Санкт – Петербургский государственный политехнический университет (ГОУ СПбГПУ)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Санкт – Петербургский государственный политехнический университет
(ГОУ СПбГПУ)
УДК
Код ГРНТИ: 27.35.00
УТВЕРЖДАЮ
Первый проректор, д.т.н., профессор
_________________А.И. Рудской
«
»
2007 г.
М.П.
ОТЧЕТ
Программа Союзного государства «Разработка и использование программноаппаратных средств Грид - технологий и перспективных высокопроизводительных
(суперкомпьютерных) вычислительных систем семейства «СКИФ» (шифр «СКИФГРИД»)»
Тема: Шифр 2007-СГ-01, наименование: «Развитие, исследование и внедрение
средств высокопроизводительных вычислений на основе технологий Грид с
поддержкой гетерогенных, территориально - распределенных вычислительных
комплексов».
Проект «Разработка и внедрение в промышленность параллельных программных
систем для инженерного и естественнонаучного анализа на базе суперкомпьютеров
семейства «СКИФ» и ГРИД- технологий»
Вид отчета: промежуточный – 1 этап (Наименование этапа: Выбор направления
исследований).
Руководитель проекта: ______________д.т.н., проф. Ю. Я. Болдырев
Санкт - Петербург
2007 г.
2
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Должность, ученая степень и
звание
Научный руководитель,
Зав. каф., д.т.н., профессор
Подпись и дата
Ф.И.О.
Болдырев Юрий Яковлевич
(разделы: введение, 1,2,
заключение)
Исполнители
Профессор, д.т.н., профессор
Григорьев Борис Семенович.
(раздел: 1)
Профессор, к.т.н., доцент
Викторов Евгений Дмитриевич
(разделы: 1,)
Зав каф., к.ф-м.н., доцент
Клавдиев Владимир Евгеньевич
(раздел: 1)
Доцент, к.ф-м.н., доцент
Лупуляк Сергей Валерьевич
(разделы: введение, 1,2
заключение)
Профессор, д.т.н., доцент
Снегирёв Александр Юрьевич
(введение, 1, заключение)
Доц., к.ф-м.н.
Шиндер Юлия Константиновна
(разделы: 1 )
Нормоконтролер
Ровинец Жанета Ивановна
3
РЕФЕРАТ
Отчет: с. 191, рис. 84, табл. 10. ист. 94 (67+27)
ПРОГРАММНЫЕ
СИСТЕМЫ
(КОМПЛЕКСЫ),
СТРУКТУРА
ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ, СУПЕРКОМЬЮТИНГ, ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ
ТЕХНОЛОГИИИ,
МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА MICROSOFT
WINDOWS CCS, МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ЗАДАЧИ, ПРОМЫШЛЕННЫЕ И
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ СУПЕРКОМПЬЮТИНГА
На настоящем этапе работ главными направлениями исследований, согласно
техническому заданию, 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
программных
востребованных
системах
мирового
практикой
уровня,
междисциплинарных
реализующих
параллельные
процедуры. Здесь рассматриваются программные системы CFX и FLUENT. При
этом анализируются структура этих комплексов, то есть рассматриваются
ключевые подсистемы, входящие в состав этих комплексов или имеющие
«самостоятельный статус», как то
- программные системы для построения геометрий расчётных областей;
4
-
программные
системы
для
построения
расчётных
сеток
(сеточных
пространств);
- собственно вычислительные программные комплексы.
В рамках апробации и тестирования, наиболее востребованных программных
систем выбраны 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
взаимодействуют
Физико-механического
в
рамках
факультета
межкафедеральной
СПбГПУ,
лаборатории
которые
Прикладная
математика и механика [50] . 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.
5
Содержание
Введение………………………………………………………………………………..6
Раздел 1. Анализ научно-технического состояния в мире по направлению
применения программных систем, использующих параллельные вычислительные
процедуры для инженерных расчетов в промышленности и научных
исследованиях................................................................................................................10
1.1. Программные комплексы, для моделирования................................…….......10
1.2.
Программные
комплексы,
для
моделирования
в
области
аэрогидродинамики ANSYS CFX, ANSYS FLUENT и Star CD…...........................62
1.3. Многопроцессорные версии программных систем ANSYS Workbench и
ANSYS FLUENT и примеры их использования и тестирования на кластерах
СПбГПУ для ряда промышленных задач....................................................................74
1.3.1. Применение программной среды ANSYS CFX для расчета
гидромашин....................................................................................................................74
1.3.2. Применение программных систем ANSYS CFX и ANSYS FLUENT
для определения аэродинамических нагрузок на конструкцию вертолетной
площадки нефтяной платформы................................................................................116
1.3.3. К апробации и тестированию параллельных версий программных
систем ANSYS CFX и ANSYS FLUENT...................................................................151
1.4.Замечание к нормативно-технической документации и другим материалам,
относящимся к разрабатываемой теме и к проведению патентных
исследований..………………………….......………..............................................….157
Список источников к Разделу 1…………………………………….………......164
Раздел 2. Освоение и проведение первичного анализа ОС Microsoft Windows CCS
совместно с корпорацией Microsoft на кластерах исполнителя…………….........167
2.1. Постановка задачи и обзор принципов построения ОС Microsoft Windows
CCS............................................................................................................................167
2.2. Набор и функциональность средств системного администрирования.......172
Список источников к Разделу 2……………………………….……………......184
Заключение. Формулирование возможных направлений решения задач,
поставленных в ТЗ, в части тестирования используемых в проекте параллельных
программных систем на базе имеющихся у исполнителя суперкомпьютеров и их
сравнительная оценка.................................................................................................186
6
Введение
Характеристика поставленной проблемы.
Вторая половина XX и начало XXI века могут быть охарактеризованы как
качественно
новый
этап
научно-технической
революции, характеризуемый
внедрением во все сферы жизни общества информационно-коммуникационных
технологий (ИКТ). Развитие глобальной компьютерной сети — Интернета лишь
одна из видимых вершин этого внедрения и одна из его простых, внешних сторон.
Гораздо более значительные, и не видимые большинством людей масштабы,
представляют собой научно-исследовательские, производственные и другие
аспекты развития
и внедрения ИКТ, составляющие
фундаментальную и
материальную основу современной экономики. Ключевым направлением развития
ИКТ в сегодняшнем мире является массовое применение в развитых экономиках
технологий математического моделирования на основе суперЭВМ, где важнейшую
роль играют параллельные вычисления.
Российские предприятия, наука и образование имеют значительное
отставание во внедрении, современных компьютерных технологий инженерного и
естественнонаучного
анализа,
особенно
с
использованием
суперЭВМ
(суперкомпьютинга), что существенным образом сказывается на их конкурентной
способности в мире. Проект нацелен на ускоренное преодоление этого отставания
и заключается в освоении и внедрении в названные сферы наиболее передовых
разработок в области прикладного суперкомпьютинга на основе параллельных
вычислений в промышленную, исследовательскую и образовательную сферы, что
служит обоснованием актуальности выбранного направления исследований.
Важность проекта подчеркивается и тем фактом, что внедрение инженерных
расчетов и проектирования на основе программных систем с использованием
суперЭВМ
имеет
«тотальный»
характер
на
всех
высокотехнологичных
производствах и исследовательских центрах ведущих стран мира, т.е. является
важнейшей современной тенденцией развития науки и техники.
Описание состояния исследований в данной области в России и за
рубежом и результатов, определяющих мировой уровень. Как указывалось,
Россия
имеет
значительное
отставание
в
развитии
технологий
высокопроизводительных вычислений их приложений в различных сферах
7
экономики
(заметим,
попутно,
что
термины
суперкомпьютинг
и
высокопроизводительные вычисления равнозначно используются далее). Анализ
списка TOP 500 – 500 наиболее мощных суперЭВМ в мире, подтверждает наше
сильное отставание. При этом, такое отставание в создании и внедрении
суперкомпьютеров усугубляется полным отсутствием в России системных работ по
созданию
собственной
индустрии
программного
обеспечения
для
нужд
промышленности и исследований, где на мировом рынке доминируют компании
США. На этом фоне серьезные отечественные работы в области параллельных
вычислений остаются слабо востребованными внутри страны. Это же относится и к
работам в области технологий высокопроизводительных вычислений для решения
ресурсоемких задач, хотя проблемы данных классов задач становятся все более
востребованными вычислителями, - как инженерами, так и исследователями.
