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.
Лаборатория суперкомпьютерного моделирования решает многочисленные научные задачи в области промышленности, инжиниринга, естественных и точных наук, а также наук о человеке. В рамках Проекта 5-100 и становления ЮУрГУ как научно-исследовательского университета лаборатория сумела объединить эти направления в единый комплекс исследований, подкрепленный расчетами, выполненными на суперкомпьютере.
В ЮУрГУ установлены два самых мощных суперкомпьютера в Уральском Федеральном округе и вычислительный кластер «СКИФ Урал». «СКИФ Урал» появился в университете в 2008 году и сразу вошел 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. 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.
У суперкомпьютера очень сложная коммуникационная сеть с топологией «толстое дерево». Именно за счет такого соединения производительность суперкомпьютера в сотни раз выше, чем при использовании обычной топологии «иерархическая звезда», которая требует для своей работы десятки раз меньше коммутаторов и соединительных кабелей. Благодаря такой коммуникационной сети все сервера могут работать над одной и той же вычислительной задачей, функционируя, как единый супервычислитель.
Суперкомпьютеры предназначены для решения сложных задач, которые либо не решаются на персональных компьютерах, либо будут решаться очень долго (неделями, месяцами). Примером сложной задачи является расчет движения воздушного потока в турбине авиационного двигателя. Данную задачу можно решить только численно, например, методом конечных элементов. Для получения высокоточного результата модель необходимо разбить на миллионы конечных элементов, чтобы в каждом из них происходил расчет по десяткам уравнений. И это количество расчетов требуется выполнить для каждой микросекунды моделируемого процесса! А ведь сам процесс работы двигателя занимает огромное количество времени. Чтобы собрать все эти данные воедино и увидеть, как нужно улучшить конструкцию авиадвигателя, нужны мощности суперкомпьютера. Причем, чем мощнее суперкомпьютер, тем более точную модель двигателя можно построить и получить более точные результаты решения задачи.
Суперкомпьютер – это целая инфраструктура, для которой нужны помещение с системами электроснабжения вентиляции и кондиционирования, целый штат администраторов и программистов. В ЮУрГУ 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 с электроэнергией. Не каждая компания способна потянуть такие затраты по закупке дорогостоящего оборудования, выстраиванию сложнейшей инфраструктуры, поэтому предприятия обращаются в центры обработки данных, такие, как суперкомпьютерный центр ЮУрГУ. В среднем, мощности суперкомпьютера постоянно загружены на 90-100%.
В настоящее время на суперкомпьютерах ЮУрГУ одновременно выполняется более 150 исследований. Большая часть исследований проводится в целях модернизации производственного процесса на промышленных предприятиях, направленной на производство конкурентоспособной наукоемкой продукции и обеспечение энерго- и ресурсосбережения. Кроме того, на суперкомпьютерах выполняется широкий спектр фундаментальных научных исследований в области физики, химии, математики, информатики и других дисциплин.
Отечественные корпорации только начинают свой путь использования возможностей суперкомпьютеров. Если для зарубежных производственных «гигантов» суперкомпьютер – это настоящее, то для некоторых российских компаний – это будущее.
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.
Важным аспектом является то, что во всех магистерских программах университета, которые относятся к техническим и естественнонаучным направлениям, сотрудники Лаборатории суперкомпьютерного моделирования читают одноименный учебный курс «Суперкомпьютерное моделирование». Это сделано для того, чтобы выпускники ЮУрГУ знали основы работы на суперкомпьютере и могли самостоятельно выполнять высокопроизводительные расчеты, которые требуются для создания современной наукоёмкой продукции.
5 интересных проектов, созданных на суперкомпьютере ЮУрГУ
Распознавание дефектов листового металлопроката
В настоящее время специалисты лаборатории суперкомпьютерного моделирования работают над прототипом программной системы для металлургических предприятий, обеспечивающей распознавание дефектов листового металлопроката в реальном времени. Прототип строится на базе искусственного интеллекта и машинного зрения и будет способен обнаруживать и протоколировать даже самые мелкие дефекты (до 0.5 мм² при скорости движения металла до 11 метров в секунду). Эта система способна обрабатывать большое количество изображений в секунду, поступающих с 16 высокоскоростных промышленных камер, находить зоны интереса, классифицировать дефекты по 73 видам и заносить их в специальные паспорта, прикладываемые к каждому рулону листового металла. В этих паспортах будут обозначены все дефекты и их расположение, исходя из которых рулоны будут отправляться на то производство, где требуется соответствующее качество заготовки.
Диалоговые ассистенты на основе ИИ
Новым проектом для лаборатории суперкомпьютерного моделирования стало создание диалоговых ассистентов на базе разговорного искусственного интеллекта для сопровождения сложных технических систем. Эти диалоговые ассистенты создаются для помощи молодым рабочим в освоении незнакомого им оборудования на производстве. Система может вести голосовой диалог с пользователем, получать запросы относительно работы оборудования и отвечать на них, пользуясь накопленными знаниями. В ходе работы система запоминает новую информацию и обращается к опытному персоналу для получения дополнительных сведений. Эта система позволит упростить работу на производстве. Таким образом, новые сотрудники смогут начать эффективно работать с установками, особенности управления которыми знало лишь ограниченное количество опытных работников.
Спецэффекты
На суперкомпьютерах ЮУрГУ был произведен рендеринг спецэффектов для российского фильма-катастрофы «Экипаж» режиссера Николая Лебедева, вышедшего в 2016 году. История о молодом летчике Алексее Гущине, который за неповиновение приказу был исключен из гражданской авиации, но впоследствии получил шанс летать на гражданских самолетах, произвела впечатление на зрителей и кинокритиков. Отличительной особенностью фильма также являются красочные и реалистичные спецэффекты, свойственные голливудским фильмам. Рендерингом компьютерной графики – получением изображения по модели с помощью компьютерной программы – к фильму «Экипаж», занимался Валентин Дорохов, выпускник кафедры «Системное программирование». Бывший студент ЮУрГУ является генеральным директором компании «Рендер-ферма», которая занималась сопровождением процесса рендеринга, настройкой программного обеспечения, синхронизацией данных, а также исправлением ошибок. В процессе работы использовались возможности суперкомпьютера университета, благодаря чему была достигнута высокая реалистичность сцен катастрофы.
3D мультфильмы
Лаборатория суперкомпьютерного моделирования часто привлекается к созданию российских мультфильмов, в том числе в формате 3D, в частности, рендеринга компьютерной анимации. Одним из проектов в этом направлении является рендеринг полнометражного мультфильма «Савва. Сердце воина», созданного продюсером Максимом Фадеевым. Произведение строится на классическом сюжете противостояния добрых и злых героев, к озвучиванию персонажей привлекались известные российские и зарубежные актеры. Критиками признано высокое качество графики мультфильма, обрисованной с помощью суперкомпьютерных технологий.