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HOCHSCHULE FÜR TECHNIK UND WIRTSCHAFT DRESDEN (FH) Fachbereich Informatik/Mathematik
Prof. Dr.-Ing. Thomas Wiedemann
email: wiedem@informatik.htw-dresden.de
Vorlesungsreihe Simulation betrieblicher Systeme
Aktuelle Entwicklungstendenzen
in der Modellierung und Simulation
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 2
Gliederung
Kritik des aktuellen Entwicklungsstandes im Bereich der Modellierung und Simulation Problemsymptome und Anwenderforderungen
Ursachen der Defizite und Probleme
Potentielle Lösungen
Potentiale moderner Softwaretechnologien im Simulationsbereich Modulare und komponentenbasierte Simulationswerkzeuge
Datenbanken zur Speicherung von Simulationsmodellen und -ergebnissen
Simulationsauswertung mit Analytischen Informationssystemen (Datamining)
Verteilte und webbasierte Simulation und Optimierung
Ausblick auf neue Hardware
Zusammenfassung und Gesamtausblick
2
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 3
Aktueller Stand der diskreten Simulation
Ausgezeichnetes Niveau im
technischen Bereich:
Autos oder Elektronikchips sind ohne
Simulation nicht mehr herstellbar
Crashtests (FEM) und
Risikoanalysen mittels Simulation
Emulation oder „Hardware in the
Loop“-Tests von Geräten
bewährter Einsatz bei der Planung von Fertigungseinrichtungen
Engpaßanalyse und Kostenoptimierung
direkte 3D-Simulation der zukünftigen Fertigung
Defizite und nicht erfüllte Erwartungen:
bei der operativen Fertigungsplanung (prinzipiell sehr gut, aber kein breiter Einsatz
in der Industrie)
bei der Anwendung durch kleine und mittelständische Unternehmen
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 4
Kritik des aktuellen Entwicklungsstandes
Zu beobachtende Problemsymptome (aus Konferenzen & Praxisberichte)
nur in 5% der deutschen Industrieunternehmen Simulationseinsatz
in über 40% der Anwendungsfälle wird ein neues Simulationssystem entwickelt
(bereits über 150 verschiedene Simulationssysteme)
bei der Optimierung mittels Simulationsexperimenten werden häufig noch sehr alte
Simulationssprachen (z.B. GPSS von 1963) verwendet
Als Gründe für die aufgezählten Problemsymptome werden genannt:
sehr hohe Anforderungen an den Simulationsanwender (meist Expertenkenntnisse
notwendig auf den Gebieten Software, Mathematik, Statistik, Systemanalyse, Datenbanken, ... )
relativ hohe Investitionskosten, meist unsicheres Kosten/Nutzenverhältnis
existierende Modellierungsparadigmen passen nicht immer auf Kundenprobleme
vorhandene Bausteinsysteme sind nur bedingt offen für Anpassungen
schlechte Integrationsfähigkeit in verteilte Informationssysteme
Performance moderner Systeme ist häufig unzureichend
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 5
Ursachen und Hintergründe für die Probleme
Anfang der 90iger Jahre entstand Autonomieanspruch an Simulationssysteme:
typische Resultate: „GROSSE“ Simulationssysteme wie ED oder Automod
dadurch hohe Preise infolge hoher Komplexität und geringem Markumfang,
einmalige Untersuchungen rechnen sich nur bei Investitionen über 1 Million €
ökonomisch sinnvoller Einsatz in ständigen Planungsprozessen scheitert an zu geringer Integrationsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit der Simulationsprodukte
meist monolithische, softwaretechnisch nicht mehr differenzierbare Programme
Softwaretechniken wie Client/Server oder Remote-Access sind durch starke Verzahnung von Bedienoberfläche und Simulationskern sehr schwierig
Fehlende Standards zum Methodenraum der diskreten Simulation
Vielzahl zueinander inkompatibler Simulationssysteme
starke Schwächung des Leistungsvermögens der Simulations-Community
teilweise zu starke Betonung des Modellierparadigmas (OO+) und Vernachlässigung von Performanceaspekten
Das Dilemma des Anwenders: Die Entscheidung für ein konkretes
Simulationssystem bestimmt in sehr enger und konträrer Weise den Grad der
erreichbaren Flexibilität, den Modellierungskomfort und die Performance.
