Поиск - новости науки и техники

Суперконцентрат. Образование, науку и промышленность объединяют суперкомпьютерные технологии.

Вспомнить все
…Известие об очередном закрытии створок Комплекса защитных сооружений (КЗС) Санкт-Петербурга в связи с угрозой наводнения застало меня уже на следующий день после возвращения домой из командировки в Нижний Новгород. “Створки… дамба… что-то смутно знакомое”, – подумалось мне. Стоп, но я же москвичка! Так почему вдруг в голове засели эти слова? И тут я все вспомнила…

Там, откуда я приехала, в Нижегородском государственном университете им. Н.И.Лобачевского (ННГУ), только что завершился недельный Всероссийский форум “Суперкомпьютерные технологии в образовании, науке и промышленности”. Одним из ярких моментов этого ежегодного крупномасштабного мероприятия стало выступление директора Института наукоемких компьютерных технологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) Александра Бухановского. Его доклад “Суперкомпьютерные технологии для предотвращения наводнений: от оценочных расчетов – к поддержке принятия решений”, как он выразился, был о наболевшем. За несколько дней до этого северную столицу как раз накрыло штормом “Святой Иуда”, вызвавшим в городе первое за год крупное наводнение.
Проблему разрушительных сгонно-нагонных явлений в городе на Неве безуспешно пытались решить не один век. Первый проект защитной дамбы появился еще в 1824 году, после крупнейшего наводнения, события которого легли в основу поэмы “Медный всадник” А.С.Пушкина. Тот вариант дамбы был сочтен неосуществимым, и уже через 100 лет, в 1924-м, воды Невы вновь затопили город, поднявшись на 380 см. Современный Комплекс защитных сооружений, введенный-таки в строй в 2011 году, имеет одну важную особенность: в отличие от, например, дамбы в Роттердаме российская система не является автоматической. Защитные сооружения Санкт-Петербурга своевременно открываются и закрываются вручную, по решению специалистов. Причем делается это с учетом интересов горожан, МЧС, экологов, городской администрации и судовладельцев, с одной стороны, метеорологического прогноза (оперативного, ретроспективного), динамики моря (уровня, течений, масштаба волн и т.д.), текущего состояния подземных коммуникаций и непредвиденных факторов – с другой. В результате, по словам Александра Бухановского, попытка разрешить ситуацию с дамбой, принимая во внимание все эти нюансы, рождает широкое поле для взаимодействия специалистов в области суперкомпьютерных технологий (СКТ).
– Здесь возникает целый ряд интересных вычислительных задач, – рассказывает Бухановский. – Мы должны учитывать три блока проблем: во-первых, предупреждение наводнений – их надо уметь прогнозировать с достаточной точностью и заблаговременностью, ведь на подготовку маневрирования затворами КЗС нужно иметь в запасе 8-12 часов. Во-вторых, предотвращение ЧС: специалистам приходится рассчитывать и реализовывать оптимальный сценарий маневрирования затворами защитных сооружений. Наконец, надо заниматься и оценкой рисков неконтролируемых затоплений городских территорий: обосновывать планы поведения в нештатных ситуациях, которые могут возникнуть при предотвращении наводнения. Перед специалистами стоит большое количество задач разной ресурсоемкости, возникающих в процессе моделирования нагонных наводнений, с различными требованиями к вычислительным архитектурам и операционным системам, динамическим характером условий выполнения, да еще и ограниченные по времени получения результата. Думаю, этот случай – отличная возможность для научной кооперации самых разных ученых.
“Сапсан” в помощь
