Cloud-Simulation: Wo stehen wir heute?

Die Cloud verspricht, den Massen HPC-Fähigkeiten (High Performance Computing) für sehr wenig Geld zur Verfügung zu stellen. Sie möchten eine komplexe, direkte numerische Simulation eines Verbrennungsprozesses durchführen? Oder vielleicht möchten Sie einfach nur grundlegende Struktursimulationen anlegen, jedoch 1.000-mal schneller als Ihr Desktop-Arbeitsplatz oder Ihre lokalen Server dies bewältigen können. Die Cloud kann Ihnen dabei helfen. In diesem Artikel werden wir einen Blick auf den aktuellen Stand der Cloud-Simulation werfen und eine Reihe von Branchenexperten bitten, Stellung zu beziehen hinsichtlich des aktuellen Standes in Bezug auf den Markt und die Technologie selbst.

Die Cloud

Aber lassen Sie uns die Cloud erst einmal definieren. Die Cloud ist, kurz gesagt, eine IT-Funktion, die es Benutzern ermöglicht, auf Ressourcen in externen Rechenzentren zuzugreifen. Diese Ressourcen können auf mehrere Arten zur Verfügung gestellt werden: In Form von zusätzlicher Rechenleistung, über HPC-Cluster oder in Form von Software, die extern gehostet wird und im Browser eines Benutzers ausgeführt werden kann, wodurch die Notwendigkeit zur Installation auf einem lokalen Rechner entfällt. Dies kann ein attraktives Angebot für Unternehmen sein, die Simulationssoftware einsetzen, da diese Cloud-Rechenzentren sämtliche nur denkbaren Hardware- und Infrastrukturherausforderungen bewältigen können. So können sich die Unternehmen um das kümmern können, was sie am besten können (Engineering), ohne sich um Inhouse-Softwareimplementierungen, ständige Server-Upgrades vor Ort und andere Probleme kümmern zu müssen. Statt des alten IT-Paradigmas, das sich stark darauf konzentrierte, Software als Produkt anzubieten, bietet die Cloud-Methode stattdessen Software als Dienstleistung an, wobei die Benutzer effektiv für das bezahlen, was sie nutzen, anstatt kontinuierlich für Lizenzen, CPU-Leistung oder zusätzliche Hardware zu zahlen.

Der Hype ist vorbei (jetzt kommt die Arbeit)

Der Gartner Hype Cycle ist eine angemessene Referenz, um den Hype und die Erwartungen an neue Technologien zu messen und Hinweise auf den Akzeptanzgrad einer Technologie zu erhalten. Brandneue Technologien haben eine geringe Akzeptanz, da sie sich in der Regel in der frühen Entwicklungsphase befinden und meist hauptsächlich von Forschungsinstituten und Produktentwicklern eingesetzt werden. Da der Hype über die Lebensdauer der Technologie hinweg variiert, wird das Produkt umso stärker vom Markt angenommen, wenn die Technologie zur Reife gelangt, Fehler behoben werden und das Vertrauen der Öffentlichkeit in die Technologie steigt. Dem Gartner Hype Cycle for Cloud Computing 2017 zufolge hat sich Cloud Computing aus dem sogenannten “Tal der Enttäuschungen” befreit und sich auf den sogenannten „Pfad der Erleuchtung“ begeben. Das bedeutet, dass nach den turbulenten Erwartungen, die mit neuen Technologien einhergehen, der anfängliche, unrealistische Hype nachgelassen hat, und wir nun in eine Phase der breiteren Akzeptanz dieser Dienste eintreten, bevor wir in einen Zustand erhöhter Produktivität übergehen.

Für diejenigen, die mit der Methodik des Hype Cycle nicht vertraut sind, bietet die Gartner-Website die folgende Zusammenfassung:

Technologischer Auslöser: Ein potentieller technologischer Durchbruch gibt den Startschuss. Frühe Proof-of-Concept-Studien und Medieninteresse sorgen für öffentliche Aufmerksamkeit. Oft gibt es noch keine brauchbaren Produkte, und die Wirtschaftlichkeit ist nicht erwiesen.

