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(Semi-)automatic code optimization and ­parallelization

Fraunhofer SCAI has a longterm working experience in massively parallel computing and the corresponding optimization. The HPC group at Fraunhofer SCAI is developing mechanisms to extract the maximal potential of a given hardware through
(semi-)automatic code transformation and parallelization techniques.

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SCAIMapper – for metal forming applications

During the fabrication of products, important material and process parameters can vary considerably. It is known that they can have a substantial, even critical influence on the quality of the resulting products. Software tools and strategies supporting a thorough analysis of sensitivity, stability and robustness aspects of the final product should take into account results from previous manufacturing steps. Results like local thickness, strains, stresses, or material properties from previous manufacturing simulations should be utilized for the initial states of crash, NVH or structural analysis models. At the same time engineering departments tend to use a set of tools from different software vendors. Thus a central and vendor neutral hub for data transfer is required.

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FSI mapping solutions

Fluid-structure interaction is a quite common problem in computer aided engineering. Dedicated software solutions exist for fluid dynamics as well as structural mechanics. But in many real world applications the two phenomena influence each other. In theses cases computing separate solutions for each problem would be a simplification.
For many problems the influence of the CFD solution on the CSM solution is a lot more remarkable and significant than vice versa. If a one-way connection between the fluid and the solid solver shall be established, quantity values namely temperature or pressure values that were calculated as part of the CFD solution have to be transferred from the CFD to the CSM mesh.

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Gradient-based optimization workflow

The Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI has developed a software tool for the automated parameterization of force fields for molecular simulations using efficient gradient-based algorithms. This tool, combined with well-established simulation techniques, can quantitatively determine physicochemical properties for given compounds.

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Optimization using CFD simulation services

When developing technical devices andcomponents one is strongly interested in an efficient functionality of its design, meeting the requirements in a best manner. As numerical simulations have been well established in virtual design and computation times were further reduced, the application of sophisticated optimization algorithms gained lately in importance.

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MpCCI Flowmaster adaptor 1D-3D simulations

The increasing demand for shorter product development lifecycles and fewer physical tests while maximising quality is challenging organizations to bring together their ‘best-in-class’ simulation tools for each discipline and to enable them to work together in pursuit of virtual prototypes for entire systems.

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High Performance Computing

Library for Accelerated Math Applications (LAMA)

The Library for Accelerated Math Appli­cations (LAMA) is a high performance library for building efficient, extensible and flexible solvers for sparse systems of linear equation on heterogeneous compute clusters. With LAMA algorithms can be written in a mathematical notation and adapted to the needs of the target machines by only a few configuration steps and are thus always up to date for the latest hard- and software developments.

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Schnelle Löser

SAMG for groundwater simulation: mesh-agnostic yet fast

The SAMG software package for the solution of large linear systems of equations with sparse matrices has proven to be highly efficient for groundwater simulation. Compared with classical solvers, the benefit of SAMG grows with the size of the systems of equations to be solved because the computational cost of SAMG increases only linearly with the number of unknowns. SAMG is applicable for structured and unstructured meshes and supports both multi-core and multi-node systems.

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Accelerating MODFLOW with the enhanced SAMG Linear Solver Software

SAMG is a software package for the highly efficient numerical solution of large sparse matrix problems. These problems occur in application areas such as fluid flow, structural mechanics, oil reservoir and ground water simulation, casting and molding, process and device simulation in solid state physics and circuit simulation. SAMG's solver modules incorporate modern hierarchical techniques (algebraic multigrid, AMG), making them especially suitable for solving large classes of discretised elliptic differential equations. Compared to classical solution methods, SAMG's solver modules have a major advantage in that they are numerically scalable. That is, the computational cost is only linearly proportional to the number of unknowns.

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Fast auto-parallel linear solver for huge engineering applications

The original SAMG is a very efficient linear solver library based on algebraic multigrid (AMG), specifically developed for industrial applications. SAMG supports both serial and multi-core computations on single PC, workstations or compute nodes.
The new XSAMG library additionally exploits the parallelism offered by multiple nodes of a compute cluster by distributing linear systems across different nodes (based on MPI). Since this is done automatically, the calling simulation program itself does not have to be prepared for distributed computing.

