Прикладная математика и механика - Санкт

Лаборатория Прикладная математика и механика
Санкт-Петербургский государственный политехнический
университет
Болдырев Юрий Яковлевич
«Суперкомпьютерные технологии в научно-образовательной
деятельности высшей технической школы»
Кафедра «ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА»,
учебно-научная лаборатория
«Математическое и программное обеспечение высокопроизводительных
вычислений»,
(Институт Прикладной Математики и Механики),
Межкафедеральная лаборатория «Прикладная математика и механика»,
«Отделение информационно - вычислительных ресурсов» ДИВТ.
Февраль 2013 г
В своем кратком сообщении я опираюсь на опыт подразделений нашего
вуза, возглавляемых Боровковым А.И., Заборовским В.С.,
Карповым Ю.Г., Смирновым Е.М., Стрельцом М.Х. и ряда других.
Лаборатория Прикладная математика и механика
Цель сообщения – показать членам НТС важнейший мировой «тренд»
в инженерном и естественнонаучном анализе, основанном на прорывных
компьютерных технологиях.
Важнейший тезис. В конце 19 начале 20 века физический
эксперимент стал активно заменяться экспериментом математическим,
т.е. резко возросла роль теоретических подходов, как в естественных, так
и инженерных науках. С появлением ЭВМ во второй половине 20 века этот
процесс стал «лавинообразным»!
Итог, - сегодня математическое моделирование на базе компьютерных
(суперкомпьютерных)
технологий
превратилось
в
тотальный
инструментарий всех без исключения отраслей экономики.
Концепция «Simulation Based Design» - «Моделирование как основа
проектирования»
основополагающая
для
ВСЕХ
ОТРАСЛЕЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ во всех передовых экономиках мира!
Почему суперкомпьютерные технологии!?
Т.е. что отличает суперкомпьютер от компьютера!?
Сверхвысокая
производительность!
Суперкомпьютер
–
система
(сосредоточенная – не смешиваем с вычислительной грид - сетью)
имеющая производительность на 3-4 порядка большую чем массово
распространенные системы.
Лаборатория Прикладная математика и механика
Производительность
вычислительных
систем
измеряют количеством операций с плавающей точкой в
секунду FLOP/S)
1 GFLOP/S - 109
1 TFLOP/S - 1012
1 PFLOP/S - 1015
1 EFLOP/S - 1018
Самая мощная Российская система «Ломоносов» (МГУ)
имеет производительность 1,7 PFLOP/S,
Самая мощная система в мире «Titan Cray XK7» имеет
производительность 17,59 PFLOP/S (см. далее)
Самая
мощная
система
в
Политехническом
университете
имеет
производительность 3,7 TFLOP/S,
остальные до 2 TFLOP/S
Лаборатория Прикладная математика и механика
Первые системы мирового рейтинга TOP - 500
Зачем нужны такие вычислительные системы!?
Пример. По ряду оценок полномасштабная задача проектирования,
включая оптимизацию характеристик, современного авиадвигателя
требует около 7 (!!!) лет непрерывной работы суперкомпьютера
«Ломоносов».
Но это задачи стратегического развития страны, её науки,
промышленности и обороноспособности!
И, конечно, высшего инженерного образования!
Лаборатория Прикладная математика и механика
Естественен вопрос. А почему при расчете того же авиадвигателя необходимы
такие «чудовищные» объемы вычислений!?
Ответ прост - для получения высокоточных
моделировать РЕАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ МИР!
результатов
мы
должны
А он глубоко междисциплинарен (мультидисциплинарен)! Например горение, это и аэродинамика и тепло массообмен, излучение и, наконец, физико –
химическая кинетика! Т.е. мы имеем совокупность связанных начально-краевых
или краевых задач математической физики, решение которых требует очень
больших вычислительных ресурсов!
Мировой опыт показывает, что только при максимально приближенном к
реальности описании явлений и разрабатываемых на базе суперкомпьютерных
систем мы получаем технологические прорывы!
Это наглядно иллюстрируется материалами на только что опубликованных
материалов «Компьютерный инжиниринг» - 2012 и «Современное инженерное
образование» - 2012 авторский коллектив каф. «Механика и процессы управления»
НИУ СПбГПУ (рук. Боровков А.И.). Материалы разработаны в рамках проекта
«Промышленный и технологический форсайт РФ на долгосрочную перспективу»
Лаборатория Прикладная математика и механика
Действительно, приведем всю гамму промышленных
технологий на основе
суперкомпьютеров:
SuperComputer Simulation Based Design - моделирование на основе
суперкомпьютеров и выполнение много модельных и много вариантных
расчетов, включая
1) SuperComputer (MultiScale/MultiStage/MultiDisciplinary/MultiTechnology где реализуется триада: многомасштабность/многостадийность/
мультидисциплинарность + мультитехнологичность.
2) SuperComputer (Material Science * Mechanics) (Multi**3) одновременное проектирование и создание материалов и элементов
конструкций из них - объединение механики материалов и конструкций.
3) SuperComputer (SmartMat*Mech)*(Multi**3) Simulation and Optimization
Based Design / Engineering (применение Smart-материалов / «умных»
материалов, применение разных видов оптимизации параметрической,
многомерной, многокритериальной и т.д.), + оптимизации технологических
процессов и т.д. с расширением до Based Product Development и
переходом к– виртуальной разработке продукции / изделий .
И на базе этих подходов итоговая цифровая продукция: Digital MockUp / Digital Manufacturing («цифровой прототип» – виртуальная, цифровая
3-D модель изделия и всех его компонентов, позволяющая исключить из
процесса разработки изделия создание дорогостоящих натурных моделейпрототипов, позволяющая «измерять» и моделировать любые характеристики
объекта в любых условиях эксплуатации /«цифровое производство» – как
основные компоненты «умных» заводов и фабрик).
Лаборатория Прикладная математика и механика
Проблема в том, что все эти технологии крайне слабо
используются в учебном процессе, притом фрагментарно.
Слабое утешение, что в других вузах немногим лучше!
Главная проблема - необходимость КОРЕННОЙ перестройки
учебного процесса с опорой на фундаментальные знания! Ведь
рассматриваемые технологии требуют смены всей ПАРАДИГМЫ
инженерной деятельности, делая её мало различимой с
деятельностью исследовательской.
О научной деятельности и суперкомпьютерных технологиях.
В нашем вузе имеется несколько научных групп, которые
работают на мировом уровне и являются лидерами в России.
Это лаборатории:
«Вычислительная аэроакустика и турбулентность» (рук.
проф. М.Х.Стрелец), «Вычислительная механика» (рук. проф.
А.И.Боровков), «Гидроаэродинамика» (рук. проф. Е.М.Смирнов),
лаборатория кафедры «Распределенные вычисления и
компьютерные сети» (рук. проф. Ю.Г.Карпов), «Телематика и
компьютерные технологии» (рук. проф. В.С.Заборовский) и др.
Лаборатория Прикладная математика и механика
.
Как мы выглядим в России!? Сотрудники университета
активно участвуют во всех важнейших Всероссийских и
международных конференциях, симпозиумах и школах:
«Научный сервис в сети Интернет» (МГУ им. Ломоносова),
«Параллельные вычислительные технологии» (ПАВТ) (в
СПбГПУ проводилась в 2008), Международный
суперкомпьютерный форум (США), выступая на них с
ключевыми докладами (Боровков А.И., Заборовский В.Г.,
Карпов Ю.Г., Смирнов Е.М., Стрелец М.Х., Болдырев Ю.Я., и
др.). Являясь одним из основателей Суперкомпьютерного
консорциума университетов России (президент, ректор МГУ
им. М.В.Ломоносова В.А.Садовничий) Политехнический
университет активно развивает направление работ по
суперкомпьютерным проблемам инженерного образования,
являясь признанным лидером в данной области
Чтобы понимать, уровень работ вуза приведем характерный
пример, - работу выполненную в лаборатории:
«Вычислительная аэроакустика и турбулентность» (рук.
проф. М.Х.Стрелец).
Лаборатория Прикладная математика и механика
Задача обтекания тандема цилиндров
(Лаборатории «Вычислительная аэроакустика и турбулентность»
СПбГПУ, руководитель проф. М.Х.Стрелец) 2010 г.
Поле скорости
поперечного обтекания тандема
цилиндров при
числе Re= (V0D)/=
=1.4·105 (V0 –
скорость набегающего потока, D –
диаметр цилиндра,
 - кинематическая
вязкость).
Задача считалась на суперкомпьютере «Intrepid» Blue Gene/P Лаборатории
Argonne National Lab (США) на 8160 узлах. Каждый узел содержит два
4-х ядерных процессора. В расчетах было использовано от 16320 до 65280
процессорных ядер! Сетка, содержит примерно 60 миллионов узлов. Характерный
расчет шел около 11 суток. Это результаты мирового уровня.
Лаборатория Прикладная математика и механика
Сегодня в вузе достаточно много многопроцессорных вычислительных
систем из них 4 (производительностью свыше 1 ТФлопс) в «Отделении
информационно - вычислительных ресурсов» ДИВТ.
Отметим, что направление суперкомпьютерных технологий отнесено к
важнейшим направлениям модернизации и технологическому развитию
экономики страны, в рамках развития стратегических информационных
технологий, включая суперкомпьютерные технологии.
Вместе с тем, к сожалению, следует отметить, что работы по
суперкомпьютерным технологиям не достаточно поддерживаются
Министерством - наш федеральный ЦКП ЦЕНТР Коллективного
Пользования «Наукоемкие компьютерные технологии для нужд науки,
образования и промышленности на основе высоко производительных
вычислительных систем» (основан в 2003 г.). Профинансирован 1 раз в
2005 г.
В настоящее время в вузе запланировано создание
Суперкомпьютерного центра, предложения по проекту которого
подготовлены профессорами Болдыревым Ю.Я., И Заборовским В.С.
(проект одобрен Правительственной комиссией 16 мая 2012 года).
Лаборатория Прикладная математика и механика
Благодарю за внимание
А. И.Боровкова,, Д.Ю Райчука,
М.Х.Стрельца и И.Г. Черноруцкого за
внимание к теме и обсуждение