Gipfel der überzogenenen Erwartungen: Frühe öffentliche Aufmerksamkeit produziert eine Reihe von Erfolgsgeschichten – oft begleitet von zahlreichen Misserfolgen. Einige Unternehmen werden aktiv, viele jedoch zögern.

Tal der Enttäuschungen: Das Interesse nimmt ab, da Experimente und Implementierungen nicht die gewünschten Ergebnisse bringen. Die Hersteller der Technologie verschwinden vom Markt oder scheitern. Investitionen werden nur fortgesetzt, wenn die überlebenden Anbieter ihre Produkte zur Zufriedenheit der Early Adopter verbessern.

Pfad der Erleuchtung: Weitere Beispiele, wie die Technologie Unternehmen zugute kommen kann, kristallisieren sich heraus und werden besser verstanden. Produkte der zweiten und dritten Generation werden von Technologieanbietern auf den Markt gebracht. Mehr Unternehmen finanzieren Pilotprojekte, konservative Unternehmen bleiben vorsichtig.

Plateau der Produktivität: Die Mainstream-Akzeptanz beginnt. Die Kriterien für die Beurteilung des Nutzenangebots des Anbieters sind klarer definiert. Die breite Markttauglichkeit und Relevanz der Technologie zahlen sich deutlich aus.

So befindet sich Cloud Computing nach Ansicht der Analysten nun also auf dem Pfad der Erleuchtung. Doch was sagt die Industrie selbst zum aktuellen Stand von Cloud Computing und Simulation?

Branchenansichten

Engineering.com sprach mit Autodesk, Ansys und Rescale, drei Anbietern, die sich der Cloud aus unterschiedlichen Perspektiven nähern.

Autodesk, das in der Vergangenheit ein designorientiertes Unternehmen war, ist daran interessiert, die Macht der Cloud-basierten Simulation in die Hände von Konstrukteuren zu bringen und hat seit etwa 5 Jahren eine Cloud-Strategie. Derzeit bietet Autodesk eine Reihe von Cloud-basierten Simulationspaketen an, darunter Autodesk CFD, Moldflow und natürlich Fusion360. Autodesk bietet seinen Kunden Cloud-Computing-Zeit anhand der Nutzung von “Cloud Credits”, die im Austausch gegen Simulations- oder Renderingzeit von Autodesk Cloud Services erworben werden können.

Ansys ist im Gegensatz zu Autodesk zunächst ein Simulationsunternehmen und konzentriert sich daher darauf, Ingenieuren die Möglichkeit zu geben, mehr Designvariationen zu bewerten und bessere sowie schnellere technische Entscheidungen über Cloud-Ressourcen zu treffen. Und natürlich geht es bei Ansys darum, die Simulation besser und robuster zu machen. Ansys bietet Cloud-Computing-Zeit anhand der Nutzung bestehender Lizenzen oder durch den Einsatz flexibler “elastischer Einheiten” als Teil des Elastic Licensing Modells an (effektiv ein Prepay-Modell mit der Möglichkeit, bei Verbrauch der Einheiten auf Bezahlung im Nachhinein umzustellen). Elastic Licensing ermöglicht den Zugriff auf die meisten Cloud-fähigen Programme von Ansys.

Rescale wurde 2011 in San Francisco gegründet und hat sich in dieser kurzen Zeit zum weltweit größten HPC-Infrastruktur-Netzwerk mit über 8 Millionen Servern und 1.400 PFLOPs für die externe Simulation entwickelt. Die Rescale ScaleX-Plattform bietet über 250 verschiedene Softwarepakete, die alle über die Cloud zugänglich und direkt an die HPC-Rechenleistung der Rescale-Rechenzentren angeschlossen sind. Die Plattform ermöglicht es den Nutzern, für die von ihnen genutzte Hardware und deren Nutzungsdauer zu bezahlen. Sie können pro Nutzung bezahlen oder eine eigene Lizenz erwerben. Rescale bietet eine sekundengenaue Abrechnung genutzter Computing-Ressourcen und treibt auch die sekundengenaue Abrechnung von On-Demand-Softwarelizenzen aktiv voran.

