Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований
Проводится обзор методов построения вычислительных и программных средств для вычислений встречающихся при моделировании сложных физических объектов или процессов. Проводиться огляд методів побудови обчислювальних і програмних засобів для розрахунків, які зустрічаються при моделюванні складних фізичн...
Saved in:
| Published in: | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2013
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69706 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований / И.А. Варава // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2013. — № 12. — С. 34-38. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860074549132918784 |
|---|---|
| author | Варава, И.А. |
| author_facet | Варава, И.А. |
| citation_txt | Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований / И.А. Варава // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2013. — № 12. — С. 34-38. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| description | Проводится обзор методов построения вычислительных и программных средств для вычислений встречающихся при моделировании сложных физических объектов или процессов.
Проводиться огляд методів побудови обчислювальних і програмних засобів для розрахунків, які зустрічаються при моделюванні складних фізичних об’єктів або процесів.
An overview of the methods of computing and software construction for calculations in modeling of complex physical objects or processes.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:12:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2013, № 12 34
I. Varava
ORGANIZATION OF COMPLEX
CALCULATIONS IN THE FIELD
OF INTERBRANCH RESEARCH
An overview of the methods of com-
puting and software construction for
calculations in modeling of complex
physical objects or processes.
Key words: complex calculation,
interbranch research.
Проводиться огляд методів побу-
дови обчислювальних і програмних
засобів для розрахунків, які зу-
стрічаються при моделюванні
складних фізичних об’єктів або
процесів.
Ключові слова: складні обчислен-
ня, міжгалузеві дослідження.
Проводится обзор методов по-
строения вычислительных и про-
граммных средств для вычислений
встречающихся при моделирова-
нии сложных физических объек-
тов или процессов.
Ключевые слова: сложные вычис-
ления, межотраслевые исследова-
ния.
И.А. Варава, 2013
УДК 004.942
И.А. ВАРАВА
ОРГАНИЗАЦИЯ СЛОЖНЫХ
ВЫЧИСЛЕНИЙ В ОБЛАСТИ
МЕЖОТРАСЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Введение. Прогресс в понимании физиче-
ской картины мира требует все более слож-
ных научных исследований. Современное
научное исследование широко использует
методы компьютерного эксперимента. Раз-
витие сетевых и компьютерных технологий
способствует решению сложных прикладных
задач. Для создания необходимой вычисли-
тельной мощности используются специфиче-
ские технологии интеграции компьютерных
средств, использующие распределённые вы-
числения, Grid-технологии и облачные вы-
числения.
Основными областями применения слож-
ных вычислений являются криптография,
прогнозирование, физика высоких энергий,
вычислительные биология, химия, медицина.
Практическое значение имеет целена-
правленная разработка новых или специ-
альных материалов, обладающих улучшен-
ными эксплуатационными характеристика-
ми, изделия из которых планируется ис-
пользовать в экстремальных условиях. Ос-
новываясь на законах макро- и микроуров-
ня, учитывая квантово-механические прин-
ципы, существующие методы позволяют
предсказать поведение системы взаимодей-
ствующих частиц, используя сложный ма-
тематический аппарат. Среди используемых
уравнений особое место занимают последо-
вательность уравнений Боголюбова – Борна
– Грина – Кирквуда – Ивона (цепочка
ББГКИ) [1], уравнение Власова, Шрединге-
ра и др. Получение материалов с заданны-
ми характеристиками основывается на ис-
следовании кинетических процессов и
ОРГАНИЗАЦИЯ СЛОЖНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2013, № 12 35
определении их оптимальных параметров.
Наиболее распространены реализации методов Монте-Карло [2] и молеку-
лярной динамики [3] в программном обеспечении моделирования таких процес-
сов.
Метод молекулярной динамики используется для моделирования временной
эволюции молекулярных систем путем численного интегрирования уравнений
движения ансамбля частиц. В этом случае проводится численный эксперимент
динамического типа [3]. В работе [1] проводился эксперимент по моделирова-
нию релаксации быстрого потока горячих атомов в расплаве, используя кластер
Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины. Решалась система
интегро-дифференциальных уравнений (1) для s – частичных функций распре-
деления:
=∂∂⋅+∂∂⋅+∂∂+
∂
∂ ∑∑ ∑ === is
b
ij
s
jiis
b
i
s
iisi
s
i
s pfFpfFrf
t
f
1,11ν
∑ ∫= +++ Ω∂∂−=
s
i sssii dfFpNs
1 111,)( .
(1)
Первоначальное распределение скоростей атомов популяции удовлетворяло
распределению Максвелла:
)2/exp()()2/()( 22/32/1 kTmVkTkmNV −=Φ − . (2)
Результаты распределения скоростей атомов показаны на рисунке.
а б
в г
РИСУНОК. Гистограммы распределения скоростей атомов в расплаве металла
И.А. ВАРАВА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2013, № 12 36
Технические средства организации вычислительных мощностей.
Исторически сложилось так, что первым основным компонентом компьюте-
ра являлся центральный процессор. Сегодня разрабатываются процессоры с
внутренней поддержкой параллелизма.
В отличие от многоядерных процессоров, в которых число N ядер невелико
(N < 16), в графических процессорах их размещается значительно больше
(N ≥ 100). Развивается сектор Single Instruction Multiple Data (SIMD) − систем с
общей памятью.
Суперкомпьютеры. Compute Unified Device Architecture (CUDA) − это ар-
хитектура параллельных вычислений от NVIDIA, позволяющая существенно
увеличить вычислительную производительность благодаря использованию GPU
(графических процессоров).
С помощью упомянутой выше элементной базы строятся вычислительные
системы в форме суперкомпьютеров. Суперкомпьютер по определению содер-
жит множество процессоров, соединённых высокоскоростной локальной шиной.
В работе [4] приводиться классификация масштабируемых вычислительных
систем и выделяются следующие типы:
мультикомпьютер – это совокупность узлов (машин фон Неймана), которые
управляются собственными операционными системами (ОС) и объединены се-
тью;
кластер – набор компьютеров, соединенных высокоскоростными каналами
связи, который представляется ОС как единый аппаратный ресурс;
SMP – симметричные мультипроцессоры;
DSM – системы с распределенной разделяемой памятью;
MPP – массово параллельные системы.
На сегодняшний день самым мощным суперкомпьютером, согласно списку
топ-500 за ноябрь 2012 года [5], является Titan-Cray XK7 установленный в на-
циональной лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики США. Он имеет
560640 ядер, которые размещены в центральных 16-ядерных процессорах AMD
Opteron 6274 и графических процессорах NVIDIA Tesla K20x. Производитель-
ность по тесту Linpack оценивается в Rmax = 17590 ТФлоп/с.
Grid-технологии. Grid – это технология для управления большим числом
глобально распределённых вычислительных ресурсов. Grid представляет гло-
бальные услуги виртуализации и вычислений. Основные ресурсные блоки Gridа
– это суперкомпьютеры и суперкомпьютерные центры, соединенные высокоско-
ростными сетями передачи данных. Для комплексных межотраслевых исследо-
ваний созданы и развиваются следующие Grid-инфраструктуры:
• EGI – Европейская Grid-инфраструктура;
• NGI – Национальная Grid-инфраструктура и др.
Добровольные Grid-технологии. Это способ организации распределенных
вычислений, при котором используются компьютеры добровольцев. На компью-
тере устанавливается клиентское программное обеспечение, получающее от
сервера данные для обработки и возвращающее результаты.
ОРГАНИЗАЦИЯ СЛОЖНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2013, № 12 37
Наиболее популярной платформой для добровольных вычислений является
платформа BOINC, разработанная в Калифорнийском университете в Беркли.
Существуют проекты, которые кроме центрального процессора активно ис-
пользуют другие компоненты клиентского компьютера: видеокарту (GPU) и
оперативную память.
Научные Grid-технологии. Крупнейшим научным проектом, использую-
щим Grid- технологию, является Large Hadron Collider Grid (LCG) – вычисли-
тельная среда для анализа данных экспериментов проводимых на Большом Ад-
ронном Коллайдере в ЦЕРН (Швейцария).
