„…piaci előnyhöz juthatnak majd a HPC-alkalmazók” – interjú Dr. Gróza Mártonnal és Dr. Felhős Dáviddal

Mi a cég fő profilja, mivel foglalkozik a Kármán Mechanics?

Dr. Felhős Dávid: Alapvetően mérnökiroda, gépészmérnökök vagyunk. Műszaki szimulációkat végzünk az ipar számára, mindamellett van egy kis gyártórészlegünk is. Gépeket, berendezéseket gyártó cégek termékeit vizsgáljuk a virtuális világban, hogy kibírják-e a terhelést, ami rájuk vár. Ez a fő profilunk, számítógéppel szimuláljuk, hogyan reagálnak az alkatrészek a terhelésre, illetve az élettartamukat kell megbecsülnünk.

Dr. Gróza Márton: A gépészeti tervezés 3D-modellezés segítségével történik, ez a kiindulási alapunk. A szimuláció fő előnye az, hogy el lehet végezni módosításokat a virtuális térben, és prototípus csak abból készül, ami már nagy valószínűséggel megfelel a tényleges teszteken. A szilárdsági, dinamikai és élettartam-szimulációk mellett folyadékmechanikai, áramlástani szimulációkat is végzünk.

Hogyan kell elképzelni ezt a mindennapokban?

Dr. Felhős Dávid: Például az elektromos berendezések tervezésekor számítani kell arra, hogy azok melegedni fognak és ezt érdemes már a tervezés során is figyelembe venni. Lehetővé tesszük a partnereink számára, hogy ezt megtehessék.

Dr. Gróza Márton: A hagyományosan értelmezett ellenőrző számításainkkal általában a fejlesztés egy késői fázisában csatlakozunk be partnereink mérnöki munkájába. Egyre gyakoribb azonban az is, hogy a virtuális tesztelési folyamat már a tervezési folyamat kezdetétől fogva támogatja a konstruktőrök munkáját.

Mennyire bevett dolog a szimuláció alkalmazása?

Dr. Gróza Márton: A gépészet kifejezetten konzervatív szakterület, a szimulációk tapasztalatainak alkalmazása a fejlesztési folyamatban lassan terjedő gyakorlat. Vannak tapasztalt tervezőmérnökök, technológusok, akiknek rendelkezésükre áll olyan know-how, hogy nincs szükségük szimulációra. Bizonyos esetekben a piaci tapasztalatok ezt igazolják, bizonyos esetekben cáfolják.

Milyen szerepet játszik a számítástechnika a cég működésében?

Dr. Felhős Dávid: Ma már teljesen általános és elfogadott, hogy minden tervezés számítógépen történik. Tehát a tervezőmérnökök 3D-s modelleket készítenek, ahol lehet látni az alkatrészek egymáshoz kapcsolódását, kölcsönhatását. A mi számításaink is ugyanígy a virtuális térben készülnek. Ennek az az előnye, hogy a kipróbáláshoz nem kell legyártani az alkatrészeket, és ez rengeteg energia-, anyag- és munkaidő-megtakarítást jelent. Nagyon leegyszerűsítve; ezeket a mérnökök által készített 3D-s modelleket betesszük egy programba, ráadjuk a terheléseket, a program pedig kiszámolja, hogyan néz ki az alkatrészek terheléselosztása. Ennek alapján lehet eldönteni, hogy bírni fogja-e az igénybevételt.

Milyen teljesítményű számítógépre van szükség ehhez?

