Estudio comparativo: Pruebas de caída optimizadas con Dell, Intel y Altair

Estudio comparativo:
Pruebas de caída optimizadas con Dell,
Intel y Altair

Fredrik Nordgren, M.Sc. M.E. (Máster en Ciencias e Ingeniería Mecánica), Ingeniero de aplicaciones, Altair
Eric Lequiniou, Director, Informática de alto rendimiento, Altair
Martin Hilgeman, Consultor de HPC, Dell

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Introducción
El análisis de impacto o prueba de caída constituye una de las fases más importantes del diseño y desarrollo de un
producto, y el software que simula estas pruebas con precisión ofrece a los fabricantes grandes ventajas en costes y
plazos de comercialización. Dell, Intel y Altair han colaborado en la evaluación de una solución de prueba de caída
virtual con análisis de optimización y simulación integrada, ofreciendo mejoras demostradas en velocidad y precisión.
Con esta solución, los ingenieros pueden explorar más alternativas de diseño en busca de una mayor fiabilidad y
solidez del producto. Como resultado, los fabricantes pueden reducir considerablemente el tiempo de desarrollo de
diseños de alto rendimiento, mejorando la calidad del producto al tiempo que minimizan el plazo de entrega.

Reto:
Mejora de la precisión y velocidad de las pruebas
de caída
Desde los smartphones hasta las piezas de un automóvil, todos los productos deben someterse a pruebas para
comprobar su rendimiento tras un impacto antes de entrar en línea de producción. Le corresponde al fabricante
diseñar y desarrollar productos que se comporten de la mejor forma posible frente a caídas, aplastamientos o
cualquier otra situación de peligro que conlleve daños permanentes.

El software de simulación de prueba de caída ayuda a los fabricantes mediante una reducción del tiempo empleado
en probar un producto, ofreciendo mayores niveles de calidad de diseño y reduciendo la necesidad de realizar
pruebas físicas. Este software reproduce la complejidad de los materiales y el entorno físico, simula una situación de
impacto o caída y proporciona información técnica detallada sobre el comportamiento del producto durante esta
situación.

En general, el software para este tipo de problema está asentado desde que existe la necesidad de realizar pruebas de
caída y las soluciones provienen originalmente de los modelos de accidentes automovilísticos. Sin embargo, cuando
se trata específicamente de pruebas de caída de teléfonos se plantean retos únicos, sobre todo porque en las
pruebas de caída de este tipo de dispositivos se incluyen un mayor número de piezas de muchos materiales y
técnicas de montaje diferentes, las cuales deben ser cuidadosamente modeladas para evaluar los posibles daños
producidos por el impacto. Además, los ingenieros deben configurar manualmente el modelo y su posterior
procesamiento, lo cual lleva su tiempo.

El objetivo final es conseguir un producto sólido que pueda soportar caídas desde todos los ángulos y otros tipos de
cargas (presión de ventana, torsiones, arqueamiento, etc.). Esto requiere realizar numerosas simulaciones donde es
necesario contar con un solucionador de problemas rápido y escalable, así como con un entorno de software que
permita a los ingenieros explorar más alternativas de diseño para adquirir un conocimiento más profundo del
comportamiento físico durante la prueba de impacto. Los ingenieros también necesitan soluciones integradas y
automatizadas con elementos clave como la optimización integrada, con el objeto de racionalizar los procesos y
reducir el riesgo de error.

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Solución: Acelerar la simulación de prueba de
caída con Dell, Intel y Altair
En este estudio, Dell, Intel y Altair han colaborado en la evaluación del
software de simulación de prueba de caída de Altair en un clúster Dell
equipado con procesadores Intel. La infraestructura proporcionada por
Dell e Intel ayuda a acelerar la simulación mediante el aumento del
rendimiento del solucionador de análisis de impacto, RADIOSS, al
ejecutarse en un clúster Dell de gama alta equipado con los últimos
procesadores Intel Xeon E5 v2. Este solucionador, que es el componente
fundamental más exigente de la solución de pruebas de caída de Altair, se
utiliza para realizar distintos tipos de simulaciones complejas y cuenta con
un hardware muy eficiente y unos procesadores rápidos...

