Главный суперкомпьтер – у человека в голове

История высокопроизводительных вычислений в МФТИ началась еще в конце 1970-х годов прошлого века. Ректор МФТИ (1962-1987 гг.) академик Олег Михайлович Белоцерковский осознал важность образования в области суперкомпьютерных технологий в результате бесед с академиком Никитой Николаевичем Моисеевым, который после одной из своих заграничных командировок рассказал ему о введенной в действие в США машине CRAY-1. Почти сразу же на кафедре вычислительной математики МФТИ по инициативе Олега Михайловича, заведовавшего тогда этой кафедрой, профессор В.В. Щенников начал читать студентам и аспирантам Факультета управления и прикладной математики (ФУПМ) курс лекций «Программирование на векторно-конвейерных ЭВМ». Слухи о заморском чуде – компьютере CRAY 1 со скромной по сегодняшним меркам производительностью 133 Мфлоп – казались волшебными сказками, тем более, что реальные расчеты в нашей стране в это время велись на БЭСМ-6, машине с гораздо более скромными возможностями. Тогда же группа энтузиастов написала на БЭСМ-6 эмулятор CRAY-1.

 

Затем суперкомпьютеры стали появляться на базовых кафедрах МФТИ. В 1991-1992 годах в Институте автоматизации проектирования РАН (ИАП РАН) появилась индийская суперкомпьютерная система «Param 8000». Желающие – студенты физтеха, аспиранты, молодые исследователи – смогли попробовать себя в программировании на этой транспьютерной системе. Самым активным энтузиастом и пропагандистом параллельных вычислений стал директор ИАП РАН академик О.М. Белоцерковский.

В самом Долгопрудном потребности в высокопроизводительных вычислительных системах стали ощущать научные сотрудники, преподаватели, студенты, занимавшиеся численным моделированием в механике сплошных сред. Часть расчетов выполнялась в ИАП РАН (там стала появляться более мощная индийская техника), появились первые кластеры, собранные из персональных компьютеров.

В конце 90-х годов группы энтузиастов собирали кластеры «на коленках» — на базе учебных классов МФТИ. Днем они функционировали как класс для практических занятий студентов, вечером и ночью – как кластер для научных расчетов.

Перелом наступил после того, как МФТИ в 2006 году стал победителем общероссийского конкурса в рамках приоритетного национального проекта «Образование» Министерства образования и науки РФ. В рамках проекта был построен кластер МФТИ-60 (в дни объявления результатов конкурса отмечалось 60-летие со дня организации физико-технического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова). В мае 2007 года в рамках выполнения национального проекта «Образование», при большой поддержке и постоянном внимании ректора МФТИ члена-корреспондента РАН Николая Николаевича Кудрявцева, кластер МФТИ был собран и протестирован.

На момент тестирования кластер занимал 415 позицию в мировом суперкомпьютерном рейтинге Top 500. В октябре кластер был пущен в эксплуатацию. Системным интегратором кластера был Институт системного программирования РАН (директор ― выпускник МФТИ академик В.П. Иванников), поставщиком оборудования — ООО «ИВО Модуль». Кластер имеет 136 узлов (процессоры Intel Xeon) с пиковой производительностью 6,5 терафлопс.

В процессе эксплуатации кластера был разработан технологический прием «отладочный кластер» (авторы – доцент кафедры информатики Карпов В.Е., и профессор кафедры вычислительной математики Лобанов А.И.). Сущность данного приема заключается в том, что для отладки программ и обучения новых пользователей целевым образом создается отладочный кластер. Программное обеспечение (ПО) отладочного кластера дублирует ПО основного. В результате, пользователи, научившиеся работать и добившиеся работоспособности своих программ на отладочном кластере, могут с минимальными затратами перейти на основной. В то же время, сбои, создаваемые ошибками неопытных пользователей, неработоспособными программами и т. п., не влияют на работу основного кластера. Опыт показал, что такой подход гарантирует практически полное отсутствие сбоев во время «массового счета», что значительно повышает эффективность работы системы для пользователей и административной группы и снижает стоимость использования системы.

