Суперкомпьютеры и скоростные сети. Часть 2

ИММ УрО РАН
Суперкомпьютеры и скоростные сети
26 ноября 2010 г.
В.П.Матвиенко, В.И.Бердышев
ИММ УрО РАН
Суперкомпьютеры
26 ноября 2010 г.
В.И.Бердышев
«Страна, желающая победить в конкуренции, должна победить в вычислениях»
Винс Смит – Президент Совета США по конкуренции
TOP 500
В TOP 500 11 российских установок
Tflops – 1012 оп/сек, Pflops – 1015 оп/сек
Рост производительности ЭВМ
списка top50
Teanhe-1A
(1-5) производительность
первой пятерки списка
top50
(1-50) производительность
всего списка top50
 Взрывной рост производительности ЭВМ.
Приближаются экзафлопные времена (экзафлоп – 1018 оп/сек).
Intel готовиться к выпуску 50-ти ядерных процессоров.
 Создание комбинированных систем:
ядерные процессоры Intel Xeon + графические процессоры NVidia Tesla
 Проблема энергосбережения
Энергопотребление Tianhe-1A – 4 Мвт. /час (мощнее, чем СК Уран в 260
раз, энергопотребление больше в 55 раз. Потребление СК Уран 70 квт/ч.)
 Пропасть между уровнем аппаратной части и развитием программного
обеспечения и методов решения прикладных задач
ТОП 50
Gigaflops – 109 операций в секунду
Расчет лайнера Boeing 787 – 800 000 Cray-часов ≈ 1.3 года.
Audi закупила 39-ти-Tfl компьютер для моделирования столкновения
автомобиля с препятствием.
BMW вместо аэродинамической трубы купила 12-ти-Tfl компьютер.
В Европе лишь 5.4% сложных изделий производятся без имитационного
моделирования.
Основные коммерческие программные комплексы ANSYS, NASTRAH,
ABAQ45, MARK, Star CD и др. созданы в США. Затраты на создание пакетов
исчисляются десятками тысяч человеко-часов.
Россия
 Отсутствие производственно-технической базы для разработки ключевых
компонентов ЭВМ.
 Полная зависимость от зарубежных разработчиков программных пакетов,
используемых на всех стадиях разработки наукоемкой продукции (Лидер –
США)
 Отставание по уровню применения мат.моделирования в
высокотехнологичных областях промышленности от мирового уровня в 1000
раз.
ОКБ Сухого использует моделирование. Затраты на покупку первого кластера
окупились за год. Планируется создание концепции «Виртуальный самолет».
В ИММ совместно с НПО им. Н.А.Семихатова осуществляется имитационное
моделирование вывода полезной нагрузки на орбиту посредством ракетыносителя СОЮЗ-2. Для отыскания оптимальной траектории на супер-ЭВМ
моделируется сотни миллионов запусков.
Вывод максимальной массы полезной нагрузки на
заданную орбиту ракетой-носителем СОЮЗ-2
На вычислительных мощностях МВС-1000 и «Уран»
проведено
более
100
миллионов
запусков
программы, имитирующей вывод полезной нагрузки
на орбиту. В результате разработаны алгоритмы
построения оптимального управления.
Множество
достижимости
управляемой системы,
соответствующее
минимальному
времени вывода на
орбиту.
Проекты комиссии Президента по модернизации и технологическому
развитию России «Развитие суперкомпьютеров и грид-технологий».
Развитие суперкомпьютеров и грид-технологий
В соответствии с протоколом заседания Комиссии при Президенте
Российской Федерации по модернизации и технологическому развитию
экономики России №3 от 31 августа 2009 г. Утвержден перечень проектов по
направлению «Развитие суперкомпьютеров и грид-технологий»:
 создание базового ряда отечественных супер-ЭВМ с различными
эксплуатационными характеристиками;
 развитие грид-систем для высокопроизводительных вычислений;
 разработка базового программного обеспечения для супер-ЭВМ;
 разработка отечественного программного обеспечения для технологий
проектирования и имитационного моделирования на супер-ЭВМ;
Стоимость работ по проекту в 2010 г. – 4300 млн. руб.
Суперкомпьютерное образование
Проект
«Создание системы подготовки высококвалифицированных
кадров в области суперкомпьютерных технологий и
специализированного программного обеспечения»
Основным результатом проекта должно стать формирование целостной
системы подготовки высококвалифицированных кадров в области
суперкомпьютерных технологий (СКТ). Основой этой системы должны стать
научно-образовательные центры (НОЦ) СКТ, главной задачей которых
будет эффективная организация деятельности вузов по подготовке,
переподготовке и повышению квалификации кадров в области СКТ,
разработка проектов модернизации (обновления) федеральных
государственных образовательных стандартов третьего поколения.