Solución de pruebas de caída de Altair
La solución de pruebas de caída automatizada de Altair consta de un
conjunto de herramientas de software integradas diseñadas para optimizar
el rendimiento, la capacidad de proceso y la capacidad de uso:
   HyperWorks es un paquete de software de modelado, análisis y optimización que integra los siguientes
    componentes en una completa solución de pruebas de caída:
        o Preprocesamiento de elementos finitos de alto rendimiento: el producto HyperMesh permite preparar
             incluso los modelos de mayor tamaño y ofrece un completo conjunto de herramientas de edición
             geométricas para elaborar modelos de malla de forma eficiente.
        o Solucionador de análisis estructural: durante más de 20 años, RADIOSS ha sido considerado el estándar
             de la industria para impactos y accidentes automovilísticos con los más altos niveles de calidad, solidez
             y escalabilidad. Con la tecnología de escala de masa avanzada (AMS) de RADIOSS, los usuarios de
             RADIOSS serán testigos de unos niveles de rendimiento incluso mayores.
        o Exploración, aproximación y optimización de diseño de última generación: el software integrado
             HyperStudy incluye optimización de formas, establecimiento directo de parámetros, extracción de datos
             y lectores de resultados directos de RADIOSS.
   PBS Professional es un software de gestión de cargas de trabajo para programación de trabajos de informática
    de alto rendimiento (HPC), con alta escalabilidad y capacidad de uso, y probado durante más de 20 años en
    miles de sitios de clientes.
Anteriores pruebas realizadas por Altair han demostrado que esta solución, junto con la tecnología AMS de RADIOSS,
puede reducir los tiempos de ejecución de las pruebas de caída de 65 a 36 minutos (lo que supone una mejora del
45%), en comparación con el tiempo de ejecución de 64 minutos de un solucionador líder alternativo.

Soluciones de HPC de Dell basadas en la tecnología Intel
Dell proporciona módulos de HPC y soluciones completamente preparadas que permiten a las organizaciones
beneficiarse de la potencia de la tecnología HPC y optimizar el desarrollo y la innovación de sus productos. El
resultado de la colaboración de Intel y Altair son unas soluciones probadas para el desarrollo de productos que
llegarán al mercado y mejorarán la productividad, reducirán costes y simplificarán la gestión de entornos de clústeres
complejos.
En el caso de este análisis de pruebas de caída, se eligieron servidores de hoja Dell PowerEdge M620 equipados con
la familia de procesadores Intel® Xeon® E5-2600v2. Estos procesadores potentes y energéticamente eficientes
ofrecen un 50% más de núcleos y memoria caché que los de la generación anterior; además de un acceso más
rápido a la memoria y mejoras de hardware adicionales en comparación con la generación anterior de los servidores
equipados con el procesador Intel Xeon.
Las extensiones Intel® Advanced Vector Extensions (Intel® AVX) permiten obtener un mayor rendimiento de las
aplicaciones HPC. Intel® AVX acelera los cálculos de vectores y de coma flotante con vectores de 256 bits y
conversiones aceleradas de datos de 32/64 bits. La familia de procesadores Intel® Xeon® E5 v2 ofrece una amplia
gama de especificaciones del procesador que van desde el número de núcleos hasta los modelos optimizados de
frecuencia para satisfacer las necesidades de las aplicaciones del usuario.

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Descripción general del proyecto comparativo

 Al introducir una junta entre la placa del ordenador y el módulo
 LCD se limitan las deformaciones en caso de caída; a la derecha
 se muestran dos formas de junta amortiguadora diferentes.

Para probar el rendimiento de la solución Dell-Intel-Altair, los ingenieros se centraron en una prueba de uso
específico añadiendo una junta amortiguadora para comprobar si reducía la tensión en el diseño de un teléfono.

En este escenario, el hueco existente entre la carcasa del teléfono y la placa hace que el módulo LCD se doble y se
vea sometido a altos niveles de tensión en un prueba de caída sobre la parte posterior. El objetivo era encontrar un
diseño de junta optimizado con unas características ideales (grosor, tamaño, flexibilidad, etc.) que reduzcan la
tensión a la que se ven sometidos los elementos laterales de la pantalla LCD.

    1.    Diseño: En la primera fase del proyecto, el concepto se modeló en HyperMesh y las variables de diseño se
          generaron con tecnología de morphing, así como con establecimiento de parámetros de archivos de
          entrada.

    2.    Optimizar: Se realizó un diseño de experimentos (DOE) para generar una superficie de respuesta. A
          continuación, se optimizó la superficie de respuesta en lugar del modelo de elementos finitos.

    3.    Verificar: El diseño optimizado se evaluó/simuló con un análisis de elementos finitos (FEA) y se
          comprobaron los resultados.

Para realizar estas simulaciones, se utilizaron sistemas con los siguientes componentes:
 16 servidores de hoja Dell PowerEdge M620 equipados con procesadores Intel Xeon E5-2680v2, E5-2667v2 y E5-
   2697v2, 128 GB de memoria por nodo con interconexiones Mellanox FDR Inifiniband.

La superficie resultante del módulo LCD se tensa como
consecuencia del grosor y del área de amortiguación.

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Resultados del rendimiento
Con el software RADIOSS de Altair ejecutándose en un sistema de hoja Dell PowerEdge M620, los ingenieros
pudieron realizar las 21 simulaciones de prueba de caída necesarias para este estudio de optimización y evaluaron 3
procesadores Intel distintos (Intel Xeon E5-2690v2, E5-2667v2 y E5-2697v2 respectivamente) en configuraciones de
2 nodos con los siguientes datos de rendimiento puro y de núcleos:

                           CPU            Nº total de      Rendimiento puro de FP           Tiempo medio           Tiempo total
                                         núcleos para 2        en GFLOP/seg               de ejecución única     de 21 ejecuciones
                                             nodos                                               (seg)                 (seg)

 E5-2680v2                           40                    896                           719                   15.110

 E5-2667v2                           32                    845                           742                   15.598

 E5-2697v2                           48                    1.037                         660                   13.868

Figura 1. Resumen del rendimiento

Claramente, el procesador con mejor rendimiento en términos de tiempo empleado es el E5-2697v2, el producto
con menor frecuencia pero mayor número de núcleos. Este rendimiento se debe a la excelente escalabilidad de
RADIOSS, ya que la baja frecuencia o el rendimiento intrínseco de cada núcleo no afecta negativamente al
rendimiento con un mayor número de núcleos.

                           900

                           800

                           700
   Tiempo empleado (seg)

                           600

                           500
                                                                                                                         E5-2680v2
                           400
                                                                                                                         E5-2667v2
                           300                                                                                           E5-2697v2

                           200

                           100

                             0
                                 1   2     3   4   5   6   7   8    9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
                                                                   Número de ejecución

Figura 2. Datos del rendimiento

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En comparación con el tiempo de referencia de 65 minutos (3.900 segundos) conseguido en un solo nodo del Intel
Xeon X5570 a 2,93 GHz (con 8 núcleos en total), en 2 nodos del E5-2697 v2 es aproximadamente 6 veces más rápido
(solo 660 segundos para una única ejecución). Esto permite finalizar todo el estudio de optimización (21 ejecuciones
de simulación) en menos de 4 horas (13.868 segundos).

Además, con la opción de escala de masa avanzada (AMS) de RADIOSS, los usuarios pueden reducir aún más la
duración de la solución sin dejar de obtener los mismos resultados precisos. AMS ofrece una solución avanzada para
problemas casi estáticos y una alternativa a las simulaciones no lineales implícitas donde la convergencia es, en
ocasiones, difícil de conseguir, por ejemplo, debido a la escasa linealidad de los contactos, las reacciones de los
materiales complejos y los modelos de rotura.

La velocidad prevista con AMS es 1,7 veces mayor con una duración de menos de 2,5 horas (menos de 400 segundos
para una única ejecución) y utilizando la configuración más rápida basada en el Intel E5-2697v2.

Otro aspecto a tener en cuenta al optimizar configuraciones es que la escalabilidad no solo depende del procesador
Intel Xeon y del número de núcleos, sino también del número de nodos que se utilicen. Debido al paralelismo de
estas simulaciones, se puede asumir que ejecutando aproximadamente la mitad de las 21 ejecuciones en los primeros
2 nodos y el resto en un segundo grupo de 2 nodos, se puede conseguir casi el doble de velocidad de simulación.
Esta lógica se puede utilizar para extrapolar los resultados de la vida real con más nodos con el objeto de conseguir
el tiempo de simulación deseado, por ejemplo, para un clúster de simulación de 8 nodos. Un enfoque así podría
simplificarse mediante el uso de una herramienta como PBS Professional, la cual distribuye los trabajos de simulación
entre los recursos disponibles de forma automática para optimizar la eficiencia de los cálculos y el uso de los
recursos.

Eficiencia energética y rendimiento
En los procesos de planificación y estrategias comerciales de hoy día, el consumo y la refrigeración se han
convertido en un aspecto importante a la hora de tomar decisiones de compra. Por tanto, la eficiencia energética de
las configuraciones de simulación puede ser de vital importancia para las organizaciones que buscan un uso de la
energía y un rendimiento óptimos.

Durante la realización de las pruebas de simulación en el sistema de hoja Dell PowerEdge, se capturó el consumo
energético total medido en vatios de cada ejecución de simulación (véase el gráfico siguiente). Mientras que los
consumos energéticos globales del Intel Xeon E5-2667v2 y el E5-2697v2 mantienen un nivel similar, el Xeon E5-
2680v2 requiere claramente menos energía para realizar las 21 simulaciones como parte de esta prueba.

O dicho de otra manera: en un entorno de carga de trabajo de producción permanente e ininterrumpida, el Xeon E5-
2680v2 consume un 21,3% menos de energía por nodo que el Xeon E5-2697v2, lo cual es más que la diferencia de
TDP de 115 W frente a 135 W (17%).

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Configuraciones recomendadas
Si observamos el rendimiento global, la relación rendimiento/precio y la eficiencia energética, se podrían formular las
siguientes recomendaciones en relación a los nodos necesarios para configurar un entorno de simulación basado en
el escenario de prueba de caída. El número real de nodos dependerá de los requisitos de la carga de trabajo global.

Rendimiento máximo:
Nodo informático Dell PowerEdge con procesadores Intel Xeon E5-2697v2 (24 núcleos en total por nodo),
  64 GB de memoria y tarjeta Mellanox ConnectIB.
  Configuración mínima: 2 nodos.

Rendimiento de gama alta, máxima eficiencia energética:
Nodo informático Dell PowerEdge R720 con procesadores Intel Xeon E5-2680v2 (20 núcleos en total por nodo),
  64 GB de memoria y tarjeta Mellanox ConnectIB.
  Configuración mínima: 2 nodos.

Sistema básico:
Nodo informático Dell PowerEdge R620 con procesadores Intel Xeon E5-2667v2 (16 núcleos en total por nodo),
  32 GB de memoria y tarjeta Intel NetEffect X520 iWARP.
  Configuración mínima: 2 nodos.

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Resumen de resultados
En conclusión, los resultados clave obtenidos de este estudio son los siguientes:

    El clúster Dell-Intel ofreció una velocidad 6 veces superior durante la simulación de prueba de caída de
     RADIOSS en comparación con el caso de referencia
      o El Intel Xeon E5-2697v2 fue el que mayor velocidad ofreció de los 3 procesadores probados.
      o Menos de 4 horas en completar las 21 ejecuciones de simulaciones.

    La escala de masa avanzada (AMS) de RADIOSS puede ofrecer una velocidad 1,7 veces mayor
      o Se calcula que es 1,7 más rápido con AMS habilitada.
      o Menos de 2,5 horas en completar las simulaciones (menos de 400 segundos para cada una de las
          ejecuciones).

    Intel Xeon E5-2680v2 ofrece eficiencia energética óptima
      o El Xeon E5-2680v2 requiere menos energía para realizar las 21 simulaciones de esta prueba.
      o En un entorno de producción permanente e ininterrumpida, el Xeon E5-2680v2 consume un 21,3% menos
           de energía que el Xeon E5-2697v2, lo cual es más que la diferencia de TDP de 115 W frente a 135 W (17%).

Con la solución de pruebas de caída de Altair en sistemas Dell/Intel, los ingenieros de diseño pueden optimizar el
rendimiento del teléfono tras un impacto y asegurar que se cumplen la garantía y los requisitos de satisfacción del
cliente. También pueden mejorar la calidad del diseño mediante la exploración de los efectos de los cambios y la
adquisición de conocimientos sobre el comportamiento dinámico de las pruebas de caída en el mundo real, con
datos detallados sobre cómo reaccionan los componentes del producto. Con unos costes y plazos de desarrollo de
productos reducidos, los fabricantes tienen más tiempo para centrarse en la mejora del diseño, cuyo resultado será
un producto final mejor.

Además de las pruebas de caída, el paquete de simulación Altair HyperWorks también incluye una amplia gama de
aplicaciones informáticas técnicas que se benefician del uso de clústeres Dell de gama alta equipados con los
últimos procesadores Intel, en campos como la simulación de pisadas, ruido, vibración y dureza (NVH), simulación
dinámica de fluidos computacional, etc.

Para más información
       Más información sobre el software Altair:
            o Paquete HyperWorks: www.altairhyperworks.com
            o Paquete PBS Works: www.pbsworks.com
       Solicitar una demostración: www.altair.com/dell-intel-drop-test
       Más información sobre Dell: www.dell.es y www.dell.co.uk/hpc
       Más información sobre Intel:
            o newsroom.intel.com
            o blogs.intel.com.
            o http://www.intel.es/content/www/es/es/servers/server-products.html

       Contáctenos:
           o Altair: www.altair.com/PageAllLocations.aspx
           o Dell: www,dell.es y www.dell.com/hpc
           o Intel: www.intel.es

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