2.5 Разработка и внедрение в промышленность параллельных программных систем для инженерного и естественнонаучного анализа на базе суперкомпьютеров семейства «СКИФ» и грид-технологий
Исполнитель – ГОУ СПбГПУ, г. Санкт-Петербург.
См. приложение – отчет за 2 этап по части 6 Технического задания к контракту СГ-2/07 от 16.07.2007 г.
Содержание этапа 2.
На данном этапе работ главными направлениями исследований выбраны:
- анализ научно-технического состояния в мире по направлению применения программных систем, использующих параллельные вычислительные процедуры для инженерных расчетов в промышленности и научных исследования;
- анализ имеющихся на мировом рынке программных систем (комплексов) для инженерного и естественнонаучного анализа; включая демонстрацию апробации наиболее востребованных систем, на имеющихся у исполнителя программно-аппаратных высокопроизводительных ресурсах;
- проведение первичного анализа ОС Microsoft Windows CCS совместно с корпорацией Microsoft на кластерах исполнителя;
- на основе итогов работ по предыдущим направлениям формулируются возможные направления решения задач, поставленных в ТЗ, в части тестирования и определения характеристик используемых в проекте параллельных программных систем на базе имеющихся у исполнителя суперкомпьютеров и их сравнительная оценка.
В рамках первого, чрезвычайно широкого направления, акцент сделан на анализе наиболее востребованных практикой междисциплинарных программных системах мирового уровня, реализующих параллельные процедуры.
Для апробации и тестирования, выбраны программные системы CFX и FLUENT, разрабатываемые компанией ANSYS (США), получившие широкое распространение в мировой практике, а также на отечественных производствах. Показаны возможности программных комплексов. Приведены примеры решения конкретных задач, выполненные по заказам отечественной и зарубежной промышленности.
Результаты исследований находят самое широкое использование в учебном процессе кафедр Физико-механического факультета СПбГПУ, которые взаимодействуют в рамках межкафедеральной лаборатории Прикладная математика и механика. Они используются, как в рамках лабораторных и практических работ, НИРС, так и при подготовке бакалаврских и магистерских работ. также они служат важнейшим инструментом при выполнении кандидатских и докторских диссертаций аспирантами и сотрудниками Политехнического университета.
По итогам выполнения этапа формулируются направления решения задач, поставленных в ТЗ, в части тестирования используемых в проекте параллельных программных систем на базе имеющихся у исполнителя суперкомпьютеров и их сравнительная оценка. К таким важнейшим направлениям отнесем:
- верификацию программных систем для различных классов задач;
- изучение проблем распараллеливания и их эффективности для ряда классов ресурсоемких мультифизичных задач, где их «ядром» служат преимущественно аэрогидродинамика (области: аэротермодинамики и тепломассообмена, горение; многофазные проблемы и т.д.);
- оценка адекватности математических моделей, заложенных в программных системах и эффективности вычислительных алгоритмов, реализующих решение соответствующих задач математической физики (сеточные аппроксимации, сходимость и т.д.);
- изучение, освоение и анализ эффективности ОС Microsoft Windows CCS совместно с корпорацией Microsoft на кластерах исполнителя и её сравнение с ОС Linux;
решение конкретных мультифизичных задач, реализующих параллельные вычислительные технологии и иллюстрирующие возможности решения.
2.6 Web-ориентированный вычислительный комплекс для решения трехмерных векторных задач дифракции электромагнитных волн на основе субиерархических параллельных алгоритмов и GRID технологий
Исполнитель – ПГУ, г. Пенза.
См. приложение – отчет за 2 этап по части 7 Технического задания к контракту СГ-2/07 от 16.07.2007 г.
Содержание этапа 2.
Разрабатываются на 2 этапе численные методы решения сложных векторных задач электродинамики, требующих большого объема вычислений, на суперкомпьютерах и вычислительных кластерах с использованием параллельных субиерархических алгоритмов.
Целью проекта является создание web-ориентированного вычислительного комплекса для решения трехмерных векторных задач дифракции электромагнитных волн на магнитодиэлектрических телах и проводящих экранах произвольной формы на основе подхода, объединяющего кластерные и GRID технологии. Реализация кластерной составляющей комплекса на суперкомпьютерах семейства СКИФ, а метакомпьютерной на вычислительных ресурсах СКИФ-ГРИД полигона.
Метод исследования – решение сложных задач математической физики с использованием параллельных алгоритмов на суперкомпьютерах семейства СКИФ, а также с использованием вычислительных ресурсов СКИФ-ГРИД полигона.
Результаты работы:
- исследованы и разработаны параллельные субиерархические алгоритмы для решения задач дифракции электромагнитных волн на магнитодиэлектрических телах и проводящих экранах произвольной формы;
- исследованы и разработаны параллельные вычислительные алгоритмы для решения систем линейных алгебраических уравнений специального типа (блочно-теплицево-ганкелевых систем уравнений);
- созданы базы данных матричных элементов для задач дифракции;
- разработаны программы-оболочки для пользователей с целью выбора геометрии задачи, электродинамических параметров;
- разработаны программы для формирования системы линейных алгебраических уравнений (для конкретной задачи) из базы данных матричных элементов (канонической задачи);
- разработаны программы для решения систем линейных алгебраических уравнений специального типа (блочно-теплицево-ганкелевых систем уравнений);
- созданы справочные базы данных.
На 2 этапе «Выбор направления исследований» в ходе выполнения проекта были разработаны методы решения задач дифракции на экранах и телах. Одним из наиболее эффективных методов решения задач дифракции является метод, основанный на сведении задачи к системе интегродифференциальных (объемных или поверхностных сингулярных интегральных) уравнений. Метод использован совместно с методами параллельных вычислений для решения трехмерных векторных задач электродинамики на вычислительном кластере.
Для решения систем линейных алгебраических уравнений, возникающих в задачах дифракции, используются методы решения теплицевых систем и быстрого преобразования Фурье для умножения матрицы на вектор. Наиболее эффективным для данного класса задач является параллельный алгоритм метода сопряженных градиентов. В рассматриваемых задачах возникают специальные блочно-теплицевы системы с дополнительной симметрией элементов матрицы. Применение параллельной версии быстрого преобразования Фурье также дает определенный эффект.
Достигнуты технико-экономические показатели Технического Задания: к выполнению работ по проекту привлечено 10 ученых, из них 9 молодых ученых, в том числе 3 аспирантов. В рамках проекта были подготовлены 2 статьи, сделаны 2 доклада на международном научном симпозиуме.
Степень внедрения. Разработаны и реализованы в виде программ параллельные субиерархические вычислительные алгоритмы для решения численными методами задач дифракции электромагнитных волн на идеально проводящих экранах и диэлектрических (магнитных) телах.
Область применения. Разработанные алгоритмы и программы могут быть использованы при решении векторных задач электродинамики и при математическом моделировании сложных электродинамических процессов и объектов.
Экономическая эффективность или значимость работы. Решение сложных векторных задач электродинамики на вычислительном кластере с помощью параллельных алгоритмов является наиболее эффективным и дешевым способом решения таких задач. Значение работы состоит в том, что векторные задачи электродинамики могут быть решены без привлечения дорогостоящей вычислительной техники (например, суперкомпьютеров типа CRAY).
Прогнозные предположения о развитии объекта исследования. Разработанный Web-ориентированный вычислительный комплекс для решения трехмерных векторных задач дифракции электромагнитных волн на основе субиерархических параллельных алгоритмов и GRID технологий может служить прототипом для создания других аналогичных вычислительных систем в различных областях науки и техники.
|
