Поиск - новости науки и техники

Генераторы волн. В сферу притяжения НОЦ “СКТ-Приволжье” попадает все больше организаций региона.

Формирование научно-образовательных центров (НОЦ) в федеральных округах страны в рамках проекта Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России “Создание системы подготовки высококвалифицированных кадров в области суперкомпьютерных технологий и специализированного программного обеспечения” (http://hpc-education.ru) носит прежде всего системный характер. Определяющим условием успеха такого подхода является создание научно-образовательных центров на базе ведущих университетов страны, имеющих солидный опыт научной и образовательной деятельности в области СКТ.
Приволжский научно-образовательный центр суперкомпьютерных технологий (НОЦ “СКТ-Приволжье”) создан на базе Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского (ННГУ, www.unn.ru) как региональный центр Приволжского федерального округа (ПФО). Организация НОЦ в ННГУ опирается на длительный и успешный опыт деятельности университета в области суперкомпьютерных технологий. Например, не столь широко известный факт, но одна из первых оте-чественных ЭВМ – машина ГИФТИ – была создана в 1956 году именно в Нижегородском (в то время Горьковском) университете. В конце 1950-х годов на нижегородской земле появился и один из первых в стране вычислительных центров. Почти тогда же (в 1963 году), исходя из острой потребности в специалистах нового профиля, был создан первый в стране факультет вычислительной математики и кибернетики (ВМК) ННГУ. Подготовка специалистов в области высокопроизводительных вычислений в университете была начата еще в 1995 году – в трудные перестроечные времена. В 2003 году совместно с учеными и специалистами МГУ и СПбГУ была разработана и начата подготовка кадров по новому образовательному направлению “Информационные технологии”, сформированному с использованием международных рекомендаций Computing Curricula. Приоритетным направлением развития Нижегородского университета как национального исследовательского университета являются информационно-коммуникационные системы, важная составляющая часть которых – суперкомпьютерные технологии.
Успешность деятельности НОЦ “СКТ-Приволжье” (hpc-education.unn.ru) во многом определяется также и тем, что он создан на базе существующего в ННГУ с 2001 года Объединенного центра компьютерных исследований, включающего в свой состав Центр суперкомпьютерных технологий, Центр компетенции программных технологий “Интел”, Центр компетенции высокопроизводительных технологий “Майкрософт”, Исследовательский центр CUDA NVIDIA, Центр компьютерных технологий в обучении и др. В своей работе НОЦ “СКТ-Приволжье” в значительной степени опирается на научный, образовательный и кадровый потенциал факультета вычислительной математики и кибернетики. За годы существования факультета ВМК на нем были сформированы научные коллективы и школы, получившие международное признание. Сочетание активной научной работы сотрудников факультета с педагогической деятельностью – основа высокого качества учебного процесса и, соответственно, высокой квалификации выпускаемых специалистов. Деятельность факультета ВМК вносит существенный вклад в признание ННГУ как одного из ведущих научно-образовательных центров в области математического моделирования, принятия решений и информационных технологий в стране и за рубежом. Результативность деятельности подтверждается строгой и беспристрастной внешней экспертизой. Так, в 2006 году ННГУ отмечен Почетным дипломом компании “Интел” за выдающиеся результаты в подготовке кадров высшей квалификации в области ИТ. Результаты исследований по проблематике параллельного программирования отмечены компанией “Майкрософт” среди 10 лучших университетов мира в области высокопроизводительных вычислений. В 2009 году студенческая команда ННГУ заняла 2-е место на мировом конкурсе Кубка воображения (Imagine Cup) среди 76 стран-финалистов. В 2010 году команда студентов Нижегородского госуниверситета среди 8 финалистов участвовала в самой значимой в области СКТ конференции Supercomputing. В 2011 году в ННГУ создан первый в стране Исследовательский центр CUDA компании NVIDIA.
Еще одной гарантией успеха деятельности НОЦ “СКТ-Приволжье” является наличие широкого спектра высокопроизводительных вычислительных систем. В составе центра – компьютерное оборудование основных ведущих компаний мира: Intel, AMD, IBM, NVIDIA, “Т-Платформы” и др. В 2007 году в ННГУ был установлен кластер семейства СКИФ с пиковой производительностью 3 Tflops. В 2010 году введен в действие высокопроизводительный вычислительный комплекс с графическими процессорами с пиковой производительностью в 17 Tflops. В настоящее время проводится установка приобретенного вычислительного комплекса с пиковой производительностью более чем 100 Tflops. На 2012 год запланирована закупка суперкомпьютерной системы с пиковой производительностью порядка 500 Tflops.
