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 - 10 12 1 PFLOP/S - 10 15 1 EFLOP/S - 10 18 Самая мощная Российская система «Ломоносов» (МГУ) имеет производительность 1, 7 PFLOP/S, Самая мощная система в мире «Titan Cray XK 7» 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 результатов мы должны моделировать РЕАЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ МИР! 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 СПб. ГПУ (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: Super. Computer Simulation Based Design - моделирование на основе суперкомпьютеров и выполнение много модельных и много вариантных расчетов, включая 1) Super. Computer (Multi. Scale/Multi. Stage/Multi. Disciplinary/Multi. Technology где реализуется триада: многомасштабность/многостадийность/ мультидисциплинарность + мультитехнологичность. 2) Super. Computer (Material Science * Mechanics) (Multi**3) - одновременное проектирование и создание материалов и элементов конструкций из них - объединение механики материалов и конструкций. 3) Super. Computer (Smart. Mat*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 Mock. Up / 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 СПб. ГПУ 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» СПб. ГПУ, руководитель проф. М. Х. Стрелец) 2010 г. Поле скорости поперечного обтекания тандема цилиндров при числе Re= (V 0 D)/ = =1. 4· 105 (V 0 – скорость набега- ющего 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 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
Скачать презентацию Лаборатория Прикладная математика и механика Санкт-Петербургский государственный политехнический
60c9abbea3323142a5f2799f2376e305.ppt