Simulationsumgebungen stehen vor besonderen Herausforderungen: fragmentierte Software und Hardware, ein großer Simulationsdatensatz und ein komplexer Ausführungsprozess. Daten werden isoliert und mit über 10 Jahre alter Technologie verwaltet. Beispielsweise werden Simulationsdaten auf dem Engineering-Desktop oder bestenfalls über ein gemeinsam genutztes NAS verwaltet, das stark auf Namenskonventionen basiert. Dateien werden per E-Mail oder FTP mit Remote-Benutzern geteilt. Dies beeinträchtigt die Produktivität der Simulationsexperten und die Rückverfolgbarkeit. Jüngste Fortschritte in der Cloud-Technologie haben jedoch eine Modernisierung ermöglicht Simulationsprozess- und Datenmanagement (SPDM).

Überblick
Simulationsprozess- und Datenmanagement (SPDM) ist ein Technologietrend, der seit dem Jahr 2000 besteht und darauf abzielt, eine Simulationsmethode zu entwickeln, Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten und die Produktivität durch Automatisierung zu steigern. „Trotz der mit SPDM erzielten Erfolge ist die Einführung von Informationssystemen zur Verwaltung von Simulationsdaten durch Simulationsingenieure mit 1–2 % immer noch sehr gering“, so NAFEMS. Drei wesentliche Hemmnisse sind: a) mangelnde Offenheit: Kommerzielle Lösungen sind proprietär und es fehlen Standards; b) Beeinträchtigung bestehender Systeme: Die Implementierung erfordert erhebliche Beeinträchtigungen der Benutzererfahrung, der IT-Umgebung und der Simulationsprozesse; und c) die Bereitstellungszeit.

LÖSUNG
Dank der jüngsten Fortschritte in der Cloud-Technologie können IT-Verantwortliche ihren SPDM-Stack nun schnell aufbauen, ohne sich an einen bestimmten Anbieter zu binden und Störungen geschäftskritischer Anwendungen zu minimieren. Eine erstklassige Cloud-SPDM-Architektur macht manuelle Integration überflüssig und umfasst cloudbasierte Datenspeicher oder Data Lakes, moderne Workflow-Management-Tools, Unterstützung für eine breite Palette kommerzieller Anwendungen und Lizenzmanagement sowie einen vollständig verwalteten Stack zur Automatisierung der Integration dieser Tools. Dieser Stack könnte Ihnen Folgendes bieten:

Abbildung 1: Beispiel für einen Cloud-SPDM-Lösungsstapel

 
Rescale bietet eine integrierte Komponente zur Integration dieses Best-of-Breed-Stacks und konzentriert sich auf alle SPDM-Herausforderungen im Zusammenhang mit der Ausführung von Simulationsprozessen. Die ScaleX-Plattform macht aus einem schwierigen, komplizierten und unbequemen HPC-Erlebnis ein leicht zu wartendes, einfach zu integrierendes und intuitiv zu bedienendes System. Sie bietet eine Abstraktionsschicht, die Datenbewegung, Prozessorchestrierung und Dashboarding über Anwendungs- und Ausführungsumgebungen hinweg automatisiert. Sie senkt die Einstiegshürden für Ingenieure, um HPC-Ressourcen zu nutzen, und erfasst alle wertvollen Simulationsinformationen ohne Aufwand für die Benutzer.  

In diesem Artikel untersuchen wir die folgenden Technologiefaktoren, die eine Cloud-SPDM-Modernisierung ermöglichen:  

• Formulierung des Full-Stack-Simulations-Workflows
• Automatische HPC-Datenerfassung
• Global optimierte Architektur
• Systematische Governance

1. Formulierung des Full-Stack-Simulations-Workflows

Da Entwicklungsteams mehrere Anwendungen und Dienstprogramme verschiedener Anbieter nutzen, ermöglicht die ScaleX-Plattform die Interaktion dieser unterschiedlichen Tools innerhalb des Rescale-Cloud-Netzwerks (siehe Abbildung 2). Benutzer greifen für jeden Schritt des gesamten Workflows auf die bestmögliche Hardware zu. 

Abbildung 2: Simulationsablauf mit Neuskalierung

 
Prozessabläufe können im ScaleX-Portal mithilfe der folgenden Frameworks erstellt werden: 

• Grundlegender Arbeitsablauf: Methode zum Erfassen einer oder mehrerer Anwendungen, die auf einem Cluster ausgeführt werden
• DOE-Workflow: zum Erfassen einer Methode mit einer Reihe unabhängiger Jobs mit unterschiedlichen Eingabeparametern, die auf einem Grid-Cluster ausgeführt werden
• Optimierungs-Workflow: Erfassungsmethode mit einer logischen Warteschlange, die auf einem Clusterknoten ausgeführt wird, mit Anweisungen zum Verarbeiten eines Jobs in einer Reihe, die auf einem Grid-Cluster ausgeführt wird 
• End-to-End-Desktop: zum Erfassen von Daten aus Ad-hoc-Analysen, bei denen die Anwendungs-GUI von einem Visualisierungsknoten aus ausgeführt wird, und zum Senden und Überwachen von Jobs in einem Cluster
• Rescale-Rest-API: um zusätzliche Tools, Verknüpfungen und Logikimplementierungen durch Skripting zu ermöglichen. 

 
Für komplexere Simulationsabläufe kann Rescale in das Übermittlungsframework von PIDO-Anwendungen (Process Integration and Design Optimization) integriert werden. Abbildung 3 veranschaulicht die Integration zwischen Rescale und Siemens Heeds als Beispiel. 

Abbildung 3: Rescale-Integration mit dem Heeds-Übermittlungsframework

 
Der gesamte Workflow kann zudem auf Hochleistungsspeichern ausgeführt werden, sodass Daten über mehrere Jobs hinweg gemeinsam genutzt werden und Datenbewegungen während der Berechnung vermieden werden. Der softwaredefinierte Hardwareansatz von Rescale ermöglicht die Optimierung des gesamten Stacks, einschließlich der Hardware und Software des gesamten Simulations-Workflows (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Referenzarchitektur des softwaredefinierten Hardwareansatzes von Rescale

 
Dieser Ansatz optimiert die Definition komplexer Workflows, indem HPC-Workloads an die zugrunde liegenden Rechen- und Speicheranforderungen angepasst werden. Gleichzeitig wird der Zeitaufwand für manuelles Scripting und Abhängigkeiten deutlich reduziert. Führt beispielsweise ein Cloud-Service-Anbieter eine neue Architektur ein, die den Simulationsprozess deutlich beschleunigt, kann der neue Kerntyp einfach ausgetauscht werden. Ingenieure können zudem problemlos einen neuen Schritt hinzufügen, um mithilfe von GPUs ein KI-Modell anhand der Simulationsdaten zu trainieren. Dieses Inferenzmodell kann dann Designern zur schnellen Iteration des Designs zur Verfügung gestellt oder in einer Optimierungsschleife innerhalb von ScaleX verwendet werden.
Wie in Abbildung 5 zusammengefasst, ermöglicht der ScaleX Full-Stack-Ansatz Unternehmen, ihre Simulations-Workflows von Ad-hoc auf vollautomatisch umzustellen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die erforderliche Rechenleistung bereitgestellt wird. Durch agile Transformationen erschließen Unternehmen den Wert der Simulation und fördern ihre Prozesse schnell durch Innovationen.
 

Abbildung 5: Die ScaleX-Plattform bietet Geschwindigkeit, Agilität und Governance zur Verbesserung der Simulations-Workflows.

 

2. Automatische HPC-Datenerfassung für die End-to-End-Rückverfolgbarkeit der Simulation

Die Verwaltung der durch HPC-Simulationen generierten Daten wird immer komplexer. Die Cloud bietet neue Ansätze für eine effiziente Verwaltung dieser Daten und eine schnellere Offenlegung wichtiger Probleme gegenüber verschiedenen Beteiligten. 
CLOUD-STEUERUNG

Da der Workflow auf ScaleX definiert ist, werden Daten automatisch erfasst und verschlüsselt an einem permanenten Speicherort gespeichert. Sie sind nur für den Benutzer sichtbar, sofern sie nicht ausdrücklich mit anderen geteilt werden. Bei der Ausführung werden die Daten automatisch in den Cluster-Blockspeicher verschoben. Nach Abschluss des Workflows werden die Ergebnisdaten in den permanenten Speicher verschoben. Rescale automatisiert zudem die Betriebskontinuität, um versehentliches Löschen und Site-Ausfälle zu vermeiden. 
Ingenieure verbringen heute durchschnittlich 15 % ihrer Zeit mit der Datensuche. Auf der ScaleX-Plattform sind zuvor definierte Jobs und Daten aus der Vergangenheit durchsuchbar (siehe Abbildung 6) und gemeinsam nutzbar. So kann ein Benutzer beispielsweise schnell einen früheren Job mit ähnlichen Attributen abrufen und so Nacharbeit bei der Analyse vermeiden. Darüber hinaus ermöglicht die Plattform die Erfassung und einfache Weitergabe von Stammwissen im gesamten Unternehmen.
 

Abbildung 6: Daten werden nativ in ScaleX referenziert und durchsuchbar

 
Da alle Informationen in leicht durchsuchbaren Cloud-Datenspeichern gespeichert sind, können Benutzer oder Projektteams sie im ScaleX-Benutzerportal über das Job-Dashboard und das Job-Objekt leichter nachverfolgen (Abbildung 7). Skalierungsjob-Parameter wie die Job-ID können auch über die API innerhalb der Simulation Lifecycle Management (SLM)- oder PLM-Lösung bereitgestellt werden, um die Kontinuität mit anderen Simulations- (z. B. Material- oder Netzteildatenbank) und Designattributen (z. B. Geometrieversion oder Produktanforderungen) zu gewährleisten.
 

Abbildung 7: Job-Dashboard und Job-Workflow bieten vollständige Rückverfolgbarkeit

 
Darüber hinaus erfassen die Full-Stack-Ansätze HPC-Informationen über den Anwendungsfluss, sodass diese Daten immer im vollständigen Kontext verwaltet werden. 
Die Rescale-Plattform strukturiert, profiliert und nutzt die Datenbestände aus der HPC-Nutzung voll aus und tut dies für die Benutzer völlig transparent.

3. Global optimierte Architektur für verbesserte Zusammenarbeit

Moderne Unternehmen verfügen über weltweit verteilte Entwicklungszentren und Kunden. Die Komplexität der Lieferkette nimmt zu. Ein Schlüsselelement einer modernen SPDM-Strategie ist die Förderung der standortübergreifenden Teamarbeit. Das bedeutet, dass die HPC-Umgebung Rechenressourcen in die Nähe jedes Benutzers bringen und die Herausforderungen der Simulationsdatenfragmentierung und der globalen Datengravitation bewältigen muss. 
Die Umgebung von Rescale ermöglicht es Benutzern, Modelle per Knopfdruck mit Kollegen oder externen Mitarbeitern zu teilen und bietet dem Administrator gleichzeitig die Gewissheit, dass IP-Daten nicht verloren gehen. Mit Rechenzentren auf der ganzen Welt (siehe Abbildung 8) und robusten Überwachungs- und Visualisierungsfunktionen ist die Plattform darauf ausgelegt, Daten global zugänglich zu machen (Geo-Distribution), während Datenbewegungen minimiert und die Rückverfolgbarkeit gewährleistet werden.

Abbildung 8: Globale Rescale-Präsenz

 
ScaleX Desktop minimiert den Datentransfer zwischen Cloud und Desktop-Computer durch ein leistungsstarkes visuelles Erlebnis mit gleichzeitigem Zugriff auf alle Vor- und Nachbearbeitungstools. Die Browser-basierte Remote-Visualisierungsfunktion lässt sich nahtlos in die ScaleX-Plattform integrieren und bietet echte Interoperabilität mit Unternehmensnetzwerken. Um das Bildschirmerlebnis für die Nutzer zu verbessern, kann ScaleX Desktop mit GPU-Beschleunigung und High Memory Nodes konfiguriert werden. ScaleX-Nutzer haben außerdem die Möglichkeit, Batch-Jobs weltweit zu übermitteln und die Übertragung der Ausgabedaten in das nächstgelegene Rechenzentrum zu ihren Mitarbeitern zu automatisieren, um die Latenz für die Visualisierung zu reduzieren (siehe Abbildung 9). Der schnelle Zugriff auf Modell und Ergebnisse über das Internet gestaltet Design-Review-Meetings und technische Diskussionen zudem deutlich interaktiver.
 

Abbildung 9: Globale Architektur für Remote-Visualisierung mit geringer Latenz

Mit der optimierten globalen ScaleX-Architektur können Unternehmen nun HPC-Methoden für die Interaktion mit Partnern definieren und ihren Kunden neue innovative HPC-basierte Dienste anbieten. Dies ermöglicht die effektive Umsetzung einer Unternehmensvision rund um modellbasiertes System-Engineering oder digitale Zwillingsarchitekturen.

