Суперкомпьютеры и инженерное образование

Saint-Petersburg State Polytechnical University
Научно Исследовательский Университет
Санкт-Петербургский
государственный
политехнический университет
ГОДИЧНОЕ СОБРАНИЕ
СУПЕРКОМПЬЮТЕРНОГО
КОНСОРЦИУМА
УНИВЕРСИТЕТОВ РОССИИ
МГУ им.М.В. Ломоносова
04 декабря
2012 г.
Проф., д.т.н
Болдырев Ю.Я., проф., д.т.н Заборовский В.С.
«Суперкомпьютеры и инженерное образование»
Saint-Petersburg State Polytechnical University
План доклада
или примерные направления работ
I. Математическое моделирование и
инженерное знание.
II. Компьютерные технологии и развитие
промышленности во второй половине XX
века.
III. Суперкомпьютерные технологии и
инженерный анализ.
IV. Суперкомпьютерные технологии и их роль
в инженерном образовании.
Saint-Petersburg State Polytechnical University
I. Математическое моделирование и инженерное знание
В основе современного естественнонаучного и инженерного знания совокупность
лежит многотысячелетний опыт физического эксперимента, служивший людям
примерно до конца XVIII века базой в создании всех машин и механизмов!
Начало XIX века - массовое развитие железнодорожного транспорта и парового
флота породило создание основ того, что мы, понимаем под инженерным
анализом и проектированием.
Вторая половина XIX - начало XX века - быстрый рост принципиально новых
механизмом и машин, - формируются и новые требования к самому существу
инженерного анализа.
В течение XX века – произошло революционное изменение инструментария
исследования природы и всего того, что создается человеком, - многовековая
практика физического эксперимента стала активно дополняться и заменяться
экспериментом математическим. Физический эксперимент практически исчерпал
свои возможности* при создании новых типов машин и систем (либо из-за его
большой сложности и дороговизны его проведения, либо по причине
принципиальной его невозможности).
*) Конечно, сказанное не следует понимать как полное отрицание физического эксперимента. Он, конечно, нужен и
востребован как важный инструментарий в научных исследованиях и во многих натурных экспериментах. А там, где мы
плохо знаем природу, такой эксперимент незаменим
Saint-Petersburg State Polytechnical University
.
Итак с начала XX века ключевую роль в инженерной практике стали
играть теоретические (не экспериментальные!) подходы в разработке
новых машин и систем, причем этот период совпал с переходом от
классической
Д.Гильберт)
математики
и
к
математике
неклассической
(Р.Фреше,
формированием основ современной вычислительной
математики.
Прорыв в использовании вычислительных методов в инженерной и
естественнонаучной практике произошел, начиная со второй половины XX
века в связи с массовым внедрение ЭВМ.
При этом к концу 80-х годов сформировалась концепция
математического моделирования, где выдающуюся роль сыграла
отечественная наука в лице А.А.Самарского и О.М.Белоцерковского.
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Сегодня математическое моделирование - тотальная технология
(метатехнология) и оно применяется повсюду где мы хотим получить
количественные оценки явлений, процессов и т.д.
В
современном
инженерном
анализе
и
проектировании
математическое моделирование на базе компьютерных технологий
играет центральную роль. Принципиально это касается всех областей
инженерного дела – от инженеров исследователей и разработчиков новых
машин и систем до инженеров экономистов.
Здесь же мы остановимся только на деятельности инженеров
исследователей и разработчиков, как наиболее важной и трудной.
Как и в чем выражается эта деятельность в рамках современного
компьютеризированного производства?
II. Компьютерные технологии и развитие промышленности во второй
половине XX века
Обратимся к схеме CALS технологий или технологий непрерывной
поддержки поставок и жизненного цикла продукции (Continuous Acquisition
and Life cycle Support), (также, часто говорят о PLM – технологиях (Product
Life Management)).
Saint-Petersburg State Polytechnical University
CALS технологии
Standards, normative documents, catalogues
PDM - Product Data Management
ERP
Enterprise Resource Planning
CAD / CAE / CAM
ILS
Computer-Aided
Design/Engineering/ Manufacturing
Integrated Logistic
Support
Design
Manufacture
Operation
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Сущность CALS – технологий в системном описании в
рамках компьютерных технологий всех производственных
и иных процессов, в которых рассматривается жизнь
любого изделия от идеи его создания, проектирования,
изготовления, жизни за пределами предприятия, т.е. его
эксплуатация и обслуживания, вплоть до её окончания и
утилизации.
Для инженеров исследователей и разработчиков
важнейшей является «триада» CAD/CAE/CAM (Computed Aided
Design/Engineering/ Manufacturing) технологий, содержащая в
себе самое наукоемкое, естественнонаучное и инженерное
ядро CALS– технологий.
Итак, мы подошли к самому главному.
Цепочка CAD/CAE/CAM – технологий, из которых наиболее
трудными, как в освоении, так и в реализации, являются CAE
технологии компьютерного инжиниринга, лежит в основе
современного инженерного анализа и проектирования.
И именно CAE – технологии должны составлять базис
современного инженерного образования в рассматриваемом
нами сегменте инженерного дела.
Saint-Petersburg State Polytechnical University
III. Суперкомпьютерные технологии и инженерный анализ
Принципиально, задачи реальной инженерной практики при их
корректной постановке, представляются совокупностью связанных
краевых или начально – краевых задач математической физики. А это
приводит к большой вычислительной ресурсоемкости при их решении!
Еще сложнее обстоит проблема оптимизации характеристик технических
изделий, где любая междисциплинарная задача есть связанная с каким
либо функционалом (или их связанной совокупностью!) задача Лагранжа
вариационного исчисления!
Развитие суперкомпьютерных технологий привело сегодня научное и
инженерное сообщество к возможности ставить и решать такие классы
естественнонаучных и инженерных задач, которые были немыслимы в
корректной постановке для инженеров и исследователей даже 15-20 лет
тому назад.
В части инженерных задач главным инструментом здесь являются CAE
– технологии, в их суперкомпьютерных (многопроцессорных) реализациях.
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Суперкомпьютерные CAE – технологии привели к
принципиально новому качеству их применения в
инженерной практике, существо которого состоит в
появлении возможности решать междисциплинарные задачи,
близкие по своей постановке к задачам реального
физического мира, - мира машин, механизмов и систем,
создаваемых в сфере промышленного производства.
Но постановка и решение таких задач при подготовке
инженеров требует КОРЕННОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ всего учебного
процесса в высшей технической школе!
Основы такой перестройки уже заложены в рамках трех
лет проекта «Суперкомпьютерное образование»! Но нужно
двигаться дальше поскольку инженерные аспекты весьма
сложны и многообразны.
Действительно, как только мы ставим задачи для
суперкомпьютеров так сразу появляются проблемы…
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Во первых, мы сталкиваемся с необходимостью провести
разбиение задачи (декомпозицию) на подобласти для
реализации параллельных вычислений на множестве
процессоров:
Здесь приведены примеры разбиения всей расчетной области и
отдельно в подобластях при расчетах гидротурбины: «улитки»,
и направляющего аппарата и фрагмента рабочего колеса.
Во-вторых, это построение сеточных
областей от качества которых критически
зависит решение задач. Сегодня это десяткисотни миллионов конечных элементов –
ячеек!
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Это, конечно, и проблемы вычислительных
алгебраических
процедур.
И,
наконец,
это
важнейшие
вопросы
визуализации результатов вычислений.
Суперкомпьютерные технологии сегодня по сути дела делают
малоразличимыми естественнонаучные исследования и инженерные
разработки, приближая нас к решению вечной проблемы
познаваемости природы. Пример – моделирование турбулентности.
Обтекание тандема цилиндров (2010 г).
СПбГПУ, Лаборатория проф. М.Х.Стрельца
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Поле скорости
поперечного обтекания
тандема цилиндров
при числе Re = (V0D)/ν
ν=
=1.4·105 (V0 – скорость
набегающего потока,
D – диаметр цилиндра,
ν - кинематическая
вязкость).
Визуализация
наглядно демонстрирует наличие крупных и мелкомасштаб ных структур
турбулентности.