Dr. Felhős Dávid: Rengeteg teendőnk van, mielőtt ezeket a virtuális, szilárdságtani, mechanikai szimulációkat megcsináljuk, és persze a számítások is kapacitásigényesek. Ahhoz, hogy az általunk ismert mechanikai, fizikai egyenletek számára értelmezhetővé tegyünk egy-egy alkatrészt, leírhatóvá kell tenni. Ezt úgy érjük el, hogy véges számú részre bontjuk fel az alkatrészeket, úgynevezett véges elemes hálót teszünk rá. Kis tetraéderekből, kockákból felépítjük a bonyolult alkatrészt, és ezekre írjuk le az egyenleteket, ezek fogják összességében meghatározni egy-egy alkatrész viselkedését. Annál jobb a számítás, minél több kis elemre tudjuk felbontani a vizsgált alkatrészt. Viszont minél több elemre bontjuk a vizsgálat tárgyát, annál több egyenletünk van, és annál nagyobb a CPU-igény. Ez már asztali számítógépen nehézkesen kivitelezhető; szükség van óriási számítási kapacitásra.

Mikor ismerték meg a szuperszámítástechnikát?

Dr. Felhős Dávid: Ipari szemszögből nézve egy évtizede kezdett bekúszni az általunk is elérhető, mérnöki szoftverekkel is használható HPC. Az elején fogalma sincs senkinek, hogy ez mire lesz jó, aztán elkezdenek vele kísérletezni, és a gyakorlatban kiderül.

Dr. Gróza Márton: A számítástechnika nem úgy fejlődött, hogy egy mag teljesítménye gyorsult fokozatosan, az évről évre érkező fejlesztésekkel. Ehelyett elkezdtek több magot belerakni a gépekbe, persze azok teljesítményes is növekszik szép lassan. Ehhez kell igazodnunk, de egy nagy matematikai feladatot több kisebb részre szétszedni nem egyszerű. A párhuzamos feladatvégzésre képes megoldó algoritmusok fejlesztése sok időt vett és vesz igénybe, ezért csak körülbelül tíz éve kezdett el a HPC-n való futtatási lehetőség ipari gyakorlattá válni.

Milyen célra használnak szuperszámítógépeket?

Dr. Felhős Dávid: Tipikusan ilyenek az áramlástani feladatok, ahol több millió kis kockára kell gondolni. Mindegyiknek van több egyenlete, tehát sok-sok millió egyenletet kell megoldani, ráadásul nem egyszer, hanem sokszor. Itt már nem mindegy, hány processzor számol, minél több van, annál gyorsabban kapunk eredményt. Ezek a számítások egy hétig is futhatnak, ami nem is ritka.

Dr. Gróza Márton: Az elsődleges feladatunk, hogy a felmerülő a gépészeti problémákat fizikai modellé alakítsuk. Ezután már a szoftver előkészítő modulja csinál belőle matematikai feladatot, egy szakértő mérnök segítségével. Ez már egy lineáris egyenletrendszer, és ezt tudja megoldani a számítógép. A megoldó algoritmus érdeme, hogy ez milyen hatékonysággal történik, a gépészmérnöki feladatoknak itt vége van. Mi tudunk jó algoritmust választani és használni, de megoldó algoritmusokat nem fejlesztünk. Ha van jó algoritmusunk, keresünk hozzá olyan erőforrást, ami ezzel hatékonyan együttműködik, nem korlátozzák jelentősen egymás működését. Utána értelmezzük az eredményt, akár szabványok szerint kiértékeljük, és visszafordítjuk a számítási eredményeket az eredeti gépészeti probléma megoldásává.

_{Melegedő elektronikai egység körül kialakuló áramlás CFD szimulációja}

A versenytársaik is használnak szuperszámítógépet?

Dr. Gróza Márton: Ahol élvonalbeli ipari, gépipari fejlesztéssel foglalkoznak, például járműipari, energetikai cégeknél, jellemzően használnak HPC-t a szimulációk futtatásához. Az elterjedtebb út a saját erőforráson kereskedelmi szoftverek futtatása.

