ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ
И БОЛЬШИЕ ЗАДАЧИ
В числе победителей очередного конкурса интеграционных междисциплинарных проектов фундаментальных исследований СО РАН, получивших высокую оценку экспертов, в длинном перечне названий выделяется проект «Математические модели, численные методы и параллельные алгоритмы для решения больших задач СО РАН и их реализация на многопроцессорных ЭВМ».
Галина Шпак, «НВС»
Выделяется не только числом участников — двенадцать институтов Сибирского отделения объединили свои усилия в разработке новых методов и средств для исследований, их ресурсного обеспечения, научно-организационной работы, в том числе — для подготовки молодых специалистов и обучения студентов.
 |
| Директор ИВМиМГ академик Б.М. Михайленко.
|
— Да, это большой проект, но не в размере финансирования, а действительно в смысле тех проблем, которые необходимо решать, — сказал координатор проекта академик Б. Г. Михайленко. — Это, в первую очередь, развитие численных методов для решения «больших задач» СО РАН, которые легко допускают их распараллеливание. К таким методам относят метод Монте-Карло и другие специальные методы декомпозиции областей, метод частиц, расщепления многомерных задач на серию одномерных на основе интегральных преобразований и т.д. Важной задачей остается обучение сотрудников Сибирского отделения современным методам параллельного программирования с учетом архитектуры многопроцессорных вычислительных систем. И, наконец, существенное наращивание вычислительных возможностей Сибирского суперкомпьютерного центра (ССКЦ), который существует на правах отдела в Институте вычислительной математики и математической геофизики(ИВМиМГ).
— Что вы понимаете под термином «большие задачи» СО РАН?
— Под термином «большие задачи» я понимаю задачи, которые не могут быть реализованы на персональных компьютерах. Примеры таких задач были приведены в нашей совместной статье с директором ИЦиГ академиком Н. А. Колчановым, опубликованной в газете «Наука в Сибири» (11.09.2008 г.).
— И все-таки, Борис Григорьевич, вы не могли бы привести конкретный пример из области математической геофизики, которой вы занимаетесь?
— Пожалуйста — цитата из статьи известных ученых в этой области японского профессора Фурумуры и австралийского профессора Кеннета, опубликованной в журнале «Geophys. J. Int.»: «При расчете полного сейсмического волнового поля для сферически неоднородной модели Земли для волн с периодом 20 сек. на рабочей станции с процессором 1,5 ГГц потребовалось бы 583 дня, если бы оперативная память была бы 1 Тб». Заметим, что обычная оперативная память на рабочей станции 2-3 Гб. Я уже не говорю о расчетах волновых полей для более высоких частот. Аналогичные примеры я могу привести и из других областей науки.
— Напомню, коль скоро речь зашла о расчетах волновых полей, — в прошлом году вы делали пленарный доклад на конференции «Математические методы в геофизике», посвященной 80-летию академика А. С. Алексеева, и говорили о большой задаче численного моделирования взаимодействия оболочек Земли при землетрясениях и взрывах...
— Совершенно верно, такая задача возникла в последнее время. Дело в том, что были две отдельные задачи. Первая, о которой я только что говорил, — задача расчета полного волнового поля для сферически неоднородной модели Земли. При этом во всех подобных задачах предполагается, что поверхность Земли граничит с вакуумом и волны в атмосферу не проникают. Вторая задача (она возникла в 60-е годы) — это мониторинг ядерных взрывов в атмосфере. При этом считалось, что акусто-гравитационные волны не проникают в земную кору, и на поверхности Земли ставились условия абсолютно отражающей границы. Однако с развитием экспериментальных исследований в сейсмологии и физике атмосферы были обнаружены физические явления, которые не могут быть объяснены в рамках известных физических моделей. Необходимо рассматривать полную модель Земля-Атмосфера. Приведу один из примеров. При работе тяжелого вибратора на Быстровском полигоне, расположенном в 80 км от Новосибирска, были обнаружены волны, которые регистрируются сейсмографами на больших временах и расстояниях. Их существование невозможно объяснить в рамках модели «Земная кора — Вакуум». Как показывает математическое моделирование, акусто-гравитационные волны от взрывов и землетрясений проникают в атмосферу, а в связи с увеличением скорости звука в атмосфере с высотой, возвращаются на поверхность Земли и регистрируются сейсмоприемником.
