Главная arrow Аналитика - Архив arrow ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ СУПЕРКОМПЬЮТЕРОВ В РЕАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКЕ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ СУПЕРКОМПЬЮТЕРОВ В РЕАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКЕ Печать E-mail
Автор Рахматулин О.А.   
14.01.2010 г.

Image

Суперкомпьютерные технологии становятся ключевым фактором научно-технического и экономического развития национальных экономик.
Высокопроизводительные суперкомпьютеры в настоящее время рассматриваются как стратегический вычислительный ресурс для выполнения инженерного математического моделирования, сложных научно-технических расчетов и решения наукоемких задач по созданию высокотехнологичной конкурентоспособной продукции без проведения дорогостоящих натурных экспериментов.
Широкое внедрение суперкомпьютерное математическое моделирование получило при решении научных и инженерных задач в различных секторах экономики: в автомобилестроении, авиационной промышленности, ядерной энергетике, при разведке и добыче углеводородов, в фармакологии, в наноиндустрии и в других очень важных отраслях национальных экономик.

1. Суперкомпьютеры в автомобилестроении

Высокопроизводительные суперкомпьютерные технологии в настоящее время активно используются для научных исследований в области вычислительной гидрогазодинамики и для проведения испытаний гоночных болидов в аэродинамических трубах.
Суперкомпьютер, установленный компанией Lenovo на базе команды «Формулы-1» AT&T Williams в Великобритании, позволяет проводить расчеты по оптимальному балансу между прижимной силой и сопротивлением автомобиля в зависимости от типа гоночной трассы. В частности, аэродинамика автомобиля, участвующего в гонке в Монако, где достаточно много крутых поворотов с небольшим количеством прямых, существенно отличается от аэродинамики автомобиля на гоночной трассе, например, в Монце, где малое количество поворотов и множество длинных прямых отрезков.
Кроме того, исследуется влияние на аэродинамику автомобиля поведения колес, кривизны поверхности болида, рельефа трассы и поверхности. Моделируя на суперкомпьютере воздушный поток на треке вокруг трехмерной модели гоночного болида, можно прогнозировать влияние незначительных изменений компонентной базы на сопротивление и прижимную силу болида, что, в свою очередь, влияет на скорость и управляемость гоночного автомобиля.
Благодаря высокому быстродействию суперкомпьютера определяются возможности настройки автомобиля для каждой трассы, что существенно повышает технологичность команды и результативность ее пилотов.
Моделирование аэродинамических процессов проводится, как правило, в комбинации с испытаниями автомобилей в аэродинамических трубах. Суперкомпьютерное моделирование аэродинамических процессов позволяет инженерам команды AT&T Williams существенно сократить время на исследования и осуществлять поиск эффективных решений при испытаниях болидов в аэродинамической трубе и на треке.
Вместе с тем, следует отметить, что компания BMW также осуществляет конструирование и разработку болидов для «Формулы-1». Подразделение BMW-Sauber имеет в своем распоряжение аэродинамическую трубу, которая используется для оптимизации аэродинамических свойств разрабатываемых перспективных моделей. В условиях резко увеличенного объема испытаний новых моделей компания, вместо приобретения второй аэродинамической трубы, разработала и ввела в эксплуатацию виртуальную аэродинамическую трубу, которая полностью заменяет натурные испытания моделированием процессов трехмерного обтекания и теплоотвода на быстродействующем суперкомпьютере. Для оптимизации конструкции болидов Формулы-1 была использована суперЭВМ Albert2, разработанная швейцарской компанией Dalco AG совместно с компанией Intel. Эта суперЭВМ по пиковой производительности оказалась самой мощной в Европе, установленной в промышленности.
По статистическим данным автомобильной компании Ford, для выполнения crash-тестов, при которых реальные автомобили в процессе эксперимента разбивают о бетонную стену с одновременной фиксацией необходимых параметров и последующей обработкой результатов, требуется от 10 до 150 прототипов для каждой новой модели. При этом общие затраты для проведения таких crash-тестов варьируются от 4 до 60 миллионов долларов США. Использование высокопроизводительных суперкомпьютеров позволяет сократить число испытываемых прототипов при проведении crash-тестов в три раза.
Недавний отчет Совета по конкурентоспособности экономики США, посвященный развитию автомобильной промышленности, был опубликован под девизом»: «Кто слаб в вычислениях, тот неконкурентоспособен».
В целях обеспечения доминирования производителей США на мировом автомобильном рынке исследовалась проблема тотального моделирования и оптимизации конструкции автомобиля на суперкомпьютерах и основные преимущества, достигаемые при этом.
Внедрение методики, предусматривающей проведение всех процессов моделирования и оптимизации конструкции автомобиля в единой системе, обеспечивает следующие преимущества:
1) существенную экономию средств на подготовку новых моделей автомобилей различных классов;
2) сокращение сроков разработки новых автомобилей с достигнутых сегодня лидерами мирового автомобилестроения 2,5 лет до 15 месяцев, в то время как в восьмидесятых годах прошлого века длительность процесса разработки составляла свыше 5 лет.