Однако на форуме, поддержанном Суперкомпьютерным консорциумом университетов России, Российским фондом фундаментальных исследований, компаниями Intel, NVIDIA и “Ниагара Компьютерс”, одними лишь разговорами о моделировании и преодолении природных ЧС дело не ограничилось. Знаковое для отечественной суперкомпьютерной отрасли мероприятие, проводившееся в ННГУ уже в 13-й раз, на которое съехались более 150 специалистов из России, Украины, Белоруссии и даже Германии, сочетало в себе как чисто научный, так и образовательный компоненты. 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. Привлечение ученых с мировыми именами, высококвалифицированных преподавателей и специалистов ведущих ИТ-компаний, участие во встрече талантливой и активной молодежи – все это, по замыслу ректора ННГУ Евгения Чупрунова, должно способствовать широкому практическому использованию суперкомпьютерных технологий в образовании, науке и промышленности.
Отличительной особенностью мероприятия, состоявшегося в ННГУ, вновь стала его многоплановость. В рамках недельного форума 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 молодежный конкурс инновационных проектов в области суперкомпьютерных технологий.
Как рассказал председатель программного комитета форума, директор НИИ прикладной математики и кибернетики ННГУ, декан факультета ВМиК ННГУ Виктор Гергель, научная молодежная школа, на участие в которой было подано порядка 200 заявок, проходила в несколько треков. Ими стали “Программирование на новых архитектурах на базе процессора Intel Xeon Phi” (практикум был реализован с помощью удаленного доступа к вычислительной базе Южно-Уральского государственного университета); “Параллельное программирование с использованием инструментов Intel”; “Разработка инновационных приложений для мобильных интеллектуальных систем на платформе Intel Atom”; “Компьютерное зрение и приложения с использованием Intel Perceptual Computing SDK”; “Программирование для графических процессоров с использованием NVIDIA CUDA”. Уникальность данной научной школы состоит в комплексном подходе к обучению, который учитывает интересы участников с начальным уровнем подготовки и молодых специалистов, уже имеющих опыт параллельного программирования. Слушателей школы отбирали строго (из 200 заявок отсеяли более половины), среди главных критериев значилась заинтересованность ребят в тематике высокопроизводительных вычислений. Кроме того, одной из важных миссий нижегородского суперкомпьютерного форума организаторы считают привлечение новых слушателей из “несуперкомпьютерных” регионов, дабы подвигнуть молодежь на изучение специфики параллельных вычислений и дальнейшее развитие этой области знания.
Набор курсов для школы подготовили всем суперкомпьютерным сообществом: к благородному делу просвещения молодежи подключились специалисты не только из ННГУ, но и из НИИ информационных технологий математико-механического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, Северного (Арктического) федерального университета им. М.В.Ломоносова, Московского института открытого образования и др. Все материалы научной школы впоследствии будут выставлены на сайте нижегородского форума – http://agora.guru.ru/display.php?conf=hpc2013 – в открытом доступе.
Особое внимание участников школы привлекли выступления президента ННГУ, вице-президента Российского союза ректоров Романа Стронгина и заместителя директора Научно-исследовательского вычислительного центра Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, заведующего кафедрой “Суперкомпьютеры и квантовая информатика” факультета ВМиК МГУ Владимира Воеводина. Роман Стронгин в ходе своей лекции поведал молодежи об основных понятиях многоэкстремальной оптимизации, а также представил введение в информационно-статистический подход к решению задач глобального поиска. В свою очередь, Владимир Воеводин сообщил о растущих невероятными темпами возможностях СКТ, которые вместе с колоссальным потенциалом текущих изменений в компьютерном мире грозят и серьезными проблемами. Как программировать системы, состоящие из миллионов процессоров? Как эффективно использовать сложную иерархию памяти современных компьютеров? На что стоит ориентироваться – на ставшие уже классическими многоядерные процессоры или на ускорители и разного рода спецпроцессоры? Как строить параллельные алгоритмы, которые отражали бы особенности архитектуры компьютеров? На эти и многие другие вопросы постарался ответить Владимир Воеводин в своем докладе.

