Суперкомпьютеры и инженерное образование
реклама
Saint-Petersburg State Polytechnical University Научно Исследовательский Университет Санкт-Петербургский государственный политехнический университет ГОДИЧНОЕ СОБРАНИЕ СУПЕРКОМПЬЮТЕРНОГО КОНСОРЦИУМА УНИВЕРСИТЕТОВ РОССИИ МГУ им.М.В. Ломоносова 04 декабря 2012 г. Проф., д.т.н Болдырев Ю.Я., проф., д.т.н Заборовский В.С. «Суперкомпьютеры и инженерное образование» Saint-Petersburg State Polytechnical University План доклада или примерные направления работ I. Математическое моделирование и инженерное знание. II. Компьютерные технологии и развитие промышленности во второй половине XX века. III. Суперкомпьютерные технологии и инженерный анализ. IV. Суперкомпьютерные технологии и их роль в инженерном образовании. Saint-Petersburg State Polytechnical University I. Математическое моделирование и инженерное знание В основе современного естественнонаучного и инженерного знания совокупность лежит многотысячелетний опыт физического эксперимента, служивший людям примерно до конца XVIII века базой в создании всех машин и механизмов! Начало XIX века - массовое развитие железнодорожного транспорта и парового флота породило создание основ того, что мы, понимаем под инженерным анализом и проектированием. Вторая половина XIX - начало XX века - быстрый рост принципиально новых механизмом и машин, - формируются и новые требования к самому существу инженерного анализа. В течение XX века – произошло революционное изменение инструментария исследования природы и всего того, что создается человеком, - многовековая практика физического эксперимента стала активно дополняться и заменяться экспериментом математическим. Физический эксперимент практически исчерпал свои возможности* при создании новых типов машин и систем (либо из-за его большой сложности и дороговизны его проведения, либо по причине принципиальной его невозможности). *) Конечно, сказанное не следует понимать как полное отрицание физического эксперимента. Он, конечно, нужен и востребован как важный инструментарий в научных исследованиях и во многих натурных экспериментах. А там, где мы плохо знаем природу, такой эксперимент незаменим Saint-Petersburg State Polytechnical University . Итак с начала XX века ключевую роль в инженерной практике стали играть теоретические (не экспериментальные!) подходы в разработке новых машин и систем, причем этот период совпал с переходом от классической Д.Гильберт) математики и к математике неклассической (Р.Фреше, формированием основ современной вычислительной математики. Прорыв в использовании вычислительных методов в инженерной и естественнонаучной практике произошел, начиная со второй половины XX века в связи с массовым внедрение ЭВМ. При этом к концу 80-х годов сформировалась концепция математического моделирования, где выдающуюся роль сыграла отечественная наука в лице А.А.Самарского и О.М.Белоцерковского. Saint-Petersburg State Polytechnical University Сегодня математическое моделирование - тотальная технология (метатехнология) и оно применяется повсюду где мы хотим получить количественные оценки явлений, процессов и т.д. В современном инженерном анализе и проектировании математическое моделирование на базе компьютерных технологий играет центральную роль. Принципиально это касается всех областей инженерного дела – от инженеров исследователей и разработчиков новых машин и систем до инженеров экономистов. Здесь же мы остановимся только на деятельности инженеров исследователей и разработчиков, как наиболее важной и трудной. Как и в чем выражается эта деятельность в рамках современного компьютеризированного производства? II. Компьютерные технологии и развитие промышленности во второй половине XX века Обратимся к схеме CALS технологий или технологий непрерывной поддержки поставок и жизненного цикла продукции (Continuous Acquisition and Life cycle Support), (также, часто говорят о PLM – технологиях (Product Life Management)). Saint-Petersburg State Polytechnical University CALS технологии Standards, normative documents, catalogues PDM - Product Data Management ERP Enterprise Resource Planning CAD / CAE / CAM ILS Computer-Aided Design/Engineering/ Manufacturing Integrated Logistic Support Design Manufacture Operation Saint-Petersburg State Polytechnical University Сущность CALS – технологий в системном описании в рамках компьютерных технологий всех производственных и иных процессов, в которых рассматривается жизнь любого изделия от идеи его создания, проектирования, изготовления, жизни за пределами предприятия, т.е. его эксплуатация и обслуживания, вплоть до её окончания и утилизации. Для инженеров исследователей и разработчиков важнейшей является «триада» CAD/CAE/CAM (Computed Aided Design/Engineering/ Manufacturing) технологий, содержащая в себе самое наукоемкое, естественнонаучное и инженерное ядро CALS– технологий. Итак, мы подошли к самому главному. Цепочка CAD/CAE/CAM – технологий, из которых наиболее трудными, как в освоении, так и в реализации, являются CAE технологии компьютерного инжиниринга, лежит в основе современного инженерного анализа и проектирования. И именно CAE – технологии должны составлять базис современного инженерного образования в рассматриваемом нами сегменте инженерного дела. Saint-Petersburg State Polytechnical University III. Суперкомпьютерные технологии и инженерный анализ Принципиально, задачи реальной инженерной практики при их корректной постановке, представляются совокупностью связанных краевых или начально – краевых задач математической физики. А это приводит к большой вычислительной ресурсоемкости при их решении! Еще сложнее обстоит проблема оптимизации характеристик технических изделий, где любая междисциплинарная задача есть связанная с каким либо функционалом (или их связанной совокупностью!) задача Лагранжа вариационного исчисления! Развитие суперкомпьютерных технологий привело сегодня научное и инженерное сообщество к возможности ставить и решать такие классы естественнонаучных и инженерных задач, которые были немыслимы в корректной постановке для инженеров и исследователей даже 15-20 лет тому назад. В части инженерных задач главным инструментом здесь являются CAE – технологии, в их суперкомпьютерных (многопроцессорных) реализациях. Saint-Petersburg State Polytechnical University Суперкомпьютерные CAE – технологии привели к принципиально новому качеству их применения в инженерной практике, существо которого состоит в появлении возможности решать междисциплинарные задачи, близкие по своей постановке к задачам реального физического мира, - мира машин, механизмов и систем, создаваемых в сфере промышленного производства. Но постановка и решение таких задач при подготовке инженеров требует КОРЕННОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ всего учебного процесса в высшей технической школе! Основы такой перестройки уже заложены в рамках трех лет проекта «Суперкомпьютерное образование»! Но нужно двигаться дальше поскольку инженерные аспекты весьма сложны и многообразны. Действительно, как только мы ставим задачи для суперкомпьютеров так сразу появляются проблемы… Saint-Petersburg State Polytechnical University Во первых, мы сталкиваемся с необходимостью провести разбиение задачи (декомпозицию) на подобласти для реализации параллельных вычислений на множестве процессоров: Здесь приведены примеры разбиения всей расчетной области и отдельно в подобластях при расчетах гидротурбины: «улитки», и направляющего аппарата и фрагмента рабочего колеса. Во-вторых, это построение сеточных областей от качества которых критически зависит решение задач. Сегодня это десяткисотни миллионов конечных элементов – ячеек! Saint-Petersburg State Polytechnical University Saint-Petersburg State Polytechnical University Это, конечно, и проблемы вычислительных алгебраических процедур. И, наконец, это важнейшие вопросы визуализации результатов вычислений. Суперкомпьютерные технологии сегодня по сути дела делают малоразличимыми естественнонаучные исследования и инженерные разработки, приближая нас к решению вечной проблемы познаваемости природы. Пример – моделирование турбулентности. Обтекание тандема цилиндров (2010 г). СПбГПУ, Лаборатория проф. М.Х.