4. Systematische Governance und Sicherheit

Die Cloud vereint Unternehmen und HPC-Benutzer in einem einheitlichen Governance-Modell mit umfassender Transparenz und Kontrolle. Sobald HPC-Ressourcen nicht mehr isoliert und mit transparenten Cloud-Kontrollen integriert sind, können sie an ein breiteres Spektrum an IT-Richtlinien angepasst werden. So wird eine standardisierte Kontrolle über alle geografischen Plattformen, Geschäftseinheiten, Projektteams und Einzelpersonen hinweg gewährleistet und Best Practices systematisch durchgesetzt.
Mithilfe des ScaleX-Administratorportals werden Richtlinien und Verfahren zur Datenverwaltung (siehe Abbildung 10) automatisch und auf verschiedenen Ebenen der Organisation definiert und angewendet. Dadurch kann die Qualität der im Unternehmen gespeicherten Daten global problemlos aufrechterhalten werden.

Abbildung 10: Beispiele für im Admin-Portal verfügbare Funktionen zum Definieren von Speicherrichtlinien

 
Nach der Integration in ScaleX erhalten Benutzer Zugriff auf einen kollaborativen Arbeitsbereich mit kontrolliertem Zugriff über Multi-Faktor-Autorisierung und IP-Beschränkungsregeln. Daten und Projekte werden entsprechend ihrer Vertraulichkeit und den Governance-Richtlinien der einzelnen Geschäftseinheiten verwaltet. ScaleX-Benutzer und -Arbeitsbereiche können zudem ihren Identitäten in Microsoft Active Directory zugeordnet werden. Durch die Nutzung des Arbeitsbereichs schafft ScaleX eine föderierte Umgebung für die erweiterte Organisation und steuert die Zusammenarbeit bei gleichzeitigem Schutz der IP-Adresse der Simulationsdaten.  
Über das Verwaltungsportal definiert die IT außerdem die unternehmensweite Transparenz von Cloud-Ressourcen und -Anwendungen, wie in Abbildung 11 dargestellt. Die Administratoren können nun den gesamten Stack-Workflow, der von den Benutzern ausgeführt wird, standardisieren. Die IT kann einem Benutzer, einem Projektteam oder dem gesamten Arbeitsbereich per Mausklick Zugriff auf die Cloud oder eine bestimmte Softwareversion gewähren. Die IT kann die Ausgaben zusätzlich kontrollieren, indem sie die Anzahl der gleichzeitigen Kerne, auf die ein Projektteam zugreifen kann, begrenzt und Budgets zuweist (Abbildung 12). Budgets überwachen alle Arten von Kosten (z. B. Hardware, Software, Datenübertragung, Speicher, Lizenzproxy) und stellen sicher, dass die gewünschten Grenzen nicht überschritten werden.

Abbildung 11: Software- und Hardwarefilter steuern den Einsatz der Full-Stack-Simulationsmethode im gesamten Unternehmen

 

Abbildung 12: Die Rechenausgaben werden durch die Budgetfunktionen und die Anzahl der Kernzugriffsbegrenzer gesteuert.

 
Durch den Echtzeitzugriff auf HPC-Workload-Daten können IT-Administratoren und Entwicklungsleiter fundiertere Entscheidungen treffen und kontinuierlich Maßnahmen zur Effizienzsteigerung ergreifen. Das Nutzungs-Dashboard (Abbildung 13) zeigt die Hardware- und Speichernutzung an. So kann ein HPC-Administrator beispielsweise schnell erkennen, welche Benutzer oder Simulations-Workflows von einem neu verfügbaren Kerntyp profitieren könnten, oder sich über Speichertrends auf dem Laufenden halten. 

Abbildung 13: HPC-Nutzungs-Dashboard

 
Abschließend haben wir gesehen, wie wichtig es ist, eine SPDM-Lösung auf der Grundlage des offenen Technologie-Stacks, der Datenautomatisierung und der Governance. Um jedoch führend zu sein und eine SPDM-Lösung erfolgreich einzusetzen, müssen Unternehmen in erster Linie in ihre Simulationsmethoden investieren und sicherstellen, dass diese ein fester Bestandteil ihres Geschäftsbetriebs sind.