Herausforderungen und Akzeptanz

Es sieht so aus, als ob die Engineeringbranche ein wenig zu spät zur Cloud Computing Party kommt, was auf eine Mischung aus kultureller und technologischer Zurückhaltung von Unternehmen zurückzuführen ist, die oft nicht bereit sind, neue Software-Plattformen zu testen.

“Datensicherheit ist ein besonders wichtiges Anliegen, insbesondere für größere Ingenieurbüros”, sagt Todd McDevitt, Product Management Director bei Ansys. “Die verbessert sich zwar, aber sie ist immer noch ein Hindernis für bestimmte Branchen wie A&D (Luft-/ Raumfahrt und Verteidigung) und die Halbleiterindustrie.”

Diese Industrien sind traditionell konservativ, wenn es darum geht, neue Methoden anzuwenden, und zwar aus Gründen der nationalen Sicherheit und des geistigen Eigentums. Wenn sie ihre Daten in die Cloud migrieren wollen, brauchen sie die Gewissheit, dass ihre Daten sicher sind.

Doch die Datensicherheit ist nicht die einzige Hürde für eine massenhafte Übernahme der Technologie. Mit zunehmender Simulationsfähigkeit wachsen auch die Anforderungen, die wir an die Simulationssoftware stellen – wir generieren mehr Daten, je detaillierter und präziser unsere Simulationen werden.

“Große Simulationsausgabedateien sind eine Herausforderung”, so McDevitt weiter. “Im Idealfall entscheiden sich Ingenieurteams, die die Cloudtechnologie einsetzen, dafür, ihre Daten in der Cloud zu belassen und dort zu verwalten; dies ist jedoch oft nicht der Fall. Die meisten Unternehmen werden irgendwann die Simulationsausgabedateien herunterladen und langfristig auf ihren lokalen Systemen verwalten wollen. Diese Kunden sehen sich oft mit Downloadzeiten konfrontiert, die der Zeit für die Datengenerierung entsprechen.”

Autodesk scheint mit der obigen Einschätzung einverstanden zu sein.

“Eine der größten Herausforderungen bei der Cloud-Simulation ist der Upload und Download großer Datenmengen”, sagt Greg Fallon, Vice President of Simulation bei Autodesk. “Eine der Herausforderungen bei einer großen, komplexen Simulation besteht darin, dass man, nachdem man die große Datei in die Cloud hochgeladen und ein gigantisches Daten-Set zur Lösung eines Problems erzeugt hat, diese Daten normalerweise herunterladen muss, um sie anzuzeigen oder nutzbar zu machen. Ich denke, dieses Problem ist allgegenwärtig, das wird einem jedes größere  Super-Rechenzentrum auf der ganzen Welt bestätigen. Sie alle stoßen auf dieses Problem. Das ist eine der größten technologischen Herausforderungen überhaupt.”

Aber die Akzeptanz nimmt zu, da die Technologie reift und die Kunden den Nutzen erkennen, den man aus der Nutzung der Cloud für die Simulation ziehen kann.

“In den letzten Jahren hat sich die Einstellung der Unternehmen stark verändert”, so Fallon weiter. “Vor zwei Jahren gab es aufgrund von IP-Risiken eine große Zurückhaltung bei der Nutzung der Cloud für technische Anwendungen. Aber immer mehr CIOs von Großunternehmen beginnen umzusteigen. Die Nutzer beginnen zu erkennen, dass die Daten in der Cloud in vielen Fällen genauso sicher, wenn nicht sogar sicherer sind als die Daten, die lokal gespeichert werden.”

Computing sells.. Aber wer sind die Käufer?

Laut Gartner fällt der Zeitraum, in dem ein Produkt aus dem “Tal der Enttäuschungen” in den “Pfad der Erleuchtung” übergeht, mit einer steigenden Akzeptanz dieses Produkts zusammen.

Wie von den Branchenexperten, mit denen wir gesprochen haben, bestätigt, ist dies eine ziemlich genaue Darstellung des derzeitigen Standes der Cloudsimulation im Jahr 2018.