Все ранее приведенные условия позволяют ставить перед НОЦ “СКТ-Приволжье” самые сложные и ответственные задачи. В концентрированном виде эти задачи состоят в организации опережающей подготовки, переподготовки и повышения квалификации высококвалифицированных специалистов по приоритетным и перспективным направлениям суперкомпьютерных технологий и специализированного программного обеспечения, базирующегося на новейших научных знаниях; в повышении эффективности научных исследований путем объединения усилий и ресурсов; в развитии инновационной деятельности в научной и образовательной сферах совместно с организациями науки, промышленности и бизнеса.
Подробнее о работе НОЦ “СКТ-Приволжье”, его вкладе и роли в развитии суперкомпьютерных технологий в регионе рассказал декан факультета ВМК, директор НИИ прикладной математики и кибернетики, профессор Виктор ГЕРГЕЛЬ:
– Основную цель деятельности НОЦ “СКТ-Приволжье” мы видим, прежде всего, в широком вовлечении организаций образования, науки, промышленности и бизнеса в суперкомпьютерную активность. Работа НОЦ не должна сводиться к активизации научно-образовательной работы в области СКТ отдельной кафедры, факультета или даже отдельного университета. Практическое использование суперкомпьютерных технологий должно стать всеобщей и всепроникающей деятельностью фактически во всех областях нашего региона, ибо получение результатов мирового уровня, разработка конкурентоспособных решений во многом становятся возможны только на основе тщательного математического моделирования и масштабного вычислительного эксперимента на суперкомпьютерных системах рекордной производительности. От активности НОЦ СКТ должны распространяться “суперкомпьютерные волны”, захватывающие в мир суперкомпьютерных вычислений все большее и большее число организаций образования, науки, промышленности и бизнеса. Как достичь такого сверхрезультата? Давайте представим спектр выполняемых работ в виде некоторых концентрически расширяющихся сфер деятельности.
Итак, первая сфера деятельности – факультет ВМК ННГУ – является базовой. В конце концов, результат деятельности в значительности степени определяется профессиональной репутацией коллектива НОЦ “СКТ-Приволжье”. В этом плане у нас выполняется значительный объем научно-образовательных работ. В качестве примера можно привести проект по оптимизации системного программного обеспечения для организации параллельных вычислений. Оказалось, что за счет учета неоднородности архитектуры многопроцессорных вычислительных систем можно повысить эффективность параллельных вычислений без какого-либо изменения самих параллельных программ (только за счет адаптации базового ПО). Данный проект был поддержан грантом среди 10 победителей конкурса компании IBM. Другой интересный проект состоит в разработке системы управления средами высокопроизводительных вычислений. Данная система позволяет объединять в прозрачной для пользователя форме все вычислительные ресурсы организации, работающие под управлением разных операционных систем. Среди прикладных работ – создание систем поддержки принятия решений на основе задач глобальной оптимизации. Стоит отметить, что задачи оптимизации являются проблемами с чрезвычайно высокой вычислительной трудоемкостью и могут быть успешно решены только на суперкомпьютерных системах. Работы по этой тематике идут под руководством профессора Р.Стронгина – руководителя ведущей научной школы “Модели и методы параллельных вычислений для многопроцессорных систем” при поддержке гранта Президента РФ.
Успешной является образовательная деятельность НОЦ “СКТ-Приволжье” и факультета ВМК. Как уже отмечалось, подготовка в области параллельных вычислений в ННГУ была начата еще в 1995 году. Создано большое количество учебно-методических материалов, которые отличаются высокой степенью готовности к тиражированию. Надо отметить, что разрабатываемые курсы – это не просто учебные планы. Комплект учебных материалов по курсу включает расширенные лекционные материалы, электронные презентации, учебные планы лабораторного практикума, описания лабораторных работ, учебное программное обеспечение и т.п. Среди разработанных учебно-методических материалов – учебный курс “Теория и практика параллельных вычислений”, используемый в той или степени более чем в 20 университетах страны. Большинство разработанных материалов представлены в Интернете в свободном доступе.
Проблемы высокопроизводительных вычислений на факультете ВМК ННГУ при обучении студентов рассматриваются во многих учебных курсах: “Архитектура ЭВМ”, “Операционные системы”, “Методы программирования”, “Численные методы” и др. Ряд учебных курсов посвящен непосредственно проблемам суперкомпьютерных технологий. Среди них – “Теория и практика параллельных вычислений”, “Модели и методы высокопроизводительных вычислений”, “Суперкомпьютеры и их применение”, “Программирование для высокопроизводительных систем новой архитектуры” и т.д.
