Vom Rechenbedarf bis zur richtigen Hardware

Was ist HPC? Wie wählen Sie CPU-, GPU-, DDR- und PCIe-Architektur?

HPC steht für High Performance Computing, auf Deutsch Hochleistungsrechnen. Es bezeichnet die Ausführung rechenintensiver Aufgaben mit geeigneten Prozessoren, Beschleunigern, Speicher und Software. Für Ihren Betrieb zählt nicht die Bezeichnung HPC am Gerät, sondern dass die benötigte Aufgabe innerhalb der festgelegten Zeit und Betriebsbedingungen abgeschlossen wird. Dieser Leitfaden erklärt die Aufgaben von CPU, GPU, DDR-Speicher und PCIe-Verbindung anhand der Entscheidungen von Kunden, die einen individuellen Computer oder eine Serverkarte entwickeln lassen möchten.

Leitfaden zur Produktentwicklung · · Veröffentlichung: · Aktualisiert:

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CPU Kühler, DIMM Speicher und serverspezifische PCIe Platine im offenen Aluminium-Industrie-Computergehäuse
Repräsentatives Anwendungsbild.
HPCHochleistungsrechnen
AuswahlArbeitslast, Daten und Betriebsbedingungen
ErfolgGemessene Anwendungsleistung

VOMRO Engineering-Ansatz

Beschreiben Sie zuerst, was der Computer in welcher Zeit erledigen soll.

Kamerabilder einer Fertigungslinie auszuwerten, viele Sensoren aufzuzeichnen und eine technische Simulation auszuführen erfordert nicht denselben Computer. Selbst bei gleicher Datenmenge können Verarbeitung und benötigter Ergebniszeitpunkt unterschiedlich sein. Ein Angebotsvergleich allein nach Prozessormodell oder Speichermenge bleibt deshalb unvollständig. Die Bedarfsbeschreibung sollte ein reales Datenbeispiel, das erwartete Ergebnis und die akzeptable Dauer gemeinsam enthalten.

HPC kann auf einem leistungsfähigen Einzelrechner oder in einem Verbund mehrerer Computer umgesetzt werden. Nicht jeder individuelle Industriecomputer ist ein HPC-System; manchmal liegt der eigentliche Bedarf in speziellen Abmessungen, Anschlüssen oder zuverlässigem Feldbetrieb. Bei einem individuellen Platinenprojekt wird die Zusammenführung verfügbarer Prozessor- und Speicherkomponenten oder Module in einer anwendungsgerechten Architektur bewertet.

01

Für welche Aufgaben ist HPC sinnvoll und benötigt es jedes Projekt?

Viele Berechnungen gleichzeitig auszuführen, große Datensätze auszuwerten oder langwierige Simulationen abzuschließen gehört zu den Anwendungen des Hochleistungsrechnens. Leistungsfähige Hardware beschleunigt jedoch nicht jede Aufgabe im selben Maß. Die Anwendung muss Aufgaben aufteilen können, Daten müssen die Recheneinheiten erreichen und die Software muss die ausgewählte Hardware nutzen können. Für eine kleine Datenerfassungsaufgabe kann ein großer GPU-Server unnötig sein.

Der erste Schritt besteht darin zu messen, wo der bisherige Ablauf langsam wird. Rechnet der Prozessor, wartet er auf Speicherdaten oder verzögert das Schreiben auf den Datenträger? Ein Millisekundenziel kann die Kosten erhöhen, obwohl ein Ergebnis innerhalb von Sekunden genügt. Eine Investitionsentscheidung anhand der Gesamtdauer der realen Aufgabe und der betrieblichen Abnahmebedingungen ist fundierter.

  • Rechenintensität und Bedarf an großen Datenmengen unterscheiden
  • Die Verzögerungsquelle im vorhandenen System messen
  • Neben Ergebnisqualität auch Zeit- und Kostenziele bestimmen
02

Was bedeutet der Unterschied zwischen CPU und GPU für Kunden?

Die CPU ist der allgemeine Prozessor des Computers und führt Anwendungsablauf, Betriebssystem und viele unterschiedliche Aufgaben aus. Eine GPU kann zahlreiche geeignet organisierte Berechnungen parallel ausführen. Enthält die Software für Bildverarbeitung, KI oder numerische Berechnung GPU-Unterstützung, kann dies Vorteile bringen. Unterstützt die verwendete Software dies nicht, liefert der Einbau einer leistungsfähigen GPU möglicherweise nicht das erwartete Ergebnis.

