А.В. Забродин, А.Е. Луцкий - Параллельные вычисления при решении современных задач науки и техники (1185569)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
