Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ
Центр превосходства: «Наноструктурная электроника»
Кафедра: «Микро- и наноэлектроника»
«Компьютерный практикум 2016»
Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности
Выполнила: студентка гр. А4-09:
Данилович П.Д.
Преподаватель: доцент Лапшинский В.А.
Москва 2016
(версия 1.1, 25 мая 2016 г.)
Логин на форуме: Danilovich
Аватар:
Подпись: Жизнь — это чудесное приключение, достойное того, чтобы ради удач терпеть и неудачи.
Конспект составлен по книге «Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности», изданной в рамках проекта по созданию системы подготовки высококвалифицированных кадров в области суперкомпьютерных технологий и специализированного программного обеспечения. Книга представляет собой сборник научно-популярных статей – отчетов о применении суперкомпьютеров для решения конкретных научных и технологических задач.
Ключевые слова: суперкомпьютерные технологии, суперкомпьютеры, компьютерное моделирование, высокопроизводительное вычисление.
Конспект содержит: 7 рисунков, 13 страниц.
Суперкомпьютер – специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров [3].
СКТ – суперкомпьютерные технологии.
Модель – представление некоторого реального процесса, устройства или концепции, система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе.
Содержание
Аннотация
Глоссарий
Введение
1. Кадровое обеспечение суперкомпьютерных технологий
2. Суперкомпьютерные технологии в медицине
3. Суперкомпьютерные технологии в промышленности
4. Нефть, газ и суперкомпьютеры
Заключение
Список использованной литературы
Суперкомпьютерные приложения сегодня востребованы во множестве самых разных областей научно-технологического комплекса страны (рис. 1). Современный уровень развития вычислительной техники и методов математического моделирования дает уникальную возможность для перевода как промышленного производства, так и научных исследований на качественно новый уровень. Цифровые модели сложных конструкций, точное описание и воспроизведение природных явлений и процессов, тонкая многопараметрическая оптимизация — все это становится реальным сегодня. Для индустрии — это повышение конкурентоспособности на мировом рынке, для науки — это завоевание лидирующих позиций нашими учеными, и все это вместе составляет один из важных элементов перехода к инновационной экономике. Именно поэтому суперкомпьютерные технологии отнесены руководством страны к приоритетным направлениям модернизации экономики и технологического развития. В ежегодном послании Президента Российской Федерации Д.А.Медведева Федеральному Собранию 12 ноября 2009 года сказано: “В России должен быть в полном объеме задействован потенциал суперкомпьютеров, суперкомпьютерных систем, которые объединены высокоскоростными каналами передачи данных” [1].
Рис. 1. Задачи, решаемые с помощью суперкомпьютеров [4]
В рамках создания национальной системы подготовки кадров Суперкомпьютерным консорциумом университетов России проводится целый комплекс мероприятий по созданию научно-образовательных центров (НОЦ) подготовки и переподготовки кадров, разработке программ подготовки, расширению международного сотрудничества и информированию общества о достижениях в области СКТ.
Рис. 2. Эмблема суперкомпьютерного консорциума
Многие болезни связаны с функционированием определенных белков. Поэтому для излечения заболеваний нужно блокировать работу этих белков. Блокирование осуществляется с помощью молекул, называемых ингибиторами, которые избирательно связываются с этими белками в организме. Поиск молекул-ингибиторов для белков-мишеней составляет начальный этап разработки нового лекарства (рис. 3). Существенно сократить затраты времени и средств на этапе поиска ингибиторов можно с помощью суперкомпьютерных технологий и методов компьютерного молекулярного моделирования. Это позволяет предсказывать новые органические молекулы, которые будут наиболее эффективно и избирательно связываться с активными центрами исследуемых белков. Разработке нового патентночистого синтетического ингибитора тромбина была посвящена совместная работа МГУ и Гематологического научного центра РАМН, а сам подход получил развитие в процессе поиска путей создания ряда других лекарственных препаратов (рис. 4).
Рис. 3. Поиск ингибиторов
Рис. 4. Итоги разработки при помощи суперкомпьютеров
Ведущая двигателестроительная компания России ОАО НПО "Сатурн" активно применяет суперкомпьютеры при проектировании авиационных двигателей.
Авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) является одним из самых сложных механических изделий, производимых человеком. Частота вращения ротора двигателя пятого поколения достигает нескольких десятков тысяч оборотов в минуту при температуре газа в камере сгорания порядка 2000 градусов Кельвина. Поэтому проектирование нового двигателя занимает огромное количество времени и средств: в 70-80х годах цикл проектирования нового ГТД составлял 12-15 лет и требовал порядка 3 млрд долларов на экспериментальную доводку параметров.
При помощи разработанной виртуальной среды проектирования и работе на промышленных кластерах, компании удалось увеличить производительность более чем в 750 раз и разработать несколько двигателей для региональных и учебно-тренировочных самолетов (рис. 5).
Рис. 5. Авиационные двигатели, разработанные в среде виртуального проектирования
Другим интересным примером может служить оптимизация профиля железного колеса. Компании ОАО "РЖД" принадлежит порядка 20 тыс. локомотивов и более 600 тыс. грузовых и пассажирских вагонов, а протяженность железных дорог в России около 100 тысяч километров. Уменьшение износа железнодорожных колес и рельсового полотна на проценты может дать огромный экономический эффект, а повышение устойчивости вагона в процессе движения позволит повысить безопасность и увеличить среднюю скорость движения.
В процессе движения центр колесной пары вследствие конической формы колеса совершает синусоидальные колебания относительно линии, проходящей в середине рельсового полотна (рис. 6).
Рис. 6. Траектория движения колесной пары
Кинематические свойства контакта колеса с рельсом: радиус вращения, угол контакта, угол наклона колесной пары и другие – изменяются при поперечном смещении колесной пары относительно рельса. Если оптимальный профиль колеса искать, используя полный перебор на сетке необходимой точности, получим 10^11 вычислений, то есть 3 года непрерывного счета на суперкомпьютере с 10 000 процессоров. Задача решалась авторами статьи с помощью параллельного индексного метода на кластере из 4 компьютеров. Ресурс пробега для колеса оптимизированного профиля возрос более, чем в 5 раз, а максимальная скорость – с 40 до 60 м/сек.
В настоящее время для поиска месторождений нефти и газа, в основном, применяют сейсмическую разведку. Суть метода состоит в том, что на земной или морской поверхности искусственно возбуждают упругие волны, которые затем регистрируются специальными сейсмоприемниками, передавая информацию о физических свойства горных пород. По данным сейсморазведки и результатам исследования скважин на компьютере строят объемные, постоянно уточняемые модели месторождения (рис. 7).
Рис. 7. Пример модели месторождения
Объем исходных сейсмических данных при разработке одного месторождения может составлять десятки террабайт. При средней стоимости бурения одной скважины на суше в 5 млн долларов США (и более 100млн на море), точность и скорость вычислений играют огромную роль. Поэтому эффективность работ в нефтегазовой отрасли, качество поиска и разведки нефтегазовых месторождений, повышение продуктивности действующих скважин и снижение экологического ущерба при их разработке непосредственно связаны с применением мощных суперкомпьютеров.
Конспект включает в себя лишь крошечную долю всех сложных и востребованных исследований, проведение которых становится возможным или упрощается с использованием суперкомпьютеров. Нефтегазовая промышленность и моторостроение, строительство и фармацевтика, фундаментальные задачи физики, химии, нанотехнологий и генетики, прогноз погоды и глобального изменения климата — суперкомпьютерные технологии везде позволяют получить новое качество.
1. Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности/Под редакцией: академика В.А. Садовничего, академика Г.И. Савина, чл.-корр. РАН Вл.В. Воеводина.-М.: Издательство Московского университета, 2012.-232 с., ил.
2. Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности/Под редакцией: академика В.А. Садовничего, академика Г.И. Савина, чл.-корр. РАН Вл.В. Воеводина.-М.: Издательство Московского университета, 2009.-232 с., ил.
3. Суперкомпьютеры, статья в Wikipedia, URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80
4. Статистика применения суперкомпьютеров, URL: http://top500.org/statistics/list/
5. ГОСТ 7.32-2001 «Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления», URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-7-32-2001-sibid
| 