Необходима программа подготовки кадров в УрФУ – УрО РАН
Приоритетные проекты УрО РАН
Проект 1.1 ГИГА
Цель: создание современной вычислительно-информационной базы УрО РАН
сейчас
1-й этап
2-й этап
3-й этап
Производительность
Суперкомпьютерного центра УрО
РАН
20
Тфлопс
100
Тфлопс
1
Пфлопс
1
Эфлопс
Центр хранения данных с
соответствующей инфраструктурой
12 Тбайт
1 Пбайт
10
Пбайт
100
Пбайт
Собственная
оптотелекоммуникационная среда
передачи данных
330
Мбит/сек
40
Гбит/сек
640
Гбит/сек
1
Тбит/сек
Giga – 109, Tera – 1012, Peta – 1015, Exa – 1018
Участники ИММ УрО РАН, ИМСС УрО РАН.
Объем финансирования 14000 млн. руб.
Суперкомпьютерный
вычислительный
центр
PRIMEPOWER 850 (2004г.)
Производительность на тесте
TPC-C порядка
180 000 транзакций в сек.
УРАН (2009г.)
(1536 ядер, 2,0 GByte RAM
на ядро +128 ядер, 4,0 GByte
RAM на ядро )
Производительность 19,5
Tflops
UM64/Opteron (2008г.)
(128 ядер, 2,0 GByte RAM на
ядро)
Производительность 0,7
Tflops
МВС-1000/17ЕК» (2003г.)
Производительность – 160 Gflops
(используется для учебных целей на
кафедре)
Суперкомпьютер УРАН
УРАН (2009г.)
(1536 ядер по 2,0 GByte RAM
на ядро +128 ядер по 4,0 GByte
RAM на ядро )
Производительность 19,5 Tflops
Потребляемая мощность 80 квт
ОТКРЫТИЕ СУПЕРКОМПЬЮТЕРА УРАН
(12 марта 2010г.)
Суперкомпьютерный центр «УРАН»
ИММ УрО РАН – НОВОЕ КАЧЕСТВО!
Место ИММ УрО РАН в
текущем рейтинге (ТОР 50)
самых мощных вычислительных ресурсов СНГ
12-ая редакция от 30.03.2010
Суперкомпьютер “УРАН” - 10-е место
13-ая редакция от 21.09.2010
Суперкомпьютер “УРАН” - 15-е место
Динамика роста производительности
вычислительных ресурсов СКЦ
20,0
P, Tflops
19,5
19,5
10,0
3,0
0,7
2007
2008
2009
2010
Р - пиковая производительность
•
•
2007г. кластер UM/Opteron,
2008г. кластер UM/Xeon,
2009г. кластер УРАН (развитие кластера UM/Xeon)
Прикладное программное обеспечение
1. MATLAB ( состав приведен в таблице)
Прикладное программное обеспечение
2. ANSYS
• ACADEMIC RESEARCH СFD 25 лицензий
Включает Fluent, CFX, Workbench, Design
modeler
ANSYS Academic Research HPC 128 лицензий
Включает Mechanical, CFX, Fluent, AUTODYN,
Icepack
Загрузка вычислителя УРАН
Суперкомпьютерного центра УрО РАН коллективного пользования
ИТФ
Задачи молекулярной динамики
23,64%
ИФМ
Расчет спектральных характеристик d и f - металлов
18,46%
ИММ
Задачи управления движением, математической физики
3,25%
ИМСС
Задачи механики сплошных сред
2,81%
ИВМ СО РАН
Исследования алгебраических структур (пакетGAP)
2,60%
ИХТТ
Электронная структура твердофазных соединений
2,38%
ИПМ
Задачи гидромеханики и молекулярной динамики
2,16%
УрФУ
Исследование потока в вихревых трубах
0,49%
УдмуртГУ
Вычислительная физика материаловедения
0,34%
ИВТЭХ
Квантово-механические задачи
0,33%
ИМАШ
Задачи упруго-пластинчатой деформации
0,13%
ИГФ
Задачи магнитометрии
0,01%
УрГУ
Вопросы машинного зрения
0,00%
Общая загрузка 56,58%
Проект 1.4 Суперкомпьютерные технологии для
оперативного анализа данных дистанционного
зондирования Земли
Исполнитель
–
Институт математики и механики
Задачи
–
разработка эффективных автоматических
методов анализа данных зондирования,
создание программных средств обработки
данных.
Недостающие ресурсы:
o 10 рабочих станций
o Программное обеспечение ENVI
Объём финансирования 50 млн. руб.