Коммерческие Grid-технологии. Сфера бизнеса также заинтересована в
высокопроизводительных вычислениях. Oracle предлагает решение Oracle 10G –
платформу для коммерческих приложений в среде Grid.
Технологии распределенных вычислений. Для повышения производи-
тельности вычислений за счет распараллеливания проводятся исследования в
области разработки методов распараллеливания и методов балансировки.
Message Passing Interface (MPI) – интерфейс передачи сообщений между
процессами, выполняющими одну задачу. Применяется для систем с распреде-
ленной памятью;
Open MP – открытый стандарт для программирования многопоточных при-
ложений на многопроцессорных системах с общей памятью;
CORBA – архитектура брокеров распределенных объектных запро-
сов;
DCOM (Distributed Component Object Model) – распределенная многокомпо-
нентная модель;
SOA – сервис-ориентированная архитектура.
Выводы. Таким образом, в работе проведен анализ современных средств
организации сложных вычислений, находящих место при решении актуальных
задач современных научных экспериментов.
Показано применение методов молекулярной динамики и метода Монте-
Карло при моделировании процесса кристаллизации металлического расплава.
С помощью соответствующих технических и программных средств сегодня
можно проводить эффективные экспериментальные исследования, находить
подтверждения гипотезам, которые выдвигают ученые-теоретики в междисцип-
линарных исследованиях [6 – 8].
1. Кривонос Ю.Г., Писаренко В.Г., Варaвa И.А. Моделирование интеллектуального управ-
ления кристаллизацией металлических расплавов // Искусственный интеллект. – 2009. –
№ 3. – С. 234 – 241.
2. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. – М.: Наука, 1973. – 312 c.
3. Товбин Ю.К. Метод молекулярной динамики в физической химии. – М.: Наука, 1996. –
334 с.
4. Топорков В.В. Модели распределенных вычислений. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – 320 с.
5. November 2012 _ TOP500 Supercomputer Sites – [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://www.top500.org/lists/2012/11/
6. Писаренко В.Г. Системний аналіз складних об’єктів. – К.: УкрІНТЕІ, 2009. – 133 с.
http://www.top500.org/lists/2012/11/
И.А. ВАРАВА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2013, № 12 38
7. Писаренко В.Г., Писаренко Ю.В. Разработка информационно-аналитической системы
поддержки принятия решений по управлению опасными быстропротекающими техно-
логическими происшествиями // Пр. конф. Міжнародна конференція 50 років Інституту
кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, Інститут кібернетики імені В.М. Глуш-
кова НАН України, Київ, 24 – 26 грудня 2007 року. – Київ, 2008. Вид-во ІК НАН України.
8. Писаренко В.Г, Писаренко Ю.В., Мелкумян Е.Ю. и др. Применение робототехники
для обследования шахты после обвала // Искусственный интеллект. – 2010. – № 4. –
С. 528 – 534.
Получено 30.05.2013
удк 004.942
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69706 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:12:36Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Варава, И.А. 2014-10-18T18:30:36Z 2014-10-18T18:30:36Z 2013 Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований / И.А. Варава // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2013. — № 12. — С. 34-38. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69706 004.942 Проводится обзор методов построения вычислительных и программных средств для вычислений встречающихся при моделировании сложных физических объектов или процессов. Проводиться огляд методів побудови обчислювальних і програмних засобів для розрахунків, які зустрічаються при моделюванні складних фізичних об’єктів або процесів. An overview of the methods of computing and software construction for calculations in modeling of complex physical objects or processes. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Комп’ютерні засоби, мережі та системи Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований Organization of complex calculations in the field of interbranch research Article published earlier |
| spellingShingle | Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований Варава, И.А. |
| title | Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований |
| title_alt | Organization of complex calculations in the field of interbranch research |
| title_full | Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований |
| title_fullStr | Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований |
| title_full_unstemmed | Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований |
| title_short | Организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований |
| title_sort | организация сложных вычислений в области межотраслевых исследований |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69706 |
| work_keys_str_mv | AT varavaia organizaciâsložnyhvyčisleniivoblastimežotraslevyhissledovanii AT varavaia organizationofcomplexcalculationsinthefieldofinterbranchresearch |