3 Маркетинговая стратегия – описание и обоснование выбора рынков, на которых будет сконцентрирована деятельность подразделения 11


Раздел 3. Перспективный облик НИЦ



страница29/30
Дата17.10.2016
Размер4.73 Mb.
1   ...   22   23   24   25   26   27   28   29   30
Раздел 3. Перспективный облик НИЦ

НОЦ будет состоять из теоретического и экспериментального секторов. Цели, основные задачи и планируемые результаты указаны в пунктах 1.3 – 1.5.

В НОЦ следует уделить значительное, возможно, и основное внимание проблеме рационального использования композитных материалов в составе трехслойных и многослойных элементов конструкций (так называемых сандвич-конструкций). Конструктивно они состоят из двух и более разнесенных тонких несущих слоев, выполненных их композитных материалов, и маложестких слоев заполнителей, соединенных (склеенных) с несущими слоями. Такие элементы широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, обладают хорошими прочностными, тепло- и звукоизоляционными свойствами. В них в качестве маложестких, как правило, используется заполнитель сотовой структуры, изготавливаемый в настоящее время из тонкой металлической фольги или из полимерной бумаги.

По предложенному плану по созданию НОЦ будет проведено оснащение диагностическим оборудованием, позволяющим изучать вопросы динамического поведения конструкций выполненных из композитных материалов.

Все упомянутые экспериментальные исследования будут тесно связаны с работой ученых теоретиков и аспирантов НОЦ.

Чрезвычайно важные исследования, которые будут осуществляться в НОЦ, в значительной мере характеризуются научной новизной. Исследования будут носить фундаментальный и прикладной характер. Новизна и сложность задач, которые будут решаться в НОЦ, будут способствовать выполнению исследований аспирантами, соискателями и докторантами КФУ.

Проводимые на высоком мировом уровне исследования, необходимые для обеспечения работ по Президентской программе модернизации послужат росту рейтинга КФУ, будут способствовать повышению качества подготовки кадров, увеличат приток в университет талантливой молодежи.

После реализации предлагаемого плана исследований НОЦ продолжит научную работу по заданному направлению с возможным расширением класса решаемых задач в область моделирования и исследования физико-механических процессов в телах с примесями при нестационарных воздействиях различной физической природы.

Для осуществления перспективных планов будут привлекаться средства из Федеральных целевых программ, грантов РФФИ и хоздоговоров.

Раздел 4. Кадровое обеспечение выполнения работ

Научное руководство НОЦ будет осуществляться:

академиком Академии наук Республики Татарстан, Заслуженным деятелем науки и техники Российской Федерации профессором Паймушиным В.Н. – ученым и специалистом с мировым именем в области фундаментальных и прикладных исследований проблем механики деформируемых твердых тел и тонкостенных конструкций, разработки численных и аналитических методов решения задач и их реализации на ЭВМ в виде соответствующих пакетов прикладных программ;

академиком Академии наук Республики Татарстан, РАЕН И МАН ВШ, Заслуженным деятелем науки Российской Федерации, профессором Коноплёвым Ю.Г.

Научными сотрудниками НОЦ будут преподаватели кафедры теоретической механики, кафедры аэрогидромеханики, Лаборатории механики оболочек, докторанты, аспиранты и студенты ИММ им. Н.И. Лобачевского.

ПРОЕКТ


  1. Научно-образовательный центр

«Высокопроизводительные вычисления

и математическое моделирование»

Введение

Суперкомпьютерные технологии являются неотъемлемой частью современного высшего образования и научно-исследовательской деятельности. По данным Топ 500 суперкомпьютеров на 2013 год, около 40% суперкомпьютерных систем, составляющих более 75% от общей мощности суперкомпьютеров, установлены в учреждениях образования и научно-исследовательских центрах. В России 29 суперкомпьютеров из списка Топ 50 установлены в институтах РАН и вузах. Помимо признанных центров суперкомпьютерных исследований, таких, как Москва, Новосибирск, Таганрог, значительные суперкомпьютерные мощности развернуты Томском, Нижегородском, Уфимском университетах, в вузах гг. Белгород, Киров, Якутск и др.