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DIFF-CRASH version 5 – separation of scatter sources in crash simulation

DIFF-CRASH analyses scatter and instabilities of crash simulation results. Physical effects, inappropriate modeling or numerical algorithms may cause substantial scatter: Tiny changes in parameters, load case or even repeated simulations on a parallel platform may result in a huge difference in the simulation results. SCAI has experienced the following reasons for scatter:

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DIFF-CRASH – identifies contact modeling as source for airbag scatter

Physical effects, inappropriate modeling or numerical approximations may cause substantial scatter: Tiny changes in parameters, load case or even repeated simulations on a parallel platform may result in a huge difference of the simulation results. This is in particular a challenge for the correct design of airbags, which is a major task of the Body CAE department of Jaguar Land Rover.

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Finding and delivering key information hidden in pharmaco-chemical patents

98% of human knowledge is in the form of digital records. Most of these records are unstructured – hence extracting information is a time and cost consuming task.
UIMA-HPC combines two key technologies that make it possible to get best time-to-solution results: Unstructured Information Management Architecture (UIMA) and Uniform Interface to Computing Resources (UNICORE). The first provides all UIMA-HPC workflows with software-component-based parallelization, the latter facilitating access to high performance computing (HPC) systems and the utilization of hardware-level parallelism. Combined for the first time as part of this project, these technologies synergize for maximum efficiency in solving information extraction tasks on huge unstructured document collections.

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Knowledge discovery and semantic search in scientific literature

SCAIView is an advanced search engine and addresses questions of interest to general biomedical researchers. Most of the information is given as unstructured text (publications, text fields in databases).

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ChemoCR® – tool for chemical compound reconstruction

SCAI Bioinformatics has a longtime working experience on the automated extraction of information from text in the biomedical literature. While established techniques exist for text mining, chemical structure extraction is a key feature and presents a significant technological challenge. In contrast to general purpose search engines such as GOOGLE the extraction of the so called connection table from images allows chemical relevant queries. Using GOOGLE image search a user could ask: “Find all documents which are showing aspirin in an image”. The resulting images are identified by searching for the term aspirin in the caption or surrounding text.

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ProMiner® – recognition and normalization of named entities in scientific text

Scientific publications found in abstract databases, full text journals or patents are the main and most up-to-date information source, but the amount of text is  overwhelming for most Life Science areas.
Recognition of Life Science terminology is a key prerequisite for performing automatic information retrieval and information extraction. Huge and complex terminologies with high numbers of synonymous expressions, ambiguous terminology and numerous generations of new names and classes present named entity recognition with a real challenge.

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elasticLM – managing licenses as a service

IT developments over the past years – notably Grid and Cloud computing – build the foundation for migrating from monolithic computation centres as exclusive IT providers to more flexible structures that dynamically may integrate external resources. For the independent software vendor this move raises a number of questions regarding new business models and licensing technologies.

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Die Software AutoBarSizer ermittelt ­optimierte Schnittpläne für den Zuschnitt von Stahlprofilen und anderem Stangen­material (Langgut) in kürzere Teile (Fixmaße). Die generierten Lösungen zeichnen sich durch einen hohen Material­nutzungsgrad (Ausnutzung, Ausbeute) aus, Schnittverluste werden minimiert.

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PackAssistant – Mit PackAssistent spielend packen

Die geobra Brandstätter Stiftung & Co. KG, Hersteller der PLAYMOBIL-Spielfiguren, produziert mit 18 000 verschiedenen Spritzgießwerkzeugen Kunststoffteile für verschiedene Spielwelten, darunter etwa 1000 neue Teile für Produktneuheiten des Jahres 2015. Die Verpackung der Teile muss geplant werden, um Logistikkosten abzuschätzen und zu optimieren.

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AutoPanelSizer liefert eine Antwort auf die Frage, wie man rechteckige Teile möglichst effizient auf rechteckigen Platten platzieren kann, wenn die verwendete Säge nur vollständige, gerade Schnitte im rechten Winkel auszuführen vermag. Diese Fragestellung ist in der Holz-, aber auch der Glas-, Metall- und Kunststoffindustrie von großer Bedeutung.

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AutoNester-L ist ein Softwarepaket zur automatischen Erstellung von Schnittbildern auf Lederhäuten und anderen, qualitätsbehafteten Materialien. Die Software wird bei Herstellern von Polstermöbeln und Lederprodukten zur Steigerung der Produktivität erfolgreich eingesetzt. AutoNester-L kann eine beliebige Menge von Teilen auf optimale Weise und in kurzer Zeit verschachteln und dadurch wesentlich zur Reduzierung des Materialverschnitts beitragen. Verschiedene Randbedingungen können bei der Platzierung der Teile im Schnittbild berücksichtigt werden. Die Materialausnutzungen der von AutoNester-L erstellten Schnittbilder sind konkurrenzfähig zu Ausnutzungen, die von erfahrenen Schnittbildlegern erzielt werden.

