ГРИД-СЕРВИСЫ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ХИМИИ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ Институт проблем химической физики РАН г. Черноголовка Д.ф.-м.н. Волохов В.М. Варламов Д.А., - презентация

1 ГРИД-СЕРВИСЫ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ХИМИИ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ Институт проблем химической физики РАН г. Черноголовка Д.ф.-м.н. Волохов В.М. Варламов Д.А., Волохов А.В., Пивушков А.В., Покатович Г.А., Сурков Н.Ф. ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

2 Вычислительная химия изучение строения вещества; строение молекул и структура твердых тел; создание материалов с заранее заданными свойствами; кинетика и механизм сложных химических реакций; химическая физика процессов горения и взрыва; газодинамика экстремальных состояний; химическая физика процессов образования и модификации полимеров; предсказательное моделирование наноструктур и нанотехнологии; общие проблемы химической физики ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

3 Вычислительная химия как фундамент иерархического моделирования материальных объектов ab initio 1.Квантово-механическое моделирование методами ab initio – для малых кластеров с числом атомов Квантово-статистический уровень - окружение кластеров 3.Кинетический уровень – эволюция неравновесных систем из сотен кластеров в различных внешних условиях (методы молекулярной динамики) 4.Мезоуровни и уровень сплошных сред (вязкость, теплопроводность, коэффициенты трения и прочие макроскопические процессы в материалах, а также волновые процессы в элементах) 5.модели уровня материальных объектов и конструкций (методы конечных элементов, теория механизмов и машин, теория сложных систем ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова на каждом более нижнем уровне вычисляются параметры и переменные, необходимые для построения моделей более высокого уровня

4 Программа 13 фундаментальных исследований Президиума РАН на годы «Проблемы создания национальной научной распределенной информационно-вычислительной среды на основе развития GRID технологий и современных телекоммуникационных сетей», проект «Исследование методов виртуализации вычислительных сред и приложений в области вычислительной химии. Динамическое формирование параллельных программных сред на распределенных ресурсах»; Программа 27 фундаментальных исследований Президиума РАН на годы «Основы фундаментальных исследований наноматериалов», проект «Самоорганизация наноразмерных материалов и процессы их взаимодействия с адсорбируемыми соединениями: компьютерное моделирование в параллельных и распределенных GRID средах терафлопного уровня» Научно-техническая программа Союзного государства РФ-РБ годы, «Разработка и использование программно-аппаратных средств Грид-технологий перспективных высокопроизводительных (суперкомпьютерных) вычислительных систем семейства «СКИФ» («СКИФ-ГРИД»), проект «Разработка ряда вычислительных сервисов различного уровня (включая объединенный веб-портал) для проведения высокопроизводительных расчетов в распределённых вычислительных средах с использованием наиболее востребованных однопроцессорных и параллельных квантово-химических приложений»; Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на годы», инициативный проект «Создание Национальной нанотехнологической сети (ГридННС)» УЧАСТИЕ В ПРОЕКТАХ И ПРОГРАММАХ ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

5 Программа Союзного Государства РФ и РБ, гг. УЧАСТИЕ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ПОЛИГОНАХ ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова Национальная нанотехнологическая сеть (ННС) EGI/RU-NGI Ресурсный грид-центр ИПХФ РАН объединяет ресурсные сайты нескольких грид- полигонов:

6 Вычислительные задачи в области квантовой химии и нанотехнологий Прикладное программное обеспечение: параллельные и распределенные варианты Gaussian, Gamess, Dalton, CPMD, Abinitio (более 100 пакетов), Авторские программы Стационарные квантово-химические задачи и задачи на нахождение собственных функций и значений уравнения Шредингера Нестационарные задачи, исследующие временное поведение молекулярных систем или связанные с использованием траекторных методов Задачи, распадающиеся на совокупность независимых заданий до 10 7 Задачи в виде единого процесса, требующие значительных объемов RAM и HDD памяти Суперкомпьютеры Кластеры Одиночные параллельные (SMP,MPI) узлы КластерыСуперкомпьютеры ПК и сети на их основе, включая виртуальные Распределенное middleware: gLite, Unicore, Cloud computing Удаленный доступ через SSH, порталы, ГРИД! ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

7 Работа в распределенных средах с прикладными пакетами вычислительной химии GAMESS-US VASP и PWscf Gaussian-03 Dalton-2 CPMD NAMD Авторские программы (разработки ИПХФ, например, исследования туннельных свойств наногетероструктур) Для выбранных прикладных пакетов созданы и протестированы на реальных задачах интерфейсы различного уровня для запуска их в распределенных вычислительных средах (gLite, Unicore, Globus GT4). ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

8 Реализация грид-сервисов в виде высокоуровневых web-интерфейсов в составе грид-портала ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

9

10 Запуск пучков заданий т.е. множества независимых распределенных заданий, до 10 7 – 10 9, которое запускается одной командой (скриптом). Метод разработан для решения задач, распадающихся на громадную совокупность независимых заданий, число которых зависит от количества параметров задачи или от «сетки» разбиения искомой области данных, когда результат в каждой решаемой точке не зависит от «соседей». НОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ Использование технологий виртуализации 1.Виртуальные ресурсы и сервисы 2.Виртуальные приложения ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

11 Проделаны многочисленные вычислительные эксперименты на различных распределенных средах (Condor, X-Com, Globus, gLite, Unicore). Создан ресурсный центр ИПХФ РАН: a.ресурсный узел на платформе gLite, включающий ряд User Interfaces к полигону EGI-EE-RDIG; b.на базе Unicore – ресурсный сайт категории «А» полигона СКИФ-GRID и интерфейсы пользователя разных уровней; c.на базе Globus Toolkit 4 – ресурсный узел сети ГридННС Создан ряд низкоуровневых интерфейсов для запуска параллельных вариантов пакетов стандартного и авторского квантово-химического ПО в среде ГРИД. Основные результаты (часть 1) ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