2. Суперкомпьютеры в авиационной промышленности

Суперкомпьютерные технологии стали активно использоваться в авиационной промышленности для разработки новых перспективных самолетов и авиалайнеров. В качестве одного из впечатляющих примеров можно привести разработку и создание пассажирского авиалайнера Боинг-787.
В апреле 2004 года Руководством корпорации Боинг было принято решение о создании нового лайнера по сжатому четырехлетнему графику. В соответствии с этим графиком проектирование и подготовку производства самолета предполагалось завершить в 2006 году, первый полет серийного образца авиалайнера осуществить в 2007 году, а первые поставки заказчикам произвести в 2008 году.
В процессе проектирования авиалайнера затраты на высокопроизводительную обработку данных составили 800 тысяч Cray-часов (эталонный расчет на суперЭВМ Cray), что эквивалентно непрерывной трехсменной работе более 50 суперкомпьютеров в течение двух лет.
В 2006 году были успешно проведены при помощи суперкомпьютерных технологий виртуальные изготовление и сборка авиалайнера Боинг-787. Показатель коммерческой загрузки лайнера, достигнутый в процессе проектирования, превысил на 45% показатель загрузки аналогичной модели авиалайнера А330-200.
Использование результатов моделирования авиационных двигателей Боинг-787 на суперЭВМ позволило снизить на 20% потребление топлива и объем вредных выбросов двигателей, и улучшить на 8% эксплуатационные характеристики авиадвигателя.
В настоящее время Кембриджским университетом совместно с Массачусетским технологическим институтом ведется разработка малошумного пассажирского авиалайнера совершенно новой конструкции, в которой все компоненты проектируются на максимально низкий уровень шума, генерируемого самолетом во всех режимах полета.
Разработка ведется с помощью суперкомпьютерного моделирования и создания виртуального прототипа. Изготовленные по компьютерной модели и уменьшенные фрагменты конструкции испытываются в дальнейшем в аэродинамической трубе. Первый этап работы по созданию малошумного авиалайнера завершен в 2008 году.
В соответствии с общеевропейской программой развития новых технологий еще в 2005 году был образован европейский консорциум «Verdi», в который вошли: 6 университетов, 6 разработчиков и производителей авиационных двигателей и 3 исследовательских института.
Главная цель консорциума – это разработка в короткий срок нового поколения инженерных технологий для обеспечения Европе лидирующей позиции в двигателестроении. Ключевая идея новых технологий заключается в разработке полного производственного цикла виртуального конструирования и испытаний авиадвигателей и их последующего безошибочного изготовления.
На высокопроизводительном суперкомпьютере была рассчитана полная трехмерная модель авиадвигателя компании Pratt&Whitney. Этот проект был выполнен Стэнфордским университетом в рамках стратегической оборонной программы ASCI, в которой предусмотрено выделение 10 процентов суперкомпьютерных ресурсов на проведение гражданских исследований.
В России научно-производственное объединение «Сатурн» (г.Рыбинск) использует суперкомпьютерные технологии для разработки двигателей для гражданских и военных самолетов и создания газотурбинной техники.
Благодаря математическому моделированию на суперкомпьютере удалось сократить срок создания авиадвигателей с 10 до 4 лет.
Новый суперкомпьютер «АЛ-100» с пиковой производительностью в 15 Терафлопс, установленный в НПО «Сатурн», позволит еще больше сократить время выполнения конструкторских работ и увеличить точность аналитических расчетов.
Доступ к этому суперкомпьютеру открыт не только специалистам «Сатурна» в Рыбинске, но и специалистам московского и пермского филиалов через защищенный Internet-канал. Около 60% вычислительных ресурсов суперкомпьютера отведено под разработку двигателя для истребителя пятого поколения, остальные ресурсы будут использованы для проектирования двигателей самолетов SaM146, АЛ55, АЛ117 и наземных газотурбинных двигателей.
В последние годы специалисты НПО «Сатурн» полностью перешли на виртуальное проектирование авиадвигателей, при помощи которого разработаны двигатели для самолета Sukhoi SuperJet - SaM146 и АЛ-55, полностью соответствующие запланированным требованиям по аэродинамике и прочности.
Сегодня благодаря использованию суперкомпьютерных технологий процесс создания газотурбинных двигателей сократился с 12-15 лет (в 70-80-х годах прошлого столетия) до четырех-пяти лет.
По прогнозам инженеров-разработчиков «Сатурна» инвестиции в создание высокопроизводительного суперкомпьютера окупятся менее чем за полгода.
В целом, для моделирования летательных аппаратов (самолетов, вертолетов), включая аэродинамическое поведение во всех режимах, в штатных и аварийных ситуациях, требуется суперкомпьютер производительностью 1 миллион терафлопс (или тысяча петафлопс), такая единица производительности называется экзафлопс. Для моделирования, например, атомных реакторов потребуется уровень производительности в несколько экзафлопсов .
Следует отметить, что Федеральные программы США, как военные, так и гражданские, предусматривают ввод в эксплуатацию экзафлопсных суперкомпьютеров уже в 2018-2020 годах. Таким образом, можно спрогнозировать время, когда виртуальный полет самолета может быть полностью смоделирован в деталях. Как только суперкомпьютерное моделирование станет технически и экономически доступным, то основные потребители самолетов в обязательном порядке включат в условия поставки результаты моделирования. И все, кто не имеет суперкомпьютерных моделей, будут вытеснены с высокотехнологичного рынка самолетов.