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 6
Wie können diese Widersprüche gelöst werden ?
Entwicklungs
-kosten Anwendungs-
komfort
Kosten/
Nutzen-
Relation
Performance („Time to decision“)
Das optimale
Simulations-
system ?
Anwendungsbreite und
Lösungsflexibilität
Marktvolumen
Mit traditionellen Entwicklungsansätzen ist eine Lösung kaum möglich, deshalb:
Neuorientierung am aktuellen Stand der Technik im gesamten EDV-Bereich
maximale Effizienz der Softwareentwicklung (Investition in Technologie, statt in Zeit)
praxisorientierte Architekturen (vgl. Lean Management, Supply Chain Managmt.)
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 7
Neue Entwicklungsstrategien für Simulationswerkzeuge
1. Modularisierung statt Autonomieanspruch
Konzentration auf das Kerngeschäft – die schnelle und höchst flexible Durchführung der Simulationsberechnung, neue Chancen für kleine Unternehmen (und Universitäten)
Basistechnologien: Komponentenbasierte Softwareentwicklung und verteilte Systeme
2. Definition von Quasistandards zur Modellierung portable, modell- und experimentübergreifenden Verwaltung aller Modell-
beschreibungen und der korrespondierenden Simulationsergebnisse,
Basistechnologien: Datenbanken und analytische Informationssysteme
3. Kombination von Simulation und Optimierung Erhöhung des Nutzeffektes und Verringerung des Auswertungsaufwandes
Basistechnologien: Simulatoren , Optimierer, Schnittstellen
4. Internetbasierte Bereitstellung von Simulations-dienstleistungen (Cloud / Grid-Computing)
Entwicklung von Cloud-basierten Simulationen
Basistechnologien: Modulare Webserver, Datenbanken und Visualisierungssoftware
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 8
Ziel: Schaffung eines fließenden Überganges zwischen den Werkzeugklassen
Universelle Programmiersprachen
Simulationssprachen
Bausteinbasierte Simulationssysteme
Bausteinbasierte Simulationssysteme
mit Skriptsprachen
bisher
Neue Entwicklungsstrategien für Simulationswerkzeuge
Optimales System ?
Modellierungs-
konzept
Anpassung auf
Simulationsebene
Anpassung auf
Technologieebene
Ideal
bezüglich
Modellierungs- und
Bedienkomfort
Flexibilität Performance
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 9
Konzentration auf das Kerngeschäft – die schnelle und höchst flexible Durchführung der Simulationsberechnung, Chancen für kleineUnternehmen (und Universitäten)
Zukauf oder Anbindung aller nicht zum Kernbereich gehörenden Funktionen, wie Visualisierung, Animation, Ergebnispräsentation und Modellierungsunterstützung,
leistungsfähige Schnittstellen zwischen Kernfunktionen und Peripherie
zeitnahe Unterstützung und Anwendung aktueller Softwaretechnologien :
deutliche Effizienzerhöhung der Entwicklung
Integrations- und Kopplungsplattform zu anderen Informationssystemen
Frage : Welche Softwaretechnologien eignen sich ?
Antwort: Komponentenbasierte Softwareentwicklung und
verteilte Softwarearchitekturen (CORBA, SOA,
Java Beans, HLA speziell für Simulationssysteme)
Konkrete - Simulationskomponenten SimCO für Delphi / SPEEDSIM
Lösungen: - modulare Simulationsumgebung mit SLX, SimMiner und
Optimierer ISSOP,gekoppelt per TCP/IP,
- verteilte Simulationssystem (Fraunhofer MISSION-Projekt)
Modularisierung statt Autonomieanspruch
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 10
Modular aufgebaute Simulationsumgebungen
These: Nur durch Verknüpfung oder Kopplung existierender Systeme lassen
sich alle Anforderungen an zukünftige Simulationsumgebungen erfüllen.
Interface and Database layer
Simulation kernel
for discret event
simulation
Interfaces for Internet / Intranet-representation
3D-Visualisation and Animation
with VRML-Viewers
Model generators and data sources
(MIS and production planing systems)
Expert systems and optimization tools
Tools for experiment-analysis
and presentation (e.g. Excel)
Experiment
parameters Models
Simulation
History and results
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 11
Beispiel: Komponentenbasierte Experimentierumgebungen
Simulationskomponenten können
beim Aufbau von Endbenutzer-
schnittstellen auch versteckt
werden.
