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Tecnologias disruptivas ao seu alcance: Simcenter Cloud HPC


Você não faz ideia de como está fácil e barato ter acesso à supercomputadores de alto desempenho para as suas simulações de CFD com o STAR CCM+ da SIEMENS... Seja você uma grande corporação ou instituição, seja uma startup ou indústria iniciante no mundo de CFD. Vamos aprofundar de forma prática e didática este tema. Acompanhe:

Sou Ricardo Damian, Diretor Técnico da CAEXPERTS, um entusiasta da simulação computacional, com mais de 25 anos de experiência em CAE, sempre ajudando as indústrias a implementar as tecnologias de simulação para resolver problemas industriais.


Antigamente não era nada fácil usar CFD, usar computação de alto desempenho, tinha que saber UNIX, LINUX, programação vetorial, paralela, arquitetura de computação científica, ter muita dedicação e paciência. O Windows não era um sistema operacional para computação científica.


Comecei a formação de base em Engenharia Mecânica na UFRGS, já com ênfase em CFD, no Centro de Super Computação da UFRGS. Depois fiz graduação sanduíche na Universidade de Stuttgart na Alemanha, estagiei no Centro de Pesquisas da BOSCH lá na Alemanha e depois na EMBRAER aqui no Brasil na volta. Depois fiz mestrado em Engenharia Química na COPPE/UFRJ, com uma turma fera em HPC. Usar CFD na época era uma dureza e rodar em um cluster era um privilégio que exigia muita preparação.


Lá pelos anos 2000 começaram a aparecer os primeiros PCs com mais de um núcleo de processamento e os códigos de CFD já rodavam em Windows, mas com desempenho menor. Durante os próximos 10 anos, presenciei o início da utilização dos clusters de processamento paralelo nas universidades e centros de pesquisa brasileiros. Apenas algumas poucas grandes indústrias, com um à utilização de CFD já bem madura, tinham acesso à clusters de HPC. Atuava no CENPES da PETROBRAS apoiando os mais de 200 usuários de CFD da época a utilizarem os clusters, instalando, configurando, especificando, administrando, otimizando desempenho etc. Era uma atividade super técnica e que envolvia diversos profissionais. Lá por 2010 em diante o Windows começou a ficar bom para HPC, mas o Linux sempre reinou no assunto e reina até hoje.


Hoje em dia, praticamente todas as simulações de CFD são realizadas em mais de 1 núcleo de processamento. Temos à disposição as CPUs com 4, 8, 10, 16, 20 núcleos de processamento, podendo operar com 8, 16, 32, 64 ou mesmo 128 Gb de RAM. Além disso, os códigos de CFD de última geração, como o SIEMENS Simcenter STAR CCM+, já permitem a utilização de novas tecnologias como processamento em arquitetura de GPU ou ARM.


Ou seja, as Workstations de hoje em dia já permitem um alto desempenho de cálculo, o que torna simulações complexas de CFD à disposição de seus usuários iniciantes. Eu mesmo, no meu dia a dia de uso do STAR CCM+, preparo as simulações e rodo muitas delas no meu laptop pessoal e de trabalho, com processador i7 de 8 núcleos e 16 Gb de RAM.


Aprendi desde cedo a simplificar bem as simulações. Gosto muito de começar os estudos de CFD com simulações simplificadas, com uma malha grosseira, somente com os modelos físicos realmente necessários, construindo a confiança no modelo, testando a sensibilidade dos parâmetros (geométricos, operacionais, propriedades dos fluidos/partículas envolvidos), para então, se necessário, partir para HPC. Muitas vezes consigo chegar na solução final sem mesmo ir para um cluster. Essa é uma de minhas habilidades. Sou uma exceção, pois hoje em dia 80% das simulações de CFD no mundo ocorrem em clusters.


Einstein uma vez disse que devemos tentar fazer as coisas da forma mais simples possível, mas não mais simples. Tenho total ciência de que existem muitos casos em que CFD precisa ir para computação paralela pesada, estudos transientes, turbulência detalhada (LES, DES, DNS), problemas multifásicos, com partículas (DEM), mudança de fase, transição de regime de escoamento, otimização de forma, otimização paramétrica, projeto de experimentos, projeto robusto, balanço populacional, malha móvel, vibração induzida por vórtices, aeroacústica, reações complexas com dezenas ou centenas de componentes, etc.


