Столица Южного Урала является одним из лидеров по уровню развития информационных технологий в России. А ведущим по внедрению суперкомпьютерных технологий на Урале и в Сибирском регионе является Южно-Уральский государственный университет. В вузе создан самый мощный на Урале суперкомпьютерный центр, который используется для решения учебных, научных и производственных задач не только нашей страны, но и зарубежных заказчиков.
Суперкомпьютеры для 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 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. В результате знакомства с Андреем Николаевичем и родилась идея такой совместной лаборатории, – говорит директор ВШ ЭКН Глеб Радченко. – В рамках работ по данному направлению 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 и подготовка статьи для публикации в научном журнале совместно с научными сотрудниками центра.
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») являются самыми высокопроизводительными системами Урала и Сибири, занимая 8- и 15-е место среди самых мощных суперкомпьютеров в России и СНГ.
– От конечного пользователя таких высокопроизводительных систем требуется наличие специфических знаний 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, обеспечивающие прозрачное предоставление суперкомпьютерных ресурсов инженерам, исследователям, промышленным заказчикам, предлагаем им облачный веб-интерфейс, ориентированный на решение их конкретных классов задач, – добавляет Глеб Радченко.
Также важным направлением применения суперкомпьютерных систем, развивающимся в ЮУрГУ, является анализ «больших данных» (от анг. Big Data). Это направление сформировалось в конце 2000-х годов и объединило в себе совокупность методов обработки неструктурированных данных огромных объёмов и значительного многообразия для получения полезных для конечного пользователя результатов. Стремительное развитие этого направления связывают с появлением суперкомпьютеров, применение которых позволяет справиться с огромными объемами данных, их анализ невозможно выполнить на персональных компьютерах классическими методами.
В рамках направления интеллектуального анализа данных ЮУрГУ выбрал нишу решения задач для промышленности и индустрии. В рамках проекта «Облачная индустриальная платформа» исследуются возможности по созданию системы «Цифровых двойников» производственных процессов. Цифровой двойник – это виртуальный образ устройства или технологического цикла, реализованный в виде компьютерных физических и математических моделей в рамках суперкомпьютерной системы. Цифровой двойник в реальном режиме времени синхронизируется с производственными процессами путем обработки данных, получаемых 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, обеспечивающую сбор, интерпретацию и анализ всех этих данных и предоставляющую конечному пользователю, например ведущему инженеру или владельцу предприятия, полезную именно для него информацию. Например, проанализировав эффективность работы насосной системы, система может дать рекомендацию, что если конкретный узел остановить для планового технического обслуживания послезавтра в шесть часов вечера, стоимость его остановки будет 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 авиапромышленности 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 экран, его в начале нужно визуализировать. Для визуализации требуются сверхбольшие вычислительные ресурсы. У нас в стране такие ресурсы предоставляются, в частности, суперкомпьютерным центром ЮУрГУ. Таким образом, 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 (топ-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 директор Высшей школы электроники и компьютерных наук ЮУрГУ Глеб Радченко. – Чтобы не закупать дорогостоящее оборудование 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, – добавляет Глеб Радченко. 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 суперкомпьютерный центр и лабораторию проблемно-ориентированных облачных сред привлекаются студенты ЮУрГУ, начиная с 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 выходит на работу в топовые компании не только нашей страны, но и всего мира.
