Для науки, индустрии и кино
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 директора лаборатории параллельных вычислений Центра научных исследований и высшего образования Энсенады (Мексика) профессора Андрея Черных.
– Мы встретились 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 он за двадцать лет смог организовать центр высокопроизводительных вычислений, известный по всему миру исследованиями в области планирования распределенных вычислительных задач. После знакомства с Андреем Николаевичем и родилась идея такой совместной лаборатории, – рассказывает директор ВШ ЭКН Глеб Радченко. – Профессор Черных уже приезжал к нам в декабре прошлого года, провел серию лекций для студентов и преподавателей ЮУрГУ. Сейчас один из наших аспирантов проходит стажировку в его центре в Мексике: его основная задача – проведение научных работ по теме планирования и диспетчеризации ресурсов облачных вычислительных сред.
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 университета («Торнадо ЮУрГУ» и «Скиф-Аврора ЮУрГУ») – самые высокопроизводительные системы Урала и Сибири, занимающие 8-е и 15-е место среди мощнейших суперкомпьютеров России и СНГ.
– От конечного пользователя таких высокопроизводительных систем требуются специфические знания в таких областях, как архитектура суперкомпьютеров, настройка удаленного доступа, навыки работы в Unix-подобных операционных системах, умение работать с очередями задач. В совместной лаборатории с профессором Черных мы создаем решения, которые обеспечивают прозрачное предоставление суперкомпьютерных ресурсов инженерам, исследователям, промышленным заказчикам, предлагая им облачный веб-интерфейс, ориентированный на решение их конкретных классов задач, – добавляет Глеб Игоревич.
Важным направлением применения суперкомпьютерных систем в ЮУрГУ является анализ «больших данных» (Big Data). Это направление, сформировавшееся в конце 2000-х, объединяет в себе совокупность методов обработки огромных объёмов и многообразия неструктурированных данных для получения полезных результатов. Стремительное развитие Big Data связывают с появлением суперкомпьютеров, применение которых позволяет справиться с грандиозными объемами данных, анализ которых невозможно выполнить на персональных компьютерах «классическими» методами.
В рамках направления интеллектуального анализа данных ЮУрГУ выбрал нишу решения задач для промышленности. Проект «Облачная индустриальная платформа» исследует возможности по созданию системы цифровых двойников производственных процессов, то есть виртуальных образов устройств или технологических циклов в виде компьютерных физических и математических моделей. Цифровой двойник в режиме реального времени синхронизируется с производственными процессами путем обработки данных, поступающих 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). Сотни сенсоров ежесекундно передают информацию на суперкомпьютер, где постоянно производится анализ поступающих данных для оценки эффективности работы оборудования, а также потенциальных рисков.
– Мы разрабатываем платформу, которая обеспечивает сбор, интерпретацию и анализ всех этих данных и предоставляет конечному пользователю, скажем, ведущему инженеру или владельцу предприятия, полезную именно для него информацию. Например, проанализировав эффективность работы насосной системы, суперкомпьютер может дать рекомендацию по дате и времени ее остановки для планового технического обслуживания так, чтобы свести к минимуму потери от простоя, – 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, оно не доработает свой ресурс, и компания, опять же, 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 высокотехнологичную 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 ленту на экраны, ее вначале нужно визуализировать. Для этого требуются сверхбольшие вычислительные ресурсы. У нас в стране они предоставляются, в частности, суперкомпьютерным центром ЮУрГУ. На суперкомпьютерах ЮУрГУ производилась визуализация спецэффектов для таких фильмов, как «Он дракон», «Ледокол», «Экипаж» мультфильма «Савва, сердце воина».
– Такие коммерческие проекты могут иметь место, но всё же основное предназначение суперкомпьютеров – это научные исследования и решение сложных производственных задач, – уточняет 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 (TOP-500). «СКИФ-Аврора ЮУрГУ» стал совместной разработкой Института программных систем РАН, российской компании «РСК СКИФ» и итальянской фирмы Eurotech. В июне 2011 года он вошел в ТОП-100 самых мощных суперкомпьютеров мира. «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 подобных ресурсов. Если средняя вычислительная загрузка такой машины будет менее 50%, то это экономически провальный проект.
– В университете установлены собственные электростанции, которые обеспечивают электроэнергией корпус вуза, включая все суперкомпьютерные ресурсы. Также в рамках Суперкомпьютерного центра ЮУрГУ развернута собственная система бесперебойного питания, обеспечивающая корректную работу всех суперкомпьютеров в случае перебоев с электроснабжением, – разъясняет 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 восемьдесят-девяносто процентов узлов: решается одна задача – 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 получают возможность экономить существенные средства на рутинных операциях и заниматься своей основной деятельностью. Суперкомпьютер способен решать задачи не только для уральских предприятий: его ресурсы можно использовать из любой точки земного шара. Мы можем предоставить вычислительные возможности 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 для различных отраслей – машиностроения, металлургии и металлообработки, топливно-энергетического комплекса, лёгкой промышленности, фармацевтики; с их помощью ведутся фундаментальные исследования в области физики, химии, компьютерных наук. Планируется, что при сотрудничестве с профессором Черных эти направления будут развиваться и дополняться новыми областями изысканий.
– В начале XXI века мы поняли, насколько важно международное сотрудничество в области научных исследований, – продолжает Глеб Игоревич. – Например, в России непосредственно моей тематикой занимаются не более десяти-пятнадцати научных групп, и когда я публикую исследование по своему направлению на русском языке, объем целевой аудитории – в лучшем случае, сто-сто пятьдесят человек. Если та же статья выйдет на английском языке в высокорейтинговом международном журнале, то количество исследователей, до которых 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 Суперкомпьютерном центре и Лаборатории проблемно-ориентированных облачных сред привлекаются студенты ЮУрГУ, начиная с третьего курса. Учащиеся, которые проявляют заинтересованность в данном направлении, 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, – говорит директор ВШ ЭКН. – Студенты участвуют во всероссийских и международных научных конференциях, проходящих от Гвадалахары до Владивостока, чемпионатах по спортивному программированию.
Также студенты имеют возможность подготовить проекты и получить гранты на реализацию собственных научных идей. Например, в нынешнем 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 – полмиллиона 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 тысяч рублей ежемесячно. А значит, талантливые ребята вместо того, чтобы тратить время на подработки, могут целиком посвятить себя науке.
Для студента научная работа во время обучения – 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.