Важная форма подготовки в области СКТ – проведение целевых интенсивных школ и образовательных программ. Так, в сентябре 2011 года было проведено дополнительное обучение студентов магистратуры факультета ВМК (всего 180 человек). На протяжении двух недель по шесть часов в день шли лекционные и практические занятия, студентами выполнялся большой объем самостоятельной работы. Такое “погружение” позволило получить глубокий уровень практического освоения суперкомпьютерных технологий, которого сложно достичь при обычном классическом обучении.
Теперь перейдем на уровень “университетской” сферы деятельности НОЦ “СКТ-Приволжье”. Здесь тон задают прежде всего физико-математические факультеты: математики, механики, физики и радиофизики. Но и естественно-научные факультеты не остаются в стороне. Высокую активность проявляют химики и биологи, начинают подключаться и гуманитарии. Примеров выполняемых интересных работ много и здесь. Так, под руководством профессора Г.Осипова проводятся работы по моделированию деятельности человеческого сердца. Там требуются модели чрезвычайно большого уровня: несколько десятков миллионов переменных, дифференциальные уравнения, которые аналитически не разрешаются. Анализ моделей возможен только в рамках суперкомпьютерного эксперимента, и первые полученные результаты говорят о перспективах создания новых способов лечения человека. Успешно развиваются исследования на механико-математическом факультете под руководством профессора А.Любимого, где объектом исследований являются сложные технические системы. На физическом факультете можно отметить работы под руководством профессора А.Сатанина по разработке сверхмасштабируемого программного обеспечения для вычислительных систем экзафлопсного уровня производительности в области наносистем и наноматериалов. Высокопроизводительные вычисления активно используются и при выполнении работ под руководством профессора С.Гурбатова при исследованиях в области радиофизических принципов биомедицинской акустической диагностики. Очень интересный проект по моделированию деятельности человеческого мозга выполняется под руководством профессора В.Казанцева. Эти примеры можно продолжать и дальше, но и приведенных работ достаточно, чтобы утверждать: суперкомпьютерные технологии уже сейчас играют важную роль нового научного подхода при исследованиях сложных явлений и систем в разных областях науки и техники.
Рассмотрим теперь деятельность НОЦ “СКТ-Приволжье” на уровне Нижнего Новгорода и Нижегородской области. Здесь можно отметить, что еще в рамках ФЦП “Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы” университет совместно с Институтом прикладной физики РАН (ИПФ РАН) начал формирование комплексной системы подготовки кадров в области суперкомпьютерных технологий для вузов и научных организаций Нижегородского региона. Выполнение проекта позволило увеличить число фундаментальных и прикладных научных исследований, требующих проведения значительных трудоемких вычислений, положительно сказалось на организации подготовки высококвалифицированных специалистов, способных вести математическое моделирование и вычислительные эксперименты на высокопроизводительных системах.
Опыт сотрудничества ННГУ и ИПФ РАН, в том числе и в области суперкомпьютерных технологий, – яркий пример успешного взаимодействия университетов и институтов РАН. Так, применительно к области СКТ можно отметить сотрудничество в рамках исследований, выполняемых под руководством члена-корреспондента РАН А.Сергеева в области живых систем. Использование потенциала каждой из сторон привело к формированию проекта в рамках ФЦП “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” по исследованию и разработке инновационных методов медицинской диагностики для телемедицинских систем нового поколения.
Активно развивается СКТ-взаимодействие с Нижегородским государственным техническим университетом им. Р.Е.Алексеева. Одна из секций нашей традиционной ежегодной конференции “Суперкомпьютерные технологии в образовании, науке и промышленности”, посвященной применению параллельных вычислительных систем, прошла на базе НГТУ. Обсудить вопросы взаимодействия собрались представители технических университетов и компаний, занятых разработкой и распространением ПО для прикладных задач.
Для расширения прикладных работ НОЦ “СКТ-Приволжье” активно взаимодействует с Нижегородской ассоциацией промышленников и предпринимателей. Примеров работ много и здесь: анализ загрязнения водных ресурсов Волги, моделирование водных испытаний проектируемых судов и др.
Активно взаимодействует НОЦ “СКТ-Приволжье” с ведущими ИТ-компаниями региона. Среди стратегических партнеров прежде всего можно выделить Нижегородскую лабораторию компании Intel, с которой совместно выполняется один из самых интересных проектов: создание системы сертификации специалистов в области параллельных вычислений (nncc.unn.ru).