Автоматический мониторинг структурных изменений
на разновременных космических снимках одного и
того же участка местности
Снимок 1
Снимок 2
На двух разновременных космоснимках выделено 125 областей
с существенными различиями изображений объектового состава
Проект 1.5 Суперкомпьютерные технологии
моделирования прямых и обратных задач внутренней
динамики земных недр
Исполнители:
Институт математики и механики
Институт геофизики
Цель проекта: - изучение эволюции Земли и её регионов,
- изучение закономерности размещения полезных
ископаемых на основе интерференции теплового,
гравитационного, электромагнитного полей, палео –
и современной геодинамики
Недостающие ресурсы – 10 рабочих станций
Общий объём финансирования – 80 млн. руб.
Разработана и реализована в ряде международных проектов методика
создания 4D-моделей деформирования земной коры. Пример
вертикальных деформационных движений региона Юго-Восточной Европы
Click on movie
На рисунке представляются результаты
численного моделирования предыстории
погружения плотного осколка
континентальной плиты в геологическом
районе Вранча юго-восточных Карпат 11,
16 и 22 млн. лет назад
Проект 1.6 Межотраслевой научно-исследовательский центр
информационных и вычислительных наносистем (НИЦ
«Нанокомпьютер»)
Основными областями применения функционально-ориентированных процессоров
(ФОП) являются:
 микроминиатюрные системы обработки видеоизображений в реальном
времени;
 радиолокационные бортовые системы;
 гидроакустические комплексы глубоководных аппаратов;
 навигационные системы летательных аппаратов;
 интеллектуальные сенсоры.
Предполагаемые участники проекта: Уральское отделение РАН: Институт
машиноведения (ИМАШ), Институт математики и механики (ИММ); ФГУП «НПО
автоматики им. ак. Н.А. Семихатова» (Федеральное агентство «Роскосмос»);
Уральский федеральный университет.
Задача Центра: создание СБИС функционально-ориентированных процессоров
(ФОП) для систем реального времени гражданского и специального
назначения.
Недостающие ресурсы
 10 специализированных компьютерных рабочих станций для проектирования
сверхбольших интегрированных схем;
 программное обеспечение для всех стадий проектирования (структура,
схемотехника, топология).
Необходимые инвестиции  100 млн руб.
НИЦ "НаноКомпьютер"
SRC "NanoComputer"
27
РОСТ СТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
КРИСТАЛЛОВ (СБИС) – ГЛАВНАЯ ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
1970
СБИС – сверхбольшая интегральная схема
1990
ЭВМ: стойка
1 ИС: 1 тыс.
транзисторов
ЭВМ: печатная плата
1 БИС: 10 млн.
транзисторов
Екатеринбург - 2010
2010
ЭВМ: чип
1 СБИС: 5 млрд.
транзисторов
Проект 1.7 Междисциплинарный научно-образовательный центр
«Виртуальный человек. Биомедицинское моделирование и
инженерия»
Проект УрО РАН предполагает создание Междисциплинарного научнообразовательного центра.
Предполагаемые участники:
Уральское отделение РАН, подразделения Уральского федерального
университета и Уральской государственной медицинской академии, Пермский
научный центр УрО РАН и Пермской медицинской академии, клинические
учреждения Министерства здравоохранения Свердловской области и Пермского
края, а также предприятия, выпускающие биомедицинское оборудование и
реализующие биомедицинские технологии.
Задачи центра:
 создание математических моделей, учитывающих различные уровни
организации процессов в биологических системах — от молекулярно-клеточного
до тканевого и органного;
 разработка специальной методологии для обработки биомедицинских 3D
изображений, построения анатомически детализированных моделей органов и
эффективных методов их компьютерной реализации
Недостающие ресурсы:
 оснащение современным оборудованием.
Необходимые инвестиции – 70 млн руб.
Биомедицинское компьютерное моделирование
Проект 1.8. Междисциплинарный научно-образовательный
центр «Комплексная безопасность систем взаимозависимых
критичных инфраструктур и территорий»
Предполагаемые участники проекта:
Уральское отделение: Научно-инженерный центр «Надежность и ресурс
больших систем и машин» (НИЦ «НиР БСМ»), Институт математики и
механики (ИММ), Институт промышленной экологии (ИПЭ), Институт
социально-экономических и энергетических проблем Севера (Коми)
(ИСЭЭПС), Институт прикладной механики (МПМ) (Ижевск).
Целью деятельности Центра является разработка комплексных
междисциплинарных научных методов решения проблемы безопасности и
анализа риска критичных инфраструктур и территорий и их инструментальное
приложение к решению крупномасштабных практических задач.
Недостающие ресурсы
полигоны для исследований процесса горения нефти, нефтепродуктов, других
горючих конструкционных материалов (совместно с Уральским институтом гос.
противопожарной службы МЧС России) и подводных компонент критичных
инфраструктур (типа морских платформ);
помещения (около 100 м2) для размещения филиала кафедры;
приобретение нового исследовательского / технологического оборудования.
Необходимые инвестиции - 150 млн. руб.
Спасибо за внимание!