Ein KI-Modell zu trainieren und ein trainiertes Modell auf einem Gerät auszuführen sind unterschiedliche Arbeitslasten. Die auf dem Trainingsserver benötigte Hardware ist möglicherweise nicht auf jedem Feldgerät erforderlich. Auch die Datenübertragungszeit zwischen CPU und GPU gehört zur Gesamtbetrachtung. Im Projekt müssen Hardwarekandidaten mit denselben Daten, derselben Ergebnisqualität und demselben Laufzeitziel verglichen werden; die Entscheidung basiert nicht allein auf einer Geschwindigkeitsangabe aus einem Herstellertest.

  • CPU: allgemeiner Anwendungsablauf und unterschiedliche Aufgaben
  • GPU: parallele Berechnung mit geeigneter Software
  • Gesamtzeit der realen Anwendung einschließlich Datenübertragung
03

Reicht bei der DDR-Speicherauswahl der Blick auf Gigabyte?

DDR bezeichnet eine Speicherfamilie für den Arbeitsspeicher eines Computers. Die Kapazität beeinflusst, mit wie vielen Daten gleichzeitig gearbeitet werden kann; die Speicherbandbreite beschreibt, wie schnell Daten übertragen werden können. Bei Anwendungen mit vielen Bildern oder Messdatensätzen sind beide Aspekte wichtig. GPU-Speicher und DDR-Systemspeicher sind nicht derselbe Speicherbereich; die Übertragung zwischen ihnen wird gesondert bewertet.

DDR4, DDR5 oder stromsparende LPDDR-Optionen hängen von der Plattform ab und sind nicht direkt austauschbar. Unterstützte Generation, Geschwindigkeit und Verbindungsstruktur werden durch den Prozessorcontroller bestimmt. Auch Leiterbahnführung und Timingregeln einer individuellen PCB müssen dazu passen. Große Kapazität oder ein neuerer Speichername garantieren allein keine Anwendungsleistung; die Zielkonfiguration wird mit realer Arbeitslast geprüft.

  • Kapazität passend zu den Arbeitsdaten
  • Bandbreite passend zum Datenfluss
  • Abgestimmtes Zusammenspiel von Prozessor, Speicher und PCB-Design
04

Sind PCI und PCIe dasselbe und was ist eine individuelle Serverkarte?

PCI ist eine ältere parallele Verbindungsarchitektur; PCI Express, kurz PCIe, verwendet serielle Verbindungen. Ähnliche Namen bedeuten nicht, dass die Karten in denselben Steckplatz passen. Bei einer individuellen Serverkarte sind deshalb ein Steckplatzfoto, Servermodell und technische Eigenschaften wichtig. Eine Lösung für ein älteres PCI-System und ein neues PCIe-Design werden als getrennte Umfänge bewertet.

Die Angaben x1, x4, x8 und x16 bei PCIe beschreiben die Anzahl der Verbindungslanes. Die tatsächliche Übertragung hängt von unterstützter Version, elektrischer Lane-Anbindung, Fähigkeiten von Karte und Server sowie Softwarelast ab. Ein physisch langer Steckplatz garantiert nicht, dass entsprechend viele Lanes angeschlossen sind. Eine individuelle PCIe-Karte kann als vom Server erreichbares Endgerät Datenerfassung, Schnittstellen- oder Vorverarbeitungsaufgaben übernehmen; sie gilt nicht automatisch als mit jedem Server und Betriebssystem kompatibel.

  • Getrennte Hardwarebewertung für PCI und PCIe
  • Neben Steckplatzmaßen auch die tatsächliche Lane-Anbindung prüfen
  • Mit Zielserver und Software verifizierte individuelle Karte
Prüfung der mechanischen und anschlussseitigen Kompatibilität einer individuellen PCIe-Erweiterungskarte mit einem Industriecomputergehäuse
Repräsentatives Anwendungsbild.
05

Wozu dienen FPGA und DMA in einem Datenerfassungsprojekt?

Ein FPGA ist eine programmierbare elektronische Struktur, die für bestimmte Aufgaben konfiguriert werden kann. In einem geeigneten Projekt kann er Sensordaten zeitlich steuern, Kanäle zusammenführen oder Daten vor der Übertragung an den Computer verarbeiten. Die FPGA-Auswahl richtet sich nicht allein nach Geschwindigkeit; erforderliche Eingänge, Speicher, Entwicklungswerkzeuge und Verifizierungsaufwand werden ebenfalls berücksichtigt. Eine einfachere Aufgabe kann mit einer anderen Elektronikarchitektur gelöst werden.

DMA unterstützt den Datentransport zum und vom Speicher, ohne den Prozessor bei jeder Übertragung gleichermaßen zu beanspruchen. Es verhindert Datenverlust jedoch nicht automatisch. Das Verhalten bei vollen Puffern, ausgelastetem Server oder einer zu langsamen Anwendung wird definiert. Bei Messaufzeichnungen kann beispielsweise neben einer hohen Spitzenrate auch die vollständige Datenerfassung über lange Zeit und eine verständliche Fehlermeldung zur Abnahmebedingung gehören.

