Поиск - новости науки и техники

Как кино. Журналистам показали научную Швейцарию.

(Окончание. Начало см. №16 и 18)
Лугано, небольшой городок в швейцарском италоязычном кантоне Тичино, раскинулся на берегу одно-именного озера. Туристов привлекают сюда мягкий климат и живописные окрестности. В научном же мире Лугано знаменит, прежде всего, тем, что в нем находится Швейцарский национальный суперкомпьютерный центр (CSCS), где работает самый быстрый в Европе суперкомпьютер. Знакомство с CSCS стало заключительным сюжетом в нашем швейцарском “научном сериале” – обучающей поездке для европейских журналистов, в ходе которой нас познакомили с серией ярких научных и технических достижений Швейцарии.
Умный дом
Швейцарский национальный суперкомпьютерный центр – автономное подразделение Федеральной политехнической школы Цюриха (ETH), здесь в одном месте собраны суперкомпьютеры, с тем чтобы сделать высокопроизводительные вычисления равнодоступными для всех университетов и научных организаций страны. Примерно так и формулируется цель Национальной стратегии высокопроизводительных вычислений и компьютерных сетей (HPCN), которая была запущена Федеральным советом и Парламентом Швейцарии в 2009 году. Годовой бюджет центра – около 40 млн швейцарских франков – сравним с бюджетом небольшой исследовательской организации в Швейцарии.
Центр был создан в 1991 году в Манно, а в 2012-мц перебазирован в Лугано, в специально для него построенное здание. Проектировали его с таким расчетом, чтобы оно могло вместить суперкомпьютерную инфраструктуру всей швейцарской науки и обеспечить эффективную работу CSCS минимум на ближайшие 40 лет. Задача очень сложная – ведь технологии в области высокопроизводительных вычислений развиваются стремительно и количество суперкомпьютеров в CSCS с годами увеличивается. В конструкции здания для центра все это учтено. Кроме того, высокопроизводительные вычисления требуют огромных затрат энергии. Для минимизации ее расхода были использованы как традиционные, так и инновационные решения.
Здание CSCS представляет собой два корпуса, соединенных межэтажным и подземным переходами. Пятиэтажный офисный блок построен по национальному стандарту Minergy Eco (то есть отвечает высоким требованиям экологичности и энергоэффективности). Кстати, работает там интернациональная команда – около 60 человек 13 национальностей (есть и русские). Рабочий язык – английский.
Второй корпус – компьютерный блок, трехэтажный бетонный куб без архитектурных излишеств и даже без окон. Но с технической точки зрения в нем все продумано до последних деталей. Например, суперкомпьютерный центр, подобный CSCS, ежедневно электроэнергии расходует столько, сколько маленький город, и около трети ее идет на охлаждение суперкомпьютеров (иначе они перегреваются и могут выйти из строя). В традиционном суперкомпьютерном центре для получения холодной воды используют компрессоры. А в CSCS – природный ресурс: воду берут из озера, с глубины 45 м, ее температура всего 6 градусов Цельсия. Насосная станция и высокотехнологичный Центр контроля находятся на берегу озера Лугано. Точнее – под землей. Об их существовании напоминает только выделяющийся на фоне почвы прямоугольник – подъемная дверь. Из насосной станции в глубину озера уходит труба, через которую три насоса качают воду – 760 литров в секунду. По пути в CSCS вода проходит 2,8 км и поднимается на 30 м. Труба диаметром 80 см входит в здание с южной стороны, параллельная ей труба того же размера ведет обратно к озеру. Между трубами действует сложная охлаждающая система: озерная вода и вода, предназначенная для охлаждения компьютеров, циркулируют в теплообменнике высотой в человеческий рост. Потом озерная вода, которая остается еще достаточно холодной, идет во второй теплообменник, соединенный со среднетемпературным охлаждающим кругом, который служит, в частности, для охлаждения помещений.