Интенсивно развивается в последнее время сотрудничество с РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров).
Следующий уровень суперкомпьютерной активности НОЦ “СКТ-Приволжье” – Приволжский федеральный округ (ПФО). Это примерно 7% территории и 20% населения России. Регион с очень высоким научно-образовательным потенциалом: в нем – восемь исследовательских и федеральный университеты. И, тем самым, ключевой подход для достижения здесь успеха – организация взаимовыгодного сотрудничества. Со многими университетами ПФО имеются соглашения о научно-техническом и образовательном взаимодействии. Среди активно развиваемых форм совместное проведение научно-образовательных школ и конференций, реализация программ повышения квалификации, организация целевых образовательных программ в области СКТ. Чрезвычайно активно развивается сотрудничество с Пермским политехническим, Самарским аэрокосмическим, Казанским федеральным университетами и др.
Важно отметить, что только при самом активном взаимодействии с вузами региона может быть успешно выполнен проект суперкомпьютерного образования. Это и подготовка более 200 специалистов, повышение квалификации преподавателей вузов, целевая подготовка студентов в области СКТ и др.
Завершим рассмотрение деятельности НОЦ “СКТ-Приволжье” самым верхним – федеральным – уровнем. Здесь можно отметить, что Нижегородский университет играет заметную роль в Суперкомпьютерном консорциуме университетов (www.hpc-russia.ru). ННГУ совместно с Научно-исследовательским вычислительным центром МГУ и компанией “Открытые системы” реализует уникальный проект “Интернет-университет суперкомпьютерных технологий” (http://hpcu.ru), который осуществляет обучение в режиме видеоконференций: преподаватель проводит занятие, которое через видеокамеры транслируется в Интернете, и любой желающий может подключиться и поучаствовать в нем. К проведению занятий привлекаются лучшие специалисты ведущих университетов страны. В 2011 году прошло обучение по курсам: “Основы параллельных вычислений”, “Введение в параллельные алгоритмы”, “Параллельное программирование с OpenMP”, “Основы параллельного программирования с использованием MPI”. Такой подход позволяет обеспечить массовую и оперативную подготовку специалистов в области СКТ.
Другое важное направление деятельности Нижегородского госуниверситета в масштабе страны – ежегодное начиная с 2001 года проведение одной из широкоизвестных в стране конференций и молодежных школ в области СКТ. Места проведения чередуются: раз в два года это Нижний Новгород, затем конференция и школа организуются в других городах: так, местом проведения в разные годы были Самара, Са нкт-Петербург, Казань, Владимир, Пермь.
В 2011 году конференция и школа проводятся в формате Суперкомпьютерного форума “Суперкомпьютерные технологии и высокопроизводительные вычисления в образовании, науке и промышленности” (agora.guru.ru/hpc2011). Форум включает проведение конференции “Высокопроизводительные вычисления на кластерных системах” и четырех молодежных школ (“Современные технологии высокопроизводительных технологий”, “Высокопроизводительные вычисления для гибридных вычислительных систем”, “Технологии разработки мобильных приложений”, “Технологическое предпринимательство для УМНИКов”).
Деятельность НОЦ “СКТ-Приволжье” и Нижегородского госуниверситета в целом происходит при самом тесном взаимодействии с ведущими университетами в области СКТ – Санкт-Петербургским госуниверситетом информационных технологий, механики и оптики, Томским и Южно-Уральским госуниверситетами. И безусловно, на самом высоком уровне наше сотрудничество с российским суперкомпьютерным лидером – Московским госуниверситетом.
Завершая свой рассказ о деятельности НОЦ “СКТ-Приволжье”, я хотел бы вернуться к исходной теме – суперкомпьютерные технологии. Убежден, СКТ – одна из наиболее привлекательных областей профессиональной деятельности. СКТ – это современные компьютерные системы, объединяющие в своем составе десятки и сотни тысяч процессоров. СКТ – это комплексные научно-технические проблемы современности. СКТ – это масштабное математическое моделирование и вычислительный эксперимент на пределе возможностей. СКТ – это преодоление сложнейших математических и технологических проблем. А в целом, СКТ – это деятельность на опережение, ибо во многом только на основе суперкомпьютерных технологий могут быть получены новые прорывные достижения в сложном современном технологическом обществе.

ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ СПЕЦВЫПУСКА ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF.

Спецвыпуск подготовила Нина Шаталова. Фото Екатерины ТИМИНОЙ и Глеба РАДЧЕНКО

Нет комментариев