Studio di benchmark: Drop test ottimizzati con Dell, Intel e Altair

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1 Studio di benchmark: Drop test ottimizzati con Dell, Intel e Altair Fredrik Nordgren, M.Sc. M.E. (Master of Science in Mechanical Engineering), Application Engineer, Altair Eric Lequiniou, Director, High Performance Computing, Altair Martin Hilgeman, HPC Consultant, Dell Dell Sezione 1 1

2 Introduzione L'analisi dell'impatto, o drop test, è una delle fasi più importanti nella progettazione e nello sviluppo di un prodotto, e il software in grado di simulare questi test in modo accurato offre vantaggi significativi ai produttori in termini di costi e time to market. Dell, Intel e Altair hanno collaborato all'analisi di una soluzione virtuale di drop test con analisi integrata di simulazioni e ottimizzazioni, che assicura aumenti comprovati di velocità e accuratezza. Con questa soluzione, i tecnici possono esplorare più alternative di progettazione per migliorare la stabilità e l'affidabilità dei prodotti. Di conseguenza, i produttori possono ridurre sensibilmente i tempi necessari per lo sviluppo di prodotti ad elevate prestazioni, migliorando la qualità e riducendo il tempo richiesto per la distribuzione. Problema: Migliorare la velocità e l'accuratezza dei drop test Dagli smartphone ai componenti di auto, i prodotti devono essere testati per verificarne le prestazioni all'impatto prima della produzione. È compito del produttore progettare e sviluppare prodotti che offrano le migliori prestazioni possibili in caso di cadute, urti o altre situazioni a rischio di danni permanenti. Il software di simulazione dei drop test risulta utile per i produttori, in quanto accelera i tempi richiesti per testare un prodotto, assicura livelli più elevati di qualità e riduce la necessità di eseguire test fisici. Questo tipo di software replica la complessità dell'ambiente e dei materiali fisici, simula l'impatto o la caduta e fornisce informazioni tecniche dettagliate sulle prestazioni del prodotto durante questi eventi. In generale, il software per questo tipo di problema è già avanzato, perché la domanda di drop test e le relative soluzioni derivano dalla modellazione di incidenti stradali. Tuttavia, quando si tratta nello specifico di drop test per telefoni, si presentano sfide diverse, tra cui il fatto che i telefoni sono costituiti da un numero maggiore di componenti, con molti materiali e tecniche di assemblaggio diverse. Tutto questo deve essere modellato con attenzione per valutare i potenziali danni di un impatto. Inoltre, i tecnici devono configurare manualmente il modello e la post-elaborazione, tutti interventi che richiedono tempi lunghi. L'obiettivo finale è avere un prodotto affidabile in grado di sopportare cadute da tutte le angolazioni e altri tipi di carico (pressione, piegamenti, torsioni, ecc.). Per questo sono necessarie numerosi simulazioni e un solver veloce e scalabile, oltre a un ambiente software che consenta ai tecnici di esplorare più alternative di progettazione per ottenere informazioni più dettagliate sul comportamento fisico durante l'impatto. Inoltre, i tecnici necessitano di soluzioni integrate e automatizzate, con elementi chiave come l'ottimizzazione integrata, per semplificare i processi e ridurre il rischio di errori. 2

3 Soluzione: Accelerare la simulazione di drop test con Dell, Intel e Altair In questo studio, Dell, Intel e Altair hanno collaborato per testare il software di simulazione di drop test di Altair in un cluster Dell basato su processori Intel. L'infrastruttura fornita da Dell e Intel consente di accelerare la simulazione aumentando le prestazioni del solver di analisi dell'impatto, RADIOSS, eseguito in un cluster Dell di fascia alta dotato di processori Intel Xeon E5 v2 di più recente generazione. Il solver, un componente strategico a elaborazione intensiva della soluzione drop test di Altair, viene utilizzato per eseguire i tipi di simulazioni complessa che possono trarre vantaggio da hardware molto efficiente e processori veloci... Soluzione drop test di Altair La soluzione drop test automatizzata di Altair è costituita da una serie di strumenti software integrati, progettati per ottimizzare le prestazioni, il throughput e l'usabilità: HyperWorks: suite di software di modellazione, analisi e ottimizzazione che integra i seguenti componenti in una soluzione drop test completa: o Prodotto per la pre-elaborazione di elementi finiti ad elevate prestazioni (HyperMesh) per preparare anche i modelli più grandi, con un set completo di strumenti di editing della geometria che consentono di preparare efficientemente i modelli per il meshing o Solver di analisi strutturale (RADIOSS) definito da oltre 20 anni come standard di settore per crash test e impatto nel settore automobilistico, con i massimi livelli di qualità, affidabilità e scalabilità. Con la tecnologia AMS (Advanced Mass Scaling) di RADIOSS, gli utenti possono riscontrare livelli ancora più elevati di prestazioni. o Software integrato e avanzato per l'esplorazione, l'approssimazione e l'ottimizzazione della progettazione (HyperStudy), con ottimizzazione delle forme, parametrizzazione diretta, data mining e lettori dei risultati RADIOSS diretti. Software di gestione dei carichi di lavoro PBS Professional per la pianificazione di processi HPC (High- Performance Computing), con livelli elevati di scalabilità e usabilità, collaudato da oltre 20 anni presso migliaia di sedi dei clienti. I test precedenti condotti da Altair hanno dimostrato che questa soluzione, con RADIOSS AMS abilitata, consente di ridurre i runtime dei drop test da 65 a 36 minuti, con un miglioramento del 45%, rispetto al runtime di 64 minuti prodotto da un importante solver alternativo. Soluzioni Dell HPC basate su tecnologia Intel Dell fornisce elementi di base e soluzioni chiavi in mano per l'hpc che consentono alle organizzazioni di sfruttare la potenza della tecnologia HPC e ottimizzare l'innovazione e lo sviluppo di prodotti. Collaborando con Intel e Altair, è possibile immettere sul mercato soluzioni per lo sviluppo di prodotti che possono migliorare la produttività, ridurre i costi e semplificare la gestione di complessi ambienti cluster. Nel caso di questa analisi di drop test, sono stati scelti i server blade Dell PowerEdge M620 basati sulla famiglia di processori Intel Xeon E v2. Questi processori potenti ed energeticamente efficienti offrono il 50% di core e cache in più, oltre a una memoria più veloce e ad altre ottimizzazioni dell'hardware rispetto alla precedente generazione di server basati su processori Intel Xeon. Le prestazioni più elevate per le applicazioni HPC possono essere raggiunte tramite Intel Advanced Vector Extensions (Intel AVX). La tecnologia Intel AVX velocizza i calcoli vettoriali e in virgola mobile con il supporto per vettori a 256 bit e conversioni accelerate di dati a 32/64 bit. La famiglia di processori Intel Xeon E5 v2 offre una gamma completa di specifiche, dal numero di core a modelli ottimizzati per la frequenza, per rispondere ai requisiti dell'applicazione dell'utente. 3

4 Panoramica del progetto di benchmark Introduzione di una guarnizione tra la scheda a circuiti stampati e il modulo LCD per ridurre deformazioni in caso di cadute posteriori; sulla destra sono mostrate due diverse forme di ammortizzatore. Per testare le prestazioni della soluzione Dell-Intel-Altair, i tecnici si sono concentrati su uno specifico caso di utilizzo, verificando se l'aggiunta di una guarnizione di ammortizzamento avrebbe ridotto lo stress su un modello di telefono. In questo scenario, la fessura tra il case del telefono e la piastra di supporto causa piegature e livelli elevati di stress nel modulo LCD in un drop test. L'obiettivo è trovare un tipo di guarnizione ottimizzato, con caratteristiche ideali di spessore, dimensioni, flessibilità, ecc. per ridurre lo stress trasferito negli elementi perimetrali dell'lcd. 1. Progettazione: nella prima fase del progetto, il concept è stato modellato in HyperMesh e sono state generate variabili di progettazione con una tecnologia di morphing e con la parametrizzazione dei file di input. 2. Ottimizzazione: è stata eseguita una procedura DOE (design of experiment) per generare una superficie di risposta. Quindi, l'ottimizzazione è stata eseguita sulla superficie di risposta invece che sul modello di elemento finito. 3. Verifica: il design ottimizzato è stato valutato/simulato con l'analisi degli elementi finiti (FEA, Finite Element Analysis) e sono stati verificati i risultati delle prestazioni. Le simulazioni sono state eseguite su sistemi con i componenti seguenti: 16 server blade Dell PowerEdge M620 con processori Intel Xeon E v2, E v2 e E v2, 128 GB di memoria per nodo, sfruttando interconnessioni Mellanox FDR Inifiniband. Superficie risultante di stress LCD in funzione dell'area e dello spessore della guarnizione di ammortizzamento. 4

5 Risultati delle prestazioni Utilizzando il software Altair RADIOSS su un sistema blade Dell PowerEdge M620, i tecnici sono riusciti a eseguire le 21 simulazioni di drop test richieste in questo studio di ottimizzazione e a completare i benchmark su tre diversi processori Intel, rispettivamente Intel Xeon E v2, E v2 e E v2, in configurazioni a due nodi, con i seguenti dati su core e prestazioni raw: CPU Core totali per 2 nodi Prestazioni FP raw in GFLOP/s Esecuzione singola Tempo medio (s) Tempo totale Per 21 esecuzioni (s) E v E v E v Figura 1. Riepilogo delle prestazioni Ovviamente, il processore dalle prestazioni più elevate in termini di tempo trascorso è E v2, ossia il prodotto con la frequenza minore ma con il numero più alto di core. Queste prestazioni sono possibili grazie all'eccellente scalabilità di RADIOSS, poiché la frequenza minore o le prestazioni intrinseche di ogni core non influiscono negativamente sulle prestazioni tra il numero elevato di core Ora dell'orologio (s) E5-2680v2 E5-2667v2 E5-2697v Numero di esecuzione Figura 2. Dettagli delle prestazioni 5

6 Rispetto al tempo di riferimento di 65 minuti (3900 secondi) ottenuto in un singolo nodo del processore Intel Xeon X5570 a 2,93 GHz (con un totale di 8 core), due nodi con il processore E v2 sono circa 6 volte più veloci (600 secondi per una singola esecuzione). In questo modo l'intero studio di ottimizzazione (21 esecuzioni di simulazione) è stato completato in meno di 4 ore ( secondi). Inoltre, con l'opzione RADIOSS AMS, gli utenti possono velocizzare ulteriormente i tempi della soluzione preservando l'accuratezza dei risultati. AMS fornisce una soluzione avanzata per problemi quasi statici ed è un'alternativa alle simulazioni non lineare implicite, in cui la convergenza è a volte difficile da ottenere, ad esempio a causa di una elevata non linearità nei contatti, comportamenti di materiali complessi e modelli di frattura. Secondo le previsioni, con AMS il tempo di completamento dovrebbe essere 1,7 volte più veloce, ossia richiedere meno di 2,5 ore (meno di 400 secondi per una singola esecuzione) utilizzando la configurazione più veloce basata su processore Intel E v2. Un altro aspetto da considerare quando si ottimizzano le configurazioni è che la scalabilità non è solo funzione del processore Intel Xeon e del numero di core scelti, ma anche del numero di nodi utilizzati. Data la natura parallela di queste simulazioni, è possibile presupporre che, eseguendo circa la metà delle 21 esecuzioni sui primi due nodi e il resto su un secondo gruppo di due nodi, si può ottenere un'accelerazione dei tempi di simulazioni di circa un fattore 2. Questa logica può essere utilizzata per estrapolare risultati concreti utilizzando più nodi per raggiungere il tempo di simulazione desiderato, ad esempio per un cluster di simulazione da 8 nodi. Questo approccio può essere semplificato con l'uso di uno strumento come PBS Professional, che distribuisce automaticamente i processi di simulazione tra le risorse disponibili per ottimizzare l'efficienza dei calcoli e l'utilizzo delle risorse. Efficienza energetica e prestazioni Negli attuali processi di pianificazione e strategie aziendali, l'energia e il raffreddamento sono diventati aspetti importanti quando si tratta di prendere decisioni di acquisto. L'efficienza energetica di una configurazione di simulazione può quindi essere fondamentale per le organizzazioni che vogliono ottimizzare l'utilizzo dell'energia oltre alle prestazioni. Durante lo svolgimento dei test di simulazione con il sistema blade Dell PowerEdge, è stato registrato il consumo energetico misurato in Watt totali per ogni esecuzione (vedere il grafico seguente). Mentre il consumo energetico dei processori Intel Xeon E v2 e E v2 mantiene un livello simile, il processore Xeon E v2 richiede evidentemente meno energia per eseguire le 21 simulazioni di questo test case. In altri termini, per un ambiente con carichi di lavoro di produzione sempre attivo, 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana, il processore Xeon E v2 consuma il 21,3% di energia in meno per nodo rispetto al processore Xeon E v2, che è una percentuale maggiore rispetto alla differenza di TDP tra 115 W e 135 W (17%). 6

7 Configurazioni consigliate Esaminando le prestazioni generali, il rapporto prezzo/prestazioni e l'efficienza energetica, è possibile effettuare le seguenti raccomandazioni sui nodi necessari per configurare un ambiente di simulazione basato sullo scenario del drop test. Il numero effettivo di nodi dipende dai requisiti complessivi del carico di lavoro. Massime prestazioni: Nodo di elaborazione Dell PowerEdge con processori Intel Xeon E v2 (totale 24 core per nodo), 64 GB di memoria e scheda Mellanox ConnectIB Configurazione minima: 2 nodi Prestazioni di fascia alta, massima efficienza energetica: Nodo di elaborazione Dell PowerEdge R720 con processori Intel Xeon E v2 (totale 20 core per nodo), 64 GB di memoria e scheda Mellanox ConnectIB Configurazione minima: 2 nodi Sistema entry level: Nodo di elaborazione Dell PowerEdge R620 con processori Intel Xeon E v2 (totale 16 core per nodo), 32 GB di memoria e scheda Intel NetEffect X520 iwarp Configurazione minima: 2 nodi 7

8 Riepilogo dei risultati In conclusione, i principali risultati ottenuti da questo studio sono: Il cluster Dell-Intel ha offerto una velocità 6 volte superiore per la simulazione dei drop test RADIOSS rispetto al caso di riferimento o Il processore Intel Xeon E v2 ha prodotto la velocità maggiore tra i tre processori testati: o Tempo di completamento inferiore a 4 ore per 21 esecuzioni di simulazione RADIOSS Advanced Mass Scaling (AMS) può offrire un ulteriore incremento di velocità di 1,7 volte o Stima di 1,7 volte più veloce con AMS abilitato o Tempo di completamento di meno di 2,5 ore (meno di 400 secondi per una singola esecuzione) Intel Xeon E v2 offre efficienza energetica ottimale o Xeon E v2 richiede consumo inferiore per l'esecuzione di 21 simulazioni in questo test o Per un ambiente di produzione sempre attivo, 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana, il processore Xeon E v2 consuma il 21,3% di energia in meno rispetto al processore Xeon E v2, ovvero una percentuale maggiore rispetto alla differenza di TDP tra 115 W e 135 W (17%). Utilizzando la soluzione drop test Altair con sistemi Dell/Intel, i tecnici possono ottimizzare le prestazioni dell'impatto dei telefoni e assicurarsi di soddisfare i requisiti della garanzia e la soddisfazione dei clienti. Possono inoltre migliorare la qualità della progettazione esplorando gli effetti delle modifiche e acquisendo informazioni importanti sul comportamento dinamico dei drop test reali, con dati dettagliati sulle prestazioni dei componenti dei prodotti. Con tempi e costi ridotti per lo sviluppo, i produttori avranno più tempo per concentrarsi sul miglioramento del design, realizzando un prodotto finale migliore. Oltre ai drop test, una gamma di applicazioni di computing tecnico nella suite di simulazione Altair HyperWorks trae vantaggio dall'utilizzo di cluster Dell di fascia alta basati sui processori Intel di ultima generazione, in campi come lo stampaggio, la simulazione di rumori, vibrazioni e sollecitazioni, la simulazione della fluidodinamica computazionale e così via. Per maggiori informazioni Per saperne di più sul software Altair: o Suite HyperWorks: o Suite PBS Works: Richiedete una demo: Per saperne di più su Dell: e Per saperne di più su Intel: o newsroom.intel.com o blogs.intel.com. o Contattateci: o Altair: o Dell: e o Intel: 8

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