährigen Lieferanten und Geschäftspartner von Regierungen und militärischen Einrichtungen. Das Unternehmen beschäftigt in den USA mehr als 14.000 Mitarbeiter. Im Bundesstaat Utah entwickeln über 2.000 Beschäftigte Feststoffraketen für die zivile Raumfahrt sowie für militärische beziehungsweise wehrtechnische Anwendungen. Zudem fertigt OA auch zahlreiche andere Produkte für die Luft- und Raumfahrt. Hierzu zählen Täuschkörper für den militärischen Bereich sowie Komponenten aus Verbundwerkstoffen für die militärische und zivile Luft- und Raumfahrt.
In den Anlagen mit einer Gesamtfläche von annähernd 50 Hektar entwerfen, fertigen, testen und liefern hochspezialisierte Teams Bauteile für eine breite Palette an Kunden wie etwa das US-Verteidigungsministerium, die NASA und diverse andere Unternehmen.

Performance auf Abruf

Orbital ATK sieht sich häufig mit der Herausforderung konfrontiert, komplexe Werkzeuge für nur einen ganz bestimmten Zweck anfertigen zu müssen. Hierzu verwenden die Konstrukteure und Fertigungstechniker modernste CAD/CAM/CAE-Software, vor allem NX von Siemens PLM. „Bei NX handelt es sich um ein CAD-Werkzeug der höchsten Klasse, das dementsprechend grafikintensiv ist“, erläutert Nathan Christensen, Leiter der Abteilung für ingenieurtechnische Werkzeuge und Analysen. „Als Modellierungsanwendung ohne Multithreading-Unterstützung stellt NX hohe Anforderungen an die Grafikkarte.“
Deshalb werden die Dell-3600-Workstations der OA-Ingenieure mit für den professionellen Einsatz konzipierten AMD-FirePro-W5000-Grafikkarten ausgestattet.
Jim Maul, führender Ingenieur der Abteilung für ingenieurtechnische Werkzeuge und Analysen, entwickelte konkret eine standardmäßige, für CAD optimierte Workstation-Konfiguration basierend auf einem 1620er Prozessor mit vier Kernen sowie 32 GByte Arbeitsspeicher.
„Zwar verfügen wir für anspruchsvollste Berechnungen über einen Hochleistungs-Rechnerverbund, aber viele Ingenieure führen ihre strukturellen, thermischen und fluiddynamischen Simulationen auch auf ihrer Ingenieurs-Workstation durch. Außerdem stellen wir so sicher, dass jedem Mitarbeiter die nötige Rechenleistung zur Verfügung steht, wann auch immer er sie braucht. Die Kombination aus Dell-Workstation und einer professionellen AMD-Grafikkarte garantiert genau das.“

AKT entwickelt eigene Software

Die Ingenieure und Programmierer von Orbital ATK entwickeln auch spezielle Simulationssoftware für die US-Regierung, die US-Luftwaffe, andere kommerzielle Unternehmen sowie für den Gebrauch im eigenen Haus. Ein Beispiel hierfür ist „Hero“, ein hoch spezialisiertes Programm zur Simulation von Wärmeübertragung, Verschleiß und Abschmelzung (Ablation).
Die selbst entwickelten Programme nutzen die Vorzüge des OpenCL-Protokolls und profitieren von der Leistungsfähigkeit des AMD-FirePro-W5000-Grafikprozessors. Dieser Verbund aus OpenCL und W5000 bietet eine deutliche Beschleunigung der Berechnungen im Vergleich zum ausschließlichen Einsatz des Hauptprozessors.
„Die Rechenleistung des Grafikprozessors ist beeindruckend, wir erzielen damit hervorragende Ergebnisse“, kommentiert Christensen. „Bei einigen Analysearten zahlt sich OpenCL besonders aus, weshalb sich die AMD-Grafikkarten beispielsweise ideal für statistische Auswertungen und komplexe thermische Analysen eignen. Gegenüber der alleinigen Verwendung des Hauptprozessors hierfür haben wir einen deutlichen Leistungsschub verzeichnet. Die Hero-Software für die Ablationssimulation nutzt die spezifische Performance von Grafikprozessoren besonders effektiv und liefert mit dieser Technologie schneller Ergebnisse.“
Heath Dewey, leitender Programmierer und Entwickler von GPU-spezifischem Quellcode für die Software Hero, fügt hinzu: „AMD-FirePro-W5000-Grafikkarten beeindrucken in Kombination mit unserer hausintern entwickelten Software mit sehr hoher Leistung und Zuverlässigkeit. Der üppige Grafikspeicher und die enorme Rechenleistung der Grafikkarten erlauben es, mit Hero an extrem umfangreichen Finite-Elemente-Modellen Sichtfaktorberechnungen mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen.“

