DEHN: Blitz trifft Wolke in Microsoft Azure

Die Herausforderung: Hoher Aufwand für ein lokales Simulationszentrum

Als einer der heimlichen Weltmarktführer („Hidden Champions“) aus Deutschland weiß DEHN um den Wert seines hausinternen Know-hows. Die Produktentwicklung des Nürnberger Herstellers erfolgt deshalb fast ausschließlich am Entwicklungsstandort in Neumarkt in der Oberpfalz. Um dem internationalen Wettbewerb weiterhin voraus zu sein, fasste das Unternehmen den Plan, nicht nur Aspekte wie Spannungsschwankungen, sondern auch die gewaltige Kraft ganzer Blitzeinschläge zu simulieren. Zur Umsetzung dieser Idee holte man mit Dr. Martin Hannig eigens einen Experten von der Technischen Universität Darmstadt als Entwicklungsingenieur ins Haus. Unter seiner Leitung sollte vor Ort ein Simulationszentrum entstehen. 

Doch schnell zeigte sich: Dieses Vorhaben würde mit großem Aufwand und hohen Kosten verbunden sein. Das Forschungsteam um Dr. Hannig stellte fest, dass es für die äußerst komplexen Simulationen ein HPC-Cluster (High-Performance Computing) und weitere HPC-Ressourcen für die Visualisierung der Ergebnisse benötigt – doch für deren Beschaffung und Betrieb fehlte dem Mittelständler das Knowhow und man war sich unsicher, ob die hohen Investitionskosten gerechtfertigt sein würden. Denn ein solches lokales Simulationszentrum bindet über Jahre erhebliche finanzielle Mittel, und für den Betrieb müsste man auf dem praktisch leergefegten Arbeitsmarkt erst einmal geeignete Fachleute finden.

Die Lösung: High-Performance Computing in der Azure Cloud

Als langjähriger Microsoft-Kunde war DEHN zu dieser Zeit damit befasst, im Rahmen seiner Hybrid-Cloud-Strategie die Möglichkeiten von Azure für diverse Cloud-Arbeitslasten zu ermitteln. So wandte sich das Unternehmen an Microsoft, um zu eruieren, ob sich komplexe mathematische und physikalische Aufgabenstellungen, wie die Simulation von Blitzeinschlägen, auch in der Cloud berechnen lassen. Microsoft zog für das anspruchsvolle Vorhaben einen seiner „Global Black Belts“ – also einen der weltweit führenden Experten – hinzu und holte zudem mit UberCloud ein Beratungshaus an Bord, das auf Cloud-basiertes HPC und Digital Twins spezialisiert ist. Innerhalb weniger Wochen – zwischen November 2020 und Januar 2021 – erarbeitete das Projektteam einen Proof of Concept. Das Ergebnis: Es ist nicht nur möglich, die aufwendigen Simulationen in Azure durchzuführen, sondern für einen Mittelständler wie DEHN sogar weitaus praktikabler. 

„Mit den HPC-Simulationen für Blitzeinschläge haben wir uns als ersten Einsatzfall für unsere Migration auf Azure ein vermeintlich komplexes Thema ausgesucht“, erinnert sich Manfred Ferstl, Head of IT Infrastructure bei DEHN. „Aber letztlich war die Komplexität und damit der Aufwand im Vergleich zur On-Premises-Lösung für uns erheblich geringer. Denn um die fachliche Diskussion mit dem Team von Dr. Hannig und die Umsetzung der technischen Details hat sich primär UberCloud gekümmert.“ 

Gemeinsam erarbeitete das Projektteam von DEHN, Microsoft und UberCloud auf der Basis von Azure HPC, Azure CycleCloud und weiteren Bausteinen eine HPC-Umgebung. Hier kann DEHNs Ingenieursteam seine vertrauten Simulationslösungen weiter nutzen – das spart Zeit und Schulungsaufwand und bietet eine bisher unbekannte Flexibilität. Die Einrichtung und Skalierung der aktuell benötigten Umgebung nehmen Fachleute der Forschungsabteilung selbst vor: „Das Self-Service-Prinzip von Azure erspart es uns, bei Simulationsläufen Hand anlegen zu müssen“, berichtet Ferstl. „Dr. Hannigs Team kann die gewünschten HPC-Umgebungen einfach selbst aufsetzen – natürlich stets gemäß unserer Richtlinien und im Rahmen des genehmigten Budgets.“ Eine Simulationsumgebung ist auf diesem Weg innerhalb weniger Minuten eingerichtet – und auch wieder abgebaut, sobald sie nicht mehr benötigt wird. „Mit der HPC-Umgebung in der Azure CycleCloud sind wir in der Lage, innerhalb kürzester Zeit Cluster-Konfigurationen zu entwerfen, die genau auf unsere Bedürfnisse abgestimmt sind“, bestätigt Forscher Dr. Hannig. 

„Mit Azure HPC können wir bei Bedarf 1.000 Compute-Knoten zusammenschalten und Simulationen dadurch extrem beschleunigen“, erläutert Manfred Ferstl. „Die Frage ist lediglich: Welche Beschleunigung ist welchen Kostenaufwand wert?“ Das Projektteam hat hier eine Balance gefunden, bei der die Simulationen wenige Stunden bis zwei Tage dauern: „Wir konnten mittels Azure HPC die Simulationsläufe gegenüber dem Betrieb vor Ort um den Faktor 6 beschleunigen“, sagt Ferstl, „ohne Investitionen in zusätzliche Hardware und zu sehr gut verschmerzbaren Betriebskosten.“ Dabei ist auch für hohe Datensicherheit gesorgt, auf die der Mittelständler pocht: „Unser Datenverkehr läuft trotz der Azure-basierten Lösung nicht über das öffentliche Internet“, betont der IT-Mann, „sondern ist in das private firmeninterne Netzwerk integriert.“

Die Bedienung ist für das Forschungsteam einfach: „Die intuitiv bedienbare Benutzeroberfläche half uns beispielsweise, mehrere Knoten für eine ausgedehnte Parameterstudie einzurichten, die wir für die Untersuchung von Lichtbogenplasmen einsetzen“, berichtet Dr. Martin Hannig. Das Ingenieursteam benötigt zudem keine teuren Workstations mehr zur Visualisierung: Die Grafikpower für die Darstellung kommt von virtuellen Maschinen aus der Cloud.

Vom Ablauf des Projekts zeigt sich IT-Infrastrukturleiter Ferstl angetan: „Microsoft hat mit UberCloud in kürzester Zeit genau die passenden Fachleute hinzugezogen, die sich mit dem Thema HPC wirklich gut auskennen“, so Ferstl. „Der Migrations- und Implementierungsaufwand war für uns dadurch minimal.“ Im nächsten Schritt will er weitere Arbeitslasten nach Azure verlagern, um das Self-Service-Prinzip und die blitzschnelle Skalierung auch anderen Teams im Haus zugänglich zu machen.

Dank der Cloud-basierten Simulationsumgebung spart DEHN Budget und Zeit hochbezahlter Fachkräfte in Forschung und IT-Betrieb. Die Forschungsabteilung kann Simulationen schneller durchführen und erzielt präzisere Resultate. Dadurch kann der Hersteller den Lebenszyklus seines Produktdesigns verkürzen und die Markteinführung innovativer Produkte beschleunigen – DEHNs Historie als Innovationsführer kann ungebremst weitergehen. Die Entscheidung für den Umstieg auf die Azure-HPC-Umgebung erweist sich damit im Rückblick als wahrer Geistesblitz.