Технология виртуальной реальности

Следует отметить, что наряду с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР), многие промышленные предприятия начали осваивать новую технологию, которая получила название "виртуальная реальность".
Наиболее заинтересованы в перспективной технологии автомобильные и авиационные фирмы, выпускающие сложную инженерно-техническую продукцию, поскольку использование виртуальных моделей позволяет существенно снизить затраты на создание дорогостоящих физических макетов.
Что такое виртуальная реальность? Виртуальная реальность – это искусственный трехмерный кибернетический мир, созданный при помощи суперкомпьютеров и воспринимаемый человеком при помощи специальных устройств. Виртуальная среда, как правило, отличается от обычных анимационных графических изображений более точным воспроизведением деталей и работой в режиме реального времени.
В случае виртуальной реальности человек видит изображение объекта не на плоском экране монитора, а в трехмерном пространстве, и воспринимает его реалистически, точно так же, как это обычно происходит в существующем мире. Отличительным фактором является то, что при этом могут быть задействованы, кроме зрения, другие органы чувств человека, что обеспечивает ему более полное погружение в виртуальную реальность.
Более того, виртуальная среда для проведения научных исследований позволяет не только осуществлять наблюдение, но и перемещаться внутри нее. Активная виртуальная среда предоставляет возможность взаимодействовать с ней, изменяя ее по своему усмотрению, например, попав в салон виртуального самолета, вы можете включить освещение.
Таким образом, технология виртуальной реальности обеспечивает полное воспроизведение всего производственного процесса, от разработки концепции изделия до этапа его эксплуатации, и позволяет создавать более сложные модели, чем при использовании других методов проектирования.
Так, при работе с виртуальной моделью авиационного двигателя его корпус можно сделать прозрачным, для того, чтобы можно было видеть внутреннее устройство двигателя.
С помощью технологии виртуальной реальности исследователи могут определять конфигурацию, испытывать и оптимизировать процессы, что позволяет уменьшить расход материалов и сроки разработки, необходимые для создания физических прототипов.
В настоящее время лаборатория американского агентства NASA, изучающая процессы реактивного движения, разрабатывает интегрированную сеть для конструирования космических кораблей ISDE (Integrated Spacecraft Design Environment) в качестве прототипа виртуальной среды. Эта интегрированная сеть позволит конструкторам и ученым, находящимся в различных американских научных центрах, в диалоговом режиме проводить исследования по созданию космических кораблей, которые отправятся в недалеком будущем к Марсу и другим планетам.
Технология виртуальной реальности, активно применяемая сегодня в аэрокосмических инженерных разработках, позволяет создавать трехмерную суперкомпьютерную модель космического корабля конструкции высокой сложности, предоставляет возможность отрабатывать отдельные компоненты космического корабля в нештатных ситуациях.
Совместная деятельность инженеров-конструкторов позволяет существенно в несколько раз повысить производительность труда в аэрокосмической отрасли.

3. Суперкомпьютеры в нефте- и газодобывающей промышленности

Сегодня в нефте- и газодобывающей отрасли сложилась острая потребность в решении целого ряда новых задач, - это широкомасштабная разведка шельфов, детальное моделирование месторождений, которые невозможно проводить без использования высокопроизводительных суперкомпьютеров.
Как показывает сравнительный анализ, стоимость одной скважины на шельфе примерно в 10-15 раз больше, чем на суше, а стоимость 1 км сейсморазведки, напротив, в 5 раз меньше, чем на материке, несмотря на то, что плотность наблюдения в этом случае значительно выше.
Построение трехмерной структурной модели месторождения производится следующим образом: первоначально строится поверхность, создается сеточная модель, а затем по скважинам прогнозируются интерфизические свойства. Сеточная модель крупного месторождения, например, составляет порядка 770 млн. ячеек, а каждую ячейку определяет совокупность 10 практических параметров. Естественно, что расчет такой модели повышенной сложности может производиться только на быстродействующих суперкомпьютерах.
Кроме сеточных моделей месторождений составляются геологические модели, позволяющие осуществлять расчеты системы разработки отдельного месторождения. По схеме гидродинамической модели производится расчет распределения запасов нефти, далее просчитывается, что будет происходить с запасами нефти в процессе замещения их закачиваемой водой, и что будет происходить с пластом в процессе его разработки.
Сегодня на Самотлорском месторождении, геологическая модель которого состоит из 770 млн. ячеек, при отсутствии мощных вычислительных ресурсов специалисты вынуждены ограничивать гидродинамическую модель до 5 млн. ячеек. В результате теряется точность расчетов на 40%, и, как следствие, более чем на 5-10% снижается коэффициент извлечения нефти.
Переход от геологической модели к гидродинамической возможен только при использовании вычислительных ресурсов быстродействующих суперкомпьютеров.
Моделирование на суперкомпьютере процесса добычи нефти методом заводнения пласта позволяет рассматривать задачу в пространственной трехмерной постановке (нефть, вода и воздух) на основе перколяционной модели, при использовании около 10 расчетных узлов.
Нефтяному гиганту BP удалось существенно снизить себестоимость добычи и транспортировки барреля нефти с глубоководной платформы «Марлин» в Мексиканском заливе благодаря использованию суперкомпьютера для получения точных геофизических данных о нефтяном месторождении.
Сегодня себестоимость одного барреля нефти, добываемого на морской платформе, составляет порядка 5-7 долларов США и имеет тенденцию к постепенному снижению. Эти цифры становятся практически сопоставимыми со стоимостью добычи нефти на суше в этом регионе (3-4 доллара США за 1 баррель).
Среди перспективных нефтяных задач для решения на суперкомпьютерах можно выделить следующие – это обработка космических снимков с целью получения информации о состоянии газо- и нефтепроводов.
Такая информация является жизненно необходимой для нефтяников и газовиков в целях проведения оперативного экологического и технического мониторинга.

4. Суперкомпьютеры в кораблестроении

В Стратклайдском университете (Strathclyde University) города Глазко (Великобритания) усилиями 13 европейских государств была создана виртуальная судостроительная верфь.
Используя суперкомпьютерные технологии и специализированное программное обеспечение, инженеры из разных европейских стран в режиме удаленного коллективного доступа разработали принципиально новую конструкцию пассажирского парома. Грузоподъемность спроектированного парома составила 2000 пассажиров и 300 легковых автомобилей, а скорость движения парома превысила 38 узлов в час, что на 8 узлов выше средней скорости существующих паромов.
По результатам завершения разработки пассажирского парома руководитель этого проекта профессор А.Даффи отметил, что опыт успешного использования виртуальных технологий показывает, что Европа в ближайшее время может вернуть себе утраченное лидерство в судостроении.
5. Суперкомпьютеры в фармакологии и фармацевтике
5.1. Суперкомпьютеры против тромбозов
Учеными Научно-исследовательского вычислительного центра Московского государственного университета совместно с Гематологическим научным центром РАМН и Институтом органической химии РАН проводятся работы по созданию новых лекарственных препаратов от тромбозов и поиску нового поколения кровезаменителей.
Благодаря использованию суперкомпьютерных технологий ученым удалось практически за полтора года найти новые ингибиторы тромбина, активность которых почти на два порядка выше, чем у аргатробана - единственного ингибитора тромбина, разрешенного к практическому использованию, и пройти путь от синтеза действующего активного вещества до предклинических испытаний нового лекарственного препарата.
Следует отметить, что процесс тромбообразования в сосудах является довольно частым осложнением, которое может происходить у пациентов с сосудистыми заболеваниями или при осуществлении процедур гемодиализа и переливания крови.
В качестве ключевого фермента в сложной системе свертываемости крови выступает тромбин, а самым распространенным средством против тромбообразования является гепарин, который выполняет лишь вспомогательную функцию в работе природного ингибитора тромбина – антитромбина. Поэтому при недостатке антитромбина в крови введение гепарина является неэффективным, а при некоторых заболеваниях крови – вообще противопоказано.
Для решения задачи поиска перспективных лекарственных препаратов использовался метод молекулярного моделирования. В качестве мишени для действия лекарственных средств были выбраны белки, связанные с патологическими процессами, приводящими к заболеванию. Необходимо было отобрать и исследовать такие молекулы вещества-ингибитора, которые при введении связывались бы с активным центром белка-мишени и блокировали его работу.
Для поиска эффективных ингибиторов тромбина использовался специализированный программный комплекс KeenBASE, разработанный в Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ. При помощи оригинальной программы SOL молекулы-кандидаты помещались в активный центр тромбина, и далее производился расчет уровня энергии связывания с белком. Чем больше оказывалась энергия связывания, тем сильнее эта молекула могла препятствовать работе тромбина, и, следовательно, тем эффективнее оказывалось лекарственное средство.
Используя метод распределенных высокопроизводительных вычислений, при котором в вычислительных экспериментах участвовало несколько суперкомпьютеров семейства СКИФ в разных городах Российской Федерации, ученые смогли провести расчеты для тысячи молекул-кандидатов, синтезировать и испытать наиболее перспективные из них, а затем передать новые соединения для проведения испытаний на животных за сравнительно короткий срок.
В результате широкомасштабных научных исследований при помощи суперкомпьютеров был синтезирован новый класс синтетических низкомолекулярных ингибиторов тромбина, которые по своей эффективности значительно превосходили аргатробан. Более того, эти полученные вещества могут использоваться в качестве основы для создания новых кровезаменителей.
В общей сложности в качестве ингибиторных кандидатов было проанализировано около 6000 молекул и выбрано всего 20 в качестве перспективных для дальнейших исследований. Традиционные методы, как правило, требуют необходимости синтезировать и испытывать экспериментально все 6000 молекул. Фармацевтические фирмы на практике экспериментальным путем перебирают сотни тысяч молекул, прежде чем найдут наиболее подходящие из них.
Таким образом, благодаря суперкомпьютерным технологиям всего за полтора года была решена очень важная задача в области фармакологии и фармацевтики, которая при традиционных технологиях решается обычно за 3-5 лет и требует существенных финансовых ресурсов.

5.2. Суперкомпьютеры против синдрома приобретенного иммунодефицита

Научные исследователи из Университета Эдинбурга и Научного центра IBM имени Т.Дж. Уотсона участвуют в реализации пятилетнего проекта по разработке лекарственных препаратов, препятствующих распространению вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) или синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД).
В этом проекте качественный эффект исследований достигается за счет использования суперкомпьютерных технологий для моделирования процессов на клеточном уровне. В модельных экспериментах используется высокопроизводительный суперкомпьютер IBM Blue Gene/L с новой экспериментальной методикой.
Основные усилия ученых сконцентрированы на исследовании процесса инфицирования и разработки ингибиторов, замедляющих химические реакции и биологические процессы в той части вируса ВИЧ, который отвечает за внедрение генетического материала вируса в человеческую клетку. Новый научный подход заключается в разработке серии ингибиторов для одновременного применения и предотвращения возможности мутации вируса в ответ на лекарственную терапию с использованием одиночных ингибиторов.
Вместе с тем, исследовательская лаборатория IBM в Хайфе в сотрудничестве с группой европейских партнеров еще в прошлом году разработала интегрированную систему лечения СПИД под названием EUResist. Благодаря интеграции баз данных и современных средств анализа система EUResist может прогнозировать реакцию генетических модификаций ВИЧ на определенную антивирусную терапию. Возможности EUResist позволяют медикам выбирать наиболее эффективные лекарственные препараты и их комбинации и оптимизировать методы лечения.
Суперкомпьютерные технологии позволяют исследователям существенно расширить возможности в области вычислительной биологии и молекулярного моделирования, проводить углубленное имитационное моделирование таких биологических процессов, как протекание крови в артериях и капиллярах в районе новообразований и осуществлять поиск эффективных лекарственных препаратов.

6. Суперкомпьютеры в моделировании атмосферы и формировании прогноза погоды

В целом, существует целый ряд жизненно важных проблем, которые просто невозможно решить без использования суперкомпьютерных технологий.
Возьмем, в частности, Соединенные Штаты Америки, по территории которой с регулярностью два раза в год проходят разрушительные торнадо.
Эти смерчи легко поднимают в воздух целые автомобили и автобусы, выводят реки из берегов, заливая большие территории, срывают линии электропередач, нанося серьезный ущерб, и могут стереть на своем пути целые города.
Поэтому борьба с торнадо занимает существенную часть американского бюджета. Следует подчеркнуть, что только штат Флорида за последние годы потратил более 50 миллиардов долларов США на экстренные меры по спасению людей. Поэтому Правительство США выделяет значительные финансовые ресурсы на внедрение таких технологий, которые могли бы предсказывать появление торнадо и определять его направление.
Чтобы рассчитать торнадо, необходимо решить задачу о локальном изменении погоды, о движении масс воздуха и о распределении тепла в конкретном регионе. Принципиально сделать это несложно, однако на практике возникают две взаимозависимые проблемы.
Первая проблема заключается в том, что расчет необходимо производить на расстояниях порядка двух километров, наиболее характерных для образования торнадо.
Вторая проблема связана с правильным заданием начальных и граничных условий, в силу того, что температура на границах интересующего региона зависит от погоды в соседних регионах.
В действительности, климат планеты зависит от огромного количества факторов. Это, прежде всего, - температура океанских вод, теплые и холодные морские течения, скорости ветров у поверхности Земли, мощные скоростные потоки в верхних слоях атмосферы, области высокого и низкого давления, запыленность воздуха, круговорот химических веществ в биосфере.
В целом, каждый день во всех странах производятся расчеты для составления среднесрочных прогнозов погоды, однако имеющиеся вычислительные ресурсы позволяют вести их с очень большим шагом вычислений – в десятки и сотни километров. Становится очевидным, что к предсказанию появления торнадо такой прогноз не будет иметь никакого отношения.
Таким образом, для расчета торнадо необходимо произвести: глобальный расчет, где шаг вычислений очень большой, и локальный расчет, где шаг очень маленький. Выполнить такой расчет можно только в том случае, если имеются мощные высокопроизводительные суперкомпьютеры, поскольку для точного глобального прогноза погоды требуется около квадриллиона вычислений.
Вместе с тем, дополнительная трудность заключается еще и в том, что время вычислений не должно превышать более 4 часов, поскольку за 5 часов картина погоды изменяется совершенно, и ваш прогноз уже не будет иметь никакого отношения к реальности. Это накладывает дополнительные требования к производительности быстродействующего компьютера.
В Лос-Аламосской лаборатории американские ученые используют для этой цели параллельный многопроцессорный суперкомпьютер. Всю околоземную атмосферу условно разбивают на пятьсот тысяч тетраэдров, при этом площадь основания отдельной пирамиды составляет около 70 квадратных километров. Расчет погодных изменений в каждом четырехграннике производится отдельным процессором, а суперкомпьютер сводит все результаты в единую картину.
Так, установленный в Японском центре морских наук и технологий (Japan Marine Science and Technology Center) суперкомпьютер Earth Simulator представляет собой виртуальную модель нашей планеты со всеми происходящими процессами: климатическими изменениями, глобальным потеплением, землетрясениями, тектоническими сдвигами, атмосферными явлениями, загрязнением окружающей среды и т.д. Пиковая производительность суперкомпьютера Earth Simulator превышает 40 терафлопс.
Благодаря разработке прогнозных сценариев климатических изменений на суперкомпьютере Earth Simulator, последние землетрясения в Японии обошлись без человеческих жертв.

7. Суперкомпьютеры в химических исследованиях

Суперкомпьютерные технологии становятся одним из основных инструментов исследований во многих областях современной химии. Это относится к анализу пространственных структур молекул на основе их химических формул, исследованиям, связанных с созданием полимерных наноструктур на основе простых по своему составу соединений.
При помощи параллельного суперкомпьютера химическая фирма DuPont смогла синтезировать материал, заменяющий хлорофлюорокарбон.
Задача заключалась в том, что необходимо было найти материал, имеющий те же положительные свойства: невоспламеняемость, стойкость к коррозии и низкую токсичность, но без вредного воздействия на озоновый слой Земли. Необходимые расчеты были проведены на суперкомпьютере за одну неделю. По оценкам специалистов фирмы DuPont, использование традиционных экспериментальных методов исследований потребовало бы около трех месяцев работы - и это без учета времени, необходимого на синтез и очистку требуемого количества вещества.
Все большое значение приобретают высокопроизводительные вычисления в такой области, как материаловедение. До последнего времени невозможно было предсказывать даже простейшие кристаллические структуры, основываясь на знаниях их химического состава. Очень сложно, например, чисто эмпирически, только на основе физических представлений предугадать, что термодинамической стабильной формой углерода при нормальных температурах и давлении является графит, а не алмаз.
Использование суперкомпьютерных технологий позволяет значительно расширить исследования в области разработки топливных элементов на основе полимерных электролитов. Вычислительные методы, разработанные на физическом факультете МГУ, позволяют эффективно использовать суперкомпьютеры для предсказания макроскопических свойств наноструктурированных материалов и моделирования мембран для топливных элементов. Эти мембраны являются ключевым элементом при разработке эффективных топливных элементов на основе прямого преобразования водорода и метанола в электрическую энергию.

8. Суперкомпьютеры в микроэлектронике

В лаборатории IBM в Цюрихе активно проводятся работы по моделированию взаимодействия на атомарном уровне двуокиси гафния с другими материалами. Сегодня именно двуокись гафния является одним из основных диэлектриков в планарной технологии уровня менее 65 нанометров.
Специалисты IBM продемонстрировали в качестве примера реализацию метода молекулярной динамики, позволяющего отслеживать временную эволюцию систем взаимодействующих атомов, молекул или виртуальных частиц путем интегрирования квантово-механических уравнений движении, при исследовании двуокиси гафния в качестве затвора транзисторов нового поколения.
На суперкомпьютере Blue Gene/L с 4096 параллельно работающими микропроцессорами было проведено моделирование взаимодействия двуокиси гафния с кремнием. В ходе вычислительного эксперимента было использовано 50 моделей силикатов гафния, в каждую из которых входило до 600 атомов и 5 тысяч электронов. Вычисление одного значения диэлектрической постоянной потребовало 5 дней непрерывной работы суперкомпьютера, полный цикл моделирования составил 250 дней
Для сравнения – самому мощному персональному компьютеру для решения этой задачи потребовалось бы 7000 лет.
В результате вычислительных экспериментов были исследованы основополагающие физические процессы, определяющие уникальные электрические свойства гафния при взаимодействии с кремнием.
Таким образом, суперкомпьютерное моделирование позволяет проводить сложные физико-химические исследования в виртуальной лаборатории без использования традиционного лабораторного оборудования и при полном отсутствии проблем, связанных, как с влиянием условий подготовки, чистоты компонентов, так и присутствием паразитных реакций.

 

9. Суперкомпьютеры и ядерные технологии

Соединенными Штатами Америки в рамках работ по созданию сети федеральных суперкомпьютерных центров была принята военная суперкомпьютерная программа ASCI, предназначенная для обеспечения боеспособности ядерных арсеналов США в условиях международного договора о запрещении испытаний ядерного оружия на земле, в воздухе и под землей.
Основная задача заключалась в том, чтобы без проведения натурных испытаний на полигонах осуществлять расчет долговременных процессов старения существующих ядерных зарядов, проектировать запасные части и новые заряды к ним, и подтверждать их работоспособность виртуальными испытаниями и моделированием на быстродействующих суперкомпьютерах.
В ходе реализации программы специалистам приходилось решать множество частных проблем повышенной сложности. Так, например, в конструкции атомных бомб используется металлический тантал, поэтому необходимо было исследовать процессы плавления тантала и его застывания при высочайших температурах и давлениях, практически недостижимых в лабораторных условиях.
Поэтому процесс застывания расплавленного тантала был полностью смоделирован на суперкомпьютере с использованием классической модели уравнений взаимодействия атомов. Для получения адекватной модели потребовалось изучение взаимодействия коллектива из 16 миллионов атомов.
Процесс моделирования на суперкомпьютере Blue Gene/L с пиковой производительностью 360 терафлопс составил более семи часов, в итоге результат был достигнут. В ходе модельного эксперимента были определены все параметры структуры застывшего металлического тантала.