Ter um cluster físico na sua empresa significa um investimento patrimonial da ordem de milhões de reais e altamente perecível (com 2 anos começa a dar problema de hardware, com 4 anos está desatualizado e com 6-8 anos é melhor desligar pois gasta muita energia), sendo que se gasta praticamente o mesmo valor em uma infraestrutura de CPD com ar condicionado, segurança de TI, software (SO, administração, etc) e precisa ter, pelo menos, um ótimo profissional de administração de clusters para conseguir deixar os serviços com disponibilidade.


Então começou a surgir a disponibilização de servidores na nuvem, também para computação científica, e a coisa foi se profissionalizando para CFD também e por fim, hoje temos um grande leque de escolhas de empresas que alugam serviço de clusters das mais diversas formas. Recentemente, a SIEMENS lançou o Simcenter Cloud HPC, incialmente para o STAR CCM+, que realmente é uma tecnologia disruptiva.


Por que disruptiva? Veja bem, agora você pode comprar créditos pré-pagos de horas de clusters, com máquinas de 141 a até 756 núcleos, que são realmente baratos (pois a utilização compartilhada na nuvem em larga escala barateia os custos), e começar a usar CFD na nuvem já. Além do nosso uso interno, estamos atendendo empresas dos mais diversos portes, que já estão começando o uso de CFD com acesso à HPC na nuvem, desde startups até indústrias consolidadas. CFD de alto desempenho nunca foi tão simples de usar e tão disponível em termos de investimento inicial.


Por exemplo: Em uma simulação de CFD de um processo complexo, como o de fundição de peças de geometria complexas, onde um bom estudo detalhado necessita de uma malha de uns 5 milhões de elementos, transiente longo, passo de tempo adaptativo, várias fases (metal líquido e sólido, ar, areia e filtro poroso), acompanhamento de interface, transferência de calor conjugada (condução, convecção e radiação) e controle de vazão de preenchimento. Normalmente, em uma boa Workstation de 16 núcleos e 64 Gb de RAM, levaria umas 16hs para resolver o fluxo de processo todo (preenchimento, solidificação e esfriamento). Se levarmos para a nuvem a simulação fica pronta em 30 minutos. Isso muda tudo!



Rapidamente podemos fazer umas contas de retorno do investimento direto, considerando o custo de licença de software, de aluguel de hardware, depreciação, administração de TI, e o principal, custo do engenheiro de desenvolvimento de produto. E já adianto, vale muito a pena usar CFD na nuvem, olhando de qualquer ponto de vista. Mas e os custos indiretos?


Qual é o custo de esperar semanas para projetar um molde? Qual é o custo de não testar muito o seu produto ou processo? Qual é o custo de não conhecer a fundo o comportamento do seu produto, equipamento, processo, planta? Qual é o custo de não testar os cenários mais críticos antes? Qual é o custo de ter que lançar um produto que ainda não foi exaustivamente testado? Qual é o custo de não fechar um negócio por que seu produto está usando muita matéria-prima e energia? Qual é o custo de ser o segundo colocado? Ou de a concorrência lançar algo melhor antes de você? Qual é o custo de um RECALL?



Por incrível que pareça, ainda muitas empresas estão presas ao conceito de TER ativos imobilizados. Normalmente as indústrias investem pesado e a longo prazo na compra de máquinas para a fabricação de seus produtos. Os investimentos em engenharia do produto, processo, pesquisa, desenvolvimento e inovação tendem a serem menores. Quando se fala em investir em aluguel de software e de hardware na nuvem, surgem muitas objeções. As tecnologias digitais estão em plena evolução e a contratação do tipo As-A-Service é muito vantajosa. Do que vale uma eficiente fábrica de máquinas de escrever?


Veja neste vídeo como é fácil realizar uma simulação na nuvem com o STAR CCM+.


Espero ter ajudado a quebrar alguns paradigmas e a motivar a sua empresa em saber mais sobre como tornar as complexas simulações de CFD mais simples e disponíveis.


Fale com a CAEXPERTS e entenda por que somos especialistas quando o assunto é ajudar a sua empresa a acelerar a inovação e competitividade com a engenharia digital!


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