Альпийский пик
Машинный зал поражает своими размерами – его площадь 2000 кв. м. Он сконструирован таким образом, чтобы минимизировать ограничения для установки и функционирования новых компьютеров. Это стало возможным благодаря 50-тонным 35-метровым балкам, поддерживающим потолок. Сверху свисает множество трубок, заполненных высокочувствительными детекторами – часть системы раннего обнаружения дыма.
В 1991 году в CSCS заработал первый суперкомпьютер производительностью 5,5 гигафлопс. Сейчас суперкомпьютеров двенадцать (и это не предел). Гордость швейцарцев – Piz Daint, который за один день может сделать вычислений больше, чем современный ноутбук за 900 лет. Piz Daint, названный так в честь одного из пиков Швейцарских Альп, работает с апреля 2013 года, но в конце прошлого года прошел существенное обновление. Его “нарастили” более чем в два раза (было 12, стало 28 стоек-шкафов). Кроме того, изменили его архитектуру – добавили блоки графических ускорителей (Graphical Processing Units, GPU), которые используются, в частности, в компьютерных играх. Не вдаваясь в технические подробности, приведем результат: после апгрейда Piz Daint стал суперкомпьютером с устойчивой петафлопсовой производительностью (6,27 петафлопса, с пиковым значением 7,79 петафлопса).
На суперкомпьютерной конференции 2013 года в Денвере (США) Piz Daint был назван самым быстрым суперкомпьютером Европы, а в рейтинге самых мощных суперкомпьютеров мира он занял 6-е место. С точки зрения энергоэффективности, это первая система петафлопсного уровня, преодолевшая барьер в 3 гигафлопса на ватт (Piz Daint достиг 3,11 гигафлопс/Вт). Для сравнения: у следующей в рейтинге петафлопсной системы аналогичный показатель составляет 2,17.
Швейцарские ученые имеют свободный доступ к этим мощным вычислительным ресурсам. В 2013 году, например, было использовано 462 млн вычислительных часов, выполнялось 97 проектов, работали 842 пользователя. Примерно третья часть систем CSCS занята в проектах платных клиентов. Так, метеорологическая служба Meteo-Swiss рассчитывает здесь цифровые прогнозы погоды. Физики швейцарских университетов анализируют данные эксперимента на Большом адронном коллайдере.
Ученые-климатологи из ETH использовали новый Piz Daint для проверки своих моделей погоды, чтобы потом применить их для прогнозирования климата будущего. Они исследуют, в частности, как изменение климата влияет на количество осадков в Европе.
Большинство современных климатических моделей имеют дело, как правило, с глобальным разрешением от 100 до 200 км. В этом случае трудно предсказать поведение систем облаков, приходится делать существенные поправки. Суперкомпьютер Piz Daint позволяет создавать модели с разрешением 2 км, благодаря чему можно избежать многих неопределенностей. Используя основные физические уравнения, такая модель может сама “генерировать” конвективные облака и изобразить важнейшие динамические процессы, которые приводят к их появлению. Теперь исследователи собираются смоделировать климат последних 10 лет, чтобы посмотреть, насколько хорошо их модели соответствуют реальности. Если удается точно моделировать климат прошлого, то можно рассчитывать на то, что так же точно удастся смоделировать и климат будущего.
На модернизированном Piz Daint ученые-климатологи повторили расчеты, которые раньше проводились на суперкомпьютерах с традиционными процессорами, и оказалось, что новый Piz Daint достигает той же цели в три раза быстрее и в семь раз эффективнее.
Флагманские проекты
Суперкомпьютеры позволяют моделировать процессы, которые было бы невозможно или слишком дорого изучать в лаборатории. Например, рождение галактик, звезд и планет, изучение взаимодействия клеток, вирусов, бактерий, молекулярное взаимодействие и разработку новых лекарств, сверхпроводимость и создание новых материалов. На суперкомпьютерах ведут анализ больших баз данных, полученных в крупных научных экспериментах (на том же БАК).