12 Создан web-портал (GECP – Grid Enabled Chemical Physics), объединяющий несколько «дружелюбных» пользовательских интерфейсов для запуска ряда задач (GAMESS, многопараметрические задачи) в инфраструктуре нескольких GRID-полигонов Разработана технология запуска «пучков» параллельно- независимых задач (до 10 7 заданий) в распределенных средах. Разработаны способы виртуализации ресурсов и приложений вычислительной химии применительно к распределенным средам Основные результаты (часть 2) ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

13 Перспективные технологии вычислительной химии «Гибридные» и FPGA вычисления – VASP, NAMD и др. «Облачные» вычисления Переход к адаптации химического ПО к использованию пета- и экзафлопсных вычислительных ресурсов Проблемно-ориентированные виртуальные машины ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

14 Спасибо за внимание! ПаВТ'2011, март 2011, Московский Государственный университет им.М.В.Ломоносова

15 Исследование каталитического распада Н 2 на наноструктурах Pt на поверхности кристалла SnO 2 HH СКИФ-МГУ («Чебышёв»: VASP, 200 CPU, 15 часов, 10 шагов оптимизации, потребность шагов. U(H 2) U(H+H) r H-H ПРИМЕР ОДНОЙ ИЗ РЕСУРСОЕМКИХ ЗАДАЧ КВАНТОВОЙ ХИМИИ Абрау-2010, Научный сервис в сети Интернет:суперкомпьютерные центры и задачи

16 Структура кластера Pt 19, нанесенного на поверхность SnO 2,расстояния даны в Å, стабильность к отрыву кластера от поверхности приведена в эВ Использован комплекс VASP, предназначенный для проведения расчетов с учетом трансляционной симметрии. Для каждой точки расчета необходимо более, чем сутки работы на 100 процессорах. на ВЦ МГУ. Необходимое количество точек – более сотни. Абрау-2010, Научный сервис в сети Интернет:суперкомпьютерные центры и задачи

17 Динамика миграции протона по кластеру платины Абрау-2010, Научный сервис в сети Интернет:суперкомпьютерные центры и задачи

18 Четыре типа поверхности, полученные при различных сколах. Стрелкой показано направление адсорбции молекулы водорода. Абрау-2010, Научный сервис в сети Интернет:суперкомпьютерные центры и задачи

19 ПРИМЕР РЕСУРСОЕМКОЙ ЗАДАЧИ ДРУГОГО ТИПА Траекторные расчеты сечений химических реакций H 2 +O 2 Σ=S n /N H+H+O+O H 2 +O+O H 2 O+O H 2 O 2 H+H+O 2 H+HO 2 HO+HO HO+O+H Начальные условия: 4 угла взаимной ориентации прицельный параметр 2 квантовых колебательных числа 2 квантовых вращательных числа энергия столкновения (в системе ц.м.) Всего 1-10 миллионов независимых траекторий Химические реакции моделируются движением атомов по потенциальным поверхностям в рамках классической динамики. Область сильного взаимодействия как правило квантовая. Абрау-2010, Научный сервис в сети Интернет:суперкомпьютерные центры и задачи

20 Историческая последовательность использования GRID технологий в ИПХФ РАН г. Condor г. Globus 3/ г. LCG-2 – gLite г. Unicore …. Globus Toolkit 4 (гридННС) Прикладные программы, адаптированные к использованию в GRID средам: Gaussian 03 (параллельная, с учетом лицензионных ограничений) GAMESS US (параллельная – сокетный и MPI версии) CPMD (параллельная) Dalton (параллельная) NAMD Авторские программы – например, исследования туннельных свойств наногетероструктур (нестационарное ур. Шредингера) Абрау-2010, Научный сервис в сети Интернет:суперкомпьютерные центры и задачи

21 Cхема работы при формировании «пучка» заданий (среды gLite, Unicore, гридННС) GRIDMIDDLEWAREGRIDMIDDLEWARE User Сертификат Данные Программа Результаты gLite/Unicore/Globus User Interface Ресурсные сайты Конечный авторизованный пользователь Обработка входящих данных Формирование «пучка» задач Запуск «пучка» или отдельной задачи Мониторинг заданий Сбор результатов Выдача результатов Скрипты+БД Абрау-2010, Научный сервис в сети Интернет:суперкомпьютерные центры и задачи

22 Использование технологий виртуализации 1.Виртуальные ресурсы: создание на едином физическом пространстве серий изолированных виртуальных машин – позволяет совмещать несколько ресурсных сайтов 2.Виртуальные приложения: Создание переносимых виртуальных сред, т.е «виртуальных контейнеров» приложений Некоторые проблемы распределенных вычислений 1.Гетерогенность вычислительных ресурсов (архитектур процессоров, операционных систем 2.Необходимость создания целой среды окружения (конфигурационные настройки, службы, хранилища данных, …) 3.Конфликты приложений Абрау-2010, Научный сервис в сети Интернет:суперкомпьютерные центры и задачи

23 Окончательные результаты Формирование и запуск вычислительного «контейнера» Клиентский узел (в том числе WWW портал) Пакет GAMESS Конфигурационные файлы Параллельные библиотеки Данные ГРИД среды Произвольный Linux кластер MPICH-2 «кольцо» GECP портал Виртуальный вычислительный «контейнер» Абрау-2010, Научный сервис в сети Интернет:суперкомпьютерные центры и задачи