Лаборатория Прикладная математика и механика Санкт-Петербургский государственный политехнический университет 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. Болдырев Юрий Яковлевич «Суперкомпьютерные технологии в научно-образовательной деятельности высшей технической школы»

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 TFLOP/S PFLOP/S EFLOP/S 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 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» и «Современное инженерное образование» 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 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 моделей- прототипов, 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 Поле скорости поперечного обтека- ния тандема цилиндров при числе Re= (V 0 D)/ = =1.4·10 5 (V 0 – скорость набега- ющего потока, D – диаметр цилиндра, - кинематическая вязкость). Задача обтекания тандема цилиндров (Лаборатории «Вычислительная аэроакустика и турбулентность» СПбГПУ, руководитель проф. М.Х.Стрелец) 2010 г. 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 до 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