  • Bedarfsgerechte zeitliche Datensteuerung und Vorverarbeitung
  • Kontrollierte Übertragung zwischen Karte, Treiber und Anwendung
  • Prüfung von Datenverlust und Pufferverhalten bei hoher Auslastung
06

Ist ein fertiges Modul oder ein individuelles Mainboard geeigneter?

Ein Prozessormodul kann einen wesentlichen Teil der Recheneinheit bereits bereitstellen. Eine projektspezifische Trägerplatine passt dieses Modul an Versorgungs-, Anschluss- und Montageanforderungen des Geräts an. Auch Dokumentationen zur Anpassung individueller Trägerplatinen für Plattformen wie NVIDIA Jetson behandeln Hardwareprüfungen und Software gemeinsam. Ein Modul macht die Trägerplatine nicht zu einem bloß passiven Verbindungsteil für Steckverbinder.

Ein vollständig neu entwickeltes Mainboard kann mehr Anpassungsmöglichkeiten bieten; zugleich können Speicher-, Startsoftware-, Fertigungs- und Verifizierungsarbeiten umfangreicher werden. Anfangsinvestition und Kosten wiederholter Fertigung sind verschieden. Zielstückzahl, Verfügbarkeit, Herstellerunterstützung und Markteinführungszeit werden gemeinsam verglichen. Technische Dokumentation oder Schnittstellen mancher CPU-/GPU-Plattformen erfordern besonderen Zugang und Lizenzen; der Umfang wird erst nach deren Prüfung endgültig festgelegt.

  • Entwicklungszeit und Anfangsinvestition
  • Stückkosten und langfristige Beschaffung
  • Herstellerdokumentation, Lizenzen und Softwareunterstützung
07

Warum gehören Gehäuse, Kühlung und Treiber zur Leistung?

Ein kurzer Betrieb einer Platine im offenen Aufbau belegt noch keine Eignung für den Dauerbetrieb im Gerät. Bei steigender Temperatur kann die Prozessorfrequenz sinken; Versorgungs- und Verbindungsprobleme können auftreten. Luftführung im Gehäuse, Kühlkörper, Lüfter, Kabel und Servicefreiraum werden gemeinsam entwickelt. Bei gewünschtem lüfterlosem Betrieb werden Wärmeübertragung an das Gehäuse und Umgebungsbedingungen gesondert untersucht. Mechanisches Design darf nicht als nachträglich aufgesetzter Deckel der fertigen Elektronik betrachtet werden.

Treiber und Betriebssystem gehören zum selben Gesamtsystem. Linux-Kernel oder Windows-Version, Startsoftware und verwendete Anwendungsbibliotheken werden festgelegt. Verhalten nach Updates und Wiederanlauf nach Unterbrechung werden getestet. Die eigene Zertifizierung einer Standardkomponente ersetzt keine erforderliche EMV- oder Sicherheitsbewertung des fertigen Geräts; entsprechend der Produktnutzung wird ein eigener Konformitätsplan erstellt.

  • Dauerlastversuch im endgültigen Gehäuse
  • Zielbetriebssystem und Treiberversionen
  • Verifizierungs- und Wartungsplan auf Produktebene
08

Welche Informationen und Liefergegenstände sollten Sie im Angebot verlangen?

Dokumentieren Sie Beispieldaten der Aufgabe, Kanalzahl, Ergebniszeit, Umgebungsbedingungen, Abmessungen und Zielstückzahl. Geben Sie bei einer Serverkarte das Servermodell und bei einer GPU-Anwendung die vorhandene Software an. Fragen Sie im Angebot nach Architekturoptionen, offenen Punkten und dem Verifizierungsziel des Prototyps. Getrennte Kriterien für den ersten erfolgreichen Test, die Pilotfertigungsabnahme und die Systemübergabe erleichtern die Entscheidung.

Bei der Zusammenarbeit mit VOMRO wird auf Ihren Wunsch vor dem technischen Austausch eine NDA unterzeichnet. Projektspezifische Schaltplan-/PCB-, Software-, entwickelte FPGA-Quellen, mechanische CAD-Dateien und technische Dokumente werden im vertraglichen Umfang übergeben. Lizenzen von Komponenten Dritter werden gesondert angegeben. PCB-Fertigung und Bestückung bieten wir ausschließlich für von uns entwickelte Kundenprojekte an. Ziel ist eine Übergabe, mit der Sie neben der Gerätenutzung auch Wartung, erneute Fertigung und spätere Versionen planen können.