Optimale Nutzung des IT-Budgets

Da Ingenieure unbedingt Hardware zur Verfügung haben müssen, die ihren Aufgaben gewachsen ist, arbeitet Orbital ATK an einem Drei-Jahres-Zyklus für die Hardwareaktualisierung. Angesichts Hunderter Workstations in den Ingenieurabteilungen des Unternehmens stellt die Aktualisierung der Hardware jedoch einen erheblichen Kostenfaktor dar. Maul merkt hierzu an: „Wann immer wir eine solche Aktualisierung vornehmen, spielt der Preis eine wichtige Rolle, da wir unsere Kaufentscheidungen gegenüber dem Management des Unternehmens und der IT-Abteilung rechtfertigen müssen. Folglich legen wir großen Wert auf ein gutes Preis-Leistungsverhältnis der Grafiklösungen. Auch und gerade in dieser Hinsicht bietet AMD Vorteile, denn wir erhalten die benötigte Leistung zu einem relativ erschwinglichen Preis. Deshalb haben wir uns bei jeder der drei letzten Hardwareaktualisierungen für AMD-Karten entschieden.“
Maul ergänzt, dass er vor der letzten Aktualisierung der Workstations die Kosten einer anderen Grafiklösung mit praktisch identischer Leistung betrachtet hat. „Wir nutzen einige Anwendungen, bei denen je nach Fall die eine oder andere Grafikkarte eine geringfügig höhere Leistung erbringt. Beispielsweise verwenden einige unserer Ingenieure Citrix XenDesktop für den CAD-Fernzugriff, weshalb wir auch die Karte eines anderen Anbieters in Augenschein nahmen. Sie kostete etwa 200 US-Dollar mehr. In Anbetracht der Tatsache, dass wir gleich Hunderte Grafikkarten zu beschaffen hatten, schien uns der enorme Aufpreis gegenüber einer eher marginalen Leistungsverbesserung – speziell bei dieser einen Anwendung – im Rahmen unserer Budgetgrenzen nicht gerechtfertigt.“

Zuverlässigkeit und kontinuierliche Optimierung

AMD-Grafikkarten kommen bei Orbital ATK seit 2009 zum Einsatz und laut Christensen sind die Ingenieure und Anwender mit der Grafikleistung überaus zufrieden: „Die Grafikkarten sind für viele der von uns verwendeten Anwendungen zertifiziert und auch die Zuverlässigkeit der FirePro-Lösungen ist beeindruckend.“
Maul führt weiter aus: „Wir arbeiten gemeinsam mit Lieferanten kontinuierlich an der Versorgung unserer Ingenieure mit den besten und zugleich kosteneffizientesten Werkzeugen, und AMD hat sich als unser Partner inzwischen bestens bewährt. Unsere Ansprechpartner bei AMD unterstützen uns nach Kräften. Mit jeder Aktualisierung verzeichnen wir einen deutlich Leistungsschub. So hat sich beispielsweise alleine der integrierte Grafikspeicher im Rahmen der letzten Aktualisierung von 512 MByte auf 2 GByte vervierfacht.“ jbi

Antoine Reymond ist ISV Alliances Manager bei  AMD in Irvine, Kalifornien, USA.

 

AMD-FirePro-W5000 in Kürze

Arbeitsspeicher: 2 GByte GDDR5.
Rechenleistung: 1,3 TFlops Rechenleistung bei einfacher Genauigkeit und 79,2 GFlops Gleitkomma-Rechenleistung bei doppelter Genauigkeit.
Technologien: AMD-Eyefinity-Technologie unterstützt bis zu drei Monitore.
AMD-PowerTune-Technologie optimiert den Stromverbrauch des Grafikprozessors.
AMD-ZeroCore-Power-Technologie: reduziert den Stromverbrauch im Leerlauf.

  • Rendering des NASA-Space-Launch-Systems inklusive zweier von Orbital ATK (OA) entwickelter Feststoff-Boosterraketen beim Abheben von der Startrampe. Die SLS-Trägerrakete soll Raumschiffe zu einer Mond- und später eventuell sogar zur Marsmission in den Orbit befördern.
  • Erste statische Testzündung der von OA entworfenen Feststoff-Boosterrakete für das neue Space-Launch-System der NASA. Die Rakete erzeugt eine Schubkraft von etwa 16.000 Kilonewton, die Kraft von 14 Boeing 747-400 beim Start mit maximaler Schubkraft.
  • Regelmäßig aktualisiert OA hunderte Workstations. Auch diesmal fiel die Wahl auf AMD-Grafiklösungen: Die W5000 bringt mit 2 GByte viermal so viel Arbeitsspeicher wie ihre Vorgängerin mit; bei der bereits verfügbaren Nachfolgerin W5100 sind es sogar 4 GByte.
  • OA entwickelt auch eigene Software, beispielsweise „Hero“ zur thermischen Analyse. Das Simulationsergebnis gibt das Wärmedämmverhalten nach der Einwirkung eines erosiven Gases bei 2.760 Grad Celsius wieder.
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