Zusammenbau und Belüftung des PCs für CFD-Berechnungen

Karim Segond ist ein Freiberufler Beratungsingenieur, der sich auf Computational Flow Dynamics Berechnungen mit Simcenter FloEFD spezialisiert hat. CFD löst die Gleichungen der Strömungsmechanik mithilfe von Rechenleistung und berechnet die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten, Temperaturen und Drücke. Die Rechenkapazität ist die größte Einschränkung für den Fortschritt von CFD. Er wechselt den PC alle drei Jahre und baut ihn am liebsten selbst zusammen, er wählt die besten Komponenten für eine bessere Leistung und weniger Lärm.

Das Gesetz von Moore ist vorbei

Gordon Moore machte vor 50 Jahren die Beobachtung, dass sich „die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt“. Seine Vorhersage gilt seit 1975 und ist seitdem als „Gesetz“ bekannt. Ich erinnere mich, dass es in den Neunzigerjahren eine goldene Regel für die Elektronikindustrie und PC-Benutzer war. Die Größe der Transistoren wurde bereits so miniaturisiert, dass andere physikalische Gesetze gelten; das Gesetz von Moore ist vorbei.
Neben der Erhöhung der CPU-Frequenz wird auch die Rechenkapazität durch den Bau von CPUs mit einer höheren Anzahl an Kernen erhöht. Die parallele Rechenfähigkeit des CFD-Lösers besteht darin, das große Rechendomäne in kleinere Teildomänen zu zerlegen, die auf verschiedenen Kernen ausgeführt werden. Die Generierung des CAD-Modells und das pre-processing können nur auf einem Kern laufen, Vorgänge wie das Importieren und Konvertieren eines komplexen CAD-Modells können zwischen einer halben und zwei Stunden dauern.
Die Erhöhung der Kernzahlen bedeutet einen Anstieg des Energieverbrauchs und der Wärmeverluste. Eine parallele Berechnung mit Simcenter FloEFD wurde auf allen Kernen eines intel i9-14900k mit 74 GB RAM gestartet, die an der Steckdose gemessene Leistung betrug nur 461 Watt oder 17 Eurocent pro Stunde. Um die Stromrechnung müssen wir uns also keine Sorgen machen. Die Lüfter sollten dennoch nicht ständig auf Hochtouren laufen, da sie laut sind; das BIOS ermöglicht es, die Geschwindigkeit der Lüfter in Abhängigkeit von der CPU-Kerntemperatur einzustellen.
Wer seinen High-End-PC bauen möchte, muss sich der thermischen Herausforderungen bewusst sein. Die Komponenten, Gehäuse, Lüfter und Kühler müssen sorgfältig ausgewählt und zusammengebaut werden, um bei Berechnungen mit allen Kernen auf maximaler Geschwindigkeit, die CPU-Temperatur unter 100 °C an einem heißen Sommertag zu halten.

Berechnungen auf PC, Workstation oder Cloud-Computing

Für den kompletten CFD-Workflow bevorzuge ich Standard-CPUs, die auch für Spiele verwendet werden, wie Intel i7 und i9 oder Ryzen 7 und 9. Sie bieten eine gute Recheneistung sowohl für Anwendungen auf einen Kern als auch auf Anwendungen auf mehreren Kernen. Der Wertverlust ist gering, da neuwertige gebrauchte PCs nachgefragt sind.
Workstations auf Basis von Intel-Xeon sind deutlich teuer, sie haben bis 64 Kerne (128 Threads), aber eine geringere CPU-Taktfrequenz. Der Wertverlust von Workstations ist gross. Sie werden meist in Rechencentren eingesetzt und über Cloud-Computing zugängig.

Gaming PC vs. CFD PC

Die Assemblage des neuen Desktop-PCs kann ein unterhaltsames kleines Nebenprojekt sein. Das Preis-Leistungs-Verhältnis ist deutlich besser, da die Montagekosten gespart werden. Der beste Zeitraum für den Kauf von PC-Komponenten liegt zwischen single day und black friday. Ein Gamer könnte es vorziehen, einen gebrauchten PC zu kaufen, da die 2–3 Jahre alten Prozessoren schnell genug sind, um die neuesten Spiele auszuführen. Ingenieure für CFD-Anwendungen werden immer neue PCs mit den teuersten Komponenten kaufen, da sie viel mehr Geld zur Verfügung haben. Eine Steigerung der PC-Leistung um 20-30 % bedeutet für CFD eine um 20-30 % kürzere Berechnungszeit.
Bedienungsanleitungen für Hardware sind in der Regel kurz geschrieben, daher sucht jeder im Internet und auf YouTube nach Ratschlägen. Die Anleitungen zum Thermal Interface Material zwischen CPU und Kühler sind sehr gut. Andererseits sind die Videos zur Belüftung überwiegend unzureichend. Jeder vorgestellte PC verfügte über eine teure und verlustbehaftete Grafikkarte für Computerspiele; die für CAD und CFD empfohlenen Grafikkarten sind kleiner und verlustarm.

Platzierung der Lüfter

Die Gehäuselüfter sollten vorne oder hinten platziert werden um Frischluft in den PC zu drücken. Die Wasserkühler sollten mit ihren Lüftern oben montiert werden, die Lüfter saugen die Luft aus dem PC. Die erwärmte Luft hat eine geringere Dichte als die kalte Luft und steigt auf natürliche Weise auf und vermischt sich mit der Umgebungsluft. Der Hersteller von Wasserkühlern empfiehlt, die Lüfter unterhalb des Kühlers zu montieren; die Hersteller der Ventilatoren empfehlen jedoch einen großen Abstand, insbesondere auf der Druckseite, der hier nicht gewährleistet ist. Mein Ziel war es, die Lüfter über den Kühlern zu platzieren. Der untersuchte PC wurde modeliziert und die Strömung mit Simcenter FloEFD berechnet.
Der PC wurde einmal mit den Lüftern über- und einmal mit Lüftern unterhalb der Kühler aufgebaut. Das Mainboard misst die CPU-Temperatur, bei den oberen Lüftern war sie etwas niedriger. Der Volumenstrom wurde nicht gemessen, da hierfür ein Durchflussmessgerät und eine Haube über dem Gehäuse erforderlich wären.