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AutoNester-T ist ein Softwarepaket zur automatischen Erstellung von Schnittbildern auf textilen Materialien. Die Software wird bei vielen Herstellern von Bekleidung und Polstermöbeln zur Steigerung der Produktivität erfolgreich eingesetzt. AutoNester-T kann eine beliebige Menge von Teilen auf optimale Weise und in kurzer Zeit verschachteln und dadurch wesentlich zur Reduzierung von Materialverschnitt beitragen. Verschiedene Randbedingungen können bei der Platzierung der Teile im Schnittbild berücksichtigt werden. Die Materialausnutzungen der von AutoNester-T erstellten Schnittbilder sind konkurrenzfähig zu Ausnutzungen, die von erfahrenen Schnittbildlegern erzielt werden.

Download Autonester-T [PDF, 428 KB]

CoilNest minimiert den ­Verschnitt beim Abpressen von Karosserieteilen

Im Projekt CoilNest hat das Fraunhofer-Institut SCAI eine Software zur Kosten- und Verschnittminimierung beim Abpressen von Karosserieteilen entwickelt.
Im Produktionsablauf werden 50 bis 100 Karosserieteile eines Fahrzeugtyps vor dem Tiefziehen aus verschiedenen Coils (Stahlrollen) abgepresst. Durch optimierte Verschachtelung dieser Karosserieteile und Abpressen der verschachtelten Muster von Formplatinen sind gegenüber dem konventionellen Abpressen von Rechteck- oder Parallelogrammplatinen erhebliche Materialeinsparungen möglich. Daraus resultiert das Optimierungsproblem, zu entscheiden, welche Platinen aus demselben Coil gepresst und wie sie dort verschachtelt werden. Dies wird von der Software gelöst.

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Automatisches Cut-Order-­Planning in der textilverarbeitenden Industrie

CutPlanner ist ein Softwarepaket zur automatischen Produktionsplanung (»Cut Order Planning«) in der Textil verarbeitenden Industrie. Ausgehend von einer Kundenbestellung für ein Kleidungsstück in verschiedenen Größen und aus verschiedenen Stoffen erstellt es einen »Cut Plan«, eine Zusammenstellung von Größen auf Schnittbildern, mit minimalen Kosten.
Für jedes dieser Schnittbilder wird die zur Erfüllung der geforderten Bestellmenge notwendige Lagenzahl berechnet.

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Längenoptimierung beim Zuschnitt von Stahlprofilen

Bei der Produktion warmgewalzter Stahlprofile werden zunächst Stahlblöcke unter hohem Energieaufwand auf 1250 °C erhitzt. Daraus werden lange Profile geformt und diese in einem zweistufigen Prozess (vgl. Abb. 3) in kundenspezifische, kurze Profilabschnitte unterteilt.
Die Kunden – z.B. Hersteller von Nutzfahrzeugen,  Landmaschinen oder Gabelstaplern und Bauunternehmen – bestellen ihr individuelles Stahlprofil in unterschiedlichen Längen üblicherweise über mehrere Monate oder Jahre hinweg.
Dabei können die Profile bis zur Größenordnung der kurzfristig erwarteten Abnahmemenge auf Vorrat produziert und gelagert werden.

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PackAssistant – schnelle Behälterplanung für neue KTM-Flitzer

Zum Serienstart des Sportwagens X-Bow stand die KTM-Sportcar Produktions GmbH im Jahr 2008 vor der Herausforderung, in fünf Monaten eine neue Produktionsstätte mit einer Fläche von 5500 m2 zu planen und aufzubauen. Zur Vorbereitung der Fahrzeugproduktion und der Logistikprozesse gehörten auch der Entwurf und die Produktion von Verpackungen für die insgesamt 450 neuen Bauteile des Fahrzeugs.

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Coupling SOA-based applications with HPC resources

Fraunhofer SCAI is an established specialist in HPC and parallel applications. Through benchmarking activities in the last 10 years SCAI became an expert in measuring and optimizing parallel applications (commercial and Open-Source) on Linux and Windows HPC clusters. Besides simple runtime measurements and scale-out studies (with varied node, socket and core allocations), specific attention was paid to potential influences of the cluster’s interconnect type (Gigabit Ethernet vs. QDR Infiniband), different MPI versions (Intel MPI, MVAPICH, Open MPI, MS MPI) and MPI parameters or underlying file systems on the application’s overall performance. Impacts of different compilers (Intel, PGI etc.) and their respective flags have been analysed as well.