В 2010 году для интеграции деятельности подразделений института, реализации новых форм учебно-научного взаимодействия и повышения качества выполняемых междисциплинарных научно-исследовательских работ в области высокопроизводительных вычислений приказом ректора МФТИ Н.Н. Кудрявцева был организован Научно-образовательный центр «Высокопроизводительные вычисления и распределенные вычислительные системы». Одной из первых инициатив центра была организация межвузовских молодежных школ «Высокопроизводительные вычисления в прикладном численном моделировании». В этом году такая школа была проведена в третий раз. Если самая первая Школа проводилась энтузиастами при поддержке ряда высокотехнологичных компаний и Инновационного центра МФТИ, то с 2010 года Школы проводятся на средства национального проекта «Образование» Министерства образования и науки РФ, а также при поддержке спонсоров — крупнейших высокотехнологичных компаний AMDIntelSchlumbergerNVIDIA.

Программа Школы предоставляет российским и зарубежным студентам, аспирантам и молодым ученым уникальную возможность дополнительной профессиональной и научной подготовки в сфере современных технологий. Программа включает следующие направления: методы параллельной обработки данных; современные технологии и платформы параллельного программирования; параллельные вычисления и Grid-технологии; программные инструменты AMD, NVIDIA, INTEL для высокопроизводительных вычислений.

Актуальность программы школы отметил декан Факультета управления и прикладной математики МФТИ профессор А.А. Шананин, сказав, что высокопроизводительные вычисления среди научных и прикладных инструментов выходят на первый план во всем мире и служат для решения самых разных по сложности и применению задач: от прогноза погоды до выхода из экономического кризиса. Сейчас все больше факультетов МФТИ (например, ФУПМ, ФАКИ, ФРТК) включают в свои учебные программы такие курсы как «дискретная оптимизация», «параллельное программирование» и другие. Летняя Школа является существенным дополнением к учебным программам МФТИ и, конечно же, отличной возможностью получить новые знания для студентов и аспирантов других вузов.

География участников Школ весьма обширна. За три года в работе школ участвовали студенты и аспиранты Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта, Белгородского государственного университета, Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Российского государственного гуманитарного университета, Московского государственного университета приборостроения и информатики, Ставропольского государственного университета, Астраханского государственного университета, Дагестанского государственного университета, Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова. Тольяттинского государственного университета, студенты и аспиранты Белоруссии, Украины, Республики Куба.

Школы имеют формат, в котором каждая тема представлена двумя компонентами: лекционной и практической. Уже в первый день на практических занятиях участники работают со специально подготовленными для Школы программами. Для выполнения итогового проекта участникам предлагаются четыре технологии: CUDA, OpenCL, OpenMP, MPI, установленные на вычислительных системах, часть которых специально для проведения Школ была представлена AMD, Intel и NVIDIA. В практикуме активно используется и «лягушатник» — отладочный кластер МФТИ. Решение задачи на распараллеливание по каждой из четырех предложенных технологий оценивается комиссией. Слушатели, успешно выполнившие программу Школы (а каждый год это около половины всех участников) получают свидетельства о прохождении обучения. Благодаря Школам начали формироваться исследовательские команды, использующие параллельные вычисления, в разных городах России.

Одновременно со Школами началось формирование новых учебных курсов в институте. С развитием новых технологий, связанных с применением графических процессоров в рамках НОЦ «Высокопроизводительные вычисления и распределенные вычислительные системы» появились группы, ориентированные на подготовку студентов в данном направлении. Пошли первые научные работы. В частности, появились проекты с международным участием – в тесном сотрудничестве с коллегами из Массачусетского университета Лоувеля (г. Лоувель, Массачусетс, США) под руководством приглашенного ученого В. Барсегова группой доцента Я.А. Холодова были разработаны математические модели денатурации белков. В 2010 году МФТИ подписал Соглашение о научно-техническом сотрудничестве и академическом обмене с Лозанским политехническим университетом (EPFL) (Лозанна, Швейцария). В настоящее время согласована тематика совместного проекта с Лабораторией гемодинамики и сердечно-сосудистых исследований EPFL. Совместный проект будет посвящен исследованию процессов происходящих в системе сосудов головного мозга с помощью математического моделирования на высокопроизводительных системах.