…Любопытно, что немаловажную роль в реализации всех задумок организаторов научной молодежной школы сыграл скоростной поезд “Сапсан”, курсирующий между Москвой, Петербургом и Нижним Новгородом. Подчас именно он выручал сверхзагруженных преподавателей школы, которым надо было прочесть в ННГУ лекцию или скоординировать действия с коллегами, а потом в кратчайшие сроки вернуться к своим непосредственным обязанностям в родных вузах. Выходит, хоть какая-то реальная польза от новомодных и так часто критикуемых в народе транспортных средств все-таки есть…

Нужна перестройка
Научная конференция для “взрослых” специалистов (участвовать в которой, кстати, могла и молодежь, приехавшая на занятия в научную школу), состоявшаяся в рамках форума, уже традиционно была посвящена обсуждению широкого спектра проблем суперкомпьютерных технологий и высокопроизводительных вычислений в кластерных компьютерных системах. Здесь были затронуты вопросы научно-практической деятельности исследователей в этой перспективной области развития современных средств вычислительной техники, удалось расширить контакты между специалистами для решения ресурсоемких прикладных задач, обменяться опытом учебно-образовательной деятельности при подготовке специалистов в сфере параллельных вычислений. На конференции освещались 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 GRID-технологии; научная визуализация и машинная графика для высокопроизводительных вычислений. Программа конференции была разбита на параллельные секции, где обсуждались конкретные приложения и вопросы общего характера.
Ключевыми выступлениями, задавшими настрой всему форуму, стали пленарные доклады, посвященные системным аспектам высокопроизводительных вычислений (профессор А.Коварцев “Визуальные средства моделирования параллельных алгоритмов: проблемы, перспективы”; профессор В.Крюков “Автоматизация разработки параллельных программ для кластеров с ускорителями”; профессор А.Рябов “Инновационные технологии компьютерного моделирования”), проблемам практического использования суперкомпьютерных технологий в науке и промышленности (профессор В.Модорский “Решение машиностроительных задач на суперкомпьютере ПНИПУ”; профессор М.Якобовский “GIMM_NANO – масштабируемый пакет решения задач механики сплошной среды”), а также вопросам подготовки кадров в этой специфической области профессиональной деятельности (профессор Ю.Болдырев “К разработке учебных курсов по тематике суперкомпьютерного инжиниринга”, профессор В.Гергель “Международные рекомендации по разработке учебных планов в области суперкомпьютерных технологий”). Причем два последних доклада вызвали в аудитории нешуточную дискуссию: как выяснилось, проблема квалифицированных специалистов в области СКТ все еще стоит довольно остро…
Я – робот
Отличительной чертой суперкомпьютерного форума этого года стали занятия, организованные по направлению “Введение в робототехнику для школьников”. Поддержанные компанией LEGO, они были посвящены современному состоянию образовательной робототехники, новым техническим решениям и возможностям, появляющимся в связи с началом поставок робототехнического комплекта LEGO Mindstorm EV3. Лекторы – президент Российской ассоциации образовательной робототехники Максим Васильев и доцент кафедры математического обеспечения ЭВМ факультета ВМиК ННГУ Николай Борисов – несколько дней подряд в простой и доступной форме пытались заинтересовать ребят удивительным миром машин. Начать пришлось с азбучных истин: как оказалось, в 2013-м мало кто из школьников слышал что-либо о писателе Айзеке Азимове и трех законах, им выведенных. Однако в ННГУ верят, что смогут закрыть не только этот пробел.
– Данное направление мы стараемся развивать очень активно, – комментирует ситуацию Виктор Гергель. – Есть “начальная” робототехника, ориентированная, прежде всего, на школьников и студентов младших курсов, которые сейчас в наших стенах с восторгом этим занимаются, причем не только в рамках нынешнего форума. В то же время в ННГУ ведутся и более серьезные работы в этой сфере. Прежде всего, они связаны с исследованиями в области компьютерного зрения. В будущем мы планируем открыть в нашем вузе Центр робототехники при поддержке компании Lego Education, запустим совместную образовательную программу.
Шифруй быстрее!
Уже второй год подряд важным элементом суперкомпьютерного форума в ННГУ становится завершающий его конкурс инновационных проектов, поддерживаемый компанией Intel и являющийся отборочным этапом программы “У.М.Н.И.К.”. Целью конкурса является популяризация параллельного программирования, высокопроизводительных вычислений, привлечение молодых, активных людей для решения актуальных научных и научно-технических задач с применением СКТ. В этот раз победителем состязания стал аспирант первого года обучения кафедры прикладной математики и математического моделирования Института математики и естественных наук Северо-Кавказского федерального университета Максим Дерябин. От имени своей команды, куда также входят его коллеги Александр Зайцев, Антон Назаров и кандидат физико-математических наук Михаил Бабенко (в качестве эксперта), он представил на суд жюри проект “Аппаратная реализация модулярной криптографической системы с открытым ключом для FPGA”. Вот что Максим рассказал об этой работе:
– Мы планируем реализовать аппаратный шифратор на основе продукции компании National Instruments и программируемых логических интегральных схем архитектуры FPGA. Особенностью данного шифратора является то, что в качестве алгоритмической базы предлагается использовать систему остаточных классов, заменяющую десятичную систему счисления и позволяющую в разы ускорить выполнение базовых операций за счет их параллельной обработки. Прибор, полученный в итоге, позволит увеличить скорость шифрования и будет полезен для организаций, имеющих дело с большими объемами обрабатываемой секретной информации. О моих дальнейших планах пока говорить трудно: конечно, хотелось бы заниматься наукой, однако бизнес, основанный на проведенных исследованиях, – крайне заманчивая перспектива…
Подарок победителям
Под конец форума я попросила профессора Гергеля также ответить на несколько вопросов. Например, было интересно, есть ли качественное отличие у форума этого года от предыдущих, ведь за 13 лет, что организуются подобные встречи в ННГУ, фантазия организаторов могла немного выдохнуться.
– Конечно, каждый год “поворачиваться на 180 градусов” нам не удается, – рассказывает Виктор Павлович. – Но теперь мы можем смело утверждать, что отточили схему проведения всего мероприятия – несколько треков молодежной школы, научная конференция, молодежная конференция и конкурс инновационных проектов, – покрыв тем самым весь спектр потребностей, которые возникают сегодня в сфере высокопроизводительных вычислений. Сейчас в стране сложилась замечательная система школ и конференций по СКТ – дома можно вообще не появляться, а плавно путешествовать с одного научного мероприятия на другое. Так исторически сложилось, что на нашем форуме мы концентрируемся именно на работе с молодежью, на научных или промышленных приложениях СКТ, так же как и у коллег во время ежегодных конференций “Научный сервис в сети Интернет” и “Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ)”.
В целом, суперкомпьютерная тематика занимает одно из важнейших мест в проекте по повышению конкурентоспособности ННГУ среди ведущих мировых научно-образовательных центров. Здесь разработаны и успешно реализуются образовательные программы в рамках данного направления. Например, учебные материалы ННГУ, представленные совместно с коллегами из МГУ, были признаны победителями Международного конкурса “2011 Curriculum Best Practice Awards” (Parallelism and Concurrency), проводимого Европейской ассоциацией Informatics Europe. А серия учебников “Суперкомпьютерное образование” только что была признана победителем в номинации “Учебник XXI века” на Всероссийском конкурсе “Книга года – 2013”. В рамках данной серии было издано шесть книг, авторами которых являются преподаватели ННГУ. Совсем недавно вышло пособие “Технологии и методы параллельного программирования” – четыре тома, 1300 страниц, невероятный труд… Программа нашего курса по параллельному программированию вошла в подготавливаемую редакцию Computing Curriculum Computer Science 2013 (ННГУ – единственный российский вуз, который там представлен). Кроме того, наш вуз задействован в программе по разработке учебных планов в области параллельного программирования, которая курируется Научным фондом США (на конкурсной основе мы включены в число первых аналитиков и оценщиков этих методических работ).
Вот-вот должен состояться переезд нашего факультета в новый корпус, расположенный рядом с Институтом прикладной математики и кибернетики ННГУ (в 200 метрах от древних стен Нижегородского кремля). Стратегическая цель перемещения в это историческое место – собрать в “единый кулак” науку (НИИ) и образование (факультет ВМиК). Остались приемо-сдаточные испытания нового корпуса, и хочется надеяться, что уже в 2014 году свершится задуманное…
Но нет худа без добра: 1 декабря состоится празднование 50-летнего юбилея нашего, первого из организованных в вузах СССР, факультета ВМиК. Пользуясь случаем, приглашаю коллег отметить эту дату с нами. Настоящим подарком к этому празднику станет установка в ННГУ в 20-х числах того же месяца новейшего вычислительного кластера с общей производительностью свыше 500 Tflops, который будет входить в число лидирующих вычислительных систем в стране и мире. Он займет вторую позицию среди суперкомпьютеров, работающих в российских университетах (после суперкомпьютера “Ломоносов” в МГУ). По решению Ученого совета ННГУ ему будет присвоено имя “Лобачевский”.

На фото: Виктор Гергель; Александр Бухановский; Максим Дерябин; Николай Борисов; участники Форума.

ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ СПЕЦВЫПУСКА ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF

Анна ШАТАЛОВА
Фото автора

Нет комментариев