11. Суперкомпьютеры и национальная безопасность

Сегодня в глобальной сети Интернет курсируют огромные потоки информации. Телефонные разговоры, факсимильные сообщения, электронная почта, переговоры по радиосвязи, страницы, доступные файлы в компьютерах, подключенных к Интернету, все это может быть легко перехвачено и расшифровано.
Спутники с большими параболическими антеннами могут принимать не только сигналы земных радиостанций, но и сотовых телефонов, радиорелейных линий передач, находясь на достаточно высоких расстояниях от Земли и даже на геостационарных орбитах, и передавать необходимую информацию.
Если мирные радиотелескопы могут заглянуть в самые отдаленные точки Вселенной, что мешает радиотелескопам военного назначения прослушивать, о чем переговариваются между собой спутники связи, и какую телеметрическую информацию посылают на Землю спутники-разведчики ?
Кроме сотни наземных станций, следящих за космосом, в распоряжении стран-участников соглашения UKUSA находятся десятки тысяч наземных каналов связи, обеспечивающих доступ к телекоммуникационным сетям большинства стран на всех четырех континентах. Широкополосные каналы связи с пропускной способностью более 2,5 Гбит в секунду соединяют систему суперкомпьютеров с поставщиками перехваченной информации.
Так, например, Агентство национальной безопасности США (NSA) и Британский штаб правительственной связи (GCSD) соединены между собой специальным трансатлантическим волоконно-оптическим кабелем, к которому не имеют доступа никакие другие агентства и службы связи.
Агентство национальной безопасности США активно использует высокопроизводительные суперкомпьютеры Cray для проведения анализа, систематизации и структурирования ежесекундно поступающей информации в объеме десятков гигабайт.
Сегодня суперкомпьютеры научились распознавать не только письменную, но и устную речь, поэтому вместо специалистов они внимательно «слушают и конспектируют» телефонные переговоры.
Естественно, что шифрование информации создает дополнительные трудности для работы системы «Эшелон». Однако определенные экспортные ограничения, установленные США на криптографические программы, применяемые другими странами, существенно облегчают работу NSA.
Системы машинного распознавания электронных писем, интернет-страниц и факсов превращают в слова не только текстовые сообщения, но и сообщения, передаваемые в виде графических изображений. Суперкомпьютерная система, осуществляющая поиск «опасных» слов и сочетаний, работает не только на английском, но и на целом ряде национальных языков.
Высокопроизводительные суперкомпьютерные технологии в развитых странах используются, в первую очередь, для решения оборонных задач и обеспечения национальной безопасности.

12. Суперкомпьютеры и экологические проблемы

Высокопроизводительные суперкомпьютерные вычисления приобретают все большее значение для исследования экологических проблем в городской среде, для исследования распространения загрязнений от различных источников. Это комплекс проблем, связанных с городской застройкой, исследование обратных задач электромагнитного и акустического зондирования для определения полостей и дефектов различных конструкций, скрытых под поверхностью Земли. Эти задачи очень важны для планирования градостроительных работ, исследования качества взлетных полос аэропортов и т.д.

В заключении следует отметить, что использование суперкомпьютерных технологий позволяет в 5-10 раз сократить сроки и стоимость проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ при создании новой продукции с высокой добавленной стоимостью, минимизировать стендовые испытания (или свести их к нулю) даже при создании таких сложных изделий, как скоростные авиалайнеры или атомные реакторы.
Суперкомпьютерные технологии моделирования становятся мощным оружием в конкурентной борьбе на рынках высокотехнологической продукции.
В результате использования высокопроизводительных суперкомпьютерных технологий при проведении инженерного проектирования и производства новых изделий на промышленных предприятиях достигается значительный экономический эффект.
Поэтому суперкомпьютерные технологии по праву можно считать ключевым инструментом обеспечения конкурентоспособности национальной экономики.


http://www.lenovo.com.

Абрамов С.М. Чтобы победить в конкуренции, нужно победить в вычислениях // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2009. - №1.

 

Российские суперкомпьютеры: Наука. Технологии. Производство. Приоритеты развития индустрии супервычислений в России // Сборник статей под ред. Б.В.Грызлова, Библиотека ЦСПП, выпуск 2.- Москва, 2008.- 100 с.

Литовкин Д.Суперкомпьютер научит летать // Известия.- 2008.- 25 августа.

Бетелин В. СуперЭВМ – это технологическое оружие // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2009. - №4.

Спиряев О. Применение суперкомпьютеров // BYTE. – 2008.- №118 (сентябрь).

Бабенко В. Вверх по лестнице, ведущей вниз // Вокруг света.- 1997.- №12 (2687).

Механик А. Нет суперкомпьютера – уходи с рынка // Эксперт.- 2009.-№37.

 

Механик А. Нет суперкомпьютера – уходи с рынка // Эксперт.- 2009.-№37.

 

Последнее обновление ( 12.02.2010 г. )
 
« Пред.   След. »