Dr. Felhős Dávid: Aki áramlástani szimulációkat végez, teljesen biztosan használ HPC-t, anélkül labdába se lehet rúgni. A KIFÜ-vel való kooperációnknak éppen az a lényege, hogy megnyissuk a kaput a lehető legszélesebb körben azon cégek számára, akiknél van létjogosultsága a HPC alkalmazásának. A cél az, hogy szimulációt és HPC-t használjanak, tehát két akadályt is át kell ugrani egyszerre. Viszont a párhuzamosításra képes szoftverek licencköltsége megdöbbentően magas, mert az ilyen szoftverarchitektúra kialakítása óriási befektetést igényel. Minél több processzoron akarjuk futtatni a feladatot, annál több licencre van szükség. Nagyon gyorsan nőnek a költségek, a 100 magon való számolást már nem tudja kifizetni szinte senki, legalábbis a mérnökirodáknak, kisebb cégeknek erre esélyük sincs.

A párhuzamosított számítás tehát a nagy cégek kiváltsága?

Dr. Felhős Dávid: Szerencsére vannak olyan open source szoftverek, amiknek az architektúrája fel van készítve HPC-re. Ezek a felhasználóktól sokkal többet kívánnak, de mi létre tudjuk hozni azt a környezetet, ami mérsékli azt a mérnöki, szakmai kihívást, amit ez jelent. A KIFÜ pedig hozzáférést biztosít ahhoz az infrastruktúrához, amin ezt meg lehet tenni. Két lépcsőfokot kell egyszerre megugrani; az első a szimulációk megismertetése, elismertetése a szakmával, azokkal a cégekkel, ahol tudnának szimulációt használni, de a költségek miatt még nem gondoltak erre. A második a HPC.

Dr. Gróza Márton: A nyílt forráskódú szoftverek elsősorban kutatók munkájának „melléktermékei”, de ők nem fejlesztik a felhasználói grafikus felületet, mert nem ez áll a munkájuk fókuszában. Azonban annak ellenére, hogy néha hiányzik a felhasználói felület, ezek a szoftverek bizonyos alkalmazásokban alternatívái lehetnek a kereskedelmi szoftvereknek. Mi pedig segítünk ezeket az alkalmazásokat megtalálni, és a felhasználók számára az alkalmazási nehézségét jelképező „lépcsőt” megugrani, oktató- és segédanyagokkal, tanácsadással, konzultációkkal.

Mi a legnagyobb kihívás ebben?

Dr. Felhős Dávid: Az, hogy mérnökök számára is értelmezhető állapotba hozzuk ezeket a szoftvereket. Mi ebben tudunk közreműködni.

Milyen befektetéseket igényel a HPC használata?

Dr. Gróza Márton: A szükséges hardver beszerzési, illetve bérleti költségei mellett más szempontok is megjelennek, a gépészmérnöki oldalon is. Ahogy növeljük a HPC-nek megoldásra átadott probléma méretét, az előkészítéshez, kiértékeléshez szükséges idő- és erőforrás-igény is arányosan nő. Megfelelő sávszélességű hálózati kapcsolat is kell, mert hatalmas adatmennyiségekről van szó.

Javítja a cég versenyképességét, hogy HPC-felhasználó?

Dr. Gróza Márton: Még az sem terjedt el teljesen a gépészmérnöki gyakorlatban, hogy szimulációs eszközöket alkalmazzunk minden, akár költségszempontból is beláthatóan szükséges esetben. Az pedig főleg nem, hogy HPC-igényt jelentő részletességgel modellezzük a szerkezetek, berendezések üzemi viselkedését. Véleményem szerint az első versenyképességet növelő lépés a szimuláció alkalmazásának gyakorlattá válása, ezt pedig szinte magától fogja egy idő után követni az igény egyre nagyobb és nagyobb számítási kapacitások, azaz a HPC bevonására.

Dr. Felhős Dávid: Először a hitelességet kell megalapozni, aztán lehet a HPC-t is megszerettetni velük.

Dr. Gróza Márton: Sok esetben nem csak a számítási erőforrás jelenti a korlátot, hanem a folyamat többi lépése is. Arányosan érdemes fejleszteni a mérnöki szimulációs szaktudást, fizikai tesztekhez kapcsolódó tapasztalatot és a rendelkezésre álló HPC-kapacitás mértékét. Ezek együttes fejlesztésével a versenyképesség javulása szinte elkerülhetetlen.