“Obwohl mehr als 90 Prozent des aktuellen Marktes stationäre Kapazitäten nutzen, befindet sich HPC heute an einem Wendepunkt, an dem viele der traditionellen stationären Kunden die Cloud als entscheidende Technologie für einige oder alle ihrer aktuellen und zukünftigen HPC-Anforderungen betrachten”, sagte Dave Anselmi, Director of Product Management bei Rescale.

“Historisch gesehen ist die Leistung von HPC alle 10 Jahre um das 100-fache gestiegen (Moore’s Law), bei nahezu konstantem Kostenniveau”, fuhr Anselmi fort. “Da die Preise gesunken sind, ist auch die Komplexität der Simulation gestiegen. Die Simulation von heute kann schon morgen schneller und günstiger sein. Die Anforderungen an die Simulation steigen jedoch ständig, da immer komplexere Modelle, komplexere Physik und multidisziplinäre Anwendungsfälle von den Simulationskunden nachgefragt werden. Während also das gleiche Budget morgen mehr Hardware erwerben kann, wird die morgen erforderliche Aufgabe diese zusätzliche Hardware auch mit Sicherheit erfordern.”

“Da die Simulation immer demokratisierter wird, wird die High-End-Simulation sich weiterhin  in Richtung Massenmarkt bewegen und eine schnellere Verarbeitung und schnellere Ergebnisse erfordern. War die Simulation früher eher eine Domäne für Überschallflugzeuge und die Formel 1, so werden heute damit Smartphones und E-Book-Reader entwickelt. Und dieser Trend beschleunigt sich weiter.”

Zukünftige Wachstums- und Akzeptanzrate

Wir haben also gelernt, dass der Markt für Cloud-Simulationen reif ist und dass die Technologie ausgereift genug ist, um bestimmte Erwartungen zu erfüllen. Und wenn sich die aktuellen Trends fortsetzen, werden wir sehen, dass sich die Simulation weiter demokratisieren und zugänglicher für Laien werden wird.

Was bringt die nahe Zukunft nach Meinung der Branchenexperten, mit denen wir gesprochen haben?

“Rescale ist einzigartig positioniert, da wir mehrere Anwendungen und mehrere Cloud-Provider sowie hybride, lokale Rechenzentren in einer einzigen, kompletten, offenen Plattform-Lösung unterstützen”, so Anselmi. “Wir glauben, dass eine offene Plattform ein besserer Weg für die Situation der Anwender und ISVs ist im Vergleich zu singulären Ansätzen.”

“Obgleich die Cloud im Bereich HPC gekommen ist, um zu bleiben, stehen wir erst der Anfang der Zeitenwende,” fuhr Anselmi fort. “Der Vorteil der Cloud ist, dass sie sich dynamisch an die Bedürfnisse des Nutzers anpasst. Da die Benutzer im Laufe der Zeit unterschiedliche Anforderungen (Gipfel und Täler) und unterschiedliche Architekturen nachfragen, erfüllt die Cloud diese Anforderungen viel besser als ein lokales System. Im Laufe der Zeit wird es den Anwendern durch den Pay-as-you-go-Ansatz im Bereich Hard- und Software möglich sein, ihre Bedürfnisse ohne Wartezeiten zu erfüllen, was positive Auswirkungen auf die Simulationszeit, die Innovation und die Markteinführungszeit hat.”

Es scheint, als verstünde Rescale die zukünftigen Bedürfnisse von Kunden und Softwareanbietern, die die Rescale-Plattform nutzen.

Wie sehen die Softwarehersteller die nicht allzu ferne Zukunft?

“Erstens werden wir weiterhin mit unserem Netzwerk von Cloud-Hosting-Partnern zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass unsere Software auf ihren mehr als 100 Rechenzentren weltweit solide und optimiert läuft”, sagte McDevitt.

“Wir werden weiter investieren und die Skalierbarkeit unserer Solver und anderer rechenintensiver Dienste verbessern, um sicherzustellen, dass sie die Vorteile der in der Cloud verfügbaren HPC-Ressourcen nutzen. Wir investieren auch in unsere bestehenden Produkte, um unseren Kunden die Nutzung von Cloud-HPC-Ressourcen zu erleichtern, und wir entwickeln native Cloud-Services, die die Kollaborationsfähigkeit bei komplexen Simulations-Workflows und die Effizienz von großangelegten Auslegungspunkt-Auswertungen verbessern. Sie werden in naher Zukunft mehr darüber hören.”

