Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Grafikkarte schlägt Supercomputer - Neue Optionen für Simulationsrechnungen

28.11.2008
Simulationsrechnungen sparen Ingenieuren viel Zeit. Doch mit komplexeren Berechnungen sind herkömmliche Computer schnell überfordert, und Rechenzeit auf Großcomputern ist knapp und teuer.

Revolutionäre Ergebnisse einer studentischen Forschungsarbeit am Lehrstuhl für Aerodynamik der Technischen Universität München könnten dieses Problem nun lösen helfen: In dem Projekt wurden für komplexe Berechnungen handelsübliche Grafikkarten eingesetzt. Mit dem Resultat, dass sich teure Supercomputer um Längen geschlagen geben müssen.

Eine Forschungsaufgabe am Lehrstuhl für Aerodynamik der Technischen Universität München (TUM) ist die Untersuchung der Nachlaufwirbel an Fahrzeugen. Diese schlucken Energie, verursachen Lärm und Vibrationen. Wesentliches Werkzeug dieser Forschung ist die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD). "Mit CFD werden strömungsmechanische Probleme numerisch simuliert, wodurch CFD eine wichtige Ergänzung zu Windkanalversuchen, insbesondere für physikalisch komplexe Strömungen, ist", erläutert Prof. Dr.-Ing. Nikolaus A. Adams, Ordinarius am Lehrstuhl für Aerodynamik an der TU München.

"Eine typische Simulation an einem stark vereinfachten Fahrzeugmodell besteht aus 48 Millionen dreidimensionaler Volumenelemente und benötigt mehr als 102.000 Zeitschritte. Ein mehrere hunderttausend Euro teurer Supercomputer braucht für die vollständige Berechnung einer solchen Simulation knapp 60 Stunden", erklärt Dr.-Ing. Thomas Indinger, Leiter der Automobilaerodynamik am Lehrstuhl von Professor Adams.

Die gleiche Aufgabe lässt sich aber auch sehr viel schneller erledigen - und zwar auf einem System, das lediglich ein- bis zweitausend Euro kostet. Das Geheimnis dieses preiswerten Temporausches: Die Simulationen werden mit Hilfe von herkömmlichen Grafikkarten durchgeführt. Grafikprozessoren (Graphics Processing Unit, GPU) können aufgrund ihrer massiv-parallelen Architektur berechnungsintensive Aufgaben um ein Vielfaches schneller erledigen als herkömmliche Hauptprozessoren (Central Processing Unit, CPU).

Die Idee dazu hatte Eugen Riegel, Student der Luft- und Raumfahrt im 8. Semester. In der Computer-Zeitschrift c't las er einen Beitrag über den Einsatz von Grafikprozessoren in Wissenschaft und Forschung sowie um die für Grafikkarten entwickelte Programmiersprache CUDA. "Ich habe dann die Simulationsberechnungen mit einer Grafikkarte NVIDIA GeForce 8800 GT mit 512 Mbyte Speicher zum Thema meiner Semesterarbeit gemacht", berichtet er. Das Ergebnis war verblüffend: Mit Hilfe der Mittelklassen-Grafikkarte, die bereits ab 100 Euro erhältlich ist, konnte Riegel die Berechnungen im Vergleich zur konventionellen Vorgehensweise mit Nutzung der CPU auf das 7-Fache beschleunigen.

Basis für den Einsatz von GPUs als Hochleistungsrechensystem ist ihre freie Programmierbarkeit - eine Eigenschaft, die in der Vergangenheit nur Hauptprozessoren besaßen. Um auch Grafikprozessoren programmieren zu können, entwickelte NVIDIA die auf C/C++ basierende Programmiersprache CUDA (Compute Unified Device Architecture). CUDA ist frei zugänglich, das Unternehmen stellt die Software kostenlos zum Download zur Verfügung. Die hohe Rechenleistung der Grafikkarten entsteht durch das Parallelisieren vieler Datenverarbeitungseinheiten auf dem Grafikchip, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen CPUs sehr viel mehr Transistoren für die Berechnung zur Verfügung stehen.

Dr.-Ing. Thomas Indinger betreute die Forschungsarbeit. Auch er sieht im Einsatz von Grafikprozessoren in Wissenschaft und Forschung ein hohes Potenzial: "Die Arbeit hat gezeigt, dass Grafikprozessoren aufgrund ihrer massiv-parallelen Architektur berechnungsintensive Aufgaben um ein Vielfaches schneller erledigen können als herkömmliche Hauptprozessoren. Gerade in Bereichen, in denen daten- und rechenintensive Grundlagenforschung betrieben wird, sehen wir deshalb große Chancen für eine zunehmende Verbreitung von GPU-Lösungen."

Die TU München und NVIDIA haben nun eine Kooperation beschlossen. NVIDIA stellt dem Lehrstuhl für Aerodynamik Grafikprozessoren aus der High-Performance-Computing-Produktlinie Tesla zur Verfügung, die für den Dauereinsatz im professionellen Umfeld konzipiert ist. Die Prozessoren verfügen über bis zu 4 GB Speicher und bieten eine Rechenleistung von 1 Teraflops. An der TU München werden demnächst Strömungssimulationen mit einem Tesla-System durchgeführt. Das Ziel der TUM-Wissenschaftler: Die Beschleunigung der Berechnungen um das 40-Fache.

Kontakt:
Dr.-Ing. Thomas Indinger
Technische Universität München
Fakultät für Maschinenwesen
Lehrstuhl für Aerodynamik
Boltzmannstr. 15
85748 Garching
Tel.: +49(0)89-289-16135
Fax: +49(0)89-289-16139
Thomas.Indinger@tum.de

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.aer.mw.tum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Brain-Computer-Interface: Wenn der Computer uns intuitiv versteht
18.01.2017 | Technische Universität Berlin

nachricht »Lernlabor Cybersicherheit« startet in Weiden i. d. Oberpfalz
12.01.2017 | Fraunhofer-Gesellschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wie der Nordatlantik zum Wärmepirat wurde

23.01.2017 | Geowissenschaften

Immunabwehr ohne Kollateralschaden

23.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie