Поиск - новости науки и техники

Просто супер: Требуется подвиг?

Состоявшийся в Нижегородском государственном университете им. Н.И.Лобачевского Всероссийский форум “Суперкомпьютерные технологии в образовании, науке и промышленности” завершил серию российских научно-технических мероприятий 2012 года, посвященных проблематике суперкомпьютерных технологий.

Форум, в котором приняли участие более 120 человек, проводился под эгидой Суперкомпьютерного консорциума университетов России, при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, а также компаний Intel, NVIDIA, Hewlett-Packard и “Ниагара Компьютерс”. Стартовавшие в 2001 году подобные встречи традиционно посвящены актуальной проблематике применения параллельных вычислительных систем как стратегической линии развития вычислительной техники, относящейся к Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники и Перечню критических технологий Российской Федерации. Ключевыми темами, обсуждавшимися на форуме, стали важнейшие направления развития высокопроизводительных вычислений в науке и образовании. Среди них – принципы построения кластерных систем и методы управления параллельными вычислениями; параллельные методы и программные системы; решения сложных вычислительных задач; программные среды, средства и инструменты для разработки параллельных программ; технологии распределенных вычислений и грид-технологии; научная визуализация и машинная графика для высокопроизводительных вычислений; проблемы подготовки специалистов в области параллельных вычислений и др.
Отличительной особенностью мероприятия, состоявшегося в ННГУ, стала его многоплановость: в рамках форума также прошли конференция “Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах”, молодежные конференция и школа “Математические и программные технологии для современных компьютерных систем” и “Суперкомпьютерные технологии и высокопроизводительные вычисления в образовании, науке и промышленности”, а также конкурс инновационных проектов в области суперкомпьютерных технологий. Отдельный день форума был посвящен экскурсии в Нижегородский R&D центр корпорации Intel, где участники могли ознакомиться с основными направлениями деятельности этой компании в России.
Научная конференция, состоявшаяся в рамках форума, уже традиционно была посвящена обсуждению широкого спектра проблем суперкомпьютерных технологий и высокопроизводительных вычислений в кластерных компьютерных системах, научно-практической деятельности исследователей в этой перспективной области развития современных средств вычислительной техники, вопросов расширения контактов между специалистами для решения ресурсоемких прикладных задач, обмену опытом учебно-образовательной деятельности при подготовке специалистов в сфере параллельных вычислений.
Ключевыми выступлениями, задавшими настрой всему форуму, стали доклады, посвященные системным аспектам высокопроизводительных вычислений (профессор А.Бухановский “CLAVIRE: облачная платформа для высокопроизводительных вычислений”, профессор Н.Шабров “Программно-аппаратные комплексы виртуального окружения для анализа результатов предсказательного моделирования на суперЭВМ”), проблемам практического использования суперкомпьютерных технологий в науке и промышленности (профессор Ю.Болдырев “О промышленных приложениях суперкомпьютерных технологий”, профессор В.Модорский “Численное решение и экспериментальное исследование междисциплинарных задач”, профессор М.Прилуцкий “Распределение ресурсов в сетевых структурах с активными элементами с использованием параллельной вычислительной среды”, профессор В.Турлапов “Макет телемедицинской системы нового поколения”, профессор М.Якобовский “Вычислительная среда для решения сеточных задач на многопроцессорных системах”), вопросам подготовки кадров в этой новой сложной области профессиональной деятельности (профессор В.Гергель “Проблемы подготовки специалистов в области суперкомпьютерных технологий”).
Большой интерес участников встречи вызвал доклад члена-корреспондента РАН А.Сергеева на тему использования суперкомпьютерных технологий в биомедицинских приложениях. Научный руководитель НИИ “Институт живых систем” ННГУ в деталях рассказал о новых возможностях, которые открывают высокопроизводительные вычисления в таких областях, как оптическая томография для диагностики онкологических заболеваний, самосборка лекарств и их скрининг на модельных животных, молекулярная диагностика и т.д. Отдельное внимание было уделено вопросам компьютерного моделирования функционирования мозга.
– До сих пор ничего доподлинно не известно ни о том, как мозг обрабатывает информацию, ни о том, что такое память, – отметил Александр Сергеев. – Только объединив усилия биологов, химиков, физиков и специалистов по суперкомпьютерным вычислениям, мы наконец сможем понять, как именно возбуждаются нейронные сети. И главное, как при всего около 30 Вт энергии, которая требуется для бодрствования человеческого мозга, он, имея сверхкомпактный размер, использует в своей работе не последовательную систему обработки информации, а параллельные алгоритмы, аналогичные тем, что применяются в суперкомпьютерных вычислительных машинах.
Особое внимание в рамках Суперкомпьютерного форума было уделено работе с молодежью. Студенты, магистры, аспиранты, молодые специалисты более чем из 20 городов России – Белгорода, Воронежа, Москвы, Перми, Самары, Санкт-Петербурга, Саранска и др.  – приняли участие в молодежной школе “Суперкомпьютерные технологии и высокопроизводительные вычисления в образовании, науке и промышленности”. В этом году организаторы несколько расширили формат “школы”: если раньше основной упор делался именно на образовательную часть, занятия шли настолько интенсивно, что участие в них было сопоставимо с семестровым, а то и с годовым циклом обучения, то на этот раз образовательная часть впервые включала в себя профильную конференцию молодых ученых и конкурс инновационных проектов. В результате ребята смогли не только прослушать лекции приглашенных ученых – лидеров отечественной науки в области высокопроизводительных вычислений (например, директора Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН академика Бориса Четверушкина, директора Института вычислительной математики РАН члена-корреспондента РАН Евгения Тартышникова, директора Научно-исследовательского института системных исследований РАН академика Владимира Бетелина, члена-корреспондента РАН Руслана Смелянского, президента ННГУ профессора Романа Стронгина), но и попробовали заявить о своих собственных результатах. По мнению председателя программного комитета форума, директора НИИ прикладной математики и кибернетики ННГУ, декана факультета ВМиК ННГУ Виктора Гергеля, для молодежи чрезвычайно важно иметь перед глазами яркие примеры ученых, добившихся многого в суперкомпьютерной области. Помимо знаний, почерпнутых из насыщенных лекций, встреча со специалистами такого масштаба еще долго будет вдохновлять участников школы на новые свершения.
Победителем конкурса инновационных проектов в области суперкомпьютерных технологий, также поддержанного Intel, была признана работа “Трехмерная стоматология” аспирантки факультета вычислительной механики и кибернетики (ВМК) ННГУ Александры Белокаменской. Проект направлен на разработку ПО для врачей-стоматологов:
– Речь идет о создании ПО для построения трехмерной цефалометрии зубочелюстно-лицевой системы человека, – рассказывает Александра. – Кроме того, мы хотим использовать для этого исследования трехмерные данные томографии, а не плоский рентгеновский снимок. Основные цели проекта – достичь максимального удобства для врача и пациента созданием аппаратно-независимого ПО и использовать полные трехмерные данные для максимально точного детектирования точек и осей височно-нижнечелюстного сустава. К моей работе уже проявили интерес стоматологи Нижегородской государственной медицинской академии. Они консультируют меня, поддерживают исследования, помогают с тестированием результатов…
– Молодежь – наше будущее. Эти слова повторяют часто, и это на самом деле так, – уверен Виктор Гергель. – Тем более это справедливо в нашей чрезвычайно динамично развивающейся области суперкомпьютерных технологий. Из-за такой стремительности в нашей сфере возникает масса сложностей: казалось бы, только ты все освоил, только тебя признали мэтром, а тут – раз, и все вновь изменилось! Приходится буквально каждый понедельник начинать с нуля. И надо быть очень увлеченным человеком, преданным своему делу, чтобы поддерживать такой ритм жизни.
– Существует и другой момент, – продолжает Виктор Гергель, – университетское образование в целом довольно длительно, вместе с аспирантурой занимает порядка девяти лет. А сложные задачи перед нами стоят уже сейчас, и специалисты для их решения нужны сегодня, а не через 10 лет. Это еще одна причина, по которой чрезвычайно важно целенаправленно заинтересовывать молодежь, чтобы ребята “стартовали” как можно раньше.
Что касается конкретной работы, ведущейся в этой области в ННГУ, то, например, наша студенческая команда на всемирно известном конкурсе Microsoft Imagine Cup в 2009 году заняла второе место. Сейчас мы готовимся к международному финалу Imagine Cup-2013, который на этот раз пройдет в Санкт-Петербурге. В 2011-м ребята из ННГУ выступали на одной из ведущих конференций в суперкомпьютерном мире Supercomputing (Сиэтл, США) и заняли первое место в номинации за достижение максимальной производительности. Признаюсь, когда после этого ко мне обращались члены жюри состязания, чтобы уточнить, как правильно по-английски следует писать “Нижний Новгород”, было очень приятно, что молодежь так успешно продвигает достижения нашей страны на глобальный рынок. Кроме того, в том же году ребята достойно выступили и на Мировом чемпионате по программированию среди студенческих команд.
Способ заинтересовать молодежь в ННГУ выработан давно, когда был найден эффективный тип взаимодействия с крупнейшими ИТ-компаниями, создавшими в вузе несколько собственных лабораторий. В принципе, ничего нового в этом подходе нет: как правило, такие структуры появляются в расчете на то, что студенты после окончания вуза плавно перейдут в штат компании – организатора лаборатории. Однако Виктор Гергель отмечает, что в ННГУ этот подход нашел более широкую трактовку:
– В этих лабораториях наши студенты получают дополнительное образование по обширному спектру предметов. Какие-то новации, которые сложно ввести в классический учебный процесс, можно реализовать здесь. А для этого нужна разработка новых учебных материалов – это проекты лаборатории. Затем могут появляться новые проекты, как инициативные, так и по заказу компаний, и эти проекты выполняются совместно со студентами, что поднимает качество их подготовки. Лаборатории интересны студентам, туда идут самые лучшие ребята. И нам удается наиболее талантливых потом оставить в этих лабораториях, где они учатся и одновременно работают. Этим и достигается высокое качество подготовки. Причем студенты, окончив ННГУ, часто не прерывают свою деятельность в вузовских лабораториях, начинают работать уже со следующим поколением. Так возникает непрерывная цепочка подготовки.
Сегодня наш стратегический партнер в этом деле, безусловно, корпорация Intel. Но нас связывают очень тесные отношения и с компанией Microsoft. Работаем и с IBM, и с NVIDIA – кстати, их первый в России учебно-исследовательский центр открыт именно в нашем университете. Взаимодействуем и с отечественными компаниями, например, с MERA (один из крупнейших поставщиков услуг по разработке высокотехнологичного ПО для производителей оборудования и решений в сфере ИT и передачи данных), и с Центром компьютерного зрения “Аргус”, который специализируется на разработке и внедрении инновационных систем интеллектуальной обработки цифровых изображений, а также систем многопроекторной визуализации данных.
Подводя итоги Суперкомпьютерного форума, Виктор Гергель обозначил на будущее три главных направления, в рамках которых стоят основные проблемы перед специалистами в области суперкомпьютерных технологий:
– Наибольшие сложности сегодня, вероятно, вызывают математические вопросы. Когда вычислительная техника только зарождалась, алгоритм понимался как четкая последовательность правил, инструкция по типу “делай раз, делай два…” Все-таки компьютер – это автомат, и ему нужно четко все расписать. В результате получалось, что даже если в задачах и был потенциально заложен какой-то параллелизм, то, поскольку это ранее не было нужно, он, так сказать, скрадывался. В то время борьба шла за простоту и понятность алгоритма. Как результат, попытки создания параллельных алгоритмов на основе существующих последовательных часто терпят неудачу. В итоге нам очень часто приходится идти к истокам, начинать с нуля, смотреть не на алгоритм, а на саму задачу: есть ли в ней возможности для параллельных вычислений? Поэтому сегодня речь может идти о перестройке вычислительной математики, создании новой, параллельной. Она, несомненно, будет сложнее, но игра стоит свеч: применение параллельной вычислительной математики откроет возможность использования потенциала фантастической производительности современных суперкомпьютеров. Глобальная наша задача – поиск ответа на вопрос, как разработать такой алгоритм, который позволит максимально эффективно использовать миллиарды процессоров.
Второй блок вопросов связан уже не столько с математическими, сколько с проблемами программирования. Известно, что практически каждая суперкомпьютерная система является уникальной, поэтому ПО, разработанное для одного супервычислителя, на другом, скорее всего, не запустится. Написать такую программу – огромный труд: их создают не в одиночку, а коллективно, целые научные школы годами “вгрызаются” в этот процесс… Но проходит лет пять, и в мире появляется новый суперкомпьютер. Разработчикам ПО вновь приходится все начинать с самого начала. Причем учитывать надо и то, что суперкомпьютеры становятся все больше неоднородными с использованием разного рода ускорителей вычислений. И для каждого из этих типов машин требуется свое ПО. Если так будет продолжаться и дальше, переработка ПО превратится в некоторый замкнутый круг. Для решения этого комплекса проблем необходимо открыть новые закономерности развития вычислительной техники, с тем чтобы программное обеспечение могло быть переносимо с одного суперкомпьютера на другой.
Третья группа вопросов связана с особенностями параллельного программирования. Здесь то и дело появляются новые эффекты, с которыми раньше программист никогда не сталкивался: гонка потоков, тупики, конкуренция нескольких параллельных программ за один ресурс (в этом случае может возникнуть конфликт, который никогда не разрешится). Как со всем этим бороться? Если бы речь шла о стандартной программе, мы могли бы поставить перед ней задачу, посчитать ее, получить результат и, повтори мы этот цикл хоть миллион раз, ответ задачи остался бы прежним. В параллельных же вычислениях, напротив, конечные данные могут различаться. Это может быть как следствием ошибки, так и серьезной проблемой программного уровня. Стремительное развитие и знаний, и техники, появление новых задач не только приносят положительный эффект, но и бросают ученым все новые вызовы. Поэтому сегодня каждый шаг вперед – своего рода подвиг для профессионалов в области высокопроизводительных вычислений. Надеюсь, результаты прошедшего Всероссийского суперкомпьютерного форума помогут нашим коллегам продвинуться вперед в решении не только всех этих, но и других актуальных проблем.

ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ СПЕЦВЫПУСКА ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF
Спецвыпуск подготовила Анна ШАТАЛОВА
Фото Екатерины Тиминой

Нет комментариев