Стрельца Saint-Petersburg State Polytechnical University Поле скорости поперечного обтекания тандема цилиндров при числе Re = (V0D)/ν ν= =1.4·105 (V0 – скорость набегающего потока, D – диаметр цилиндра, ν - кинематическая вязкость). Визуализация наглядно демонстрирует наличие крупных и мелкомасштаб ных структур турбулентности. Задача считалась на 8160 узлах суперкомпьютера «Intrepid» Blue Gene/P Лаборатории Argonne National Lab (США) на. Каждый узел содержит два 4-х ядерных процессора. В расчетах было использовано от 16320 до 65280 процессорных ядер! Сетка, содержит примерно 60 миллионов узлов. Характерный расчет шел около 11 суток. Saint-Petersburg State Polytechnical University IV. Суперкомпьютерные технологии и их роль в инженерном образовании Универсальный и всеобъемлющий характер обуславливают трудности и проблемы, на пути широкого внедрения суперкомпьютерных технологий в инженерное образование. Универсальность в том, что они позволяют в максимальном объеме реализовать технологии матмоделирования, т.е. ставить и решать во всей полноте междисциплинарные задачи, которые, как указывалось, дают возможность весьма близко подойти к описанию реального физического мира. Но такой высокое, и все более нарастающее в своих возможностях качество описания мира техники, требует и более высокого уровня освоения инженерным сообществом самих фундаментальных основ инженерного знания! Saint-Petersburg State Polytechnical University Именно в фундаментальном характере технологий решения на основе суперкомпьютеров инженерных задач, как видится, суть проблемы слабого внедрения суперкомпьютерных технологий в инженерное образование, высшая техническая школа, в своем подавляющем большинстве, не готова, а иногда и принципиально не способна к радикальной перестройке учебного процесса на такие технологии. Сущность этой перестройки состоит в том, что инженерная деятельность, в рамках названных технологий, будет все более и более приобретать характер деятельности исследовательский, опирающейся на фундаментальное знание. При этом, как представляется, в недалеком будущем произойдет смена самой парадигмы инженерной деятельности. Что же имеется в виду? Saint-Petersburg State Polytechnical University Деятельность инженера в ближайшем будущем «обречена» на все более творческий характер, при которой сама проектно – конструкторская, расчетнотехнологическая работа, будет возложена на расчетно технологические вычислительные среды (аппаратно – программные системы, реализующие CAD/CAE/CAM – технологии). Роль инженера разработчика будет определяться, главным образом, творческой деятельностью, - разработкой концепции нового изделия, включая определение его эксплуатационно - технических характеристик, а также эффективность и быстроту его производства. На реализацию такой идеологии будет нацелена деятельность, создаваемого в 2013-2014 гг. по решению Правительственной комиссии, Суперкомпьютерного центра Политехнического университета. Saint-Petersburg State Polytechnical University Вообще, направлений для проведения исследований в рассматриваемой сфере, нам видится, два: I) Фундаментальные аспекты инженерных наук, связанные с особенностями постановок задач на суперкомпьютерах. II) Собственно суперкомпьютерные вопросы, т.е. технологии решения (прохождения) задач на суперкомпьютерах. Задача ведущих технических вузов состоит в том, чтобы: во – первых, предложить концепцию инженерного образования на базе суперкомпьютерных технологий, некоторые контуры которой здесь намечены, во-вторых, определить те группы дисциплин, которые будут составлять некоторое универсальное ядро – основу такого образования, по крайней мере, для групп специальностей. Saint-Petersburg State Polytechnical University БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ Saint-Petersburg State Polytechnical University Поблочное описание концепции математического моделирования по А. А. Самарскому I блок. Составление математической модели явления, процесса, задачи и т.д. Это, вообще говоря, предметная область естественных и других наук, где составляются количественные соотношения для описываемых явлений и процессов. II блок. Анализ математической корректности построенной математической модели, описывающей нашу задачу. III блок. Переход от непрерывной математической модели к модели дискретной. IV блок. Анализ математической корректности вновь полученной дискретной задачи (на основе исходной). V блок. Написание алгоритма для дискретной задачи, то есть последовательности вычислительных шагов и его перенос на компьютер компьютер - программирование. VI блок. Отладка программы (или настройка программной системы на нашу задачу), то есть её тестирование, получение результатов и их анализ.