В Казанском (Приволжском) федеральном университете суперкомпьютерных мощностей, сопоставимых с мощностью названных выше суперкомпьютерных центров, в настоящее время нет. Вместе с тем, в КФУ существуют и развиваются научные исследования с использованием суперкомпьютерных технологий в научных направлениях, являющихся традиционными для Казанского университета – механики сплошных сред, подземной гидромеханики, химии, биологии, радиофизики. Ряд разработок, использующих суперкомпьютерные вычисления, в том числе в области подземной гидромеханики и механики сплошных сред, доведен до промышленного применения. В 2012 году КФУ получил статус сертифицированного центра компетенций от одного из лидеров суперкомпьютерных технологий – компании nVidia. Имеется ряд публикаций в ведущих российских и рецензируемых международных журналах.

Названные разработки КФУ ведутся с использованием собственных маломощных вычислительных установок либо с выходом на суперкомпьютеры сторонних организаций, преимущественно МСЦ РАН. Собственные мощности в силу финансовых и технических проблем ограничиваются 1 – 2 Тфлопс, выход на суперкомпьютеры сторонних организаций сопряжен с организационными и технологическими сложностями. Оба этих фактора существенно снижают продуктивность научных исследований и повышает риски утрат научного лидерства в ряде традиционных научных направлений.



Цель проекта

В рамках данного проекта предлагается развернуть и поддерживать в актуальном состоянии суперкомпьютерный комплекс, обеспечивающий научно-преподавательскому составу КФУ паритет по вычислительным возможностям с ведущими научно-образовательными центрами Российской Федерации и сопоставимыми по рейтингу научно-образовательными учреждениями мира, а также безусловный приоритет над исследовательскими группами, не имеющими систематического доступа к суперкомпьютерным технологиям.



Критерии

  1. Качественным показателем, свидетельствующим о достижении такого паритета, является попадание предлагаемого суперкомпьютерного комплекса в Топ 10 суперкомпьютеров Российской Федерации и Топ 500 суперкомпьютеров мира. Количественно нижняя граница вычислительной мощности Топ 10 России и Топ 500 мира составляет в настоящее время около 100 Тфлопс по тесту Linpack и имеет тенденцию увеличиваться в 1.5 – 2 раза за календарный год (Табл. 1)

Таблица 1

Год

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

Топ 500 min, Тфлопс

96

60

40

24

17

9

4

2. По данным компании nVidia, критическим превосходством в вычислительной мощности, обеспечивающим приоритет в открытиях и разработках, является превосходство в скорости вычислений в 50 – 100 раз по сравнению со средним уровнем. Ориентируясь на мощность настольных систем, доступных массовому пользователю (1 – 2 Тфлопс), мы получаем около 100 Тфлопс необходимой мощности суперкомпьютера и по данному критерию. Вычислительная мощность единичных средств вычислительной техники (процессоров, графических ускорителей) возрастает в настоящее время на 20 – 30% в год.

Концепция

Многообразие артефактов (архитектуры, целей применения, технических решений, программного обеспечения и т. п.) суперкомпьютерных вычислений предполагает решение следующих основных дилемм:

1. Производительность или надежность. Значительное число суперкомпьютеров используется в интересах обороны, банковского дела и других областях, где недопустимы никакие сбои вычислительной системы. Коммерческие фирмы (IBM, HP и др. – в мире, Т-платформы – в России) разрабатывают и производят суперкомпьютерные системы, ориентированные в первую очередь именно на эти сектора, как на наиболее платежеспособные. Это определяет применение самых высоконадежных и, следовательно, дорогостоящих решений в промышленно производящихся суперкомпьютерах. Вместе с тем, за те же средства возможны самостоятельная сборка и сопровождение суперкомпьютерной системы, примерно в два раза более производительной, с использованием широко распространенных компонент, обладающих отказоустойчивостью на уровне высококачественных офисных компьютеров. Поскольку учебная и научная работа не относятся к критическим по надежности направлениям суперкомпьютинга, предлагается оптимизировать производительность системы с обеспечением достаточного уровня надежности.

2. Ориентация на собственные или покупные программные средства. Существует большое количество прикладных программных средств, использующих суперкомпьютерные вычисления, в том числе в механике сплошной среды, химии, биологии и т. д. Каждое из них накладывает свои ограничения на архитектуру суперкомпьютера, зачастую ориентируясь на устаревшие технические средства и архитектуры, что резко снижает спектр возможных технических решений. Специфика университета как учреждения фундаментального образования и фундаментальной науки предполагает, что суперкомпьютерные мощности будут использоваться для производства нового знания и программного обеспечения, а не освоения уже известных промышленных систем. Таким образом, в составе суперкомпьютерного комплекса КФУ приоритет должен быть отдан средствам разработки собственных отраслевых программных решений.

3. Традиционные или перспективные архитектуры. В суперкомпьютерных вычислениях есть ряд устоявшихся направлений, которые развиваются десятилетиями и в которых сложно обеспечить научную новизну и новые технологии, наработки в которых пока еще относительно малы. Традиционные архитектуры целесообразно применять в промышленных целях, где нужно обеспечить выполнение конкретных прикладных функций, или в отраслевых вузах, где нужно обеспечить освоение студентами конкретных отраслевых программных средств. В КФУ целесообразно применение перспективных архитектур, с использованием которых возможны генерация научной новизны и подготовка исследовательских кадров.

Исходя из вышесказанного и имеющегося задела, предлагаем в качестве базовой архитектуры для суперкомпьютерного комплекса КФУ использовать кластер GPU с универсальной средой программирования OpenCL. В архитектуре кластеров GPU у нас имеется хороший задел, в частности, статус сертифицированного центра nVidia «CUDA Research center». Среда программирования OpenCL является более новой и более универсальной средой, чем CUDA, переносящей подходы CUDA на более широкий спектр архитектурных решений. Технологию OpenCL поддерживают ведущие разработчики аппаратных средств nVidia, AMD и Intel, что обеспечивает большую возможность в выборе технических и программных компонент суперкомпьютерного комплекса. Немаловажно также, что программные решения на OpenCL пока относительно малочисленны и открывает простор для научных изысканий.



Архитектура комплекса

Суперкомпьютерный комплекс на основе GPU состоит из следующих подсистем:

1. Вычислительные компоненты GPU. В настоящее время существует обширный спектр графических расширителей от компаний nVidia, AMD и Intel, поддерживающих технологию OpenCL. На основе имеющегося задела установлено, что наилучшим соотношением производительность/цена (ок 1 Тфлопс за 1 тыс. долларов США) обладают игровые графические карты AMD. Имеется опыт запуска суперкомпьютера мощностью 20 Тфлопс на данных картах для геофизической компании «Градиент» (Казань), который показал их достаточную надежность и высокую производительность. На период 2013 – 2014 год предлагаем использование графических карт данного класса.

2. Платформа узла кластера. Классические подходы предполагают использование в качестве узла кластера мультипроцессорных систем на основе 8 – 16 ядерных процессоров Xeon или Opteron hi-end класса со стоимостью платформы 10 тыс. долларов США и более. Имеющийся опыт работы с кластерами GPU показал, что для их построения важны иные критерии, в частности, скорость шин PCI-e и частоты процессора и памяти. Данным критериям отвечают платформы на основе материнских плат для игровых компьютеров или графических рабочих станций и 4 – 6-ядерных процессоров Intel с высокой тактовой частотой. Стоимость таких платформ составляет около 5 тыс. долларов США.

3. Коммуникационная подсистема. Коммуникационная подсистема является важнейшим компонентом комплекса. Исследование списка Топ 500 показало, что использование коммуникационной системы Infiniband повышает производительность системы в 2 раза по сравнению с сетью Gigabit Ethernet. Имеется опыт работы с системой Infiniband, на основе которого предлагается применить максимально высокоскоростной из доступных в настоящее время протоколов Infiniband – протокол FDR. Это позволит максимально использовать вычислительный потенциал карт GPU и минимизировать потребности в обновлении коммуникационной среды на срок до 2020 года.

4. Системное программное обеспечение. В качестве системного ПО предлагается использовать операционные системы Open Source семейства Linux, работоспособность которых для указанных архитектурных компонент подтверждена имеющимся опытом.



Стоимость развертывания комплекса, исследований и модернизации

Исходя из предлагаемых технических решений, стоимость суперкомпьютера мощностью 100 Тфлопс по тесту Linpack можно оценить в 14 – 17 млн. руб в ценах сентября 2013 года. Для выбора наиболее оптимальной конфигурации требуется апробация предлагаемых технических решений на трехузловой модели кластера стоимостью (с учетом тестирования спектра компонент) около 3 млн. руб. Для поддержания комплекса в соответствии с целевыми параметрами – ежегодного присутствия в Топ 10 России и Топ 500 мира – необходимо ежегодное увеличение вычислительной мощности ориентировочно на 70 процентов, что потребует около 10 млн. руб. ежегодно. В структуре затрат на поддержку суперкомпьютерного комплекса необходимо предусмотреть затраты на тестирование вновь появляющихся компонент для минимизации стоимости дальнейшей модернизации.

Тестирование и сравнение суперкомпьютерных компонент являются также важным самостоятельным направлением исследований с высокой способностью к высокорейтинговым научным публикациям. Стоимость затрат на приобретение компонент составляет 1 – 2 млн. руб. в год. Протестированные компоненты могут быть использованы в дальнейшем в локальных вычислительных комплексах.

Методика модернизации

Модернизация суперкомпьютерного комплекса принципиально возможна двумя путями – экстенсивным наращиванием начальных архитектурных решений и модификацией компонент на более производительные. Экстенсивное наращивание количества узлов комплекса влечет непрерывное увеличение энергопотребления и приведет через 5 – 7 лет к необходимости полного перехода на новую аппаратную базы с высокими пиковыми затратами. Эффективное использование оборудования суперкомпьютерного комплекса предыдущего поколения при этом невозможно в связи с глубоким моральным и физическим устареванием.

Предлагаемая нами архитектура допускает циклическую покомпонентную модификацию отдельных подсистем (графических вычислителей, платформы и коммуникационной подсистемы) по принципу замены узкого места в производительности. Количество компонент при этом будет оставаться приблизительно постоянным и энергопотребление не будет увеличиваться. Освободившиеся компоненты предлагается использовать для:

1. Построения компьютерных классов в целях обучения программированию с использованием суперкомпьютерных технологий. Выбранная среда OpenCL в силу интероперабельности гарантирует, что студенты будут обучаться не на устаревшей системе, а всего лишь на несколько более маломощной.

2. Построения узкоспециализированных прикладных систем в исследовательских и прикладных целях с применением готового программного обеспечения, так как освободившиеся компоненты потеряют новизну и для них будет адаптировано научное и инженерное программное обеспечение.

Таким образом, оборудование суперкомпьютерного комплекса предыдущего поколения будет повторно использоваться в целях массового обучения и решения узкоспециализированных задач до полного физического устаревания. Основной суперкомпьютерный комплекс на оборудовании последнего поколения будет использоваться для решения пионерных и прорывных задач, для которых готового прикладного ПО нет.



Приоритетные области применения

1. Использование имеющихся заделов. На первом этапе (2014 – 2015 годы) научные и практические результаты предполагается получить в областях, где уже имеются заделы с использованием суперкомпьютерных вычислений:

1.1. Механика сплошной среды. Мониторинг и проектирование гидроразрыва пласта, базовой технологии при добыче сланцевой нефти и сланцевого газа; поиски малоразмерных месторождений нефти, мониторинг разработки и других задач нефтяной геологии

1.2. Подземная гидромеханика. Анализ и расчет режимов разработки высоковязких нефтей (битумов) и малопроницаемых пластов при термогазовом, химическом и механическом (гидроразрыв) воздействии.

1.3. Вычислительная гидродинамика. Исследование ламинарно-турбулентного перехода в гладких каналах и каналах с препятствиями. Исследования режимов обтекания периодически колеблющихся твердых тел. Исследования гидродинамики кипящего зернистого слоя применительно к задачам химической технологии

2. Развитие заделов в смежных областях. Ряд имеющихся методов, успешно применяющихся в традиционных направлениях, может быть перенесены на смежные области при увеличении вычислительной мощности. В частности:

2.1. Исследование механизмов 3-D печати. Наработки в вычислительной механики могут быть использованы для исследования процессор 3-D печати методом спекания наночастиц, ионной томографии и других методов 3-D печати.

2.2. Биомедицина. Наработки в гидромеханике жидкости могут быть использованы для изучения явлений в кровообращении, в том числе образования склеротических бляшек, отрыва и движения тромбов и т.д.

2.3. Робототехника. Прямое численное моделирование и оптимизация движения вибророботов различной геометрии в ньютоновской и нелинейно-вязкой жидкости.

Заключение

Предлагаемый проект осуществляет стратегию кинжального прорыва. Наше отставание в традиционных суперкомпьютерных технологиях практически безнадежно и требует для его ликвидации инвестиций в сотни миллионов рублей без гарантии результата. Прорыв возможен только в стратегии не догоняющего, а опережающего развития. Это, как показал классик неопозитивизма Т. Кун в книге «Структура научных революций», не всегда возможно, но сейчас такая возможность у КФУ есть, так как появилась новая малоисследованная технология, в которой нет устоявшихся научно-технических приоритетов и авторитетов.

Мы предлагаем сосредоточиться на этой узкой перспективной области суперкомпьютерных технологий – технологии кластеров GPU с использованием среды OpenCL. Суперкомпьютеры на основе этой технологии появились в Топ 500 только в 2012 году. Высокая производительность данной платформы, поддержка ее ведущими производителями аппаратных средств – nVidia, AMD и Intel – гарантируют повышенный интерес мирового научно-технического сообщества к публикациям и практическим результатам по ее исследованию и практическому применению.

На 2013 – 2014 год (двухлетний срок проведения исследований и подготовки публикаций) при реализации предлагаемого проекта открывается окно возможностей выхода КФУ в лидирующую группу научных учреждений мира, занимающихся данной тематикой.



Позиционирование в научной деятельности

Коллектив создаваемого НОЦ, сформированный для выполнения задач, поставленных в проекте, имеет большой опыт фундаментальных и прикладных исследований в области механики твердого тела и механики жидкости, газа и плазмы, в том числе с использованием высокопроизводительных вычислений. Фундаментальные исследования в настоящее время поддерживаются 5 грантами РФФИ. Прикладные исследования с использованием многопроцессорной техники проводятся в следующих областях



Математическое моделирование работы химических реакторов с неподвижным и кипящим зернистым слоем (совместно с кафедрой физической химии Химического института им. А.М. Бутлерова)

Прямое численное моделирование течений жидкости в трубах и каналах для оценки возможности интенсификации процессов тепломассопереноса (совместно с «Научно-метрологическим центром КАИ»)

Микросейсмический мониторинг с дневной поверхности результатов гидроразрыва пласта (ГРП) на первом в Республике Татарстан многостадийном ГРП в горизонтальном стволе, проведенном ОАО Татнефть.

Реализация алгебраического многосеточного метода (АММ) с применением технологии NVIDIA CUDA: созданный программный пакет AMGc реализует АММ в виде библиотеки классов на языке C++; библиотека оптимизирована для работы на многопроцессорных вычислительных станциях и поддерживает технологию NVIDIA CUDA, позволяющую использовать огромные вычислительные мощности современных видеокарт NVIDIA; данная библиотека успешно применяется для ускорения задач моделирования газовых и нефтяных месторождений.

