В нынешнем году национальная сеть научно-образовательных центров в области суперкомпьютерных технологий (НОЦ СКТ) пополнилась: в Дальневосточном, Южном и Центральном федеральных округах в рамках реализации проекта Комиссии Президента 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) начато формирование трех новых НОЦ СКТ. Их задача, как и созданных ранее пяти НОЦ СКТ, — стать истинными центрами притяжения суперкомпьютерной активности, эффективно координируя и направляя ее на решение главной задачи — ликвидации дефицита высококвалифицированных кадров в области СКТ и повышения потенциала отечественных суперкомпьютерных технологий как значимой составляющей инновационного развития.
Один из новичков — НОЦ “СКТ-МФТИ”, формируемый на базе Московского физико-технического института (государственного университета), вуза, обладающего значительным опытом выполнения научно-исследовательских работ и ведения образовательной деятельности в области СКТ. Основой НОЦ “СКТ-МФТИ” стало одно из подразделений университета — Научно-образовательный центр “Высокопроизводительные вычисления и распределенные вычислительные системы” (hpc.mipt.ru).
История высокопроизводительных вычислений в МФТИ началась еще в конце 1970-х годов, именно тогда в ходе бесед с академиком Никитой Моисеевым ректор вуза академик Олег Белоцерковский осознал важность образования в области суперкомпьютерных технологий: Никита Николаевич, вернувшись из загранкомандировок, рассказал коллеге 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.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 MFlops — 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.
В 1991-1992 годах в Институте автоматизации проектирования РАН появилась индийская суперкомпьютерная система “Param 8000”, и студенты Физтеха, аспиранты, молодые исследователи смогли попробовать себя в программировании на ней.
В 2006 году в рамках Приоритетного национального проекта “Образование” в МФТИ при большой поддержке и постоянном внимании ректора вуза члена-корреспондента РАН Николая Кудрявцева было начато строительство кластера МФТИ-60. На момент тестирования (в 2007 году) он занял 415-ю позицию в мировом суперкомпьютерном рейтинге Top500. Системным интегратором кластера выступил Институт системного программирования РАН (директор — академик РАН В.Иванников), поставщиком оборудования — ООО “ИВО Модуль”. Пиковая производительность кластера — 6,5 TFlops.
В процессе эксплуатации этой высокопроизводительной системы был разработан новый технологический прием — “отладочный кластер” (авторы — доцент кафедры информатики В.Карпов и профессор кафедры вычислительной математики А.Лобанов): для отладки программ и обучения новых пользователей целевым образом создается отладочный кластер, ПО которого дублирует ПО основного кластера. 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. Как показал опыт, 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.Кудрявцева был организован НОЦ “Высокопроизводительные вычисления и распределенные вычислительные системы”. Одной из первых инициатив центра стала организация межвузовской молодежной школы “Высокопроизводительные вычисления в прикладном численном моделировании”, проведение которой было поддержано в рамках нацпроекта “Образование”, а также крупнейшими высокотехнологичными компаниями: AMD, Intel, Schlumberger, NVIDIA.
Школа — в 2011 году она прошла уже в третий раз — предоставляет российским и зарубежным студентам, аспирантам и молодым ученым уникальную возможность дополнительной профессиональной и научной подготовки в сфере современных технологий, ее программа включает такие направления, как методы параллельной обработки данных; современные технологии и платформы параллельного программирования; параллельные вычисления и грид-технологии; программные инструменты AMD, NVIDIA, Intel для высокопроизводительных вычислений.
По мнению декана факультета управления и прикладной математики МФТИ профессора А.Шананина, проведение школы весьма актуально, поскольку сегодня 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. Все больше факультетов МФТИ (например, ФУПМ, ФАКИ, ФРТК) включают в свои учебные программы такие курсы, как “Дискретная оптимизация”, “Параллельное программирование” и другие. И летняя школа служит существенным дополнением к учебным программам МФТИ, давая отличную возможностью получить новые знания студентам и аспирантам других вузов.
География школы весьма обширна: за три года в ее работе приняли участие студенты и аспиранты МГУ 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, а также студенты и аспиранты из Белоруссии, Украины, Республики Куба.
Каждая тема в формате школы представлена двумя компонентами — лекционным и практическим. Уже в первый день на практических занятиях участники работают со специально подготовленными программами. А для выполнения итогового проекта им 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 строго оценивается комиссией. Слушатели, успешно выполнившие программу школы, получают соответствующие свидетельства о прохождении обучения.
Одновременно с проведением школы в МФТИ началось формирование новых учебных курсов. С развитием новых технологий, связанных с применением графических процессоров, в рамках НОЦ “Высокопроизводительные вычисления и распределенные вычислительные системы” появились группы, ориентированные на подготовку студентов по данному направлению. Появились и проекты с международным участием: в тесном сотрудничестве с коллегами из Массачусетского университета Лоувеля (США) под руководством приглашенного ученого В.Барсегова группой доцента Я.Холодова были разработаны математические модели денатурации белков. В 2010 году МФТИ подписал Соглашение о научно-техническом сотрудничестве и академическом обмене с Лозаннским политехническим университетом (EPFL) (Швейцария). В настоящее время согласована тематика совместного проекта с Лабораторией гемодинамики и сердечно-сосудистых исследований EPFL. Он будет посвящен исследованию процессов, происходящих в сосудах головного мозга, с помощью математического моделирования на высокопроизводительных системах.
Такая суперкомпьютерная активность МФТИ и послужила основой для выбора университета как базы создания одного из НОЦ СКТ в рамках проекта Суперкомпьютерного образования. Как отмечает заведующий кафедрой вычислительной математики МФТИ член-корреспондент РАН Александр Холодов, 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-магнито-сферной 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. Техника тогда, конечно, была несравнима с современной, так что прогресс определяется не только ее развитием… 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, часто забывается. И, к огромному сожалению, не все кадровые вопросы возможно решить в рамках таких программ.
Заметную роль играют и проведенные в Физтехе летние школы. Надо шире привлекать молодежь к подобным исследованиям. Тем более что вокруг кластера в Физтехе сложилась уникальная атмо-сфера. На нем решались практические задачи из самых разных областей: тут и традиционная для такой техники молекулярная динамика, и задачи моделирования процессов в деформируемых телах (задачи соударения, сейсмодинамики, физиологии человека) и многие другие. Обычно раньше студенты после второго-третьего курсов приходили с Физтеха на “базы” — кафедры, расположенные в академических и отраслевых институтах, — получать специализацию (в частности, выполнять расчетные работы). Сейчас пошел и обратный процесс: на центральной площадке МФТИ появляются задачи из ИВМ РАН, ОИВТ РАН, других базовых физтеховских организаций. Вокруг этих коллективов собираются талантливые ребята — студенты, аспиранты, которые потом преподают, в том числе на летних школах. Именно это — люди, творческая атмосфера, а не только “железо”, и есть главный ресурс нашего центра.
Спецвыпуск подготовила Нина ШАТАЛОВА
Нет комментариев