Mi a megoldás?

Dr. Gróza Márton: Az ipari felhasználóknak csak egyengetni kell az utat, megmutatni az ajtót, és ők rátalálnak a HPC-re a problémákkal.

Dr. Felhős Dávid: Így van, elérhetővé kell tenni a HPC-játszóteret, kiforrja majd magát.

Milyen előfeltételei vannak a HPC használatának?

Dr. Felhős Dávid: ismerni kell egy szoftvert, ami alkalmas arra, hogy HPC-n futtatható legyen.

Dr. Gróza Márton: Gépészeti irányból érkezve legalább felhasználói szinten kezelni kell egy olyan szoftvert, ami képes sok magot használni, talán így lehet a „belépési feltétel” legkisebb szintjét definiálni.

_{Porózus közegen áthaladó gáz áramlásának CFD szimulációs eredménye}

Ha valaki egyet ismer, a többivel is boldogul?

Dr. Gróza Márton: Van ilyen hatás, a 3D-modellező rendszerek, szimulációs eszközök kezelőfelületeiben felfedezhetők hasonlóságok. Viszont, ha fizikai területet vált az ember, például szilárdságtanról áramlástanra vagy elektromágnesességre, egyrészt szükséges még az elméleti háttér és a technikai szoftverismeret.

Dr. Felhős Dávid: A mérnöki világban a szoftver ismerete nem cél. A szoftver mindig egy eszköz. A cél egy valós, ipari, fizikai probléma hatékony megoldása. Hatékonyabb, mint legyártani egy prototípust és összetörni. Nekünk arra kell fókuszálnunk, hogy mit tud vele csinálni, milyen eredményt tud letenni az asztalra.

Van a cégen belül HPC-specialista, avagy ez a szaktudás már alapkövetelmény?

Dr. Gróza Márton: Minden kollégánk képes szimulációkat összeállítani, de számunkra a HPC egy eszköz.

Dr. Felhős Dávid: Nem az a célunk, hogy HPC-programozók legyünk. Integrátorként működünk, a különböző kompetenciákat használható eredménnyé konvertáljuk.

Milyen versenyelőnyöket várnak a KIFÜ szuperszámítógépétől?

Dr. Felhős Dávid: Gyorsabban lehet jobb eredményeket elérni, de az igazán fontos az az, hogy olyan megoldásokat is alkalmazhatunk, amilyenekről eddig még szó sem volt. Nemcsak a már eddig használt szimulációkkal tudunk dolgozni, hanem azok különösen bonyolult válfajával is, amire eddig nem volt lehetőség. Megnyílnak olyan területek, ahol még nem tudjuk megjósolni, milyen eredményeket lehet elérni, de biztos, hogy profitot fognak hozni.

Dr. Gróza Márton: Például több paraméter hatását vizsgálhatjuk ugyanannyi idő alatt egy fejlesztési optimalizáció közben. A mérnök általában tapasztalatból kiszórja a változók nagy részét, és csak 5-6-ot vizsgál meg a szoftverrel. Tehát nagyon sok lehetőséget azonnal elvet. De így, hogy ekkora kapacitás áll rendelkezésünkre, nem kell ennyire leszűkíteni a vizsgálatok körét, más szempontokat is figyelembe vehetünk, megpróbálhatunk szimulálni új dolgokat is.

Volt már olyan projektjük, ami megvalósíthatatlan lett volna HPC nélkül?

Dr. Felhős Dávid: Az áramlástani feladataink mind ilyenek.

Dr. Gróza Márton: Sok fizikai problémát lehet úgy vizsgálni, hogy egy állandósult állapotot veszünk alapul. Például, ha fűtünk egy házat, és állandó teljesítménnyel fűtünk, ugyanolyan hideg van kint, akkor egy idő után a falban is időben állandó hőmérsékleteloszlás alakul ki. Ezt viszonylag gyorsan le lehet futtatni. De ha az érdekel minket, hogy kikapcsolt fűtés mellett hogyan hűl le a ház, akkor ezt szinte valós időben kell szimulálni, percről percre. Ha egy nap alatt, akkor a szimuláció is legalább egy napig tart. Az úgynevezett tranziens szimulációk lassabbak a valóságnál, tehát, ha az egész házat nézzük és egy nap alatt hűlt le, 3-4 napig tart valósághűen szimulálni.

Van olyan, a cég profiljába vágó innováció, ami a HPC-nek köszönhető?

Dr. Gróza Márton: Az innováció az akadémiai közeg jellemzője.

Dr. Felhős Dávid: Nekünk, mérnököknek a kvantumszámítógép, a fúziós erőmű vagy a hologram az innováció.

Dr. Gróza Márton: Ha tágan, a hétköznapokban bevett módon értjük az innovációt, akkor mi minden szimulációnkkal egy új terméket vizsgálunk, tehát innovációs tevékenységben veszünk részt. Ha nem változik egy termék, nem vizsgáljuk, kétszer ugyanazt a szimulációt nem kell elvégezni. De sok olyan fejlesztési projektben veszünk részt, aminek a tapasztalatait csak évekkel később veszik figyelembe az új termékek gyártásakor, ezeknél szabadabb a kezünk, és ki lehet próbálni új ötleteket.

Vannak kockázatai a HPC-vel folytatott munkának? Kizárható a tévedés, hibázás lehetősége?

Dr. Gróza Márton: Derék- és hátfájás. Az esetlegesen rosszul felépített modelljeink gyorsabban és nagyobb költségek mellett futhatnak, tehát megnőhet az igény az alaposabb átgondolásra a feladat definíciójánál.

Dr. Felhős Dávid: Nem több, mint egy sima számítógépnél.

Milyen vállalkozásoknak ajánlanák a HPC használatát?

Dr. Gróza Márton: Fontos, hogy rendelkezésre álljon szakmai háttér és tudás, hogy valaki ki tudja használni a kapacitásokat. Az önmagában még nem ad „jobb” eredményt, ha több magon számol valaki. Tehát annak, aki azt érzi már korábbi munkái alapján, hogy a számítási erőforrás korlátozza csak a feladatok gyorsabb megoldásában.

Dr. Felhős Dávid: Annak, aki tényleg tudja, hogy mit akar vele kezdeni.

Mi volt a legmeglepőbb a HPC használata során?

Dr. Gróza Márton: A legkorábbi, keserű tapasztalat, amin viszonylag gyorsan túlestünk, az volt, hogy ha egy mag helyett kettőt használtunk, nem lett kétszer olyan gyors a számítás.

Mit gondolnak a HPC jövőjéről?

Dr. Felhős Dávid: A HPC nagyon ki fog bontakozni a következő két-három évtizedben. A ma ismert szoftverektől teljesen eltérő, szuperszámítástechnikára alkalmasabb módszerek fognak megjelenni. Úgy fogjuk használni a HPC-t, mint ma egy laptopot, sokkal komplexebb szimulációkat fogunk csinálni. Mindamellett olyan területeken is meg fognak jelenni a szimulációk, ahol még nem is gondolnak rá, mint például a szociológia. Ennek mind gazdasági hajtóereje lesz, és most csak az első lépéseket látjuk, éljük át, ráadásul a kvantumszámítógépek is kopogtatnak az ajtón, amiknek a megjelenése újabb dimenziókat nyit majd meg, minden értelemben.

Dr. Gróza Márton: Most az algoritmusfejlesztések területén pattog a labda, utol kell érni a hardveres lehetőségeket. A fizikai problémák lefordítása párhuzamosan futtatható matematikai modellekké nagy kihívás.

Dr. Felhős Dávid: A másik nagy kihívás az oktatás, annak a felismerése, hogy muszáj elindulni ebbe az irányba, szükség van képzett HPC-felhasználókra. Ez talán nagyobb kihívás, mint kifejleszteni az algoritmusokat.