Старт в бесконечность

Зачем тратиться на суперкомпьютеры?

Согласно данным рейтинга суперкомпьютеров СНГ Top50 ("Поиск" №15, 2006), за прошедшие полгода с момента анонсирования предыдущего списка доля суперкомпьютеров коммерческого использования выросла с 44% до 64%. Почти в три раза увеличилось и количество систем промышленного использования. Больше внимания мощным компьютерам стали уделять в финансовой области.

А вот в науке и образовании доля используемых высокопроизводительных систем упала с 20% до 10%. В частности, число их в образовании сократилось всего до четырех супермашин: в МГУ им. М.В.Ломоносова, Южно-Уральском госуниверситете, Санкт-Петербургском государственном политехническом университете и Нижегородском госуниверситете.

А имеет ли смысл вузу иметь в хозяйстве столь затратное оборудование? Одно обновление программного обеспечения требует внушительных средств. Кроме того, необходим штат высококвалифицированных специалистов для обслуживания супермашин, забота о соответствующем помещении, в котором должна располагаться высокопроизводительная система... Сплошная головная боль. Может, проще воспользоваться мощностями в центрах коллективного пользования или арендовать время для сложных расчетов в сторонних организациях?

За ответом на эти вопросы корреспондент "Поиска" обратился к ректору Южно-Уральского госуниверситета Александру ШЕСТАКОВУ (на снимке – справа).

– История параллельных вычислительных технологий в ЮУрГУ берет свое начало в 2002 году: тогда мы закупили у Института математики и механики Уральского отделения РАН 8-процессорный кластер, – рассказывает А.Шестаков. – В 2004 году на средства университета в рамках программы "Высокие компьютерные технологии науке и образованию" был приобретен более мощный – уже 36-процессорный суперкомпьютер, разработанный компанией "Т-Платформы" по специальному заказу. Он и составил основную техническую базу нашего Суперкомпьютерного центра. В 2006 году мы снова нарастили мощность нашего суперкомпьютера за счет средств ЮУрГУ. В результате текущая конфигурация "Infiniti" (такое имя носит наш суперкомпьютер) – 52 процессора, а пиковая производительность – 333 миллиарда операций в секунду (с плавающей точкой).

Кто и какие задачи решает на суперкомпьютере ЮУрГУ? Приведу только несколько примеров. Специалисты кафедры "Прикладная механика, динамика и прочность машин" (физический факультет), используя мощности "Infiniti", решают самые разные задачи: моделирование процессов изготовления труб для совершенствования технологий прокатки; проведение расчетов напряжений при контактных взаимодействиях деталей для совершенствования методов предсказания долговечности различных систем; моделирование импульсных процессов для совершенствования конструкций бронежилетов; расчет повреждений композитной конструкции с сотовым заполнителем при ударе, что поможет правильно оценить прочность композитных элементов крыльев самолетов.

На аэрокосмическом факультете суперкомпьютер ЮУрГУ позволяет вести многочисленные расчеты процессов в силовых установках. Вузовско-академический отдел нелинейной оптики (кафедра оптики и спектроскопии – физический факультет) ведет расчет зонных структур фотонных кристаллов. Область применения полученных в результате этой работы данных сегодня весьма актуальна: речь идет о возможности увеличения эффективности и снижения порога генерации лазеров, принципиально новых источников излучения с высокой яркостью, увеличения КПД солнечных батарей.

Специалисты кафедры системного программирования (механико-математический факультет) на базе "Infiniti" решают задачи линейного программирования большой размерности при эволюционирующей системе данных. Ведут исследования по экономическому планированию и прогнозированию финансовых рисков, оптимизации управления. Еще одно направление их работы связано с параллельными системами баз данных для иерархических кластерных архитектур и Grid-систем. Решаемые в этой области задачи: создание научных баз данных (хранение и обработка показаний датчиков ускорителей ядерных частиц), виртуальных обсерваторий; развитие электронных библиотек и мультимедиаархивов, систем электронной коммерции. На кафедре вычислительной и небесной механики суперкомпьютер позволяет вести исследования динамики малых тел Солнечной системы и процессов формирования планетных систем. На кафедре общей и теоретической физики (физический факультет) идут исследования структуры и свойств специальных сталей, используемых в медицине, химической и электротехнической промышленности. А на архитектурно-строительном факультете специалисты заняты компьютерным моделированием и проектированием строительных конструкций и инженерных сооружений. Среди решаемых ими уникальных задач – расчет и проектирование большепролетных сооружений, мостов и туннелей с учетом реальных условий эксплуатации. Кстати, данная тематика сегодня особенно актуальна: в последнее время, увы, все чаще поступают сообщения о разрушениях зданий. Избежать этих катастроф помогают точные расчеты. Когда у нас в городе шло строительство "Ледовой дорожки" – одного из крупнейших на сегодня в России крытого спортивного катка, именно ученые нашего вуза разработали проект крыши этого уникального сооружения.

В ближайших планах университета – оснастить "Infiniti" современным ПО для расчета строительства подобных зданий с учетом гидрогеологических условий и различных несимметричных нагрузок (ветровых, снеговых и т.д.). Кстати, в нашем регионе существует серьезная необходимость в проведении таких расчетов: уже сегодня строители обращаются в университет с заказами на испытание прочности крыш и других элементов сооружений.

В прошлом году был закуплен программный комплекс LS-Dyna, предназначенный для анализа высоконелинейных и быстротекущих процессов в задачах механики твердого и жидкого тела. Первыми его пользователями стали сотрудники кафедры "Прикладная механика, динамика и прочность машин". Для решения задач вычислительной гидрогазодинамики был приобретен программный комплекс CFX-5 разработки компании ANSYS (США).

Должен сказать, что освоение столь серьезного ПО – дело непростое. Но у специалистов университета есть огромное желание разобраться во всех тонкостях работы с современными высокопроизводительными системами. Судите сами: во время недавней лекции заместителя директора Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ Владимира Воеводина (на снимке – слева), посвященной проблемам параллельных вычислений, в зале пришлось поставить дополнительные стулья, столько желающих хотели услышать новую информацию по этой тематике. И такие выступления коллег из МГУ стали для нас уже традиционными. Кроме решения большого числа прикладных задач на базе СКЦ ЮУрГУ идут инновационные научные исследования в области метакомпьютинга и параллельных вычислительных технологий. Один из примеров – научный проект по интеграции ПО Grid и инженерных пакетов класса CFX, выполняемый кафедрой системного программирования в сотрудничестве с компанией Intel. Проекты в области системного программирования, подобные этому, можно проводить только на собственных вычислительных мощностях, так как они требуют доступ к суперкомпьютеру на уровне системного администрирования.

Уверен, СКЦ ЮУрГУ может стать инновационным центром в области параллельных вычислений для всего Урала. Создание на базе ЮУрГУ Уральского центра суперкомпьютерного моделирования позволит значительно снизить стоимость проведения опытно-конструкторских работ по заказам промышленных предприятий и будет способствовать тесной интеграции вуза с реальным сектором экономики.

Согласно прогнозам, в ближайшее время особенно резко возрастет спрос на специалистов по суперкомпьютерному моделированию и параллельному программированию. Остроту проблеме придает запуск в массовое производство персональных компьютеров с многоядерными процессорами. ЮУрГУ сегодня обеспечивает все уровни подготовки специалистов по информационным технологиям и суперкомпьютингу: бакалавриат, магистратура, аспирантура. Мы имеем широкий спектр специальностей и направлений, связанных с компьютерными технологиями, подготовку по которым ведут главным образом два факультета: механико-математический и приборостроительный. Велика потребность в мощностях СКЦ и на факультетах, не связанных напрямую с информационными технологиями: физическом, аэрокосмическом, архитектурно-строительном.

В начале нынешнего года ЮУрГУ совместно с Институтом вычислительной математики РАН начал масштабный проект, цель которого – разработка предложений по модернизации образовательных стандартов в области прикладной математики и информационных технологий. Руководитель проекта – академик РАН В.Воеводин. В рамках этой работы уже проанализированы учебные планы и программы рабочих дисциплин по всем предметам, связанным прямо или косвенно с параллельными вычислениями. Идет создание их экспериментальных вариантов, предусматривающих глубокое изучение студентами параллельных вычислительных технологий, начиная с первого курса.

Реализация проекта позволит обеспечить подготовку специалистов, бакалавров и магистров, владеющих современными параллельными вычислительными и суперкомпьютерными технологиями и способных эффективно применять их при проведении фундаментальных, прикладных исследований, выполнении опытно-конструкторских работ в различных областях науки и техники. Уже в следующем учебном году мы планируем осуществить апробацию новых планов и программ в учебном процессе.

Проект рассчитан на три года. На выходе мы должны получить проекты новых образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлениям "Прикладная математика и информатика", "Информационные технологии" и "Прикладные математика и физика".

Подводя итоги сказанному, хочу еще раз подчеркнуть: без наличия столь серьезной базы, как СКЦ ЮУрГУ, для качественной подготовки специалистов, востребованных современным рынком труда, трудно говорить о создании и эффективной работе современного инновационного университета. Потому в наших ближайших планах увеличение мощности суперкомпьютера "Infiniti" до одного терафлопа (триллион операций с плавающей точкой в секунду), приобретение специализированной системы хранения данных, учебного компьютерного класса на многоядерных процессорах, расширение спектра прикладного ПО для суперкомпьютерного моделирования.

Нина ШАТАЛОВА
Фото Леонида ПИЛЬНИКОВА
Газета «Поиск» No.19 за 19.05.06