Задача считалась на 8160 узлах суперкомпьютера «Intrepid» Blue Gene/P
Лаборатории Argonne National Lab (США) на. Каждый узел содержит два 4-х
ядерных процессора. В расчетах было использовано от 16320 до 65280
процессорных ядер! Сетка, содержит примерно 60 миллионов узлов. Характерный
расчет шел около 11 суток.
Saint-Petersburg State Polytechnical University
IV. Суперкомпьютерные технологии и их роль в
инженерном образовании
Универсальный и всеобъемлющий характер
обуславливают трудности и проблемы, на пути
широкого внедрения суперкомпьютерных технологий в
инженерное образование.
Универсальность в том, что
они позволяют в максимальном объеме реализовать
технологии матмоделирования, т.е. ставить и решать во
всей полноте междисциплинарные задачи, которые, как
указывалось, дают возможность весьма близко подойти
к описанию реального физического мира.
Но такой высокое, и все более нарастающее в своих
возможностях качество описания мира техники, требует и
более высокого уровня освоения инженерным
сообществом самих фундаментальных основ
инженерного знания!
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Именно в фундаментальном характере технологий
решения на основе суперкомпьютеров инженерных
задач, как видится, суть проблемы слабого внедрения
суперкомпьютерных технологий в инженерное образование, высшая техническая школа, в своем подавляющем
большинстве, не готова, а иногда и принципиально не
способна к радикальной перестройке учебного процесса на
такие технологии.
Сущность этой перестройки состоит в том, что
инженерная деятельность, в рамках названных технологий,
будет все более и более приобретать характер деятельности
исследовательский, опирающейся на фундаментальное
знание.
При этом, как представляется, в недалеком будущем
произойдет смена самой парадигмы инженерной
деятельности. Что же имеется в виду?
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Деятельность инженера в ближайшем
будущем «обречена» на все более творческий характер,
при которой сама проектно – конструкторская, расчетнотехнологическая работа, будет возложена на расчетно
технологические вычислительные среды (аппаратно –
программные системы, реализующие CAD/CAE/CAM –
технологии).
Роль инженера разработчика будет определяться,
главным образом, творческой деятельностью, - разработкой
концепции нового изделия, включая определение его
эксплуатационно - технических характеристик, а также
эффективность и быстроту его производства.
На реализацию такой идеологии будет нацелена
деятельность, создаваемого в 2013-2014 гг. по решению
Правительственной комиссии, Суперкомпьютерного центра
Политехнического университета.
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Вообще, направлений для проведения исследований в
рассматриваемой сфере, нам видится, два:
I) Фундаментальные аспекты инженерных наук,
связанные с особенностями постановок задач на
суперкомпьютерах.
II) Собственно суперкомпьютерные вопросы, т.е.
технологии решения (прохождения) задач на
суперкомпьютерах.
Задача ведущих технических вузов состоит в том,
чтобы:
во – первых, предложить концепцию инженерного
образования на базе суперкомпьютерных технологий,
некоторые контуры которой здесь намечены,
во-вторых, определить те группы дисциплин,
которые будут составлять некоторое универсальное ядро
– основу такого образования, по крайней мере, для групп
специальностей.
Saint-Petersburg State Polytechnical University
БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ
Saint-Petersburg State Polytechnical University
Поблочное описание концепции
математического моделирования по
А. А. Самарскому
I блок. Составление математической модели явления, процесса, задачи
и т.д. Это, вообще говоря, предметная область естественных и других
наук, где составляются количественные соотношения для
описываемых явлений и процессов.
II блок. Анализ математической корректности построенной
математической модели, описывающей нашу задачу.
III блок. Переход от непрерывной математической модели к модели
дискретной.
IV блок. Анализ математической корректности вновь полученной
дискретной задачи (на основе исходной).
V блок. Написание алгоритма для дискретной задачи, то есть
последовательности вычислительных шагов и его перенос на
компьютер компьютер - программирование.
VI блок. Отладка программы (или настройка программной системы на
нашу задачу), то есть её тестирование, получение результатов и их
анализ.