  • Reale Daten, Zeitziel und Systemgrenzen
  • Messbare Abnahmebedingungen für Prototyp und System
  • Quelldateien, Testberichte und Lizenzliste
Bestandteile der Computerarchitektur und ihre Bedeutung im Angebotsgespräch
KomponenteHauptaufgabeZu stellende Frage
CPUFührt den allgemeinen Anwendungsablauf und Berechnungen aus.Läuft meine reale Software innerhalb der Zielzeit?
GPUKann bei geeigneter Software parallele Berechnungen beschleunigen.Sind Softwareunterstützung und gesamte Datenübertragungszeit geeignet?
DDR-SpeicherHält die Arbeitsdaten der Anwendung bereit.Reichen Kapazität und Bandbreite für meine Arbeitslast?
PCIe-KarteVerbindet den Computer mit speziellen Gerätefunktionen.Wurde sie mit Zielserver, Versorgung und Treiber getestet?
TrägerplatinePasst das Prozessormodul an die Anschlüsse des Geräts an.Wurden Versorgung, Start und Peripherie gemeinsam verifiziert?

Wie es funktioniert

Verwandeln Sie Entscheidungen in einen Projektplan.

Nicht jedes Projekt sieht gleich aus; Die messbaren Anforderungen, die kontrollierte Überarbeitung und die Schritte zur Feldverifizierung bleiben jedoch unverändert.

  1. 01

    Aufgabe beschreiben

    Beginnen Sie mit Datenbeispiel, Zielzeit, Anschlüssen und Gerätebedingungen.

  2. 02

    Optionen vergleichen

    Vermessen Sie CPU-/GPU-, Modul- und individuelle Kartenoptionen in der realen Anwendung.

  3. 03

    System prüfen

    Bewerten Sie Dauerbetrieb und Fehlerszenarien im Zielserver und Gehäuse.

  4. 04

    Übergabe definieren

    Halten Sie Quellen, Lizenzen, Abnahmeprotokolle und Wartungsinformationen im Vertrag fest.

häufig gestellte Fragen

Vor Beginn des Projekts

Der technische Umfang, die zu liefernden Leistungen und der Testplan werden gemeinsam entsprechend den Anforderungen Ihres Projekts geklärt.

Bedeutet HPC einfach ein schneller Computer?

HPC steht für High Performance Computing, auf Deutsch Hochleistungsrechnen. Es bezeichnet die Ausführung intensiver Aufgaben mit geeigneten Rechenressourcen. Ein Computer mit hoher Taktfrequenz allein oder ein beliebiges individuelles Computerdesign ist noch kein HPC-System.

Ist für HPC oder KI zwingend eine GPU erforderlich?

Nein. Die Arbeitslast kann das Ziel auf einer CPU erfüllen. Der Nutzen einer GPU hängt von Softwareunterstützung, Parallelisierbarkeit, Speicher und Datenübertragung ab. Die Auswahl sollte auf Messungen mit realer Anwendung und realen Daten beruhen.

Kann eine PCI-Karte direkt in einen PCIe-Steckplatz eingesetzt werden?

Nein. PCI und PCIe sind unterschiedliche Verbindungsarchitekturen und physische Schnittstellen. Ob eine Brücke oder andere Lösung für den Einsatz einer alten Karte im neuen System erforderlich ist, wird anhand von Karten-, Treiber- und Anwendungseigenschaften gesondert untersucht.

Macht neuerer DDR-Speicher die Anwendung immer schneller?

Nein. Unterstützter Speicher des Prozessors, Platinenaufbau, Kapazität und Datenzugriff der Anwendung wirken gemeinsam. Eine von der Plattform nicht unterstützte Speichergeneration ist nicht direkt einsetzbar; die Leistung muss in der Zielkonfiguration gemessen werden.

Werden bei einem individuellen Computerprojekt auch Quelldateien übergeben?

Bei VOMRO-Projekten werden projektspezifische Elektronik-, Software-, im Umfang entwickelte FPGA- und mechanische Quellen gemäß der vertraglichen Übergabeliste bereitgestellt. Test- und Installationsdokumente werden aufbereitet; die Bedingungen lizenzierter Komponenten von Herstellern und Dritten werden gesondert erläutert.

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Wir entwickeln vertraulich und übergeben die Quelldateien.

Vor dem Austausch technischer Details können wir mit einer Geheimhaltungsvereinbarung (NDA) arbeiten. Zum Projektabschluss übergeben wir Ihnen die von uns entwickelten Quellcodes, Designdateien und technischen Dokumente.

  • Vor der Weitergabe technischer Informationen NDA
  • Von Beginn an eine klare Übergabeliste
  • Quell- und technische Dateien am Ende des Projekts
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