Saint-Petersburg State Polytechnical University Конференция в Конференция в Рижском техническом Университете. 2012 г.) (10-11 сентября 2012 г.)Рига. Санкт-Петербургский. - презентация

1 Saint-Petersburg State Polytechnical University Конференция в Конференция в Рижском техническом Университете г.) (10-11 сентября 2012 г.)Рига. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Saint-Petersburg State Polytechnic University Болдырев Ю. Я. «СУПЕРКОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ и ИНЖЕНЕРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ» Boldyrev Iurii SUPERCOMPUTING TECHNOLOGY AND ENGINEERING EDUCATION

2 Saint-Petersburg State Polytechnical University Сведения об авторе доклада Болдырев Юрий Яковлевич - профессор, д.т.н., директор Отделения вычислительных ресурсов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, зав. каф. «Математическое и программное обеспечение высокопроизводительных вычислений»

3 Saint-Petersburg State Polytechnical University К истории формирования Политехнического образования в государствах, входивших в состав Российской империи. Начало летней истории высшего политехнического образования в России связано с созданием в 1852 году Рижского Политехникума, позднее Рижского Политехнического института. Отметим, что в его создании главную роль сыграла местная общественность, - представители интеллигенции и промышленники. Вуз был создан на их средства и по их инициативе. Государство оценило это подвижничество позже поддержав молодой технический вуз финансово выделив на его развитие рублей перед 1889 годом, когда вуз переехал в новое здание. Также отметим, что при создании в Санкт - Петербурге Политехнического института в 1899 году опыт Рижского Политехнического института был учтен в очень большой мере и между учеными двух вузов имелись весьма плодотворные контакты. Эта традиция продолжена и сегодня, - между РТУ и СПбГПУ заключен договор о сотрудничестве.

4 Saint-Petersburg State Polytechnical University ТЕПЕРЬ перейдем к существу доклада

5 Saint-Petersburg State Polytechnical University Примерный план (The Approximate Plan) Введение ( Introduction ) Суперкомпьютерные технологии ( Supercomputing Technology) Математическое моделирование (Mathematical Simulation) Математическое моделирование и инженерное знание (Mathematical Simulation and Engineering Knowledge) Компьютерные технологии и развитие промышленности во второй половине XX века (Computing Technology and Progress of the Industry in the second half of the XX century) Суперкомпьютерные технологии и инженерный анализ ( Supercomputing Technology and Engineering Analysis) Суперкомпьютерные технологии и их роль в инженерном образовании ( Supercomputing Technology and Engineering Education)

6 Saint-Petersburg State Polytechnical University Введение ( Introduction ) XX век быструю смену технологических укладов, от уклада, характеризуемого массовым использованием паровых двигателей в начале века, до технологического уклада, характеризуемого массовым применением компьютерных технологий в его конце. Важнейшую роль начиная со второй половины XX века сыграло и продолжает играть внедрение математического моделирование на базе компьютеров и их наиболее мощного сегмента суперкомпьютеров на основы инженерной деятельности. Появление суперкомпьютерных технологий сыграло и пока играет слабую роль в инженерном образовании, более того, пока не просматриваются даже полномасштабные пути исправления такого положения дел. Причем это проблема высшей школы практически всех передовых стран мира. Почему так происходит? На этот крайне важный вопрос мы и попытаемся найти здесь ответ.

7 Saint-Petersburg State Polytechnical University Сначала определимся - 1) С пониманием того, а что же есть суперкомпьютерные технологии? 2) Что такое математическое моделирование? Далее - 3) Установим связь между суперкомпьютерными технологиями и математическим моделированием как некоторым «над технологическим инструментарием». 4) Также установим связь между математическим моделированием и инженерным анализом и проектированием.

8 Saint-Petersburg State Polytechnical University Суперкомпьютерные технологии (Supercomputing Technology) Это следующие составляющие 1. Производство СуперЭВМ. 2. Разработка Программного обеспечения для СуперЭВМ. 3. Совокупность знаний и технологий для предметного использования СуперЭВМ. Мы остановимся на 3 позиции – применении СуперЭВМ в промышленности и затронем связанную с ней позицию 2.

