GTC 2010: Gefreiter GPU - Grafikchips für militärische Anwendungen

Die meisten Kunden von EM Photonics haben es nicht so gerne, wenn man offen über ihre Projekte spricht. Kein Wunder, denn es handelt sich dabei um die US Army, Navy, Air Force, die NASA und zahlreiche Zulieferer wie Lockheed und Boeing. Eric J. Kelmelis von EM Photonics durfte allerdings vier Projekte beziehungsweise die Technik dahinter vorstellen - und weil das im Rahmen der GTC 2010 passierte, ist richtigerweise anzunehmen, dass EM Photonics für seine Kunden auf GPU-Technik zurückgreift. Schon seit 2005 arbeitet das Unternehmen aus Newark, Delaware, mit Nvidia zusammen - seinerzeit noch mit GeForce-6-Karten. Heute setzen die Entwickler für Visualisierungen, Numerische Methoden und Bildverarbeitung jedoch voll auf Tesla und Fermi.

Projekt 1: Speckle-Imaging-Methode
Quelle: PC Games Hardware GTC 2010: Gefreiter GPU - Grafikchips für militärische Anwendungen (12) Wer auf einer Aufnahme aus bis zu 60 Kilometern Entfernung Details wie das Gesicht einer Person, ein Nummernschild oder die Anzahl der Fenster in einer Häuserfront scharf erkennen will, muss dazu besondere Hilfsmittel einsetzen. Denn nur im seltensten Fall ist die Luft klar genug, um das Ziel ohne atmosphärische Störungen zu erkennen. Hier hilft die Speckle-Imaging-Methode: Sie schärft Bilder mit einer Reihe ausgefuchster Algorithmen und macht Gesichter in Entfernungen von bis zu 3,3 Kilometern, Nummernschilder in Entfernungen von bis zu 1,5 Kilometern und Büsche, Fenster und Gebäudedetails in Entfernungen von über 60 Kilometern sichtbar.

Quelle: PC Games Hardware GTC 2010: Gefreiter GPU - Grafikchips für militärische Anwendungen (26) "Das Problem ist nur: Das Ganze ist sehr rechenintensiv", schränkt Eric J. Kelmelis ein. "Mit herkömmlichen Rechnern erreichen wir gerade einmal 0,029 Frames pro Sekunde - unsere Kunden wollen allerdings Echtzeit-Bilder." Klar - wenn die NASA genaue Aufnahmen eines startenden Space Shuttles in schwül-dunstiger Luft auf der Startrampe sehen will, können die Raketenbauer keine 35 Sekunden bis zum nächsten Bild warten. "Das war auch der Grund, warum seinerzeit erst nach Wochen feststand, dass Dämmmaterial vom Shuttle-Tank einige Kacheln des Hitzeschutzschildes abgeschlagen hatte", erklärt Kelmelis. Mit einer GPU-Implementierung des Speckle-Algorithmus erreichte EM Photonics das Ziel: "Wir schaffen jetzt 42 fps bei einer Bildgröße von 512 mal 512 Punkten, die HD-Auflösung 1920 mal 1080 läuft immerhin noch mit 13,5 fps - deutlich besser als 0,029 fps."

Projekt 2: Super-Resolution-Methode
Die Super-Resolution-Methode kombiniert Bildinformationen aus mehr als einer einzigen Aufnahme - entweder mit einer Serie von Einzelaufnahmen, die zu verschiedenen Zeitpunkten geschossen wurden oder mit mehreren Kameras, die das Zielobjekt zur gleichen Zeit ins Visier nehmen. Der Super-Resolution-Algorithmus erzeugt damit hochauflösende Aufnahmen aus Bildmaterial in Standardauflösung. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig: Die Navy bestellte ein System, um damit weit entfernte Fahrzeuge zu erkennen, die Air Force orderte eins, um damit Bomberpiloten ein besseres Feedback darüber zu geben, ob sie das geplante Ziel tatsächlich in Schutt und Asche gelegt haben. Die Super-Resolution-Methode eignet sich außerdem zur Erfassung von boden-, see- oder weltraumgestützten Raketen.

Projekt 3: Numerische Methoden des Elektromagnetismus
Elektromagnetische Anomalien und Pulse berechnet EM Photonics mit Hilfe der Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD). Mit GPU-Support werden die dafür eingesetzten Differenzialgleichungen bis 50 Mal so schnell wie mit einer reinen Software- beziehungsweise CPU-Variante gelöst. Das freut Army, DARPA, Air Force und viele andere Kunden, die mit Hilfe der von einem Objekt zurückgeworfenen elektromagnetischen Wellen beispielsweise die Oberflächenströmungen auf einem metallenen Körper wie einem Flugzeugrumpf berechnen. Weil die ausgesandten Wellen oft auf andere Teile eines fliegenden Objektes zurückreflektiert werden, erschwert das eine zuverlässige Aussage über die Natur des Objektes. Erneut kann die GPU trumpfen: Verglichen mit reinen Softwarelösungen laufen die numerischen Methoden der FDTD auf einer GPU bis zu sieben Mal schneller.

Projekt 4: Numerische Methoden der Strömungsmechanik
Die NAVAIR (Naval Air Systems Command) ist der Zweig der US Navy, der für den Nachschub und die Versorgung von Flugzeugen und luftbasierten Waffen wie Lenkraketen zuständig ist. Aktuell sind unbemannte Drohnen groß im Kommen, allerdings müssen die mit großer Präzision auf Flugzeugträgern landen. "Früher lief es so ab, dass Testpiloten von verschiedenen Richtungen auf einem solchen Schiff landeten", erzählt Eric J. Kelmelis. "Anschließend mussten sie einen Fragebogen ausfüllen und darüber Auskunft geben, wie die Landung, der Anflug, die Windverhältnisse und so weiter waren - und daraus wurde dann ein Pilotenhandbuch erstellt." Das ist langsam und teuer, so dass heute immer mehr numerische Methoden zum Einsatz kommen. Allerdings sind die Gleichungen, die diesen Methoden zugrunde liegen, nicht gerade simpel - die Navier-Stokes-Gleichungen sind beispielsweise ein System mehrfach gekoppelter Differenzialgleichungen. Da muss ein Supercomputer 150,000 Stunden rechnen, um lediglich 30 Sekunden Flugzeit zu simulieren. EM Photonics arbeitet daher derzeit an einem neuen Berechnungsmodell, um diese Gleichungen auf die GPU zu portieren. Erste Ergebnisse sehen vielversprechend aus - von einer Berechnung in Echtzeit sind die Experten allerdings noch weit entfernt - mal sehen, wie das ein paar Hardware-Generationen später aussieht.

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Auch beim Militär freut man sich über die Rechenpower, die eine GPU für Anwendungen wie Bildanalyse, Zielerfassung und die Simulation von Flugzeugträger-Landungen mitbringt.

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