В начале апреля в Уфимском государственном авиационном техническом университете прошла международная научная конференция, четвертая в серии ежегодных конференций, посвященных развитию и применению параллельных вычислительных технологий в различных областях науки и техники. Три предыдущих прошли в Челябинске (2007), Санкт-Петербурге (2008), Нижнем Новгороде (2009). Пятая состоится в следующем году в Московском Государственном Университете имени М.В.Ломоносова.

Автор: АЛЕКСАНДР СЕМЕНОВ

    Вот какие направления охватила конференция:
    * Модели, методы и технологии применения высокопроизводительных и распределенных вычислений для решения научно-технических задач.
    * Теория и практика решения задач вычислительной гидро- и газодинамики на суперкомпьютерах и в распределенных вычислительных средах.
    * Применение суперкомпьютерных технологий для анализа высоконелинейных и быстротекущих процессов в задачах механики твердого и жидкого тела.
    * Суперкомпьютерное моделирование поведения сложных строительных конструкций и сооружений
    * Высокопроизводительные вычисления в биоинженерии и биоинформатике.
    * Высокопроизводительные вычисления и нанотехнологии, проектирование новых материалов и лекарственных препаратов.
    * Технологии построения и опыт использования GRID-систем и сервисов для решения научно-технических задач.

   В первый день работы конференции была объявлена 12-я редакция списка Top50 самых мощных компьютеров СНГ.
   Что, прежде всего, бросалось в глаза на ПаВТ-2010? Широта географии: 28 городов прислали сюда своих участников. Кроме Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Иркутска,  Екатеринбурга, Уфы и Челябинска, здесь были представители из Хабаровска и Черноголовки, Ижевска и Таганрога, Переяславля-Залесского и Обнинска, Сургута и Снежинска.
   Второе приятное впечатление - очень много молодых лиц, как среди слушателей, так и среди докладчиков. Студенты, аспиранты и молодые ученые составляют существенную часть этого перспективного направления современной науки.
   И третье - впервые на конференции была в отдельный поток выделена индустриальная секция, на которой были представлены реальные результы применений высокопроизводительных вычислений в промышленности (об этом мы еще поговорим подробнее).
   После традиционных приветствий со стороны организаторов два основных пленарных доклада первого дня сделали председатель и сопредседатель программного комитета - Владимир Воеводин, руководитель НИВЦ МГУ (Москва) и Сергей Абрамов, глава ИПС РАН (Переяславль-Залесский), а сама сессия пленарных докладов была очень насыщенной (мы  подробно расскажем о всех семи докладах первого дня).
   Владимир Воеводин назвал свое выступление «Парадоксы суперкомпьютерного мира». Начал он его с главного события ушедшего года, которым стал суперкомпьютер «Ломоносов», установленный в МГУ. Это компьютер занял первое место в списке 50 мощнейших суперкомпьютеров России и СНГ. Очередную, двенадцатую по счету, редакцию этого списка г-н Воеводин объявил в своем выступлении. Пиковая производительность «Ломоносова» составляет 414 триллионов операций в секунду (терафлопс). Занимающая второе место в списке система МВС-100K, установленная в Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН, уступает «Ломоносову» почти в три раза с пиковой производительностью 140 терафлопс. Более того, «Ломоносов» превосходит суммарную мощность систем, занимающих со 2 по 11 места в списке. Двенадцатая редакция списка ТОП-50 продемонстрировала резкий рост производительности суперкомпьютеров СНГ. Суммарная производительность систем на тесте Linpack за полгода выросла с 387,1 триллионов операций в секунду (TFlop/s) до 888,1 TFlop/s. Суммарная пиковая производительность систем списка превысила рубеж в 1 PFlop/s, составив 1152,9 TFlop/s (520,2 TFlop/s в предыдущей редакции списка). В целом количество новых систем в списке (включая системы, модернизированные за последние полгода) составило 24% (12 из 50).
   «Ломоносов» занимает 12-е место в списке наиболее производительных систем в мире. Помимо России столь мощными суперкомпьютерами обладают лишь США, Германия и Китай. Для сравнения, лидер списка 500 мощнейших систем, суперкомпьютер «Jaguar», установленный в Национальной лаборатории Оук-Ридж (Oak Ridge) в США, имеет пиковую производительность в 2331 терафлопс. На втором месте списка оказался суперкомпьютер МВС-100К производства Hewlett-Packard. Компьютер установлен в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре РАН. Производительность системы на тесте Linpack увеличилась с 71.28 TFlop/s до 107.4 TFlop/s. На третьем месте новой редакции списка оказался суперкомпьютер СКИФ МГУ «ЧЕБЫШЁВ», являющийся совместной разработкой Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова, Института Программных Систем РАН и компании «Т-Платформы», выполненной при поддержке компании Intel в рамках суперкомпьютерной программы «СКИФ-ГРИД» Союзного государства России и Беларуси и национального приоритетного проекта «Образование». Компьютер установлен в Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ, производительность СКИФ МГУ "ЧЕБЫШЁВ" на тесте Linpack составляет 47.3 TFlop/s (78.9% от пиковой).     На четвёртое и пятое места списка попали две новые системы производства IBM: BladeCenter HS22 Cluster с производительностью на тесте Linpack 38.1 TFlop/s и xSeries x3650M2 Cluster с производительностью на тесте Linpack 32.65 TFlop/s.
   Все системы списка теперь принадлежат «терафлопному диапазону» - для попадания в текущую редакцию потребовалась производительность 1.47 TFlop/s (978 GFlop/s в предыдущей редакции), а нижняя граница первой десятки по производительности поднялась с 12.36 до 14.6 TFlop/s.
   Увеличилось количество систем в списке, построенных на процессорах Intel: с 37 в прошлой редакции до 39 в нынешней. На процессорах AMD построено 6 систем (7 в прошлой редакции), на процессорах IBM - 4 системы (5) и 1 система построена на базе процессоров HP. Продолжается постоянный рост количества процессорных ядер в системе - в данной редакции списка оно составляет не менее 176, при том, что уже 20 систем являются более чем 1024-ядерными. Число компьютеров, использующих для взаимодействия узлов лишь коммуникационную сеть Gigabit Ethernet, увеличилось с 6 систем в предыдущей редакции до 7 в нынешней. Расширяется использование коммуникационной технологии InfiniBand (с 36 до 37 систем), доля Myrinet сократилась с 5 до 3 систем.
   Количество систем, используемых в науке и образовании, уменьшилось с 31 до 28, а число систем, ориентированных на конкретные прикладные исследования, увеличилось с 9 до 10; число систем, используемых в промышленности, уменьшилось с 6 до 5, а число систем, используемых в финансовой сфере, увеличилось с 3 до 5.
   По количеству систем, входящих в список, лидирующие позиции занимает компания «Т-Платформы», уменьшившая долю своих суперкомпьютеров с 16 до 14, на одну систему опережая компанию Hewlett-Packard, доля которой увеличилась с 12 до 13 систем, увеличила свою долю и компания IBM - с 9 до 11 систем.
   Стоит отметить суперкомпьютер «СКИФ-Аврора», производительность в 21.4 терафлопса, который устанавливается в суперкомпьютерном центре Южно-уральского Государственного университета в Челябинске. Он изготовлен в России молодой компанией «РСК-СКИФ» и занял восьмое место в 12-м списке.

