Digitale Zwillinge & Virtuelle Inbetriebnahme Intelligentes HPC halbiert Simulationszeiten

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Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

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Digitale Zwillinge und die virtuelle Inbetriebnahme stoßen oft an Grenzen: Komplexe Simulationen brauchen enorme Rechenzeiten. Das Fraunhofer ITWM zeigt neue HPC-Ansätze, mit denen sich diese Rechenprozesse drastisch beschleunigen, automatisieren und lokal absichern lassen.

Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM zeigt neue Ansätze aus dem High Performance Computing (HPC), mit denen sich Rechenprozesse für Digitale Zwillinge und die virtuelle Inbetriebnahme drastisch beschleunigen, automatisieren und lokal absichern lassen.Das Institut setzt dabei nicht allein auf schnellere Hardware, sondern auf die intelligente Optimierung des gesamten Computing-Stacks: von mathematischen Lösern über agentische KI bis hin zu neuartigen Speicherarchitekturen. „High Performance Computing wird zukünftig nicht allein durch schnellere Prozessoren bestimmt. Entscheidend sind intelligente Software, effiziente Datennutzung, ein bewusster Umgang mit Energie und die Fähigkeit, neue Technologien nahtlos einzubinden. Genau an diesem Zusammenspiel arbeiten wir am Fraunhofer ITWM“, erklärt Dr. Jens Krüger, Bereichsleiter „Analytics und Computing“.

Löserbibliothek „GaspiLS“ verdoppelt Simulationsgeschwindigkeit

Ein zentrales Nadelöhr bei der virtuellen Inbetriebnahme sind zeitabhängige (transiente) Simulationen. Bei diesen Berechnungen müssen über viele aufeinanderfolgende Zeitschritte hinweg mathematisch sehr ähnliche Gleichungssysteme gelöst werden. Die am Fraunhofer ITWM entwickelte Löserbibliothek „GaspiLS“ nutzt diese Ähnlichkeit gezielt aus: Sie verwendet bereits berechnete Strukturen in nachfolgenden Rechenschritten einfach wieder. Dadurch sinkt der Rechenaufwand, und insbesondere die zeitintensive Vorbereitung der einzelnen Lösungsschritte verkürzt sich deutlich.

Wie groß der Praxisvorteil ist, belegt ein Benchmark aus der Reservoir-Simulation mit rund einer Million Zellen: Über verschiedene Prozesszahlen hinweg erreichte GaspiLS eine bis zu doppelt so hohe Geschwindigkeit gegenüber gängigen Vergleichsverfahren. Für Entwickler Digitaler Zwillinge verkürzt dies die Wartezeit auf Simulationsergebnisse um die Hälfte und bringt virtuelle Modelle deutlich näher an echtzeitfähige Reaktionszeiten heran.

Produkte und Lösungen

Fünf Neuheiten für die virtuelle Inbetriebnahme

Agentische KI automatisiert Simulations-Workflows lokal

Neben der reinen Rechenzeit bindet vor allem das manuelle Setup von Simulationsmodellen wertvolle Engineering-Kapazitäten. Hier setzt das ITWM auf agentische KI: KI-Agenten können einzelne Schritte komplexer Simulations- und Analyseprozesse selbstständig unterstützen, koordinieren und miteinander verknüpfen – von der Modellkonfiguration über die Ausführung bis hin zur Auswertung der Ergebnisse. Ein entscheidender Faktor für Industrieunternehmen: Die Lösungen sind vollständig lokal (on-premises) in der eigenen IT- oder HPC-Infrastruktur lauffähig. Sensible Geometrie-, CAD- und Prozessdaten müssen nicht an externe Cloud-Dienste übermittelt werden. Das sichert die volle Datensouveränität über unternehmenseigene Konstruktions- und Fertigungsgeheimnisse.

Speichermanagement ohne Datenstau: Zero-Copy und Task-Offloading

Mit steigender Detailtiefe Digitaler Zwillinge wachsen auch die Datenvolumina, wodurch Speicher- und Transferzeiten zunehmend zum Leistungsengpass werden. Mit der Open-Source-Toolbox „Memory Centric Storage“ (MCS) begegnet das Fraunhofer ITWM diesem Problem:

• Zero-Copy-Datentransport: Vermeidet unnötiges Kopiervorgänge großer Simulationsdatensätze zwischen verschiedenen Speicherbereichen.
• Task-Offloading: Verlagert Rechenaufgaben direkt dorthin, wo die Daten physisch liegen.Ergänzt wird dies durch das aktualisierte Programmiermodell GPI-2 (Release 1.8.0), das Berechnungen und Datenkommunikation weitgehend parallelisiert. Entwickler können damit laufende Simulationsjobs ohne vorherige Neukompilierung des Codes auf Leistungsengpässe untersuchen.

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Perspektiven für zukunftsfähige Energieversorgung von Produktionsbetrieben

Strompreise, KI-Rechenzentren, Netzengpässe: Energie entscheidet über die Zukunft der Industrie und den Produktionsstandort Deutschland. Doch wie sieht eine wettbewerbsfähige Energieversorgung für Fertigungsbetriebe konkret aus? Der INDUSTRIAL ENERGY SUMMIT vernetzt Entscheider, Ingenieure und industrielle Anwender und liefert Antworten: von der Energiebeschaffung über Eigenstromversorgung und Speicherkonzepte bis hin zu Effizienzstrategien in der Energienutzung.
 

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Zukunftstechnologie: Hybrides Quantencomputing

Für besonders komplexe Optimierungsaufgaben bindet das ITWM künftig auch Quantenprozessoren (QPUs) in klassische Simulationsinfrastrukturen ein. Zusammen mit dem Schweizer Deep-Tech-Startup Qambria AG und Entwicklungen wie dem Benchmarking-Tool „QUALLE“ untersuchen die Forscher, wie sich hybride Quanten-KI-Algorithmen gezielt mit bestehenden Supercomputern kombinieren lassen, um zukünftige Simulationsgrenzen weiter zu verschieben.

Das Fraunhofer ITWM stellt diese Entwicklungen, das Open-Source-Tool MCS sowie den Löser GaspiLS vom 17. bis 19. November 2026 auf der Supercomputing Conference SC26 in Chicago an Stand 2516 vor.