Сферы применения суперкомпьютеров

Для каких применений нужна столь дорогостоящая техника, как суперкомпьютеры? Может показаться, что с ростом производительности настольных ПК и рабочих станций, а также серверов, сама потребность в суперЭВМ будет снижаться. Это не так. С одной стороны, целый ряд приложений может теперь успешно выполняться на рабочих станциях, но с другой стороны, время показало, что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которых необходимо использовать суперЭВМ.

Значимость параллельных вычислений

Области приложений, в которых суперкомпьютерные вычисления имеют особую значимость:

• Невозможность (недопустимость) натурных экспериментов: изучение процессов при ядерном взрыве или серьезных воздействий на природу

• Изучение влияния экстремальных условий (температур, магнитных полей, радиации и др.) — старение материалов, безопасность конструкций, боевое применение

• Моделирование наноустройств и наноматериалов

• Науки о жизни — изучение генома человека, разработка новых лекарственных препаратов и т.п.

• Моделирование при разработке новых технических устройств — инженерные расчеты

• Науки о Земле — обработка геоинформации: полезные ископаемые; селевая, сейсмическая и т.п. безопасность, прогнозы погоды, модели изменения климата...

Примеры приложений: Науки о Земле

• Анализ изменений климата

• Состояние атмосферы

• Прогнозирование погоды

Суперкомпьютерный центр в Барселоне

• Новые лекарства и методы лечения

• Геномика

• Поиск в базах данных

• Виртуальное проектирование

• Оптимизация

Одна из серьезнейших задач – моделирование климатической системы и предсказание погоды. При этом совместно численно решаются уравнения динамики сплошной среды и уравнения равновесной термодинамики. Для моделирования развития атмосферных процессов на протяжении 100 лет и числе элементов дискретизации 2,6×10⁶ в любой момент времени состояние земной атмосферы описывается 2,6×10⁷ числами.

При шаге дискретизации по времени 10 мин за моделируемый промежуток времени необходимо определить ≈5×10⁴ ансамблей (т.е. 10¹⁴ необходимых числовых значений промежуточных вычислений). При оценке числа необходимых для получения каждого промежуточного результата вычислительных операций в 10² ÷10³ общее число необходимых для проведения численного эксперимента с глобальной моделью атмосферы вычислений с плавающей точкой доходит до 10¹⁶ ÷10¹⁷.

Суперкомпьютер с производительностью 10¹² оп/сек при идеальном случае (полная загруженность и эффективная алгоритмизация) будет выполнять такой эксперимент в течение нескольких часов; для проведения полного процесса моделирования необходима многократная (десятки/сотни раз) прогонка программы.

Моделирование климатической системы и предсказание погоды

В Формуле-1 суперкомпьютеры применяются для расчетов аэродинамических качеств болида с применением методов математического моделирования из вычислительной гидрогазодинамики. Задачей расчетов является определение оптимальных характеристик машины в зависимости от различных переменных факторов, влияющих на аэродинамику, таких как рельеф поверхности, поведение колес и рельеф трассы. В результате инженеры находят близкий к идеальному баланс между прижимной силой и сопротивлением, изменяющийся от трассы к трассе.

Согласно приведенной информации, новый суперкомпьютер позволит команде ускорить моделирование аэродинамических процессов примерно на 75%.

В декабре 2006 года команда Формулы-1 BMW Sauber представила свой новый суперкомпьютер, размещенный в Хинвилле (Швейцария). Вычислительный кластер на базе 512 двухъядерных процессоров Intel® Xeon® 5160 (1024 вычислительных ядер), созданных на основе высокопроизводительной и энергоэффективной микроархитектуры Intel® Core, предназначен для моделирования аэродинамических потоков и тестирования соответствующих характеристик гоночных автомобилей Формулы-1 команды BMW Sauber. Кластер получил название Albert2.

Его максимальная вычислительная мощность составляет 12 228 гигафлопс (свыше 12 триллионов операций с плавающей запятой в секунду), что в 5,5 раз производительнее предшественника, использовавшегося командой BMW Sauber ранее. Таким образом, этот суперкомпьютер стал самым быстродействующим в Европе по классификации TOP500 в категории "Промышленность".

Главная польза от суперкомпьютерных вычислений – это кардинальное сокращение времени на разработку новых технологий и замена реального моделирования на компьютерное. Очевидно, что в подавляющем большинстве случаев компьютерное моделирование обходится на порядки дешевле (например, во всем мире большую часть реальных краш-тестов новых машин уже давно заменили на компьютерные).

Моделирование в самолетостроении

Корпорация Boeing:

• сокращение времени разработки новой модели самолета на 1 год, что сэкономило 2 млрд. долларов.

• компьютерное моделирование позволило в 7 раз сократить число опытных образцов;

• потребление топлива и вредные выбросы – ниже на 20%;

• сокращение времени разработки модели и снижение расходов

Геологоразведка

Нефтяная компания Saudi Aramco за счет использования суперкомпьютеров повысила точность обработки данных геологоразведки и обнаружила неизвестное месторождение, которое дало 17,4 млн. бареллей дополнительной нефти.

Корпорация Procter&Gamble моделирует на суперкомпьютере устойчивость к повреждениям пластиковой бутылки для порошков Tide, Caterpillar оптимизирует конструкцию бульдозеров, Whirlpool создает новую упаковку для стиральных машин, которая предохраняет оборудование от повреждений при перевозке, PPG моделирует линзы для солнцезащитных очков, DuPont создает новые виды сельскохозяйственных культур, устойчивые к неблагоприятным условиям, логистические компании оптимизируют цепочки поставок.

Одним из перспективных применений суперкомпьютеров в настоящее время является решение задач управления городским хозяйством и особенно для таких крупных мегаполисов как г. Москва. Рассмотрим некоторые, наиболее важные сферы применения суперкомпьютерных вычислений для городского хозяйства.

Проектирование зданий, мостов, тоннелей и подземных сооружений с помощью методов математического моделирования

Точные расчеты устойчивости, жесткости, прочности, прогрессирующего разрушения транспортных сооружений, аэродинамические расчеты при проектировании мостов и зданий, моделирование устойчивости опор мостов к обтеканию водой требуют учета большого количества неизвестных —до 10 млн. и более. Чем меньше неизвестных учитывает расчет модели, тем менее точен весь расчет. В условиях нехватки компьютерных ресурсов исследователи вынуждены были ограничивать расчетную схему и представлять многие детали сооружений в упрощенном виде.

Например, расчет напряженно-деформированного состояния моста, использующий всего 1,3 млн. неизвестных, занимает 4 часа на 1 процессоре; при этом время решения задачи при увеличении количества неизвестных возрастает пропорционально кубу порядка, т.е. только суперкомпьютер с 1000 процессоров мог бы решить такую задачу с нужным количеством неизвестных за то же время.

С другой стороны, именно точность расчета позволяет получать прямую выгоду от использования компьютерного моделирования: не использовать избыточный запас прочности в материалах и сокращать стоимость строительства, прогнозировать долговечность конструкции и планировать профилактические работы, продлевать жизненный цикл сооружений.

Позволяет не использовать избыточный запас прочности в материалах и сокращать стоимость строительства, прогнозировать долговечность конструкции и планировать профилактические работы, продлевать жизненный цикл сооружений.