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High Performance Analytics

Interactive environment for parameter analysis and optimization

Technical processes and products typically depend on many parameters, e.g. geometrical, material and process parameters. The user would like to adjust these parameters to obtain the best design of the product or the optimal control of the production process.

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Simulationssoftware MYNTS optimiert Transportnetze für Elektrizität, Gas und Wasser

Bis 2020 sollen in Deutschland tausende Kilometer neuer Netze entstehen, um verstärkt Strom aus erneuerbaren Energien nutzen zu können. Die neuen »intelligenten Netze« (Smart Grids) steigern Komplexität, Kosten und Anfälligkeit. Das Fraunhofer SCAI hat eine Software entwickelt, mit der sich Transportnetze für Elektrizität, Gas und Wasser anhand numerischer Simulationen schon bei der Planung analysieren und optimieren lassen. Das macht den Um- und Ausbau für Netzbetreiber flexibler, spart Energie und Ausgaben und erhöht zudem die Sicherheit.

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EnCoMOS – Energieoptimierung in komplexen Produktionsprozessen

Der Energie- und Ressourcenverbrauch macht bei vielen Unternehmen - etwa aus den Bereichen Chemie, Metall oder Pharma - über 60 Prozent der Produktionskosten aus. Effiziente Energienutzung ist daher für solche Unternehmen von besonders großer Bedeutung. Zur Optimierung der Energienutzung wurde von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) die Norm DIN EN ISO 50001 Energiemanagementsysteme (EnMS) erarbeitet. Die praktische Umsetzung eines EnMS ist jedoch aufgrund der Vielzahl abhängiger Steuerparameter in komplexen Produktionsprozessen eine nennenswerte Herausforderung.

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Simulation and optimization of data center energy flows

The reduction of energy consumption and the possible reuse of waste heat become increasingly important issues in the design and operation of large data centers. The increased variability in the energy consumption of HPC data centers is a great challenge for the current center infrastructure, which is mainly driven by the need to save electrical energy. Figure 2 shows the power consumption of the Leibniz Supercomputing Centre of the Bavarian Academy of Sciences and Humanitiesin Garching (LRZ). As can be seen, the overall power consumption varies with the power consumption of the super computer (SuperMUC). The combination of this load variability and the use of new cooling technologies in the data center (chillerless cooling) provides an opportunity to increase the energy efficiency of the data center.

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Virtual Material Design

Computer-aided molecular design

The Virtual Material Design (VMD) Group performs contract research and solves problems for the industry with state-of-the-art computer-aided molecular design (CAMD). Our aim is to support the industry in developing products and processes.

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Engineering ionic liquids via computational chemistry

Ionic Liquids (IL) represent a unique class of material. They can be called designer solvents because they consist purely out of ions and through altering the ion combinations their properties can be designed as needed for technical systems, in a certain range. Ionic Liquids practically don’t evaporate, they have a high electrical conductivity and viscosity and are able to dissolve gases. The Fraunhofer Institute SCAI has developed a model to reliably simulate properties of Ionic Liquids in the computer with the aim to shorten time and costs for developing new Ionic Liquids. 

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Multi-CPU accelerated numerical simulation

Recently Fraunhofer SCAI, in conjunction with the Institute for Numerical Simulation (INS) at the University of Bonn have been selected as one of the first CUDATM Research Centers in Germany based on the vision, quality and impact of their work. The research is focused on the development of massively paralleled multi-GPU based software packages for numerical simulation in the natural and engineering sciences. Companies benefit from the transfer of knowledge from basic research to practical applications.

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Numerische datenbasierte Vorhersage


The ModelCompare plug-in for fi nite element method (FEM) pre- and postprocessing tools provides a comparison of two similarly discretized FE models and portrays their differences in terms of geometry (mesh), material-ID and thickness.
ModelCompare identifi es the differences between the two models based on the geometry described by the mesh and is independent of the Part ID (PID) or the NAME / TITLE of the parts. It uses specialized mapping techniques that result in extremely short run times.

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FEMMINER – effiziente Datenanalyse in der Produktentwicklung

Numerische Simulationen werden heute in nahezu allen Bereichen der virtuellen Produktentwicklung eingesetzt. Im Automobilbau beispielsweise dienen sie dazu, Eigenschaften neuer Fahrzeuge vorherzusagen. Eine Herausforderung dabei ist es, die sich ergebene Vielzahl großer Datensätze zu analysieren. Fraunhofer SCAI entwickelt neuartige Verfahren und Softwarelösungen, die es ermöglichen, dabei Zusammenhänge in diesen großen numerischen Datenbeständen schnell und mit geringem Aufwand zu identifizieren.

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