Подтверждением этому служат, например, такие обстоятельства, - при решении
инженерных задач масштабы порядка сотен миллионов неизвестных уже не
являются выдающимся событием, а переходят в разряд нормы.
Сегодня мировой уровень работ в области ресурсоемких инженерных задач
определяется преимущественно программными системами (комплексами), в
которых
«зашиты»
Важнейшая
мировая
различные
тенденция
параллельные
состоит
в
вычислительные
использовании
процедуры.
именно
таких
программных систем, как массового инструментария для промышленности и
исследований. Именно такие программные системы уже сегодня определяют
мировой уровень инженерной деятельности предприятий.
Итак, в настоящее время, в «мировом технологическом пространстве»
сформировалось и интенсивно развивается новое направление – наукоёмкие
компьютерные технологии проектирования и инженерного анализа. Его главной
особенностью является непосредственная и тесная связь фундаментальных
научных знаний с инженерными методами и подходами на основе компьютерных
(суперкомпьютерных) технологий. Именно здесь, на основе компьютерных
технологий, интегрируются такие области человеческой деятельности, как
фундаментальная и прикладная науки, технологии и производство.
8
Характеристика новизны предлагаемых подходов к решению научных
задач в сопоставлении с ведущимися в настоящее время в стране и за рубежом
работами.
В
работе
по
проекту
предлагается
начать
систематические
исследования в области приложений наиболее востребованных программных
систем
мирового
уровня,
использующих
параллельные
вычислительные
технологии и реализуемые на суперЭВМ. Начало работ в данном направлении
важно по многим обстоятельствам, среди которых выделим
- верификацию программных систем для различных классов задач;
- изучение проблем распараллеливания и их эффективности для ряда
классов
ресурсоемких
преимущественно
мультифизичных
аэрогидродинамика
задач,
где
(области:
их
«ядром»
служат
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.
Переходя к содержанию Отчета, укажем, что он состоит из двух Разделов
(глав), Заключения и Списка источников.
В Разделе 1 приведен подробный анализ научно-технического состояния в
мире
по
направлениям
параллельные
применения
вычислительные
программных
процедуры.
систем,
Рассматриваемые
использующих
программные
системы находят широчайшее применение как для инженерных расчетов в
промышленности, так и в научных исследованиях. При этом анализ современного
высокотехнологичного
производства
на
наших
примерах
применения
высокопроизводительных вычислений показывает, что грань между научными
исследованиями на основе использования математического моделирования и
«инженерными» расчетами становится все более и более условной.
9
Дается описание программных систем их структура и функциональное место в
методологии современного математического моделирования.
Освещены
нормативно-технические
документы
и
другие
материалы,
относящихся к темам освоения и применения программных систем, а также к
проведению патентных исследований по данной тематике.
В Разделе 2 представлены первичные материалы по освоению и проведению
первичного анализа ОС Microsoft Windows CCS совместно с корпорацией
Microsoft. Работы проводятся на кластерах исполнителя.
В Заключении сформулированы направления исследований по решению
задач, поставленных в ТЗ, в части освоения, изучения и тестирования
используемых в проекте параллельных программных систем на базе имеющихся у
исполнителя суперкомпьютеров [50 (Раздел 1)], а также и их сравнительная оценка.
На основе анализа проблем, с которыми сталкивается массовое внедрение
программных систем и суперкомпьютинга в промышленность, проводится выбор,
обоснование направлений исследований и способов решения поставленных задач
на основе результатов тестирования ряда программных систем. Также приведена
разработка общей методики проведения исследований по проекту.
Также в сжатой форме содержатся результаты исследований по первому этапу
работ по проекту.
Для удобства пользования каждый из разделов снабжен своим списком
источников.