Effiziente und leistungsfähige
Simulationsanwendungen :
• Beliebige Kombination mit
Standardkomponenten von
Windows (oder jetzt auch Linux
mit Borlands Kylix )
• Änderungen der Modell-
parameter zur Laufzeit möglich
• sofortige Anbindung an neue
Softwaretechnologien
• sehr gute Run-time-
Visualisierung und Reports
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 12
ein einheitlicher Standard zur Beschreibung von Simulationsmodellen ist aufgrund der vielfältigen Beschreibungsaufgaben und des primitiven Weltverständnisses der aktuellen Rechnergeneration kaum realisierbar
Eine Zwischenstufe kann die Schaffung einheitlicher Strukturen auf der Ebene der Modellspeicherung und -verwaltung sein :
modell- und experimentübergreifenden Verwaltung aller Modellbeschreibungen und der korrespondierenden Simulationsergebnisse,
die Gewährleistung eines Zugriffs durch externe Applikationen mittels Standardverfahren zum Datenaustausch und –speicherung,
die Nutzung bereits existierender Verfahren zur Auswertung und Analyse der Simulationsergebnisse (Reuse von Auswertungstools)
Frage : Welche Softwaretechnologien eignen sich ?
Antwort: Datenbanken, analytische Informationssysteme
(Data Warehouse / OLAP / Data Mining )
Konkrete - Kanonisches Datenbankreferenzmodell für Simulationsdaten
Lösungen: - SimMiner - Data Mining-Tool zur Simulationsauswertung
Definition von Quasistandards im Simulationsbereich
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 13
Modelldatenablage in universellen Datenbankstrukturen
Model contains
Version contains contains
1
n 1
n Parameters
refers to Objects
has
subpar.
refers to
n
1
contains
n
1
contains
n
1
Labels
n 1
Runs contains
Results
have
Lösungsansatz
allgemeines ER-Modell zur Speicherung
von Simulationsmodellen und
Simulationsergebnissen
Verwendung einer universellen
(kanonischen) Datenstruktur:
Verwaltungattribute für Administrierung
und Abbildung von Relationen
Attribute zur eigentlichen Speicherung der Daten
(3 x Integer, 3x Double und zwei Strings ).
etwas höhere Speicherredundanz.
Motivation:
bisher nicht kompatible Datenformate der
Komponenten und Simulatoren
aufwendige Manipulation von sehr vielen
Komponenten bei sehr großen Modellen
Vorteile
Datenbanken sind die universell anerkannte Technologie zur Datenhaltung
Kompatibilität zu allen betrieblichen Informationssystemen gesichert
Operationen über Mengen von Simulationsobjekten und -attributen möglich (SQL)
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 14
Analytische Informationssysteme im Simulationsbereich
Besonderheiten bei einem Einsatz von Data Warehouse / Data-Mining-Technologien
geringeres Datenvolumen durch überschaubare Läufe
optimaler EDV- Anschluß durch komplett rechnerbasiertes Modell
Systemstruktur und innerer Aufbau sind durch Modellierung vollständig bekannt
Gewinnung der Daten aus Tracedateien oder Reports
Mögliche Datendimensionen:
Modellobjekte (Maschinen
oder Stationen ) Zeit
Zustandsprotokoll Belegungen Betriebsparameter
Wartezeit Kosten
...
Run / Modell / Version
Analyse von Run´s
Simulationsläufe
Produkte
Zeit
Versionsanalyse
Gesamtparameter
Modelle Zeit
Der allgemeine,
n-dimensionale
Datenwürfel.