Очень важная миссия CSCS состоит в том, что он сводит вместе ученых из разных университетов и центров, стимулирует научное партнерство между исследователями, ИT-специалистами, математиками, производителями технических средств. Швейцарский суперкомпьютерный центр участвует в реализации больших проектов ЕС. Среди четырех проектов-финалистов общеевропейского конкурса флагманских научных разработок FET Flagship Project (FET – Future and Emerging Technologies) было три швейцарских (то есть координацию осуществляют швейцарские университеты, участвуют же порой десятки организаций-партнеров со всей Европы)
Проект-победитель Human Brain получил миллиард евро. Но и два других проекта-финалиста, хоть и не стали победителями, также выполняются. В рамках Guardian Angels (“Ангелы-хранители”) разрабатывается новое поколение энергетически автономных компьютерных микрочипов, которые могут, например, следить за состоянием здоровья, будучи встроенными в одежду или прямо в организм человека. Третий флагманский проект – FuturICT – ставит амбициозную цель научиться с помощью высокопроизводительных вычислений предсказывать будущее и управлять проблемами, делающими современный мир таким труднопрогнозируемым. Например, финансовыми кризисами.
Виртуальное сердце
Если посмотреть, какая научная тематика больше представлена в CSCS, то на первое место выйдут химия и материаловедение (59,0% всех проектов). Дальше идут физика (14,1%), механика и машиностроение (13,3%), науки о Земле и окружающей среде (6,6%), науки о жизни (6,1%), компьютерные науки (0,8%).
Если же смотреть по организациям, то распределение такое: лидирует ETH Цюриха (46% всех проектов), затем идет EPFL – Федеральная политехническая школа Лозанны (12%), университеты Цюриха (11%), Базеля (9%), Женевы (8%)…
Университет итальянской части Швейцарии, Universita della Svizzera italiana (USI), что в Лугано, выполняет 5% проектов. Он молод (основан в 1996 году), в нем всего четыре факультета, в том числе и факультет информатики, которому осенью этого года исполнится 10 лет. За это время он стал одним из главных в Швейцарии центров обучения и исследования. Факультет активно участвует в научных проектах, связанных с информационными системами. Не так давно в Институте вычислительных наук на факультете информатики в кооперации с Кардиоцентром Тичино был основан новый междисциплинарный центр вычислительной медицины в кардиологии. Этому предшествовало долгое сотрудничество профессора Рольфа Краузе из USI и профессора, доктора медицины Анжело Ауричио из Кардиоцентра Тичино. По словам Рольфа Краузе, в Институте вычислительных наук USI создано “виртуальное сердце”. Человеческое сердце – тонко настроенный механизм, управляемый сложной системой электрической активации. После инфаркта эта система повреждается. На основе математической модели электрической активации сердца человека осуществляется цифровое моделирование, позволяющее подробно изу-чить происходящие в сердечной мышце пациента процессы. “Моделирование превращает суперкомпьютеры CSCS в виртуальный микроскоп, с помощью которого можно заглянуть в сердце до клеточного уровня, не касаясь пациента, – рассказал профессор. – Благодаря этому совершенствуется диагностика. Более того, методы лечения могут быть проверены и оптимизированы до того, как их применят на практике”. Вместе с кардиологами из Кардиоцентра исследователи USI сейчас тестируют “виртуальное сердце”, используя базу данных реальных пациентов с сердечной недостаточностью. Этот подход вызвал большой интерес у исследователей как в Швейцарии, так и за ее пределами.
…Как тут не вспомнить бессмертную фразу, сказанную, впрочем, по другому поводу: “Какие чудеса могут делать люди!”.

Наталия БУЛГАКОВА
На снимке: помощник директора CSCS Мишель де Лоренци проводит экскурсию по машинному помещению CSCS

Нет комментариев