9 Saint-Petersburg State Polytechnical University Математическое моделирование (Mathematical Simulation) М атематическое моделирование на основе компьютерных технологий превратилось в течение XX века в тотальный инструментарий высокоразвитых экономик, охватив науку, промышленность, социальную и иные сферы. Современное понимание существа математического моделирования начало формироваться в конце XIX начале XX веков. В его становлении выдающуюся роль сыграли труды Р. Фреше ( ) и Д. Гильберта ( ) и Р.Куранта ( ). Большую роль в формировании современной концепции математического моделирования сыграла Российская наука в лице А.А. Самарского ( ), О.М. Белоцерковского (р. 1927) и других выдающихся ученых.

10 Saint-Petersburg State Polytechnical University Приведем поблочное описание Концепции Математического моделирования, следуя А. А. Самарскому I блок. Составление математической модели явления, процесса, задачи и т.д. Это, вообще говоря, предметная область естественных и других наук, где составляются количественные соотношения для описываемых явлений и процессов. II блок. Анализ математической корректности построенной математической модели, описывающей нашу задачу. III блок. Переход от непрерывной математической модели к модели дискретной. IV блок. Анализ математической корректности вновь полученной дискретной задачи (на основе исходной). V блок. Написание алгоритма для дискретной задачи, то есть последовательности вычислительных шагов и его перенос на компьютер компьютер - программирование. VI блок. Отладка программы (или настройка программной системы на нашу задачу), то есть её тестирование, получение результатов и их анализ.

11 Saint-Petersburg State Polytechnical University Математическое моделирование и инженерное знание (Mathematical Simulation and Engineering Knowledge) Все современное естественнонаучное и инженерное знание есть совокупность многотысячелетнего человеческого опыта. В его основе многотысячелетний физический эксперимент, который служил людям с незапамятных времен примерно до конца XVIII века базой в создании всех машин и механизмов! Начало XIX века - массовое развитие железнодорожного транспорта и парового флота. Появляется необходимость масштабного создания теоретических основ того, что мы, сегодня, понимаем под инженерным анализом и проектированием. Вторая половина - конец XIX века, начало XX века, быстрый рост принципиально новых механизмом и машин, - формируются и новые требования к самому существу инженерного анализа. В течение XX века - революционное изменение инструментария исследования природы и всего того, что создается человеком, - многовековая практика физического эксперимента стала активно дополняться и заменяться экспериментом математическим. Физический эксперимент практически исчерпал свои возможности при создании новых типов машин и систем (либо из-за его большой сложности и дороговизны его проведения, либо по причине принципиальной его невозможности). Конечно, сказанное не следует понимать как полное отрицание физического эксперимента. Он, конечно, нужен и востребован как важный инструментарий в научных исследованиях и во многих натурных экспериментах. А там, где мы плохо знаем природу, такой эксперимент незаменим.

12 Saint-Petersburg State Polytechnical University Компьютерные технологии и развитие промышленности во второй половине XX века (Computing Technology and Progress of the Industry in the second half of the XX century) Эта тема крайне широка и принципиально сводится к рассмотрению научно-технического существа CALS – технологий или технологий непрерывной поддержки поставок и жизненного цикла продукции (Continuous Acquisition and Life cycle Support), (также, часто говорят о PLM – технологиях (Product Life Management)). Сущность CALS – или PLM – технологий состоит в описании и систематизации в рамках компьютерных технологий всех производственных и иных процессов, в которых рассматривается жизнь любого изделия от идеи его создания, проектирования, изготовления, жизни за пределами предприятия, т.е. его эксплуатация и обслуживания, вплоть до её окончания и утилизации.

13 Saint-Petersburg State Polytechnical University CAD / CAE / CAM Computer-Aided Design/Engineering/ Manufacturing DesignManufactureOperation CALS Technologies (Continuous Acquisition and Life cycle Support, или PLM Technologies, Product Lifecycle Management) ILS Integrated Logistic Support PDM - Product Data Management Standards, normative documents, catalogues ERP Enterprise Resource Planning

14 Saint-Petersburg State Polytechnical University При такой широкой постановке проблемы CALS – технологии содержат в себе экономические, управленческие и иные проблемы, которые, конечно, также составляют важные аспекты инженерного образования. Но здесь мы, сосредоточимся на основе инженерной деятельности, - на инженерном анализе и проектировании. Т.е. проектирование, инженерный анализ и передача его итогов в производство. Это реализуется наукоемкой триадой - цепочкой CAD/CAE/CAM – технологий, где традиционный последовательный подход к разработке изделий заменен принципиально новым, интегрированным подходом, получившим название «параллельное проектирование». CAD CAE CAM Σ (PDM) В его основе лежит идея совмещенного во времени проектирования изделия (CAD-design), выполнения системы инженерных расчетов (CAE-engineering) и, наконец, подготовки производства (CAM-manufacturing). Это позволяет использовать проектные данные, начиная с самых ранних стадий разработки изделия, одновременно различными группами специалистов, а затем их итоги передавать в PDM – блок.

15 Saint-Petersburg State Polytechnical University Таким образом, именно эта «триада» содержит в себе самое наукоемкое, естественнонаучное и инженерное ядро CALS– технологий. Итак, мы подошли к самому главному. Именно цепочка CAD/CAE/CAM – технологий, из которых наиболее трудными как в освоении, так и в реализации, безусловно, являются CAE – технологии, технологии компьютерного инжиниринга, лежит в основе современного инженерного анализа и проектирования. И в реализации их на основе суперкомпьютеров в промышленности, и во «встраивании» таких технологий в процесс подготовки кадров. И именно CAE – технологии должны составлять базис современного инженерного образования.

16 Saint-Petersburg State Polytechnical University Суперкомпьютерные технологии и инженерный анализ (Supercomputing Technology and Engineering Analysis) Развитие суперкомпьютерных технологий привело сегодня научное и инженерное сообщество к возможности ставить и решать такие классы естественнонаучных и инженерных задач, которые были немыслимы в корректной постановке для инженеров и исследователей даже лет тому назад. В части инженерных задач главным инструментом здесь являются CAE – технологии, в их суперкомпьютерных (многопроцессорных) реализациях, которые в производственном цикле взаимодействуют с CAD и CAM – технологиями. Суперкомпьютерные реализации CAE – технологий привели к принципиально новому качеству их применения в инженерной практике, существо которого состоит в том, что появилась возможность решать междисциплинарные задачи, близкие по своей постановке к задачам реального физического мира, в нашем случае мира машин, механизмов и систем, создаваемых в сфере промышленного производства.

17 Saint-Petersburg State Polytechnical University Приведем характерный пример Make an example Расчет течения в проточной части турбины Саяно – Шушенской ГЭС (2006 – 2007 гг.). Для проведения расчета для характерного варианта требовалось 3 месяца на 6 узлах вычислителя, то есть с использованием 24-процессорных ядер (каждый узел вычислителя был оснащён двумя двухъядерными процессорами AMD Opteron 275). При этом область течения разбивалась на 24 части с числом расчетных узлов в В процессе решения задачи не удалось получить результаты в рамках её нестационарной поста- новки, так как для этого требовалось как минимум около 38 миллионов расчетных узлов. Причиной невозможности получения решения было отсутствие на тот момент времени у рабочей группы адекватных поставленной задаче вычислительных ресурсов

18 Saint-Petersburg State Polytechnical University Но! Пример показывает лишь начальный «первичный» подход к постановке задачи где анализируется только характер течения. Реальная же полномасштабная постановка инженерной задачи несопоставимо сложней! Поскольку она существенно междисциплинарна! Действительно, к гидродинамической постановке задачи мы должны присоединить, как минимум эффект гидроупругости, а также описание кавитации, которые при больших давлениях жидкости становятся весьма значимыми. Т.о. задачи реальной инженерной практики при их корректной постановке, представляются совокупностью связанных краевых или начально – краевых задач математической физики. А это приводит к большой вычислительной ресурсоемкости при их решении! Еще сложнее обстоит проблема оптимизации характеристик технических изделий, где, например, в нашем случае, междисциплинарная задача для гидротурбины, есть связанная с каким либо функционалом задача Лагранжа вариационного исчисления!

