Федеральный центр коллективного пользования научным оборудованием «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» (ЦКП) был создан 12 июля 2013 г.

 

Его основной задачей является обеспечение на имеющемся оборудовании приема и передачи больших массивов данных, проведение компьютерного моделирования, обработки, анализа и хранения результатов расчетов и экспериментальных данных, а также оказание расчётно-вычислительных услуг исследователям и научным коллективам как базовой организации, так и всем членам международной коллаборации WLCG. Деятельность ЦКП осуществляется в рамках следующих приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ: информационно-телекоммуникационные системы, атомная и молекулярная физика, физика высоких энергий, ядерная физика.

 

Для решения этих задач ЦКП содержит две компоненты: грид-комплекс и суперкомпьютерные кластеры.

 

Участие в Программе реализации приоритетной научной задачи:

Компьютерное моделирование на высокопроизводительных системах становится важнейшим фактором научно-технического прогресса и, тем самым, одной из основ национальной безопасности страны. Роль суперкомпьютерных технологий с увеличением мощности вычислительной техники будет только возрастать, как за счет возможностей более детального описания в пространственно-временной дискретизации, так и за счет более полного учета разнообразных факторов, влияющих на физические, технологические и социальные процессы. При этом в разы будут сокращены циклы создания новой техники и технологий.

 

Однако наличие мощной вычислительной техники является необходимым, но далеко не достаточным условием развития суперкомпьютерных технологий. Имеются серьезные трудности использования вычислительных систем высокой и сверхвысокой производительности. Неслучайно, существует ограниченный круг задач, использующих для своего расчета более 100 TFLOPS (1 TFLOPS =1012 вычислительных операций в секунду) на один вариант. Эта ситуация характерна как для российских, так и для зарубежных вычислительных центров и связана с принципиальными фундаментальными трудностями при адаптации вычислительных алгоритмов и математического обеспечения на архитектуру систем с экстрамассивным параллелизмом.

 

Проблема адаптации признается в каком-то смысле даже более серьезной, чем само создание высокопроизводительных систем. На ее решение направлены усилия ученых и специалистов многих стран. Сегодня вполне можно говорить о происходящей революции в области прикладной математики и программирования. Успех здесь достигается не мобилизационными усилиями, как бы важны они не были, а принципиальными научными находками, опирающимися на достижения фундаментальных наук. При успешном решении этих фундаментальных проблем в ближайшие годы шлюзы для широкого всеобъемлющего развития суперкомпьютерных технологий и создания на их основе пакетов прикладных программ будут открыты. В свою очередь, такой продукт и суперкомпьютерные технологии станут важнейшей основой технического перевооружения промышленности и ее успешного вхождения в шестой технологический уклад. [Программа реализации ПНЗ]

 

ЦКП «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» выполняет работы в рамках программы реализации приоритетной научной задачи «Разработка математических моделей и программно-алгоритмического обеспечения для систем с экстрамассовым параллелизмом и решение пилотных задач науки и техники».

 

Работа по программе проводится по следующим направлениям:

1. Разработка алгоритмов и математического обеспечения для вычислительных систем с экстрамассивным параллелизмом.

2. Создание прототипов наукоемких программных продуктов мирового уровня

3. Решение с помощью компьютерного моделирования на высокопроизводительных вычислительных системах прорывных задач науки и техники

4. Обеспечение доступа для специалистов к современной инфраструктуре высокопроизводительных вычислительных систем на принципах режима коллективного пользования научным оборудованием.

5. Совместное проведение вычислительных экспериментов силами Участников в ходе выполнения крупных, в том числе межотраслевых, комплексных проектов

6. Импортозамещение в области наукоёмкого программного продукта и суперкомпьютерных технологий

7. Подготовка специалистов и кадров высшей квалификации

8. Поддержка развития отечественных научных школ

9. Аккумулирование опыта разработки, развертывания и использования суперкомпьютерных вычислительных мощностей.

 

В результате реализации программы будут разработаны фундаментальные основы и созданы алгоритмы и математическое обеспечение, масштабируемое до уровня экзафлопных вычислительных систем. На основе полученных фундаментальных результатов будет созданы конкурентоспособные на мировом рынке коммерческие программные комплексы, нацеленные на использование в высокопроизводительных вычислительных системах для решения сложных задач и ускорения темпов научно-технического прогресса. Они послужат важным фактором успешного вхождения России в шестой технологический уклад. На основе созданных суперкомпьютерных технологий и наукоемких программных продуктов будет осуществлено сокращение периода разработки и испытаний новых технологий и изделий за счет замены значительной части натурных экспериментов вычислительными. Созданные технологии обеспечат возможность увеличения точности, повышения надежности и качества при разработке сложных технических систем, включая системы вооружений, а также рациональности использования материалов. Будут разработаны методы, обеспечивающие сокращение расходов на подготовку и повышение отдачи от работы персонала. Применение методов суперкомпьютерного моделирования позволит решить сложные технические проблемы и сэкономить значительные средства. Для решения этих задач ЦКП был до оснащен суперкомпьютерным комплексом пиковой производительностью 600 ТФлопс.

 

ЦКП принимает участие в решении следующих задач:

– Создание системы для моделирования, хранения и обработки больших объемов данных (BigData) для экспериментов в фундаментальных областях знаний и промышленных приложениях

– Разработка инструментов и методов оптимизации массивно-параллельных прикладных расчетов и программно-аппаратных вычислительных устройств, а также инструментов эффективного управления ими.

– Разработка алгоритмов и программных средств для решения обратных задач математической физики, применимых при проведении расчётов на больших распределённых вычислительных системах.

– Развитие методов решения больших разреженных систем линейных алгебраических уравнений на многоядерных вычислительных системах и сопроцессорах

– Создание технологии использования программ трехмерного теплогидравлического расчета (CFD), обеспечивающей адекватное описание наиболее сложных режимов работы ядерных энергетических установок транспортного назначения.

– Разработка математических моделей и программно-алгоритмического обеспечения для систем с экстра массовым параллелизмом и решения задач обработки экспериментальных данных на установках мега-класса

– Суперкомпьютерное моделирование физических свойств сложных квантовых сред: от кварк-глюонной плазмы до наноструктур

– Разработка интегрированных систем кодов нового поколения для разработки и обоснования безопасности ядерных реакторов, проектирования АЭС, создания технологий и объектов ядерного топливного цикла.

 

ЦКП также предоставляет ресурсы для решения «Пилотных задач науки и техники», требующих больших объемов вычислений и/или хранения и обработки данных:

1. программно-алгоритмическое обеспечение моделирования для научно-технических расчетов (аэро- и гидро-динамика и т.п.);

2. моделирование процессов в мозге человека;

3. поиск новых лекарственных препаратов;

4. моделирование квантовых эффектов при создании новых материалов;

5. моделирование классических эффектов при создании новых материалов;

6. исследование космоса (моделирование, анализ больших данных).

 

Сбор, хранение и обработка данных исследовательских установок мега-класса

Грид-комплекс, являющийся частью ЦКП,  используется в международной ГРИД-инфраструктуре WLCG для обработки, анализа и хранения экспериментальных данных получаемых на БАК в ЦЕРН. Основные вычислительные задачи, которые решает грид-комплекс для поддерживаемых экспериментов БАК - Alice, ATLAS, LHCb - это:

•Обработка и анализ экспериментальных данных;

•Моделирование столкновений методом Монте-Карло;

•Расчетные задачи пользователей поддерживаемых виртуальных организаций.

Для работы физиков и администраторов в грид-инфраструктуре требуется наличие у них соответствующих цифровых сертификатов стандарта X.509. Российским грид-пользователям данные сертификаты выдает признанный международной организацией EUGridPMA Сертификационный центр (СЦ). На текущий момент клиентами СЦ являются такие российские научные организации как: СПбГУ, ОИЯИ, НИИЯФ МГУ, ИЯИ РАН, МИФИ, ИЯФ СО РАН, ЦАГИ, ИФВЭ НИЦ «Курчатовский институт», ПИЯФ НИЦ «Курчатовский институт», ИТЭФ НИЦ «Курчатовский институт», ФИАН, Институт национального проекта «Общественный договор».

 

Проблема моделирования, хранения и обработки больших объемов данных (BigData) для экспериментов в фундаментальных областях знаний и промышленных приложениях наиболее ярко проявила себя с момента запуска  Большого Адронного Коллайдера (БАК) в ЦЕРН.