концепция виртуальной вычислительной лаборатории

КОНЦЕПЦИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ФИЗИКЕ ПУЧКОВ
VIRTUAL LABORATORY CONCEPTION FOR HIGH PERFORMANCE COMPUTING IN BEAM PHYSICS
С.Н.Андрианов, Н.С.Едаменко, В.М.Гришкин
Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург
Тел.: (812) 428-71-79, факс: (812) 428-71-89, e-mail: dok@comset.net
На базе вычислительного кластера факультета прикладной математики – процессов управления СПбГУ создается
виртуальная лаборатория высокопроизводительных вычислений в физике пучков для обеспечения удаленного доступа
к вычислительным ресурсам Петродворцового Учебно-Научного Комплекса (ПУНК) СПбГУ. В перспективе
предполагается объединение через сеть Интернет баз данных и вычислительных ресурсов других институтов и вузов
Санкт-Петербурга и России.
К настоящему времени кластерный класс введен в эксплуатацию и проходит тестирование с использованием
стандартных тестов, а также с использованием некоторых классов задач физики пучков. Применение
высокопроизводительных систем для моделирования и оптимизации систем управления пучками частиц вызвано,
прежде всего, двумя следующими причинами: во-первых, высокой стоимостью современных установок, и как следствие,
необходимостью проведения тщательного предварительного компьютерного моделирования, и во-вторых, сложным
характером динамики пучков в ускорителях, в частности, с учетом влияния сил пространственного заряда. В настоящее
время существуют проекты по созданию специальных высокопроизводительных систем для моделирования пучков
частиц в коллайдерах. Используемый математический аппарат реализован в достаточно традиционном численном
виде, поэтому соответствующие параллельные алгоритмы не демонстрируют достаточной эффективности. В связи с
этим в качестве базового математического аппарата моделирования динамики пучков частиц при реализации
виртуальной лаборатории выбран матричный формализм алгебраических методов Ли. Особенности данного
формализма позволяют, с одной стороны, использовать мощь теории групп и алгебр Ли, а с другой достоинства
матричной алгебры, которая допускает естественное распараллеливание и распределение вычислительных потоков.
На сервере факультета ПМ-ПУ располагается Web-страница виртуальной лаборатории, основное предназначение
которой на начальном этапе является предоставление необходимой информации по следующим разделам:
– создание математического аппарата, допускающего естественное распараллеливание и распределение
вычислительных потоков;
– создание алгоритмов, реализующих предлагаемые методы;
– создание распределенных баз данных (в том числе символьных), обеспечивающих динамическую подкачку
информации в процессе вычислений;
– разработка математических методов анализа и синтеза систем управления токамаков с использованием
распараллеливания вычислительных процессов.
Пользователю ресурсов виртуальной лаборатории предоставляется возможность получать в интерактивном
режиме информационную поддержку, задать вопрос сотрудникам виртуальной лаборатории либо заполнив
интерактивную форму, либо отослав письмо по электронной почте. На сайте виртуальной лаборатории будут
размещены сначала демонстрационные (с необходимой информационной поддержкой) программы по моделированию
и оптимизации систем управления пучками частиц, а затем учебно-исследовательские программные продукты, которые
позволят проводить глубокий качественный и количественный анализ систем.
Дальнейшее развитие виртуальной лаборатории предполагает предоставление дистанционного доступа к
программно-информационным и вычислительным ресурсам как кластера факультета ПМ-ПУ, так и всей систем
кластеров ПУНК’а. Для реализации вычислительного эксперимента удаленный пользователь должен сформировать
запрос на проведение эксперимента с помощью CGI, послать запрос на выполнение. После установления соединения с
кластером и проверки его готовности, передает на управляющий компьютер необходимые параметры моделируемой
системы и осуществляется процесс моделирования с визуализацией результатов вычислений на компьютере
пользователя.
Формирование системы управления реализуется на основе создаваемой базы данных программных объектов,
соответствующих реальным и виртуальным модулям системы управления пучками частиц. Основой такой базы данных
является совокупность матриц в символьном представлении, соответствующих как элементам управления динамикой
пучка частиц, так и моделям описания самого пучка. Диапазон изменения задаваемых пользователем параметров
определяется как технологическими, так и вычислительными ограничениями, однако является достаточно широким, что
обеспечивает реализацию вычислительного эксперимента в достаточно объеме.
Одно из направлений работы по развитию виртуальной лаборатории направлено на реализацию возможности
работы удаленных пользователей с использованием вычислительных ресурсов Объединенного института ядерных
исследований.
1