В настоящее время на базе Научно-образовательного центра (НОЦ) «Высокопроизводительные вычисления и распределенные вычислительные системы» по суперкомпьютерной инициативе МГУ, сформулированной ректором МГУ академиком В. А. Садовничим, в рамках программы СКТ– образование и при активном участии члена-корреспондента РАН Вл.В.Воеводина создается НОЦ Суперкомпьютерные технологии – МФТИ.

О применениях суперкомпьютерных технологий говорит заведующий кафедрой вычислительной математики МФТИ, член-корреспондент РАН Александр Сергеевич Холодов.

— На мой взгляд, главный суперкомпьютер находится все-таки у человека в голове. Достигнутая современными вычислительными системами производительность впечатляет. Ее непросто эффективно использовать, но можно очень легко растерять небрежно выбранными постановками задач, численными методами и алгоритмами. Даже современные суперкомпьютеры никаких качественно новых проблем сами по себе решить не могут. Несмотря на очевидный прогресс в вычислениях, принципиально новые задачи и в настоящее время решаются достаточно редко. Недавно при подготовке обзора по численному моделированию ионосферно – магнитосферной плазмы я обратил внимание, что задача об обтекании магнитосферы Земли плазмой солнечного ветра (правда, только в двумерной постановке, а не в трехмерной, как сейчас стало возможным) с аккуратным выделением магнитопаузы – поверхности разрыва – и с получением довольно точных значений ее положения была успешно решена еще в середине 1960-х годов. Хотя техника тогда, конечно, была несравнима с современной (работала в тысячу раз медленнее встроенного в приличный мобильник процессора). Так что прогресс определяется не только развитием техники и программного обеспечения. Главный ресурс – это люди, специалисты. Именно в эти ресурсы, в их подготовку, должны быть сделаны основные вложения. Очень хорошо, что в России стали появляться подобные программы. К сожалению, не все они учитывают, что необходимо решать проблемы кадрового обеспечения. В некоторых программах были предусмотрены только деньги на «железо». А то, что оборудование сложное, его должны обслуживать, поддерживать в рабочем состоянии и грамотно использовать квалифицированные специалисты, то об этом часто забывается. И, к огромному сожалению, не все кадровые вопросы возможно решить в рамках таких программ.

Заметную роль играют и проведенные на Физтехе летние Школы. Надо шире привлекать молодежь к подобным исследованиям. Тем более, что вокруг кластера на Физтехе сложилась уникальная атмосфера. На нем решались практические задачи из самых разных областей. Тут и традиционная для такой техники молекулярная динамика – можно отметить коллектив, в который входят Г.Э. Норман, И.В. Морозов. Посмотрите, как они, их ученики активно публикуются в научной печати. Причем значительная часть результатов получена на нашем кластере. Это и задачи о моделировании процессов в деформируемых телах (задачи соударения, задачи сейсмодинамики, физиологии человека и многие другие). В решении задач о распространении сейсмических волн и связанных с этим вопросами безопасности, прочности зданий и промышленных объектов велика роль И.Б. Петрова с его учениками. Коллеги из Института вычислительной математики РАН считали, в том числе на физтеховском кластере задачи по моделированию климата. Руководители этих работ – академики Г.И. Марчук и В.П. Дымников. На кластере проводятся также расчеты по динамике плазмы – «лабораторной» в различных установках и космической. Это работы под руководством А.С.Холодова, А.И. Лобанова. Обычно раньше студенты после второго-третьего курса приходили с Физтеха на «базы» – на кафедры, расположенные в академических и отраслевых институтах — получать специализацию, (в том числе выполнять расчетные работы). Сейчас пошел и обратый процесс – на центральной площадке МФТИ появляются задачи из Института вычислительной математики РАН (ИВМ РАН), Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН) и других базовых физтеховских организаций. Вокруг этих коллективов собираются талантливые ребята, аспиранты, студенты. Потом они с удовольствием преподают, в том числе на летних Школах. Консультируют ребят иногородних. Именно это, люди, творческая атмосфера, а не только «железо», и есть главный ресурс нашего Центра.

Приказ о создании Научно-образовательного центра суперкомпьютерных вычислений в Московском физико-техническом институте

Материал на сайте газеты «Поиск»

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий