А.В. Забродин, А.Е. Луцкий - Параллельные вычисления при решении современных задач науки и техники (А.В. Забродин, А.Е. Луцкий - Параллельные вычисления при решении современных задач науки и техники.pdf)
Описание файла
PDF-файл из архива "А.В. Забродин, А.Е. Луцкий - Параллельные вычисления при решении современных задач науки и техники.pdf", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "параллельные методы решения задач" из 10 семестр (2 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. .
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст из PDF
А.В. Забродин, А.Е. Луцкий«Параллельные вычисления при решении современных задач науки и техники»Параллельные вычисления прирешении современных задач науки итехникиА.В. Забродин, А.Е. ЛуцкийВ современных условиях темпы технического прогресса и успехи врешении фундаментальных научных проблем во многом определяютсяуровнем развития вычислительной техники. В настоящее времяобщепризнанным является класс фундаментальных научных иинженерных проблем Grand challenges, эффективное решение которыхвозможно только с использованием мощных вычислительных ресурсов спроизводительностью сотен Gflops (~1012 операций в секунду) и выше.Чтобы обосновать потребность в указанной производительности,например, для задач аэрогазодинамики, можно привести сравнительнопростойпримеррасчетааэродинамическиххарактеристикизолированного крыла.
Можно показать, что для получениястационарногорешенияуравненийНавье–Стоксанеобходимо13выполнить порядка 2·10 арифметических операций. При использованиисовременных персональных компьютеров на это потребуются десяткичасов. На практике аэродинамического проектирования обычнотребуется не отдельный расчет, а систематический перебор и анализмногих вариантов. Отсюда ясно, что только при наличии ЭВМ спроизводительностью,существеннопревышающейпоказателиперсональных компьютеров, численное моделирование может статьреальным инструментом проектирования летательных аппаратов.Единственнымспособомдостижениятребуемойпроизводительности в настоящее время является использованиемногопроцессорные вычислительные системы.
Этот факт обусловленреальными особенностями развития вычислительной техники.В течение последнего десятилетия в нашей стране все болееактивно применялись многопроцессорные системы нарастающейпроизводительности МВС-100, МВС-1000, разработанные совместноНИИ «Квант» РАСУ, ИПМ им. М.В. Келдыша, ИММ УРО РАН при участиидругих организаций. В июле 2001 г. в Межведомственномсуперкомпьютерном центре (МСЦ) была введена в действие 768процессорнаявычислительнаясистемаМВС-1000Мпроизводительностью триллион арифметических операций с плавающей1А.В.
Забродин, А.Е. Луцкий«Параллельные вычисления при решении современных задач науки и техники»запятой, с двойной точностью в секунду (1 Tflops), что значительнорасширило возможности решения сложных задач с большим объемомвычислительной обработки.Семейство многопроцессорныхсуперкомпьютеров МВС-1000Совместная разработка НИИ «Квант», ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, ИММ УрО РАНМногопроцессорные ЭВМ с распределённой памятью МВС-1000 созданы на базепроцессоров Alpha. Применена оригинальная модульная схема соединения процессоров,обеспечивающая минимальную длину пути между процессорами и позволяющаясоздавать модули из 16, 32, 64 и 128 процессоров.Однако, в случае многопроцессорных вычислительных системдостичь высокой производительности при решении реальныхприкладных задач оказывается значительно сложнее, чем длятрадиционных ЭВМ. Основным требованием к алгоритму являетсяналичие внутреннего параллелизма.
Это означает, что алгоритм долженсостоят из некоторого количества частей, которые могут выполнятьсяодновременно и независимо друг от друга. Следующий принципиальныйфакт во многом определяет возможность эффективной параллельнойреализации алгоритмов. Для многопроцессорных систем время обменасообщениями между процессорами существенно превышает времядоступа к своей локальной памяти и, тем более, время выполненияарифметическихопераций.Отсюдавозникаетусловие локальности алгоритма – на каждом процессорном элементе(ПЭ) обращение к локальной памяти и выполнение арифметическихопераций должны происходить значительно чаще, чем обмены даннымис другими ПЭ. Наконец, нужно отметить весьма желательноетребование масштабируемости,котороеозначаетспособностьалгоритма работать на произвольном числе процессоров.
На практикеэто свойство обеспечивает высокую эффективность параллельнойреализации и для конкретного числа ПЭ.Насегодня,благодаряиспользованиюновойвысокопроизводительной техники, получено значительное продвижениев решении вычислительных проблем механики, современной физики,квантовой химии, биологии и по другим направлениям науки.2А.В. Забродин, А.Е.
Луцкий«Параллельные вычисления при решении современных задач науки и техники»Создание и применение многопроцессорных вычислительныхсистем открывает новые возможности для проведения комплексноговычислительного моделирования в ведущих направлениях механики.Получены существенные продвижения в компьютерном проектированиилетательных аппаратов различного назначения.
Так, например, на этапеэскизного проектирования одного из новых самолетов удалосьпрактически полностью отказаться от трубного эксперимента. Наиболееупотребительный подход при численном моделировании обтеканиялетательных аппаратов состоит в использовании разностных методов.Как правило, строятся многоблочные сетки. Разбиение области теченияна отдельные блоки облегчает построение сетки и способствует еёадаптации к особенностям искомого течения. Кроме того, появляетсявозможность двухуровневого распараллеливания, что позволяетобеспечить более равномерную балансировку объема вычислений прираспределении вычислительной работы по процессорам.Области применения суперкомпьютеров МВС-1000 в аэродинамикеРасчёт внутренних ивнешнихаэрогазодинамическихпроцессовАэродинамическоепроектированиелетательных аппаратовИсследование влиянияэнерговыделения в потокеВ последние годы в вычислительной механике широкоиспользуются дискретные модели для описания поведения материалов смикроструктурой.
При сильном деформировании и разрушениивозникают серьезные трудности в описании подобных процессов врамках классической механики сплошных сред. В этой ситуации особуюактуальность приобретает развитие аналитических и вычислительныхмоделей, которые основаны на представлении материала совокупностьювзаимодействующих частиц, для которых записываются классическиеуравнения динамики. Взаимодействие частиц описывается посредствомпотенциалов взаимодействия. В качестве частиц могут задаваться нетолько атомы и молекулы, но и макроскопические объекты болеекрупного уровня.Использование многопроцессорных вычислительных системтерафлопной производительности позволяет реализовать новые более3А.В. Забродин, А.Е.
Луцкий«Параллельные вычисления при решении современных задач науки и техники»точные физико-математические модели описания поведения плазмы вшироких диапазонах современных приложений, в том числе, в задачахуправляемоготермоядерногосинтеза.Изучениесвойстввысокотемпературной неравновесной плазмы, уточнение моделейвзаимодействия с видами излучений и электромагнитными полямисоставляют важный раздел современных вычислительных приложений.Одним из таких приложений являются течения плазмы в каналах приналичии магнитных полей.
Это сложные многомерные задачи, решениекоторых требует больших вычислительных ресурсов. Их техническимиприложениями являются разработки магнитных ловушек для удержанияплазмы, создание двигателей малой тяги с большим ресурсом и др.Реализованы в параллельных вычислительных алгоритмахусовершенствованные квантово-статистические модели описанияповедения высокотемпературной плазмы. На основе этих моделейразработаны алгоритмы для вычисления спектральных коэффициентовпоглощения фотонов, росселандовых пробегов и уравнения состояния,необходимые для проведения сложных расчетов, описывающихгазодинамические и тепловые процессы при воздействии мощногоизлучения на вещество.
При этом решение систем нелинейныхуравнений,требующиебольшихвычислительныхзатрат,осуществляется с широким распараллеливанием по спектральнымпеременным, что позволяет проводить детальные расчеты с учетомтонкой структуры энергетических уровней.Заметное место в задачах вычислительной физики занимаетизучение процессов генерации, распространения и воздействия наобъекты и внутреннюю аппаратуру электромагнитного излучения отимпульсных ионизирующих источников. Решение этих многомерныхзадач осуществляется на основе адаптации для параллельныхвычислений самосогласованного описания процесса генерацииэлектромагнитных полей на основе нестационарных уравненийМаксвелла и кинетики электронов в формирующихся полях.Распараллеливание производится по геометрической компоненте. Вобработке использовалось до 200 процессоров системы МВС-1000М.Исследованиепроцессовпереносарадиационногоизлучения необходимо в целом ряде задач, в том числе в инженерных иастрофизических приложениях.
Суммарная пространственная сетка вбольшинстве расчетов по всем подобластям составляла 1.8·108 точек.Практические расчеты проводились, в основном, на 513 процессорахсистемы МВС-1000М с эффективностью распараллеливания более 70%.Время расчета одного практического варианта составило около 600 мин.4А.В. Забродин, А.Е.
Луцкий«Параллельные вычисления при решении современных задач науки и техники»Пространственный шаг сетки для реальных задач — от 1÷2 мм (приобщих размерах ~10 м), что позволяет описать геометрию реальногоустройства практически без искажений.К задачам компьютерной биологии относятся:Распознавание кодирующих участков в первичной структуребиополимеров; сравнительный анализ первичных структурбиополимеров.Расшифровки пространственной структуры биополимеров и ихкомплексов.Пространственное сворачивание белков.Моделирование структуры и динамики биомакромолекул.Уже получены важные результаты, в том числе при анализегенетической информации, расшифровке пространственной структурыбиомакромолекул, моделировании механизмов их функционирования.Принципиальноновымвпредложенномподходеявляетсямоделирование не только структурообразования как отдельногоявления, но и процесса рождения макромолекулы в целом.