19 Saint-Petersburg State Polytechnical University Представляется, что в самом ближайшем будущем мы станем свидетелями перехода к этапу промышленных разработок, опирающихся на оптимизацию нестационарных режимов работы узлов и агрегатов практически всех машин и систем. При этом такие методы оптимизации будут определяться передовыми техноло- гиями математического моделирования на основе суперкомпьютеров, что должно сопровождаться мощным ростом их произ- водительности для инженерного анализа, - как минимум на порядок в сравнении с передовыми современными системами. Имеется, например, оценка по оптимальному проектированию реактивного двигателя, - Петафлопсная система «Ломоносов» (МГУ им.М.В. Ломоносова) должна работать непрерывно около 7 лет! Т.е. для такого класса задач нужны уже Экзафлопсные вычисления (10 18 опер/сек) !

20 Saint-Petersburg State Polytechnical University Суперкомпьютерные технологии и их роль в инженерном образовании (Supercomputing Technology and Engineering Education) Центральной проблемой, обуславливающей трудности и вопросы, встречающиеся на пути широкого внедрения суперкомпьютерных технологий в инженерное образование, является их универсальный и всеобъемлющий характер. Сущность универсальности в том, что суперкомпьютерные технологии позволяют в максимальном объеме реализовать технологии матмоделирования, т.е. ставить и решать во всей полноте междисциплинарные задачи, которые, как указывалось, дают возможность весьма близко подойти к описанию реального физического мира. При этом реализуется вся цепочка от постановки задачи, выбора вычислительных схем с требуемой быстротой получения результата и точностью, при этом инженер получает возможность полномасштабной визуализации результатов инженерного анализа. Но такой высокое, и все более нарастающее в своих возможностях качество описания мира техники, требует и все более высокого уровня освоения инженерным сообществом самих фундаментальных основ инженерного знания!

21 Saint-Petersburg State Polytechnical University При этом сами эти основы инженерного знания становятся малоразличимыми со знанием естественнонаучным. Именно здесь, как видится, суть проблемы слабого внедрения суперкомпьютерных технологий в инженерное образование, - высшая техническая школа, в своем подавляющем большинстве, не готова и во многих случаях принципиально не способна к радикальной перестройке учебного процесса на такие технологии. Итак, полномасштабное внедрение CAE – технологий в их связке с CAD и CAM – технологиями и внедрение суперкомпьютеров, революционно изменявших весь процесс инженерной деятельности, требует радикальной перестройки образовательного процесса подготовки инженерных кадров. Сущность этой перестройки состоит в том, что инженерная деятельность, в рамках названных технологий, будет все более и более приобретать характер деятельности исследовательский, опирающейся на фундаментальное знание.

22 Saint-Petersburg State Polytechnical University При этом, как представляется, в недалеком будущем произойдет смена самой парадигмы инженерной деятельности. Что же имеется в виду? Если мы рассмотрим все последовательные этапы деятельности инженеров – разработчиков новой техники и систем (конструкторов, расчетчиков, проектировщиков и т.д.), т.е. тех категорий, которые заняты созданием новых машин, механизмов и систем, то эта деятельность в ближайшем будущем «обречена» на все более и более творческий характер, при которой сама проектно – конструкторская, рутинная, расчетно-технологическая работа, будет возложена на расчетно технологические вычислительные среды (аппаратно – программные системы, реализующие CAD/CAE/CAM – технологии). Роль инженера разработчика будет определяться главным образом творческой деятельностью, - разработкой концепции нового изделия, включая определение его эксплуатационно - технических характеристик, а также эффективность и быстроту его производства.

23 Saint-Petersburg State Polytechnical University Вообще, направлений для проведения исследований в данной сфере, мне видится, два: I) Фундаментальные аспекты инженерных наук, связанные с особенностями постановок задач на суперкомпьютерах. II) Собственно суперкомпьютерные вопросы, т.е. технологии решения (прохождения) задач на суперкомпьютерах. Задача ведущих технических вузов состоит в том, чтобы: во – первых, предложить концепцию инженерного образования на базе суперкомпьютерных технологий, некоторые контуры которой здесь намечены, во-вторых, определить ту группы дисциплин, которые будут составлять некоторое универсальное ядро – основу такого образования, по крайней мере для групп специальностей.

24 Saint-Petersburg State Polytechnical University БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