— Это как-то связано с вашим открытием «нелучевых» сейсмических волн, которое зарегистрировано в Государственном Реестре по открытиям за № 402?
— Частично это так. Дело в том, что сейсмология и сейсморазведка для интерпретации данных использовали аппарат оптики, где были введены понятие луча и фронта волн, законы отражения и преломления и т.д. Но все эти понятия справедливы для бесконечных частот, а в сейсмологии и сейсморазведке частоты конечные, и возникают волны, которые не подчиняются классическим законам Снеллиуса (законы отражения и преломления). Обнаружение таких волн с помощью математического моделирования, а впоследствии подтверждение их существования экспериментальными исследованиями, вызвало большой резонанс в геофизике.
— Как я понимаю, такие задачи требуют немалых вычислительных затрат. Что же делать в этой ситуации?
— Необходимо переходить на многопроцессорные ЭВМ.
— По-видимому, это не так просто?
— Да, конечно, это не просто. Опыт параллельной реализации больших численных моделей и проведение крупномасштабных численных экспериментов накоплен в ИВМиМГ, ИТПМ, ИВТ, ИВМ и других институтах. В результате бурного развития вычислительных систем параллельной архитектуры в настоящее время происходит переоценка эффективности численных методов. Во главу угла ставится проблема так называемого распараллеливания алгоритмов — одну большую задачу надо разделить на части и распределить их между процессорами для одновременного решения. Некоторые задачи распараллеливаются хорошо, другие — с большим трудом. Требуется не только высокое мастерство программиста, но и фундаментальная математическая подготовка, чем всегда славилась система подготовки кадров в Сибирском отделении. Мощная школа по распараллеливанию алгоритмов сложилась с давних пор — сказался дар научного предвидения Гурия Ивановича Марчука, а также большая работа академика А. С. Алексеева (второго директора ВЦ СО РАН) по созданию отдела математического обеспечения высокопроизводительных вычислительных систем. Таких профессионалов, как в Институте вычислительной математики и математической геофизики (бывший ВЦ СО РАН), мало даже в крупнейших зарубежных центрах. Кстати, сегодня это преимущество позволяет институту зарабатывать валюту, выполняя работы по распараллеливанию задач механики и газовой динамики для суперцентров во Франции, Голландии и США.
Необходимо обобщить этот опыт и создать базу для обучения сотрудников СО РАН, аспирантов и студентов. Хочу заметить, что каждый год ИВМиМГ проводит курсы по параллельному программированию. Сотрудники института возглавляют 8 кафедр в учебных институтах города Новосибирска, таких как НГУ, НТГУ, СибГУТИ. Около 200 студентов проходят практику в учебном научном центре НГУ при ИВМиМГ. Этот центр имеет выход на Сибирский суперкомпьютерный центр коллективного пользования (ССКЦ). Этим целям способствует и Центр компетенции СО РАН — «Intel», созданный на базе ССКЦ в прошлом году.
— Что это такое — «Центр компетенции»?
— Его название — это чисто западная терминология. Основные направления деятельности центра — обучение, оказание консультаций и вычислительных услуг организациям добывающих отраслей, промышленности, науки, коммерческим фирмам и вузам по современным высокопроизводительным вычислениям на основе разработок фирмы «Intel» и кластеров, имеющихся в ССКЦ (платформы Intel Itanium2, Quad-Core Intel®Xeon®5300 в перспективе и др.), а также оценка производительности новых кластеров фирмы и их сравнительный анализ на примере решения задач ИВМиМГ.
 |
Обсуждение нового кластера НКС-30 Т на платформе четырехъядерных процессоров «Intel» производительностью 4,75 ТФлоп/с (гл. специалист Сибирского суперкомпьютерного центра С. П. Котелевский, зам. директора ИВМиМГ д.т.н. Б. М. Глинский,
м.н.с. ССКЦ С. В. Ломакин).
|
В прошлом году была проведена серия совместных семинаров ССКЦ, известных фирм: «Intel», «HP», «IBM» и НГУ для студентов, аспирантов и научных работников, всего 14 семинаров. Проводились также зимняя и летняя студенческие школы с количеством участников более 70 человек.
— Как я понимаю, цели большого проекта сопрягаются.
— Совершенно верно. Следующая задача — развитие вычислительной базы для решения больших задач СО РАН. Еще в 1999 г. с этой целью по инициативе академика А. С. Алексеева был создан Совет по супервычислениям при Президиуме СО РАН, который координирует работы супервычислительных центров в Иркутске, Красноярске, Томске, Новосибирске. В прошлом году создан суперкомпьютерный центр в г. Омске. Наш институт передал на баланс Омскому научному центру 128 процессоров Альфа для начальной подготовки специалистов по параллельным вычислениям.
— Вы хотите объединить вычислительные мощности научных центров Сибирского отделения?
— Да, такой проект существует. Создана рабочая комиссия из представителей научных центров для реализации этого проекта на основе использования программно-аппаратурных средств ГРИД-технологий. Для того, чтобы объединить вычислительные мощности, необходимы быстрые каналы связи, не менее 150-170 МГб. В настоящее время мы имеем на порядок меньше. Для создания таких быстрых оптоволоконных каналов связи необходимы огромные дополнительные финансовые затраты. Конечно, для расчета больших задач можно посылать сотрудников в командировки, например, в Красноярский научный центр, где имеются вычислительные мощности около 15 TFlop/s, или в Московский межведомственный компьютерный центр, или в МГУ, но это будут длительные командировки, и не каждый из 22 институтов СО РАН, которые проводят свои вычисления в нашем Суперкомпьютерном центре, согласится на дополнительные расходы. Необходимо увеличить вычислительные мощности ССКЦ до 30 TFlop/s. Такое решение было принято на собрании Новосибирского научного центра в декабре 2007 г. Для справки, в прошлом году вычислительные мощности ССКЦ были около 1,2 TFlop/s. В этом году планируется увеличить вычислительные мощности до 5,75 TFlop/s. Конечно, это еще недостаточно для решения больших задач. Хочу заметить, что во всех проверках Сибирского отделения до 1991 г. отмечался высокий уровень математического моделирования, основанный на последних достижениях вычислительной техники в СССР. И еще один факт. На выездном заседании в 2000 г. Президиума РАН в Новосибирске Президент РАН академик Ю. С. Осипов выразил удивление, что Сибирское отделение не имеет мощного суперкомпьютерного центра и предложил финансовую помощь.
По этому поводу мы с Анатолием Семеновичем Алексеевым в то время встречались с Президентом РАН, и было принято решение в развитии ССКЦ ориентироваться на отечественные разработки. Имеется в виду, что мы закупаем на Западе современные процессоры, создаем многопроцессорную вычислительную систему (МВС), в то же время используем свои отечественные разработки по созданию архитектуры МВС и системное программное обеспечение. Впервые такая вычислительная система МВС 1000 из нескольких сотен процессоров Альфа была создана в Москве в Межведомственном суперкомпьютерном центре. Мы начинали с МВС 1000М с 32 процессорами Альфа, которые впоследствии передали в ИТПМ для развития вычислительного дела в СО РАН. Далее, после модернизации Межведомственного суперкомпьютерного центра в Москве, мы получили МВС со 128 процессорами Альфа. В прошлом году, как я уже говорил, эта система была отдана для развития Омского суперкомпьютерного центра. В настоящее время мы имеем НКС-160 (INTEL) с производительностью 1TFlop/s. В данный момент у нас в институте монтируется более мощная многопроцессорная система, основанная на современных 4-ядерных процессорах INTEL, производительностью 4,75 TFlop/s. Дальнейшее увеличение производительности ССКЦ направлено на объединение вычислительных ресурсов нескольких институтов, в том числе и по программе СО РАН «Геномика, протеомика, биоинформатика» и при финансовой поддержке Приборной комиссии СО РАН под руководством академика Р. З. Сагдеева.
— И финансового кризиса не чувствуется?
— Во всяком случае наш проект получил финансирование в размере 4 млн руб. на 12 институтов в этом году.
Фото В. Новикова
стр. 5
|
