Развитие отечественных суперкомпьютерных технологий Костюков В Е

Развитие отечественных суперкомпьютерных технологий Костюков В. Е. , Соловьев В. П. , Р. М. Шагалиев Саров, 2008

Основные направления научно-исследовательских и прикладных работ ИТМФ РФЯЦ-ВНИИЭФ § § § § § Ядерная и нейтронная физика; Газовая динамика и физика взрыва; Физика высоких плотностей энергии; Электродинамика и физика плазмы; Магнитная гидродинамика и физика сверхсильных магнитных полей; Лазерные и электрофизические исследования; Математическое моделирование физических процессов; Системное и прикладное программирование; Развитие отечественных суперкомпьютерных технологий и разработка высокопроизводительных ЭВМ; Технология создания высокоскоростных компьютерных сетей.

Особенности классов решаемых задач: • Одновременный учет большого числа взаимовлияющих физических процессов, таких как: – гидродинамика сложных течений; – перенос энергии и частиц (нейтронов, фотонов, электронов и т. д. ); – турбулентное перемешивание; – прочность, разрушение и многих других. • Сложные многомерные геометрии. • Значительные вычислительные затраты, обуславливающие необходимость расчетов в параллельном режиме с привлечением всех вычислительных ресурсов современных многопроцессорных ЭВМ.

Комплексный подход Разработка вычислительных систем среднего класса Разработка высокопроизводительных ЭВМ Разработка архивных систем Создание Физических моделей Направления работ РФЯЦ-ВНИИЭФ по созданию комплексных суперкомпьютерных технологий Системное программное обеспечение ПО для обработки и представления результатов расчетов Прикладные программные комплексы Создание защищенных сетей Развитие численных методов для математического моделирования Проведение моделирования по заказам сторонних организаций

В настоящее время в РФЯЦ-ВНИИЭФ успешно выполняется программа по оснащению семейством совместимых высокопроизводительных вычислительных комплексов (ВК), которое, включает в себя несколько кластеров: Дата создания Место в России (на момент создания) 01. 2001 1 08. 2003 2 10. 2004 1 12. 2005 2 12. 2006 1 12. 2007 1

Создание кластеров по заказам других организаций Организация Выполненные работы Дата «Саровские лаборатории» , г. Саров кластер 2005 «ФЭИ» , г. Обнинск кластер; проект защищённой системы доступа к ЭВМ ИТМФ 2005 2007 оптимальная структура кластера; прикладные программы 2005 кластер; сетевая инфраструктура предприятия 20072009 ВЦКП ИТМФ для удаленного счета; включен кластер 5 Тфлопс; создается новый кластер 20 Тфлопс 2008 «ОКБМ» , г. Нижний Новгород кластер 1 Тфлопс, идет разработка; система защищенного доступа к ВЦКП ИТМФ; ОКБМ ведет счет на ЭВМ ВЦКП; параллельные прикладные программы 20062008 «ИТЭФ» , г. Москва система защищенного доступа к ВЦКП ИТМФ; ИТЭФ ведет массовый счет на ЭВМ ВЦКП 2008 ПГТУ, г. Пермь кластер 4 Тфлопс 2008 ФЯУ, г. Саров проект кластера на 8. 6 Тфлопс 2008 организация доступа к ВЦКП ИТМФ; намерения организации доступа к ВЦКП ИТМФ; со-проектирование кластеров по 500 Тфлопс. 2008 НПО «САТУРН» , г. Рыбинск МО РФ, г. Сергиев Посад ННГУ, РНЦ КИ, Гипрогазцентр, МГУ, Технопарк

БСППО - ПАКЕТ БАЗОВОГО СИСТЕМНОГО И ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЗРАБОТКИ ВНИИЭФ ДЛЯ СУПЕР-ЭВМ Системные и специализированные программные средства, реализующие технологию высокопроизводительных параллельных вычислений HPC Disk. Less Linux – ОЗУ резидентная бездисковая ОС, оптимизированная для высокопроизводительных вычислений MPI/SMAD – масштабируемая эффективная библиотека MPI для высокопроизводительных коммуникационных сред PMLP/Parsol - библиотека последовательных и параллельных решателей разреженных линейных систем PIFS - параллельная Иерархическая Файловая Система высокопроизводительного ввода-вывода и многоуровневого хранения данных MPI/SMA D No. M Suite - пакет программ и инструмент. средств измерения и анализа нестабильности ( «шума» ) функционирования HPC Parallel. DB - распределенный интерактивный отладчик MPI-приложений на базе IDE Eclipse и набор библиотек отладки приложений ЕСУ З ЕСУЗ - единая система управления ресурсами и заданиями на неоднородном вычислительном комплексе JAM - локальная система управления заданиями, оптимизированная для эффективного использования ресурсов Parallel. DB Автоматизир ованная Система Тестировани я STK – инструментальные средства исследования эффективности выполнения параллельных приложений ИСМ - система мониторинга и управления аппаратными компонентами НВК ИТМФ Статистика - система сбора и обработки информации о расчетах и загрузке ЭВМ ACT – пакет тестов ВНИИЭФ и система автоматического тестирования Супер-ЭВМ для оценки ее производительности, надежности и др. PSS - интеллектуальная автоматизированная система интеграции программных пакетов в единый расчетный комплекс Scientific. View - универсальное средство параллельной 3 D визуализации и анализа результатов расчетов ЕФР Единый Формат Разреза - проблемноориентированная библиотека для унификации и оптимизации доступа к данным и другие программные продукты

Интегрированная среда обеспечения работы крупного ВЦ Составляющие подсистемы: –Единая система управления заданиями и ресурсами НВК ЭВМ ВЦ (единое информационное пространство, ядро интегрированной среды…). –Масштабируемая система управления заданиями и ресурсами отдельной ЭВМ НВК. –Система создания, сохранения и обработки многомерных данных (ЕФР, ПФС, ПАС). –Система анализа и контроля эффективности выполнения приложений (качество –параллельного программирования, количественная оценка эффективности счета). –Отладчик параллельных приложений (отладка MPI- и Open. MP-приложений). Охваченные уровни: ЕСУ З Parallel. DB Прикладные инструменты распараллеливания (параллельные библиотеки) ЕФР JAM Создание заданий, управление комплексом ЭВМ, унификация доступа к ресурсам Управление кластером, планирование заданий Контроль эффективности, статистика Отладка Обработка файлов Scientific. View, PIFS

Библиотека параллельных решателей разреженных линейных систем Оптимизированная, объектно-ориентированная, переносимая, последовательная и параллельная библиотека на технике MPI и тредов для ОС Linux, AIX и Windows. Разрабатывается с 1996 г.

Параллельная система постобработки Scientific. View Графический и численный анализа расчетных данных (структурированных, неструктурированных сеточных и безсеточных – частицы, молекулы, кластеры) в скалярном и параллельном режиме. Параметры обрабатываемых данных: Размерность данных: 2 D и 3 D Сравнение с аналогами: Скорость чтения данных по сравнению с Para. View (PVTS) выше в 4 раза, сопоставимая скорость работы алгоритмов при меньших затратах ресурсов Основной файловый формат – ЕФР, возможно внедрение новых Объем обрабатываемых данных: более 1 млрд. структурированных ячеек, с использованием более 100 процессоров

Программные коды РФЯЦ-ВНИИЭФ Класс решаемых задач Методики Размерность Распараллеливание (проц. ) Газодинамика Гидродинамика Ударно-волновые процессы Теплопроводность ЛЭГАК-3 D МИД ТРЭК, ДИАДА КОРОНА 2 D, 3 D 3 D 2 D >10000 >100 Тепломассоперенос, гидродинамика, напряженнодеформированное состояние ЛОГОС-2 2 D, 3 D Несколько тысяч Связанные задачи гидродинамики и упругопластики с одновременным моделированием процессов деформирования оболочек ГЕПАРД 2 D 3 D >10000 в части Фильтрация и перенос примесей грунтовыми водами НИМФА 3 D в разработке Молекулярно – динамическое моделирование МД 3 D >10000 гидродинамики

Программные пакеты РФЯЦ-ВНИИЭФ для расчетного моделирования на Супер-ЭВМ Трёхмерный программный комплекс Данко для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций Пакеты программ разработки РФЯЦВНИИЭФ Методики, пакеты программ для различных приложений в промышленности, медицине, образовании Моделирование аварийных ситуаций на промышленных объектах и последствий техногенных катастроф ЛОГОС-2. Расчёт задач тепломассопереноса в сложных трёхмерных конструкциях на многопроцессорных ЭВМ Пакеты программ прецизионного моделирования на супер-ЭВМ нейтроно-физических, теплогидравлических и связанных процессов в ЯЭУ (типа ВВЭР)

Computations (EGIDA-3 D) Buoyant jet (gas dynamics) Shock loaded cylindrical shell (elastoplasticity) EGIDA Pipeline failure (coupled-physics problem) HE explosion water pipeline Turbulent mixing (viscous fluid) experiment

Совместное использование вычислительных ресурсов является настоятельной необходимостью и общепринятой мировой практикой В настоящее время создана развитая вычислительная сеть объединяющая подразделения РФЯЦВНИИЭФ и обеспечен удаленный доступ к вычислительным ресурсам ЭВМ ВЦ РФЯЦ-ВНИИЭФ внешним организациям. Каналы связи для доступа к вычислительным ресурсам РФЯЦ-ВНИИЭФ

Суперкомпьютерные технологии в атомной энергетике Участники кооперации ОКБМ РНЦ КИ РФЯЦВНИИЭФ Москва Атом. Энерго. Проект Москва, С-Пб, Н. Новгород +. . .

Суперкомпьютерные технологии в атомной энергетике Пилотный проект – 2008. ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, ОАО «ОКБМ Африкантов» , ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» 1. Создан вычислительный центр коллективного пользования (ВЦКП) на базе РФЯЦВНИИЭФ для решения задач расчетного моделирования организациями Росатома. В составе ВЦКП супер-ЭВМ суммарной производительностью 25 терафлопс. 2. Обеспечено проведение расчетов специалистами ОКБМ на ресурсах ВЦКП. С этой целью: - Отработана технология защищенного удаленного доступа сторонних организаций к вычислительным ресурсам ВНИИЭФ и их совместного использования; - Создан канал удаленного доступа специалистов ОКБМ к ресурсам ВЦКП. 3. Завершены этапы работ по созданию и верификации отечественных программных пакетов 3 D инженерного анализа разработки РФЯЦ-ВНИИЭФ; 4. Проведенное специалистами ОКБМ и РФЯЦ-ВНИИЭФ расчетное моделирование на супер-ЭВМ ВЦКП позволило решить ряд практически важных для проектных работ ОКБМ задач, в частности, обоснование некоторых проектных решений для РУ ВБЭР -300. Продемонстрирована возможность достижения нового качества проектирования и создания АЭС при использовании суперкомпьютерных технологий

Реакторная установка РИТМ – 200 Исследование неизотермического смешения потоков теплоносителя с целью оптимизации конструкции камеры смешения для получения температурной однородности потока на выходе Поле температуры на внешней стенке РУ РИТМ - 200 Расчётная сетка: – 36 млн. ячеек Время расчёта на супер – ЭВМ: – 10 суток Теоретическое время расчета на персональной ЭВМ: – более 1 года

Оптимизация конструкции ТВСА 3 D расчеты 57 -стержневой модельной сборки в интересах оптимизации конструкции перспективной ТВС для ЯЭУ ВВЭР-100, ВБЭР-300 Расчётная сетка – 96 млн. ячеек Число использованных процессоров супер-ЭВМ – 680 Время расчёта – 4 часа Время расчета на ПЭВМ ~ 2 месяца

Развитие отечественных суперкомпьютерных технологий. База для решения задачи Предпосылки Российская школа разработки методов математического моделирования Опыт разработки и внедрения суперкомпьютерных технологий в ядерных центрах Госкорпорации «Росатом» Производственно-технологическая база предприятий-разработчиков вычислительных систем Опыт Российской академии наук Потенциал Министерства образования и науки Отечественная электроннокомпонентная база Действующие отечественные программы по развитию отдельных компонент информационных технологий: • развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники (ФЦП на 2008 -2015); • российско-белорусская программа СКИФ-ГРИД (2007 -2010).

Основные задачи Программы Создание крупных суперкомпьютерных центров мирового уровня в выделенных регионах России, оснащение их современными инженерными системами и необходимой инфраструктурой. Проектирование и разработка базового ряда супер-ЭВМ из отечественных компонент. Создание конкурентоспособной с зарубежным рынком индустрии производства супер-ЭВМ из отечественных компонент и оснащение ими суперкомпьютерных центров. Создание индустрии отечественного импортозамещающего конкурентоспособного программного обеспечения для комплексного имитационного моделирования на супер-ЭВМ. Достижение уровня одного из мировых лидеров на рынке прикладного программного обеспечения.

Основные задачи Программы Создание отечественного системного программного обеспечения для супер-ЭВМ. Объединение суперкомпьютерных центров высокоскоростными информационно-вычислительными сетями, в том числе в защищенном исполнении, и обеспечение доступа к вычислительным ресурсам предприятий и организаций ведущих отраслей промышленности, науки, образования. Развитие отечественной элементной базы для супер-ЭВМ. Создание общенациональной системы подготовки кадров в области суперкомпьютерных технологий.

Основные задачи Программы Внедрение разработанных отечественных компонент суперкомпьютерных технологий в наукоемкие работы ведущих отраслей: -Госкорпорации «Росатом» ; - «Объединённой авиастроительной корпорации» ; - Министерства энергетики РФ; -Министерства обороны РФ; -ФСБ РФ; -МЧС РФ; -Министерства промышленности и торговли РФ; -Министерства связи и массовых коммуникаций РФ; -Госкорпорации «Ростехнологии» ; - «Российской корпорации нанотехнологий» ; - «Объединённой судостроительной корпорации» , -организаций и институтов РАН, Министерства образования и науки РФ.

СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ЦЕЛИ Создание основы для эффективной реализации «Программы приоритетных задач социально-экономического развития Российской Федерации» , утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. № 1662 -р. Достижение Россией статуса одного из мировых лидеров XXI века в области суперкомпьютерных технологий.

Спасибо за внимание