Моделирование распространения микросейсмических волн на процессорах NVIDIA позволяет снизить стоимость разведки углеводородов в сотни раз. Данный метод позволяет отказаться от применения опасных взрывотехнических работ или громоздких вибраторов и резко снизить стоимость полевых работ. Использование массивно-параллельной архитектуры GPU позволило резко снизить время и стоимость компьютерного моделирования и начать активно применять программный комплекс при решении поисковых задач.

Библиотека C++ шаблонов VexCL – позволяет значительно упростить разработку приложений с использованием технологии OpenCL (новость на сайте gpgpu.org: http://gpgpu.org/2012/05/30/vexcl-vector-expression-template-library-for-opencl) и одновременно использовать для вычислений все доступные устройства, поддерживающие работу с OpenCL.



Перспективы:

  • Решение задач подземной гидромеханики, а также био- и геомеханики большой размерности.

  • Решение практических задач микросейсмики.

Позиционирование в образовательной деятельности

Образовательная деятельность НОЦ связана с работой двух кафедр Института математики и механики им. Н.И. Лобачевского: теоретической механики и аэрогидромеханики.

Сотрудниками этих кафедр обеспечивается обучение студентов ИММ по двум специальностям для бакалавров и двум магистерским программам. Мы также осуществляем научное руководство аспирантами и докторантами. На ближайшие 3 года планируем 2 защиты докторских и не менее 5 кандидатских диссертаций.

Востребованность на рынке труда выпускников кафедр механики в последнее время во многом определяется полученными ими навыками в области высокопроизводительных вычислений и использовании современных коммерческих пакетов вычислительной механики. В рамках образовательной деятельности НОЦ предполагается создание двух спецкурсов для магистрантов механических специальностей: «Технология высокопроизводительных вычислений» и «Использование пакетов вычислительной механики» с получением преподавателями сертификатов международного образца по программам NVIDIA CUDA, ESI OpenFOAM, ANSYS. Разработка учебных программ для этих курсов будет проводиться совместно с London Imperial College (Англия).



Позиционирование в международной деятельности

Проводимая группой научно-исследовательская работа осуществляется в тесном сотрудничестве с учеными США, Голландии, ФРГ, Великобритании. Для проведения совместной научной работы и чтения лекций наши сотрудники неоднократно посещали университет Минессоты (США), Делфтский технический унивеситет (Голландия), Утрехтский университет (Голландия), Байройтский университет (ФРГ), университет Штутгарта (ФРГ). Результаты проведенных исследований опубликованы в виде совместных научных статей и научных обзоров в рейтинговых журналах.



Кадровый состав и характеристика коллектива

Профессора Егоров А.Г., Елизаров А.М., Мазо А.Б., Маклаков Д.В., Храмченков М.Г.; доценты, кандидаты наук Бережной Д.В., Биряльцев Е.В., Демидов Д.Е., Храмченков Э.М., научные сотрудники, аспиранты, магистранты (около 20 чел.)



Каталог: docs
docs -> Оценка рисков в Донецком бассейне Закрытие шахт и породные отвалы Филипп Пек
docs -> Потенциальные места трудоустройства выпускников огу в разрезе укрупненных групп направлений подготовки и специальностей
docs -> Наименование специализированных аудиторий и лабораторий Перечень оборудования
docs -> Инструкция по использованию «вак-системы»
docs -> Решение заказчика
docs -> Программа дисциплины корпоративные системы управления проектами фгос впо третьего поколения Профессиональный цикл
docs -> Круг обязанностей
docs -> Решение проблем формирования профессиональной компетенции педагога в условиях информатизации современного образования требует изменения содержания существующей
docs -> Iid-094 «Интегрированная корпоративная система отчетности (иксо)» Техническое задание москва 2015


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   22   23   24   25   26   27   28   29   30


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал