ЭВМ новейшего поколения востребованы во всём мире
Челябинск – один из лидеров по уровню развития информационных технологий в России. Ведущим по внедрению суперкомпьютерных технологий на Урале и в Сибирском регионе является Южно-Уральский государственный университет. В вузе создан суперкомпьютерный центр, который используется для решения учебных, научных и производственных задач не только нашей страны, но и зарубежных заказчиков.
Суперкомпьютеры для науки, промышленности и киноискусства
В конце 2016 года, в рамках проекта по формированию научных лабораторий мирового уровня, на базе Высшей школы электроники и компьютерных наук (ВШ ЭКН) Южно-Уральского государственного университета была организована «Лаборатория проблемно-ориентированных облачных сред» под руководством профессора Андрея Николаевича Черных, директора лаборатории параллельных вычислений Центра научных исследований и высшего образования Энсенады (Мексика).
«Мы познакомились с Андреем Николаевичем на научной конференции Российской академии наук, посвященной вопросам организации облачных вычислений и высокопроизводительных вычислительных систем. В начале 1990-х его пригласили в ведущий научно-исследовательский центр Мексики, где за 20 лет он смог организовать центр высокопроизводительных вычислений, известный по всему миру исследованиями в области планирования распределенных вычислительных задач. После знакомства с Андреем Николаевичем и родилась идея такой совместной лаборатории, - говорит Директор ВШ ЭКН Глеб Радченко. - Профессор Черных уже приезжал к нам в декабре прошлого года. Он провел серию лекций для студентов и преподавателей ЮУрГУ, а сейчас один из наших аспирантов находится на стажировке в его центре в Мексике. Основной задачей стажировки является проведение научных работ по теме планирования и диспетчеризации ресурсов облачных вычислительных сред».
Тематика лаборатории, которую возглавит профессор Черных, ориентирована на решение задач, связанных с суперкомпьютерными вычислениями. Суперкомпьютер – это очень мощная, высокопроизводительная вычислительная система, содержащая в себе целый ряд уникальных разработок мирового уровня, которая по своим техническим параметрам и скорости вычислений превосходит большинство существующих в мире компьютеров. Во всем мире таких систем насчитывается не более тысячи.
В Лаборатории суперкомпьютерного моделирования ЮУрГУ установлено три суперкомпьютера, производительность которых находится на уровне ведущих мировых вычислительных систем. Два суперкомпьютера ЮУрГУ («Торнадо ЮУрГУ» и «СКИФ-Аврора ЮУрГУ») - самые высокопроизводительные системы Урала и Сибири, занимающие 8- и 15-е место среди мощнейших суперкомпьютеров в России и СНГ.
«От конечного пользователя таких высокопроизводительных систем требуются специфические знания в области высокопроизводительных вычислений, таких как: архитектура суперкомпьютеров, навыки работы в Unix-подобных операционных системах, настройка удаленного доступа, умение работать с очередями задач. В рамках совместной лаборатории с профессором Черных, мы создаем решения, которые обеспечивают прозрачное предоставление суперкомпьютерных ресурсов инженерам, исследователям, промышленным заказчикам, предлагая им облачный веб-интерфейс, ориентированный на решение их конкретных классов задач», - добавляет Глеб Радченко.
Важным направлением применения суперкомпьютерных систем в ЮУрГУ является анализ «Больших данных» (от анг. «Big Data»). Это направление сформировалось в конце 2000-х годов и объединяет в себе совокупность методов обработки неструктурированных данных огромных объёмов и многообразия для получения полезных результатов. Стремительное развитие этого направления связывают с появлением суперкомпьютеров, применение которых позволяет справиться с огромными объемами данных, анализ которых невозможно выполнить на персональных компьютерах «классическими» методами.
В рамках направления интеллектуального анализа данных, ЮУрГУ выбрал нишу решения задач для промышленности и индустрии. Проект «Облачная индустриальная платформа» исследует возможности по созданию системы «Цифровых двойников» производственных процессов. Цифровой двойник - это виртуальный образ устройства или технологического цикла в виде компьютерных физических и математических моделей. Цифровой двойник в реальном режиме времени синхронизируется с производственными процессами путем обработки данных, которые получает с интеллектуальных беспроводных сенсоров. Такие сенсоры позволяют отслеживать характеристики технологических процессов (такие как электропотребление оборудования, скорости потока жидкостей или газов в трубах, структурные составляющие таких потоков, вибрацию в критически важных узлах и др.). Сотни сенсоров ежесекундно передают информацию на суперкомпьютер, где постоянно производится анализ поступающих данных для оценки эффективности работы оборудования, оценки потенциальных рисков.
«Мы разрабатываем платформу, которая обеспечивает сбор, интерпретацию и анализ всех этих данных и предоставляет конечному пользователю, например, ведущему инженеру или владельцу предприятия, полезную именно для него информацию. Например, проанализировав эффективность работы насосной системы, суперкомпьютер может дать рекомендацию по дате и времени ее остановки для планового технического обслуживания так, чтобы стоимость остановки была минимальной, - объясняет Директор Высшей школы электроники и компьютерных наук ЮУрГУ. – Если насосу не провести плановое ТО, он будет работать менее эффективно, и предприятие начнет нести убытки. С другой стороны, если отключить оборудование раньше, тогда оно не доработает свой ресурс, и компания вновь понесёт ненужные расходы».
В настоящее время, суперкомпьютерные ресурсы ЮУрГУ используются инженерами и исследователями в добывающей и перерабатывающей промышленности, нужны инжиниринговым компаниям и научным центрам, которые занимаются моделированием физических процессов, химических явлений и наночастиц, производственным предприятиям, производящим высокотехнологическую продукцию, концернам авиа-промышленности и ракетостроения.
Еще одна область, где применяются суперкомпьютерные мощности – это визуализация 3D-графики. Современные фильмы и мультфильмы практически на 90% состоят из компьютерной графики, и, чтобы выпустить фильм на экраны, его в начале нужно визуализировать. Для визуализации требуются сверхбольшие вычислительные ресурсы. У нас в стране, такие ресурсы предоставляются, в частности, суперкомпьютерным центром ЮУрГУ. На суперкомпьютерах ЮУрГУ производилась визуализация спецэффектов для фильмов «Он дракон», «Ледокол», «Экипаж» мультфильма «Савва, сердце воина» и многих других.
«Такие коммерческие проекты могут иметь место, но все же основное предназначение суперкомпьютеров – это научные исследования и решение сложных производственных задач», - добавляет Глеб Радченко.
В ЮУрГУ установлены три самых мощных суперкомпьютера в Уральском Федеральном округе. Первый – «СКИФ Урал», появился в университете в 2008 году и стал первым суперкомпьютером ЮУрГУ, вошедшим в рейтинг 500 самых высокопроизводительных суперкомпьютеров мира (TOP-500). Суперкомпьютер «СКИФ-Аврора ЮУрГУ» стал совместной разработкой Института программных систем РАН, российской компании РСК СКИФ и итальянской компании Eurotech. В июне 2011 года, он вошел в ТОП-100 самых мощных суперкомпьютеров мира. Третий суперкомпьютер - «Торнадо ЮУрГУ», установленный в 2013 году, стал первым в Европе среди университетских вычислительных комплексов, оснащенных новейшими сопроцессорами Intel® Xeon Phi™, и одной из первых систем, перешедших на жидкостное охлаждение. Согласно мировому рейтингу Green500, данная суперкомпьютерная платформа является одной из самых энергоэффективных в России и СНГ.
Все – на облако
Построение собственного центра обработки данных на предприятии – очень затратный и ответственный проект, требующий серьезных инвестиций и высоких компетенций. Суперкомпьютер – это целая инфраструктура, для которой нужно помещение, площади для вентиляции и охлаждения, энергосистема, система резервирования данных и электроэнергии, целый штат администраторов и программистов. Не каждая компания готова идти на такие затраты, особенно если встает вопрос об эффективности использования таких ресурсов. Если средняя вычислительная загрузка такой машины будет менее 50%, то это будет экономически провальный проект.
«В нашем университете установлены собственные электростанции, которые обеспечивают электроснабжением корпус университета, включая все суперкомпьютерные ресурсы. Также, в рамках суперкомпьютерного центра ЮУрГУ развернута собственная система бесперебойного питания, обеспечивающая корректную работу всех суперкомпьютеров в случае перебоев электроэнергии. – разъясняет Глеб Радченко. – Чтобы не закупать дорогостоящее оборудовании и не выстраивать сложнейшую инфраструктуру, предприятия обращаются в центры обработки данных, такие, как наш суперкомпьютерный центр. У нас постоянно загружены 80-90 % узлов: одна задача решается – приходит другая. Это исключает простой вычислительных систем и позволяет уменьшить стоимость решения для коммерческого потребителя. Мы можем использовать одни и те же алгоритмы анализа для разных потребителей, а предприятия таким образом могут экономить существенные средства на рутинных операциях и заниматься своей основной деятельностью. Суперкомпьютер может решать задачи не только для уральских предприятий: его ресурсы можно использовать из любой точки земного шара. Мы можем предоставить вычислительные возможности нашим клиентам по всему миру, и многие коллеги из зарубежных институтов, в том числе из Мексики, используют наш суперкомпьютер для решения своих задач».
Союз Мексики и России
Сейчас на суперкомпьютерах ЮУрГУ решается более 150 научных задач из различных сфер: машиностроение, металлургия и металлообработка, топливно-энергетический комплекс, лёгкая промышленность, фармацевтика, фундаментальные исследования в области физики, химии, компьютерных наук. Планируется, что при сотрудничестве с профессором Черных эти направления будут развиваться и дополняться новыми областями исследования.
«В начале XXI века мы поняли, насколько важно международное сотрудничество в области научных исследований, - продолжает Глеб Радченко. – Например, в России непосредственно моей тематикой занимаются не более 10 - 15 научных групп. И когда я публикую исследование по своему направлению на русском языке, объем целевой аудитории, в лучшем случае, составляет 100 - 150 человек. Если ту же самую статью я опубликую на английском языке в высокорейтинговом международном журнале, то количество исследователей, до кого я смогу донести результаты моей работы, увеличится на несколько порядков. Все учёные заинтересованы в таком сотрудничестве, недаром в мире развиваются международные коллаборации, подаются заявки на совместные гранты учёными из разных стран. Так, ВШ ЭКН ЮУрГУ активно участвует в международном проекте PWs@PhD в рамках европейского гранта «Эразмус+» по программной инженерии, в который включены ведущие университеты России, Финляндии, Дании, Великобритании и Иордании».
От студента — до учёного с мировым именем
Для работы в суперкомпьютерном центре и Лаборатории проблемно-ориентированных облачных сред привлекаются студенты ЮУрГУ, начиная си третьего курса. Учащиеся, которые проявляют заинтересованность в данном направлении, уже вместе с научными руководителями готовят собственные публикации на русском и английском языках.
«Наши студенты и аспиранты, работающие в суперкомпьютерном центре и научных лабораториях, занимаются исследованиями и разработками программных систем в таких областях как базы данных, облачные и высокопроизводительные вычисления, интеллектуальный анализ данных, нейронные сети, искусственный интеллект и многое другое, - добавляет Глеб Радченко. - Студенты участвуют во всероссийских и международных научных конференциях, проходящих от Гвадалахары до Владивостока, соревнуются в чемпионатах по спортивному программированию».
Также студенты имеют возможность подготовить проекты и получить гранты на реализацию собственных научных проектов. Например, в 2017 году уже шесть студентов и аспирантов Высшей школы электроники и компьютерных наук победили во всероссийском конкурсе «УМНИК» и получили финансирование на развитие своих научных проектов в размере 500 000 рублей на два года. А если студент не только хорошо учится, но и публикует свои исследования в научных журналах высокого уровня, он имеет возможность побороться за повышенную стипендию — до 25 000 рублей ежемесячно. Таким образом они могут не тратить своё время в поисках подработки, а заниматься наукой.
Для студента, научная работа во время обучения — это залог успешного карьерного роста. Ведь основной контингент выпускников Высшей школы электроники и компьютерных наук сразу после окончания университета выходят на работу в топовые компании не только нашей страны, но и всего мира.