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 15
3. Kombination von Simulation und Optimierung
Simulation ist eine Analysemethode mit Eignung für stochastische Prozesse
entscheidungsunterstützende Auswertungen (Manager-geeignet) und
Verbesserungen des simulierten Systems gehören nicht immer zum
Standardumfang der Simulatoren
Optimierungen von Systemen sind sehr zeitaufwendig und erfordern sehr
umfangreiches Wissen und Erfahrungen (kritisch bei kleineren Firmen)
Fazit und These
Die Anbindung von Optimierungswerkzeugen:
kann den Verantwortlichen von aufwendiger Routineanalyse befreien, indem die
Analyse und Verbesserungen des Modells automatisch erfolgen
erweitert den Analyseansatz der Simulation um einen Syntheseansatz
kann bei geeigneter Konfiguration als automatisch ablaufendes SYSTEM ohne
menschliche Eingriffe permanent zur Optimierung von Systemen dienen
Eigene Prämissen bei der Suche nach einem geeigneten Tool :
möglichst universell und mit einer Vielzahl an Optimierungsfunktionen
offene und erweiterungsfähige Systemarchitektur
Ergebnis der Marktanalyse: System ISSOP von DUALIS (Prof. Krug,Dresden)
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 16
4. Neue Anwendungsbereiche durch webbasierte Systeme
Im roten Bereich noch großes Potential bei Mittelständischen Firmen vorhanden
auch als Einstiegsbereich in Richtung größerer Projekte günstig
Investitions-
planung
Fortlaufende
operative Planung
Zu aufwendig oder
teuer
durch Simulation beeinflussbare Kosten ca. 10% (nach VDI 3633 )
typische Kosten für Simulationssysteme ab 25 T€
damit Investkosten von mindestens 250 T€ notwendig
In kleineren Einzelprojekten ist Simulation zu kostspielig !
Umkonfiguration
Rationalisierung von
Systemen
Zu beeinflussende
Kosten bzw. Investition
Häufigkeit
sehr oft
oft
selten
einmalig
250 T€ 5- 50 T€
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 17
Verteilte und webbasierte Simulation und Optimierung
Motivation : - verteilte Modellierung und Simulation sehr sinnvoll (Supply Chain ...)
- theoretisch bessere Portabilität durch Internetstandards
- neue Geschäftsmodelle mit günstigeren Konditionen für die Kunden Besonders interessant : Application Service Providing / Cloud-Computing im Simulationsbereich (hier: Cloud-Computing als neues ASP-Konzept)
Zusatznutzen:
schnelle und günstige Wartung, ständige aktuelle Version verfügbar,
keine Lizenzprobleme durch Abrechnung genutzter Leistungen
sehr gute Schulung und Weiterbildungeigenschaften
Einbeziehung neuer Anwendergruppen (Vertrieb, Management, Produktentwickler)
Kosten
Nutzen Break even point
Traditionell mit Kauf
eines Simulationssystems
Mit Inanspruchnahme eines
Application Service Providers
(ASP / Cloud-Lösung )
Kosten
$
Einarbeitung
Zeit
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 18
Erste Generation von webbasierten Simulationsexperimenten
Bereits Anfang 2000 wurden erste Internetlösungen für die Simulation realisiert:
Anbindung von textbasierten Simulationswerkzeugen (GPSS oder SLX) über
CGI-Skripte an HTML-Formulare
Quelltext des Simulationsmodells wird in einem Textfeld übergeben
auf der Serverseite wird das Simulationsprogramm an den Simulator übergeben,
von diesem kompiliert und ausgeführt.
Ergebnisse werden in Textform oder als HTML-Code zurück geliefert.
Standard-HTML-Browser
CGI-Programm Simulations-
programm Web
Simulations
-programm Simulations
-programm
Ergebnisse
Web Server
mit CGI-
Interface
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 19
Beispiel : GPSS_Simulator der TU Magdeburg
erreichbar unter : http://isgsim1.cs.uni-magdeburg.de/~pelo/s1e/sa4/sa41.shtml
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 20
Bewertung der ersten Generation webbasierter Tools
Vorteile
relativ einfache Anbindung ohne großen Entwicklungsaufwand
Aufgabenspektrum durch beliebig erweiterbaren Quellcode prinzipiell
unbegrenzt
Nachteile
sehr fehleranfällig bei Laufzeitfehlern
keine Rückmeldung während der Laufzeit
Probleme mit der Anbindung von Datenquellen
keine oder schwierige Visualisierung der Simulation (Animation)
Die aufgeführten Vor- und Nachteile gelten auch prinzipiell für viele der
aktuellen Cloud-Lösungen !
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 21
Vergleich traditionelles ASP / Cloud mit Simulations-ASP
Fazit:
ASP/Clouds im Simulationsbereich entspricht aktuell den möglichem Internettechnologien besser als traditionelles ASP
Das Lastverhalten im Vergleich
Client-
rechner
(Kunde)
Internet
Server-
rechner
(Provider)
zeit-
kritisch !
ASP für Büroaufgaben
Interaktive
Arbeit
Datenver-
waltung
Im Bürobereich
Stark interaktive Arbeit
Interaktionsgeschwindigkeit ist erfolgskritisch und wird meist nicht zufriedenstellend erreicht !
Hohe Anforderungen an die Benutzerschnittstellen bei noch vorhandenen Defiziten der Webtechnologien
100%
Reine Status-
meldungen
ASP im Simulationsbereich
Parametrisierung
Start / Stop
Simulation
Optimierung
Im Simulationsbereich
Primat der Berechnung
Güte und Gesamtzeit (im Minuten-bereich akzeptabel) sind erfolgs-kritisch und erreichbar
Benutzerinterfaces zweitrangig
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 22
Optimale
Strategie
FTP
SimASP - Gesamtkonfiguration und Prozeßablauf
Prämissen aufgrund der aktuellen Situation bei den Web-Tools :
Service-Schwerpunkt ist die Bereitstellung wiederverwendbarer Modelle
(parameterisierbare Modelle flexibler Fertigungsstrassen, Call- und Servicecenter)
sehr komplexe Modelle sollten vorerst mit Standardtools realisiert werden
Bezahlung pro Simulationslauf oder Simulationszeit (an Provider und Modellierer)
Arten von Modellen
fixe Modelle mit Import und Export von PPS-Daten -> SLX-Universal-Modell
fixe Modelle mit variablen Parametermasken
Modelle auf der Basis vorgefertigter Bausteine (VisualSLX-Konzept)
These: Entscheidend für den Erfolg wird die vollständige Einbindung dieser Systeme in
automatisch ablaufende Berechnungsprozesse beim Kunden sein:
PPS
oder
MIS des
Kunden
Profes-
sionelle
Tools
ISSOP
SLX
VisualSLX
Datenbank-
system mit Zeitsteuerung
I
N
T
E
R
N
E
T
Auftrags-
daten
Modelle
Steuer-parameter
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 23
SimASP - Sicherheit und Vertrauen in externe Serviceprovider
Sicherheit und Vertraulichkeit
Ein Hauptproblem ist die Vertraulichkeit/Sicherheit
Verschlüsselungs- und Signaturverfahren auf den Übertragungsstrecken (VPN)
Content-Scrambling zum Schutz sensitiver Daten auf der Serverseite
Audi F722
BMW F461
MotorA3 P382
FTP PPS
oder MIS
des
Kunden
Tools
ISSOP
SLX
SimASP
Datenbank-
system
mit
Zeitsteuerung INTERNET
Auftrags-
daten
...Audi..
...BMW...
..MotorA3..
Steuer-
parameter
Modelle
SimASP-Server
Auftrags-
daten‘
... F722...
...F461...
...P382...
Ergebnisse‘
F722... 7Tage
F461...3Tage
P382...8TDM
Ergebnisse
Audi.. 7Tage
BMW.. ...3Tage
MotorA3...8TDM
Kodiertabelle
(jeweils
zufällige
Werte)
Datenkodierung
Datendekodierung
VPN-Tunnel
zur sicheren
Übertragung
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 24
Einbeziehung der Anwendungsexperten in das Geschäftsmodell
These: aktueller Stand der Internettechnologien erlaubt noch keine vollständige Entwicklung von Simulationsmodellen per Web.
Fazit: komplexe Modelle werden noch absehbare Zeit durch Simulationsexperten realisiert.
diese Modellentwickler können innerhalb eines ASP-Systems durch eine Beteiligung an den Einkünften zusätzlich motiviert werden
die übrigen Anteile werden für das ASP-System und die Basissoftware verwendet
Service-
Miete
ASP-Betreiber
Modell-Lizenz
an Entwickler
Basis-Software-
Lizenz
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 25
SimASP - Sicherheit und Vertrauen in externe Serviceprovider
Vertrauen in die Verfügbarkeit der Dienstleistung
Auslagerung erfolgsrelevanter Informationsprozesse ist kritisch
Schutz gegen technische und organisatorische Ausfälle ist notwendig
Einfache organisatorische Maßnahmen
öffentliche Einrichtungen (Hochschulen) als technische ASP-Provider mit operativer
Betreuung durch externe Firmen
Bereitstellung von Intranet-ASP-Systemen direkt beim Kunden
Alle Funktionen wie bei externem ASP (Internetzugriff / zentrale Berechnung)
Betreuung und Wartung der ASP-Rechner durch firmeneigene Mitarbeiter
Sehr guter Schutz gegen Netzausfälle und Hackerangriffe
Sehr sinnvolles Konzept bei vielen Mitarbeitern mit seltenem Simulationsaufkommen
Schaffung eines austauschbaren, standardisierten ASP/Cloud-Frameworks
Erreichung einer gewissen Austauschfähigkeit und Vereinheitlichung von ASP-
Systemen im Simulations- und Optimierungsbereich
Demonstration einer einheitlichen, standardisierten Vorgehensweise gegenüber der
Industrie und damit höheres Vertrauen als in viele Einzelkonzepte
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 26
SimASP - Sicherheit und Vertrauen in externe Serviceprovider
Schaffung eines austauschbaren, standardisierten ASP-Frameworks
Stufe 1 - Einheitliche Internetbasistechnologien, bestehend aus Apache
Webserver und Java Servletts in einem Tomcat-Servlet–Container der jeweilig
letzten stabil laufenden Versionen (keine Betaversionen);
Stufe 2 – Standardisierte Steuer- und Verwaltungsstrukturen auf XML-Basis
zum einheitlichen Starten, Beenden und Steuern aller Berechnungsprogramme;
Stufe 3 – Quasistandards für die Modellierung und die Modelldaten
vorzugsweise auf Datenbankbasis mit JDBC-Fähigkeit ;
Stufe 4 – gleiche Berechnungsprogramme (z.B. SLX/Arena und ISSOP).
Bereits in Stufe 1 kann durch ein Kopieren der Java-Servletts und aller
Berechnungsprogramme auf den Rechner eines Partners das jeweilige ASP-
System dupliziert werden.
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 27
stille Revolution im Bereich der Grafikkartenleistung
-> GPU-Leistung mehrfach höher als traditionelle CPU´s
Hersteller NIVDIA and AMD (ATI) -> CUDA / OpenCL-Standards !
Frage : Ist dies für Simulationszwecke nutzbar ?
Neue Option : Grid / GPU-basierte Berechnungen
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 28
Ausgangspunkt:
3D-Szenarien erfordern sehr viele Shader and Texture-Prozessoren
aktuell 1024 und mehr Prozessoren mit floating (double) point prec.
Actual Graphic Processor Units (GPU) – Architecture
Memory - Organization :
- ist der limitierende Faktor !!!
- Schnellster Speicher ist shared
memory in den Blöcken
- nur zwischen diesen Speicherzellen
ist ein sehr schneller Datenaustausch
möglich
- Synchronization zwischen den
Blöcken ist langsam und schlecht
unterstützt !
- global memory is used for
transferring input and results
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 29
Multi-core CPU
Many-core GPU
in CPU-Proz. existiert ein Control block per CPU.
in GPU´s exisitiert NUR ein Control block für N-ALU´s ! !!!
2. Problem : Single Program Multiple-Data (SPMD)
ALU
Control
ALU
Control
ALU
Control
ALU ALU ALU ALU
Folgen:
nur 1 Program kann über N-Daten
ausgeführt werden
bei Sprüngen im Code
kommt es dadurch zur einer
SEQUENTIELLEN Ausführung mit
drastischen Performanceverlusten
Code1
Code2 Code3
Code execution in CPU
Code1 Code2
Code1 Code3
CPU1
CPU2
Code execution in GPU
Code1 Code2
Sequentiell execution
Code1 Code3
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 30
Parallel & Hypercomputing mit unters. Zufallszahlenströmen
Monte-Carlo-Simulationen
einfache Modelle OHNE Verzweigung infolge zufälliger Ereignisse
GPU -Solution : M-Modellläufe mit N-Szenarien
pro Block ein Lauf mit N (=kernel-Anzahl)-Einzelsimulationen
Unterschiedliche Szenarien in den Blocks
Restriktionen /Ergebnisse :
pro Block gleicher Code
und gleiche Ausführung !!!
dann möglicher Speedup:
- 512 …1024 (=Anzahl Kernel)
Mögliche Anwendungen von GPU´s
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 31
Aktuelle Arbeiten - Potentielle Master-Arbeitsthemen
Einsatz von Web-Technologien im Simulationsbereich
Test weiterer Cloud-Anbieter (allgemeiner Test, auch anwendbar auf andere
Bereiche -> vgl. Vortrag aus Workshop)
SOA als Vernetzungstechnologie für verteilte Simulationsberechnungen (mit
Emulation realer Einheiten durch Simulationsmodelle (vgl. VL zur
Simulationsanwendung), SOA/ BPMN als Modellierungssprache ???
GRID und GPU-Computing – Machbarkeit und Performancetests
3D-Animationsserver
Erweiterung vorhandener 3D-Animationsprogramme oder Spiele-Engines um
eine TCP/IP-Socket-Schnittstelle mit der Option des Nachladens von Szenen
und Bewegungen
High-Speed-Simulation SPEEDSIM (SIMSOLUTION)
.NET oder Assembler-basierte performance-optimierte
diskrete Simulation
Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 32
Ausblick in die Zukunft - Simulation mit dem Quantencomputer
„Quantencomputer“
beruhen auf den speziellen Eigenschaften subatomarer Partikel (Qubits),
nach der Quantentheorie nehmen diese Partikel gleichzeitig mehrere Zustände an
ein Register aus N Qubits stellt alle 2N-Zustände gleichzeitig dar,
Wechselwirkungen ergeben sich als gleichzeitige Kombination aller Einzelzustände
noch ist die Anzahl der realisierbaren Qubits begrenzt (ca. 5), eine weitere erfolg-reiche Erhöhung hätte gravierende Folgen, insbesondere für die Kryptographie
für die Simulation hätte ein Quantencomputer enorme Vorteile:
das Ergebnis aus N-Läufen wäre sofort ablesbar (mit N -> unendlich)
optimale Modellzustände könnten eventuell speziell kenntlich gemacht und damit sofort, ohne iterative Optimierungsschritte, ermittelt werden
unscharfe Aufgabenstellungen (mit fuzzy sets) könnten ohne Zeitverlust berechnet werden
Das Konzept der Modularisierung ist auch hier wieder sinnvoll:
der (zumindest anfängliche) hohe apparative Aufwand für einen Quantencomputer (Kühlung auf 30 Kelvin, Laserarrays ...) kann zu Beginn nur gewinnbringend durch eine parallele Nutzung über das Internet sein
doch wahrscheinlich wird dann die gesamte Informatik revolutioniert !
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Aktuelle Entwicklungstendenzen im Simulationsbereich - T.Wiedemann HTW Dresden - Folie 33
Zusammenfassung
Modulare (kleinere?) diskrete Simulationssysteme werden zukünftig eher eine Chance haben, die sehr speziellen Anforderungen der Anwender abzudecken !
Eine Trennung von Simulationskernel und beliebiger GUI kann auch im Bereich von Webanwendungen und Cloud/ASP-Ansätzen günstiger sein !
Cloud-Computing-Ansätze (mit dem alten Konzept des Application-Service-Providing (ASP) können kleineren Firmen einen Zugang zur Simulation eröffnen.
Bei Cloud/ASP-Lösungen ist die Sicherheit/Vertraulichkeit entscheidender als die technische Lösung ! Die Sicherheit muss durch neue Konzepte zur Verschlüsselung und Content-Scrambling stark verbessert werden !
Neue Hardware (Grid / GPU) kann in Einzelfällen starke Performancezuwäschse bringen !
Eine stärke Abstimmung zu gemeinsamen Richtlinien oder Standards im Bereich der diskreten Simulation ist sehr sinnvoll und würde das Vertrauen der Industrie stärken.
Durch internetbasierte Dienstleistungen könnte der Umfang des Simulationseinsatzes stark ausgebaut werden.
Webbasierte Richtlinien und Standards könnten ein erster Schritt zu
einer generell höheren Kompatibilität der diskreten Simulation sein.
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