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

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

2 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. Основные направления научно-исследовательских и прикладных работ ИТМФ РФЯЦ-ВНИИЭФ

3 Особенности классов решаемых задач: Одновременный учет большого числа взаимовлияющих физических процессов, таких как: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.Сложные многомерные геометрии. Значительные вычислительные затраты, обуславливающие необходимость расчетов в параллельном режиме с привлечением всех вычислительных ресурсов современных многопроцессорных ЭВМ.Значительные вычислительные затраты, обуславливающие необходимость расчетов в параллельном режиме с привлечением всех вычислительных ресурсов современных многопроцессорных ЭВМ.

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

5 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)

6 Создание кластеров по заказам других организаций ОрганизацияВыполненные работыДата «Саровские лабо- ратории», г.Саров кластер2005 «ФЭИ», г.Обнинск кластер; проект защищённой системы доступа к ЭВМ ИТМФ НПО «САТУРН», г.Рыбинск оптимальная структура кластера; прикладные программы 2005 МО РФ, г.Сергиев Посад кластер; сетевая инфраструктура предприятия 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 «ИТЭФ», г.Москва система защищенного доступа к ВЦКП ИТМФ; ИТЭФ ведет массовый счет на ЭВМ ВЦКП 2008 ПГТУ, г.Пермь кластер 4 Тфлопс2008 ФЯУ, г.Саров проект кластера на 8.6 Тфлопс2008 ННГУ, РНЦ КИ, Гипрогазцентр, МГУ, Технопарк организация доступа к ВЦКП ИТМФ; намерения организации доступа к ВЦКП ИТМФ; со-проектирование кластеров по 500 Тфлопс. 2008

7 Системные и специализированные программные средства, реализующие технологию высокопроизводительных параллельных вычислений HPC DiskLess Linux – ОЗУ резидентная бездисковая ОС, оптимизированная для высокопроизводительных вычислений NoM Suite - пакет программ и инструмент. средств измерения и анализа нестабильности («шума») функционирования HPC 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 ParallelDB - распределенный интерактивный отладчик MPI-приложений на базе IDE Eclipse и набор библиотек отладки приложений ЕСУЗ - единая система управления ресурсами и заданиями на неоднородном вычислительном комплексе ACT – пакет тестов ВНИИЭФ и система автоматического тестирования Супер-ЭВМ для оценки ее производительности, надежности и др. JAM - локальная система управления заданиями, оптимизированная для эффективного использования ресурсов PSS - интеллектуальная автоматизированная система интеграции программных пакетов в единый расчетный комплекс STK – инструментальные средства исследования эффективности выполнения параллельных приложений ScientificView - универсальное средство параллельной 3D визуализации и анализа результатов расчетов ИСМ - система мониторинга и управления аппаратными компонентами НВК ИТМФ Единый Формат Разреза - проблемно- ориентированная библиотека для унификации и оптимизации доступа к данным Статистика - система сбора и обработки информации о расчетах и загрузке ЭВМи другие программные продукты MPI/SMAD ЕСУЗ JAM ParallelDB Автоматизиров анная Система Тестирования ЕФР

8 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 OpenMP-приложений). Охваченные уровни: Создание заданий, управление комплексом ЭВМ, унификация доступа к ресурсам Управление кластером, планирование заданий Контроль эффективности, статистика Отладка Обработка файлов ScientificView, PIFS JAM ParallelDB ЕСУЗ Прикладные инструменты распараллеливания (параллельные библиотеки) ЕФР

9 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.

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

11 Программные коды РФЯЦ-ВНИИЭФ Класс решаемых задачМетодикиРазмерность Распарал- леливание (проц.) Газодинамика Гидродинамика Ударно-волновые процессы Теплопроводность ЛЭГАК-3D МИД ТРЭК, ДИАДА КОРОНА 2D, 3D 3D 2D >10000 >100 Тепломассоперенос, гидродинамика, напряженно- деформированное состояние ЛОГОС-22D, 3D Несколько тысяч Связанные задачи гидродинамики и упругопластики с одновременным моделированием процессов деформирования оболочек ГЕПАРД 2D 3D - >10000 в части гидродинамики Фильтрация и перенос примесей грунтовыми водами НИМФА3Dв разработке Молекулярно – динамическое моделирование МД3D3D>10000

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

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

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

15 Суперкомпьютерные технологии в атомной энергетике Участники кооперации ОКБМ РНЦ КИ Москва РФЯЦ- ВНИИЭФ АтомЭнергоПроект Москва, С-Пб, Н.Новгород +...

16 Суперкомпьютерные технологии в атомной энергетике Пилотный проект – ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, ОАО «ОКБМ Африкантов», ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» 1. Создан вычислительный центр коллективного пользования (ВЦКП) на базе РФЯЦ- ВНИИЭФ 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 3D 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

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

18 Оптимизация конструкции ТВСА 3D 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

19 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» Потенциал Министерства образования и науки Опыт Российской академии наук Производственно-технологическая база предприятий-разработчиков вычислительных систем Отечественная электронно- компонентная база Действующие отечественные программы по развитию отдельных компонент информационных технологий: развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники (ФЦП на ); российско-белорусская программа СКИФ-ГРИД ( ). Действующие отечественные программы по развитию отдельных компонент информационных технологий: развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники (ФЦП на ); российско-белорусская программа СКИФ-ГРИД ( ).

20 Основные задачи Программы 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. Создание крупных суперкомпьютерных центров мирового уровня в выделенных регионах России, оснащение их современными инженерными системами и необходимой инфраструктурой.

21 Основные задачи Программы Создание отечественного системного программного обеспечения для супер-ЭВМ. Развитие отечественной элементной базы для супер-ЭВМ. Создание общенациональной системы подготовки кадров в области суперкомпьютерных технологий. 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.

22 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.

23 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 р. Достижение Россией статуса одного из мировых лидеров XXI века в области суперкомпьютерных технологий.

24 Спасибо за внимание