Auch Autodesk ist in seiner Cloud-Strategie äußerst proaktiv.

“Sie werden in Zukunft viel mehr Simulationsfunktionen in Fusion 360 sehen”, sagte Brian Frank, Senior Product Manager bei Autodesk.

“In Fusion360 sind schon jetzt diverse Funktionen aus dem Bereich des generativen Designs integriert. Diesen Weg werden wir weitergehen. Gleichzeitig werden wir unsere Simulationsfunktionen in anderen Produkten weiter ausbauen. Was die Cloud-Fähigkeit angeht, so sind die meisten unserer Simulationsprodukte bereits entsprechend ausgelegt. So läuft beispielsweise Autodesk CFD in der Cloud, und wir haben gerade ein größeres Update durchgeführt, um die Vorteile der parallelen Verarbeitung in der Cloud besser nutzen zu können. Moldflow ist schon seit vielen Jahren in der Cloud. Wir haben die Cloud außerdem durch DoE (Design of Experiments)-Fähigkeiten ergänzt. Man kann durchaus sagen, dass wir auf den Zug der Cloud aufgesprungen sind und nun in voller Fahrt vorpreschen, um sie überall einzusetzen.”

“Eine der Kernprämissen der Methode, in der wir die Simulation bei Autodesk einsetzen, ist, dass die Simulation Teil des gesamten Design- und Fertigungsworkflows sein muss”, fügte Fallon hinzu. “Einer der Gründe, weshalb die Simulation meiner Meinung nach nicht die Wirkung gehabt hat, die sie auf die Industrie hätte haben können, ist, dass sie in der Regel von Spezialisten außerhalb des Produktentwicklungsprozesses durchgeführt wird. Die Simulationswerkzeuge finden sich in der Regel nicht innerhalb von Product Lifecycle Management Tools. Es gibt einige Simulationsfunktionen in CAD-Werkzeugen, aber der größte Teil der Simulation wird immer noch extern durchgeführt. Daher versuchen wir, sie stärker in den Designprozess zu integrieren. In vielerlei Hinsicht geht es beim generativen Design darum, die Simulation in den Designprozess einzubringen. Das Schöne daran ist, dass Sie ein vorvalidiertes Design erhalten. Somit bietet das Tool dem Endnutzer nicht nur alle möglichen Parameter im Rahmen der allgemeinen Designoptionen, sondern diese sind darüber hinaus Teil von im Rahmen der Software vorgesehenen Designfunktionen.”

Daher konzentriert sich Autodesk auf die Integration von Simulation. Doch Cloud-Simulation ist mehr als nur eine Computing-Spielerei. Sie bietet nämlich darüber hinaus auch eine verbesserte Kommunikation.

“Ich denke, wir werden immer mehr dieser cloud-basierten Funktionen, wie z.B. kollaborative Workflows sehen”, so Frank weiter. “Zum Beispiel werden wir versuchen, die Daten in der Cloud zu halten, anstatt sie herunterzuladen, wenn wir sie verwenden wollen. Wir würden gerne sehen, dass Daten oder Teile dieser Daten aus den Simulationen übernommen und in den Prozess (innerhalb der Cloud) überführt werden, oder dass daraus Geometrien oder Informationen generiert werden, die den Fertigungsprozess unterstützen können. Darauf konzentrieren wir uns nun, meiner Einschätzung nach. Wir sagen uns gerne, dass unsere Simulation optimal in der Cloud läuft. Doch jetzt, da wir diese äußerst wertvollen Daten aus diesen Algorithmen generieren, wie integrieren wir sie am besten und machen sie letztlich wertvoll für den Kunden?”

Was auch immer in Bezug auf die verfügbaren Plattformen geschieht, Rescale, der Eigentümer des größten öffentlichen Cloud-Netzwerks, scheint perfekt positioniert zu sein, um Cloud-Services für diejenigen bereitzustellen, die sie zunehmend nachfragen.

