Cloud-native im Maschinenbau: Mit Simulationen in der Cloud die Wettbewerbsfähigkeit und Agilität im Engineering vorantreiben

Die Herausforderung: Schwerfällige und limitierte On-Premises-Umgebungen als unzeitgemäßer Standard

„Experimente waren gestern. Simulationen sind heute“, sagt Johannes Gutekunst, Gründer und Chief Technology Officer (CTO) der dive solutions GmbH. Lange Zeit waren Versuchsstände und der Bau von Prototypen das Standardtool für Ingenieur*innen. Bereits seit Anfang der 1990er Jahre existiert in einer Vielzahl von Industriebereichen rechnergestützte Simulation, für die große Datenzentren nötig sind – das bedeutet für Unternehmen hohe Investitionskosten und die ständige Betreuung der Hardware On-Premises. Um Anwendungsfälle realgetreu abzubilden, wurden physikalische Gleichungen rechnergestützt wochenlang gelöst. Und ist die Hardware durch ein Projekt ausgelastet, muss das nächste warten. Steht hingegen einmal keine Simulation an, verursacht das Rechenzentrum laufende Kosten, liefert aber keine Ergebnisse. 

„Das geht auch anders“, sagt Gutekunst. Sein Startup Dive aus Berlin wartet mit einer neuen Simulationstechnologie auf, die die komplexesten Strömungen akkurat vorhersagen kann, egal ob Wasser, Luft oder Öl. Dive verwendet im Gegensatz zu den weitverbreiteten Gitterverfahren eine Partikeltechnologie. Je mehr Partikel für die Repräsentation einer Strömung genutzt werden, desto genauer die Vorhersage und desto länger die Berechnungszeit. „Unsere partikelbasierte Simulationstechnologie ermöglicht Simulationen in Bereichen, in denen diese vor wenigen Jahren undenkbar gewesen sind und befähigt den Ingenieur oder die Ingenieurin, sich auf das Wesentliche zu konzentrieren: Die Analyse und Optimierung des Bauteils“, so Gutekunst.

Angesichts der enormen Anforderungen an die Hardware und dem beispiellosen Siegeszug von Software as a Service (SaaS)-Angeboten in anderen Branchen war für Johannes Gutekunst von Anfang an klar: Dive muss ein cloud-natives SaaS-Angebot entwickeln. Doch dem standen die Bedenken seiner Kunden entgegen, die vor allem aus F&E-Abteilungen großer Automobilhersteller und Fertigungsunternehmen kommen. „Das ist ein recht konservativer Markt, der bis dato eher cloud-avers eingestellt war.“ 

Es dominierten Sicherheitsbedenken der Kunden und Referenzen fehlten. „Wir konnten anfangs nicht sagen: ‚Die anderen machen das auch so‘ oder ‚Hier seht ihr das Ergebnis‘“, sagt Gutekunst. Bei Simulationen im Rahmen der Entwicklung heutiger Maschinen werden hochsensible Daten verarbeitet. „Das ist der ‚Heilige Gral‘ von Unternehmen. Alles unterliegt höchster Geheimhaltung. Unsere größte Hürde war also nicht technologischer Art, sondern das Mindset unserer Zielgruppe“, fasst Gutekunst zusammen. 

Die Lösung: Cloud-native Computer Aided Engineering auf Basis einer sicheren und skalierbaren Hardwareumgebung von Microsoft Azure

Die erste Version von Dive entstand auf einer anderen Cloud-Plattform. „Als wir gesehen haben, dass unser Produkt gut ankommt, wollten wir es noch einmal neu und besser bauen“, sagt Gutekunst. Dafür wechselten er und sein Team auf Microsoft Azure. „Gerade in großen Unternehmen hat Microsoft ein exzellentes Standing und genießt großes Vertrauen. Viele unsere Kunden haben sehr hohe Compliance-Anforderungen. Die hohen Sicherheitsstandards von Azure und Europa als Datenspeicherort überzeugen“, erklärt Gutekunst.

Auch Dive selbst profitiert vom Wechsel auf Azure. „Microsoft hat im Bereich High-Performance Computing (HPC) die Nase vorn“, sagt Gutekunst. „Das machen wir uns zunutze. Wir müssen uns nicht auf den Serverbetrieb konzentrieren, sondern können unsere Energie in die Entwicklung der optimalen Codes investieren.“ Er lobt die Unterstützung durch das Programm Microsoft for Startups und die Zusammenarbeit mit den Industry Experts. „Microsoft versteht Enterprise-Kunden und hat uns geholfen, gute Lösungen für sie zu entwickeln“, so der CTO. „Eine Haupterkenntnis: Unsere Kunden lechzen nach Performanz. Auch in dieser Hinsicht kann die Cloud überzeugen.“ 

In Parameterstudien simulieren Dive-Kunden eine Vielzahl verschiedener Lastfälle gleichzeitig – ermöglicht durch die Cloud: Was passiert, wenn die Geschwindigkeit der Achsen im Getriebe statt 500 Rotationen pro Minute 1.000, 1.500, 2.000 oder gar 2.500 beträgt? Welches Design führt zu geringeren Verlusten und damit zu mehr Effizienz? Welchen Einfluss haben Geometrieform, Ölstand und Materialparameter wie Dichte und Viskosität? „Durch Simulation sind die Ingenieurinnen und Ingenieure in der Lage, das absolute Optimum unter den gegebenen Betriebsbedingungen zu finden“, sagt Gutekunst.

Um Entwicklungszyklen zu beschleunigen, arbeiten Unternehmen häufig an mehreren Projekten gleichzeitig und nutzen die Skalierbarkeit der Cloud voll aus. Das Resultat: „Allokationen von mehreren tausend Central Processing Units (CPU)-Kernen im Peak und Schwankungen um den Faktor zehn in der Ressourcenallokation innerhalb weniger Stunden sind keine Seltenheit. Die Azure HPC Systeme passen sehr gut zu diesen heterogenen Bedürfnissen unserer Kunden. Und sie bezahlen nur für die Leistung, die sie wirklich nutzen“, so Gutekunst.

Indes arbeitet Dive am nächsten Vorstoß: Zeitnah bietet das Startup weitere Anwendungsfälle an und integriert physikalische Modelle für beispielsweise thermodynamische Analysen. „Künftig werden wir eine ganzheitliche cloud-native Erfahrung für Computer Aided Engineering (CAE) anbieten“, sagt Gutekunst. Hier arbeitet Dive mit Microsoft und dessen Hardwarepartnern an der Optimierung der Hardware-Software-Schnittstelle, um noch schnellere Simulationen und Analysen zu erzielen.

„Browserbasierte Benutzeroberflächen helfen Einfachheit in die CAE-Komplexität zu bringen und die Cloud als zentraler Datenspeicher ermöglicht Ingenieurinnen und Ingenieuren von überall auf der Welt sicher auf Daten zuzugreifen. Die Lösungen für die aktuellen Herausforderungen in der Branche sind bereits bekannt, denn angrenzende Branchen haben gezeigt, wie ein Umbruch hin zur Cloud gelingen kann. Jetzt brauchen wir Mut, progressives Denken und kreative Köpfe, um diesen im Maschinenbau zu verwirklichen“, so Gutekunst.