   После всех этих объявлений г-н Воеводин перешел к  рассказу о парадоксах суперкомпьютерного мира. Первый из этих парадоксов состоит в том, что в использовании суперкомпьютеров сегодня есть большая необходимость, но рынок их крайне мал, финансовых вливаний почти нет, традиционные рыночные механизмы не работают. Второй состоит в том, что при всей своей мощи и уникальности ведущие суперкмопьютеры определяют будущее компьютерного мира, но они незаметны для большинства программистов. Следующий парадокс состоит в том, что возможности компьютеров развиваются колоссально. Но в технологии программирования или в методах решения задач не сделано ничего столь же масштабного. К сожалению, по словам г-на Воеводина, суперкомпьютеры на большинстве реальных задач имеют КПД паровоза (т.е очень низкую). Этот парадокс автор доклада назвал «Блеск и нищета суперкомпьютеров».
   Основная область использования суперкомпьютеров из ТОП50 - наука и образование (28 штук), исследования - 10, промышленность - 5, финансы - 2, другое - 5. Таким образом, уникальные установки стоят десятки миллионов долларов, а для большинства пользователей время работы на них бесплатно. Парадокс - бесплатные миллионы.
   Еще один парадокс - элитарность или массовость? Суперкомпьютеры - это элита компьютерного мира, но сейчас она опирается на продукцию массового рынка - самые популярные процессоры для кластеров. К исключениям относятся суперкомпьютеры «Ломоносов», «СКИФ-Аврора» и BlueGene - они из другой породы.
  Г-н Воеводин особенно отметил проект «Кадровое обеспечение суперкомпьютерных технологий», представленный Московским университетом и получивший поддержку Президента Российской Федерации Д.А.Медведева. Цель проекта - формирование национальной системы подготовки высококвалифицированных кадров в области суперкомпьютерных технологий на 2010-2012 гг.

   Директор Института программных систем имени А.К.Айламазяна РАН Сергей Абрамов озаглавил свой доклад «Суперкомпьютерные технологии России: объективные потребности и реальные возможности».  По мнению г-на Абрамова, киберинфраструктура страны - это забота государства. Нам просто необходима новая инфраструктура государства - государственная система из мощных национальных суперкомпьютерных центров (СКЦ), объединенных сверхбыстрыми каналами связи в грид-систему. В 2005-2009 годы США тратили на эти цели от 2 до 6 миллиардов долларов в год.
   Каждое из шести следующих направлений требует проведения фундаментальных поисковых исследований и только затем НИР, НИОКР и ОКР:
* разработка, реализация и производство аппаратных средств суперЭВМ;
* разработка, реализация и производство базового системного ПО суперЭВМ;
* разработка, реализация и производство ПО поддержки разработки параллельных приложений;
* разработка, реализация и производство прикладного ПО;
* создание и эксплуатация СКЦ, объединение их в грид-систему, формирование служб и сервисов на их основе;
* подготовка и переподготовка кадров для суперкомпьютерной отрасли.
   По мнению Сергея Абрамова, в России должна быть создана определенная иерархия киберинфраструктуры. На самом верху пирамиды супервычислений должны находиться 20 крупных национальных центров, за ними идут 80 крупнейших региональных и отраслевых центров, далее - 150 крупных региональных и корпоративных центров и наконец - 250 центров предприятий и научных учреждений. И после этих 500 - суперЭВМ небольших исследовательских компаний, лабораторий и научных подразделений.
   Далее г-н Абрамов привел статистику по каждому из этих уровней в разных странах, которые входят в список топ500. США - топ20 (13 штук общей мощностью  5840 тфлопс), топ20-100 (36 - 2285), топ101-250 (90-2652), топ 251-500 (152 - 2943) - всего 291 суперкомпьютер общей мощностью 13721 тфлопс.
   Единая Европа, соответственно топ20 (3-1229), топ20-100 (28-2100), топ101-250 (38-1090), топ251-500 (71-1412) - всего 140 суперкомпьютеров общей мощностью 5830.
   Китай, соответственно топ20 (1-181), топ20-100 (1-103), топ101-250 (11-353), топ251-500 (8-152) - всего 21 суперкомпьютер общей мощностью 788 терафлопс.
   Россия уступает Китаю, соответственно топ20 (1-350), топ20-100 (1-107), топ101-250 (3-118), топ 251-500 (3 - 71) и всего 8 штук на 646 терафлопс.
   Если посмотреть на развитие киберинфраструктуры ведущих стран мира, то Россия отстает от лидеров на 5 лет по мощности самого мощного суперкмопьютера и на 7 лет по суммарной производительности их в стране.
   Сергей Абрамов привел свои оценки того, сколько суперкомпьютерной мощности России необходимо. На середину этого года - это топ20(1-3.8 петфлопс), топ21-100(85-283 терафлопс), топ 101-250 (38-90) и топ252-500 (25-48). За два следующих года эти показатели должны вырасти как минимум в четыре раза. По его мнению этих показателей можно достичь, в частности с помощью суперкомпьютеров СКИФ ряда 4 (СКИФ-Аврора). У них есть явные технологические преимущества. Все печатные платы, всю «механику», систему в целом можно изготавливать в России, закупаются только микросхемы. В производстве этих суперкомпьютеров используется широкая отечественная кооперация: 7 организаций - разработка КД ПД и создание опытных образцов СКИФ-Аврора, 20 российских организаций - адаптация и оптимизация приложений к архитектуре суперкомпьютера СКИФ-Аврора.

   Директор по развитию корпоративных проектов корпорации Intel Николай Местер остановился на НРС-решениях Intel. Он напомнил, что в Intel разрабатываются системы типа «терафлоп» на чипе, при этом у массовых процессоров - лидирующая производительность на ватт потребляемой мощности, в Intel есть много экспертов в области высокопроизводительных вычислений, есть большие кластеры для тестов и оптимизации. Intel ведет большую работу в области стандартов для НРС, создает не только строительные блоки для суперкомпьютерных кластеров, но и самое разное ПО.
   Производительность процессоров Intel постоянно растет, компания выпускает многотопотоковые и многоядерные решения с большими ядрами, маленькими ядрами и смешанными ядрами. В первом квартале 2010 года были анонсированы процессоры Xeon 5600 (Westmere-EP), Xeon 7500 (Nehalem-EX) и Itanium 9300 (Tukwila). В недалеком будущем на смену им придут SandyBridge, Westmere-EX и Poulson.
   Николай Местер подчеркнул, что современные процессоры Intel Xeon прекрасно работают в инфраструктурных решениях, серверах приложений, малых и средних СУБД, поскольку несут с собой гибкость, надежность и масштабируемость. Они прекрасно подходят для замены RISC систем нижнего и среднего уровня.
   Г-н Местер подробно рассказал о процессоре Intel Xeon 5600. Intel Xeon 5600 производятся по революционной 32-нанометровой технологии. В них используется второе поколение транзисторов с металлическим затвором и подзатворным диэлектриком Hi-K, увеличивающими скорость переключения логики и понижающими энергопотребление. Производительность увеличивается на 60%. Новые процессоры (по сравнению с Intel Xeon 5500) позволяют заменить 15 одноядерных серверов одной системой со сроком окупаемости пять месяцев и позволяют эффективнее расходовать энергию. Сервер с двумя сокетами, оснащенный Intel Xeon L5640 (60 Вт) способен предоставить такой же уровень производительности, как система, оснащенная 95-ваттными процессорами Intel Xeon X5570 предыдущего поколения, однако, энергопотребление при этом будет на 30% ниже. Intel Xeon 5600 повышают производительность, достигнутую Intel Xeon 5500, и устанавливают 12 новых мировых рекордов в сегменте рабочих станций и двухсокетных серверов.
   Не менее интересны и процессоры  Intel Xeon 7500, которые обладают 4, 6 или 8 вычислительными ядрами и могут одновременно обрабатывать до 8, 12 или 16 потоков данных соответственно. При этом четырехсокетная платформа обладает 32 ядрами и оперирует 64 потоками, а 8-процессорная платформа - 64 ядрами и 128 потоками. Максимальная тактовая частота процессоров этой серии составляет 2,66 ГГц. Возможности новинок позволяют заменить до 20 четырехсокетных серверов с одноядерными процессорами одним сервером с Intel Xeon 7500, сохраняя прежний уровень производительности. При переходе на новый сервер экономия на платежах за электроэнергию составит до 92%. Благодаря снижению расходов на энергию, охлаждение и программное обеспечение срок окупаемости инвестиций составляет не больше года.
    
   Леонид Соколинский, профессор челябинского ЮУрГУ и директор суперкомпьютерного центра этого университета рассказал об опыте использования суперкомпьютера «СКИФ-Аврора» для решения научно-технических задач. По его словам, на уже действующем в ЮУрГУ суперкомпьютере СКИФ Урал более половины задач составляют задачи инженерного моделирования. Главная цель - внедрение на предприятиях передовых технологий мирового уровня и перевод экономики региона на инновационный путь развития. Вот лишь два примера социально-экономических задач:

1. Решение задач линейного программирования при эволюционирующей системе исходных данных (на базе фейеровских отображений). Применяется для моделирования прогнозирования экономических ситуаций.

2. Распознавание образов. Применяется для автоматического принятия решений в экономической и управленческой деятельности.

   Для исследования эффективности выполнения приложений на вычислителе «СКИФ-Аврора» группой сотрудников ЮУрГУ были отобраны несколько задач. Эти задачи анализировались с точки зрения их масштабирования и оптимизации группой специалистов компании Интел (Нижний Новгород), работающей с НРС проектами. Среди приложений можно выделить задачи инженерного проектирвоания и анализа, решаемые с использованием стандартных инженерных проектов, а также программный комплекс, реализованный на языке Фортран с использованием библиотеки MPI для решения задачи моделирования процессов формирования металлических наночастиц методом газофазной компенсации.
   Одна из задач - моделирование насоса для подачи воды в котлы тепловой электростанции. Определение гидронамических сил в тонких слоях щелевых уплотнений таких насосов требует решения системы уравнений с числом неизвестных 50-100 миллионов. Их можно решать только на современных суперкомпьютерах.
   Следующая задача - проектирование бронежилетов. Основная задача этого проектирования - минимизация массы при сохранении заданного уровня защиты. Экспериментальный путь оптимизации конструкции бронежилета позволяет достаточно быстро определить оптимальное соотношение параметров для фиксированного воздействия, но стоит он очень дорого. В России разработками бронежилетов занимается десятки средних и крупных предприятий, которые тратят значительные средства на экспериментальную отработку бронежилетов.
   ЗАО «ФОРТ Технология» (Москва) более трех лет использует математические модели и результаты расчетов, выполненные в Суперкомпьютерном центре ЮУрГУ, что позволило создать бронежилеты минимальной массы, не имеющие аналогов в мире по уровню защиты. Эти изделия находятся на вооружении спецподразделений РФ и ряда зарубежных стран (Германия, Франция, Израиль, Польша, Чехия и др.).
   Следующая задача - разработка новых методик конструирования одежды, учитывающих свойства ткани: волокнистый состав, виды переплетений, плотность полотна, способы отделки, анизотропию свойств. Результатом исследований должным стать необходимые характеристики для создания новых трикотажных тканей, соответствующих по качеству мировому уровню.

   Николай Шабров, профессор Санкт-Петербургского политехнического университета рассказал о моделировании и визуализации в виртуальных и индуцированных средах. Он подчеркнул, что все расчеты в университете проводятся на собственном ПО, поскольку к коммерческому ПО есть целый ряд претензий. Вот они: плохое масштабирование, нарастающее отставание архитектуры коммерческого ПО от оборудования и др. Поэтому, сегодня многие вендоры ПО продают свои компании - ABAQUS, CFX, FLUENT.
   Николай Шабров рассказал, что именно в его университете впервые в России проведено моделирование краш-тестов для машин Автоваза. Кроме этого, в университете делается немало модельных расчетов для крупных западных автопроизводителей. Среди них - моделирование передаточной цепи двигателя автомобиля и моделирование коробки передач с непрерывным передаточным числом, моделирование косозубого зацепления в трансмиссии. Коммерческое ПО в таких расчетах не работает.
   Еще одна интересная разработка университета - это программно-аппаратный комплекс виртуальной реальности CAVE 3D (Computer Aided Virtual Reality). Он был создан, поскольку для визуализации данных с объемами около петабайта просто необходимы новые технологии. В университете создана система с тремя экранами и графическим видеокластером. В ее составе - 3 экрана (стоящих под углом друг к другу), Optical tracking system и вычислительный кластер на 1.4 терафлоп. Эта система уступает европейским только в качестве проекторов. К сожалению, в России пока этой проблематике уделяется мало внимания. Например, в США в мае пройдет конференция, посвященная инновационным метода виртуальной реальности, в составе которой будет работать 27 секций. С помощью системы CAVE генеральный конструктор может оперативно принимает решение о конструкции в целом или об ее узлах.
   Г-н Шабров продемонстрировал, как с помощью нового системы происходит визуализация результатов моделирования принудительной вентиляции помещения электростанции и визуализация теплового двигателя и его деталей. Начаты работы по визуализации структуры потока крови в аневризме аорты.

   Профессор Александр Бухановский из Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики рассказал о современных программных комплексах компьютерного моделирования для задач eScience, их параллельности, эффективности и интеллектуальности.
   Александр Бухановский подчеркнул, что перед тем, как проводить высокопроизводительные вычисления, надо четко поставить задачу, учитывая все потребности заказчика. Он перечислил серьезные вызовы, которые стоят сегодня перед eScience. 1. Переход от интегрированных комплексов к содержательно неоднородным проблемно-ориентированным средам. 2. Переход от компонентов к сервисам. 3. Переход  к вычислениям в средах Grid и Cloud. 4. Переход от инструкций к описаниям сервисов 5. Переход к параметрическим моделям 6. Переход от коробочных продуктов к Интернет-сервисам.
   Далее г-н Бухановский рассказал о том, как подобный программный комплекс HPC-NASIS для квантовой химии был реализован в университете. Создана и интеллектуальная система управления эти комплексов с 17 сервисами. Он отметил некоторые аспекты новой системы. В ней представление знаний о способе решения задачи реализуется в форме комплексной онтологии, а визуализация - по экспертным правилам. Реализован переход от сильно связанной архитектуры (комплекс из компонентов) в слабосвязанной архитектуре (комплекс из сервисов). Создана социальная сеть пользователей HPC-NASIS, в работе которой может принять участие любой желающий - hpc-nasis.ifmo.ru.
 
Презентации докладов на сайте http://agora.guru.ru/display.php?conf=pavt2010&page=program&PHPSESSID=03cee25be45a432456029a86d8d2d460
 

Информационные технологии. Апрель 2010 от 05.04.2010

Вы можете оставить собственный комментарий к данной статье:

Имя (*)
Адрес электронной почты
Комментарий к статье (*)
Внимание! Для защиты от автоматического заполнения введите число!