“Insgesamt sind die innovativsten und führenden Unternehmen die fortschrittlichsten und aktivsten Anwender von Simulationssoftware und HPC-Hardware”, so Anselmi. “Das digitale Asset, das Unternehmen mit ihrer Simulationsfähigkeit aufbauen, ist immer ein fundamentaler Bestandteil der Unternehmens-IP. Digitale Transformation und grundlegende Software-Fähigkeiten sind für den Erfolg in den meisten der Branchen, die von Simulation und HPC bedient werden, entscheidend. Wir erwarten, dass die Marktführer in diesen Branchen weiterhin exponentiell mehr Simulationssoftware und HPC-Hardware nachfragen.”

Instant-On

Laut Autodesk gibt es für diejenigen, die eine Cloud-Simulationsstrategie in ihrem Unternehmen entwickeln wollen, drei wesentliche Nutzenangebote.

“Erstens ist da die Verfügbarkeit von Rechenleistung, und davon gibt so viel, wie man benötigt – mit anderen Worten die Idee des unbegrenzten Computing. Dann ist da noch die Kollaborationsfähigkeit. Sobald die Daten da sind, können Sie andere Personen einladen und die Daten mit Ihnen teilen. Drittens: Die Idee der Instant-on-Technologie – die Idee, dass Sie keine große Datei herunterladen, auf Ihrem Rechner installieren und zum Laufen bringen müssen. Stattdessen ist es sehr einfach, einen direkten Blick auf diese Daten werfen zu können, wenn die Daten in der Cloud gespeichert sind. Auf dieser Basis funktionieren Angebote wie SimScale oder SuperCool mit ihrer Instant-On-Fähigkeit. Und hier kommt Fusion360 ins Spiel. Es ist nicht vollkommen instant-on, aber es kommt dem ziemlich nahe.”

Schlussfolgerungen

Der Markt bewegt sich also allmählich in Richtung Cloudsimulation. Da die Nutzer von ihren Simulationspaketen jedoch immer mehr verlangen, erzeugen sie Datenmengen, die besser genutzt würden, wenn die Daten in der Cloud blieben, ohne dass man warten zu muss, bis man riesige Datensätze zur Analyse heruntergeladen hat. Die konservativen Branchen jedoch sind noch immer etwas besorgt über die Datensicherheit, obwohl die Anbieter von Cloud-Diensten davon überzeugt sind, dass Daten in der Cloud tatsächlich sicherer sind. Es scheint wahrscheinlich, dass sie auf den Cloud-Simulation-Zug aufspringen werden, wenn die Technologie ausgereift ist und ihre Ängste in Bezug auf die Sicherheit abgebaut wurden – oder wenn sie davon überzeugt sind, dass Simulationsdaten am besten in der Cloud selbst verarbeitet werden können, da dadurch die aufgewendete Zeit für den Download großer Datenmengen entfällt.

Eines dieser Szenarien wird früher oder später eintreten.

Wenn Sie als Einzelperson oder als Unternehmen auf die Cloud zugreifen wollen, werden Sie sehen, dass Sie über eine Plattform wie ScaleX von Rescale eine Vielzahl von Pay-as-you-go-Optionen sowohl in Bezug auf Rechenzeit als auch für die Nutzung der Software zur Verfügung haben. Rescale ist mit den meisten der wichtigsten Simulationspaketangeboten auf dem Markt kompatibel, so dass neue Benutzer keine von Grund auf neue Software erlernen müssen.

Um es zusammenzufassen: Cloud-basierte Simulation ist kostengünstig, verfügbar und vertraut. Es ist im Prinzip Ihre jeweilige Lieblingssoftware, jedoch leistungsoptimiert und auf Abruf verfügbar.

Was kann man daran nicht mögen? Es ist zu erwarten, dass das Kundenpotential cloud-basierter Simulationslösungen deutlich steigen wird, da die Technologie dabei ist, zu reifen und sich von ihrer Außenseiterrolle zu befreien.

Der nächste Schritt: Rentabilität!