Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка высокопараллельных программно-алгоритмических средств и методов моделирования и их реализация для высокопроизводительных программно-аппаратных платформ

Номер контракта: 14.578.21.0093

Руководитель: Стаценко Любовь Григорьевна

Должность: Заведующая кафедрой электроники и средств связи Инженерной школы ДВФУ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
высокопроизводительное моделирование, параллельно-распределенные системы, параллельные вычисления, системы компьютерного моделирования, подводная акустика, стохастические подводные волноводы, архитектурная акустика, дискретно-событийное моделирование, федерации, системы интерактивного моделирования

Цель проекта:
Разработка комплекса научно-технических решений, предназначенного для проектирования и реализации параллельно – распределенных систем моделирования и их реализация для высокопроизводительных программно-аппаратных платформ с обеспечением адаптируемости к различным предметным областям и расчетным моделям. Разработанные решения позволят предоставлять веб-сервисы по высокопроизводительному компьютерному моделированию физических полей в различных предметных областях Теоретический анализ высокопараллельных программно-алгоритмических средств и методов моделирования для высокопроизводительных программно-аппаратных платформ с целью построения верхнеуровневой архитектуры системы моделирования в соответствии с сформулированными функциональными и нефункциональными требованиями. Разработка и программная реализация алгоритмов и протоколов, реализующих синхронизацию параллельно-распределенных единиц выполнения. Разработка математических моделей физического поля в выбранных предметных областях для дальнейшей верификации. Разработка экспериментального образца системы моделирования (ЭО СМ). Разработка программ и методик экспериментальных исследований. Проведение экспериментальных исследований ЭО СМ, в том числе исследования по верификации результатов моделирования. Снижение вычислительной сложности модельных экспериментов.

Основные планируемые результаты проекта:
Технические принципы создания архитектур систем моделирования физических полей, сформулированные на основе требований:
- к адаптируемости к различным предметным областям и используемым расчетным моделям;
- к поддержке различных типов параллелизма при вычислениях в предметных областях;
- к расширяемости на заданное пользователем число вычислительных узлов, выполняющих процессы моделирования.
Метод реализации архитектур распределенных систем моделирования в соответствии с описанными принципами.
Программная реализация системы моделирования и верификация результатов ее работы на примере физических полей в предметных областях «Архитектурная акустика» и «Гидроакустика».
Метод аналитической оценки производительности параллельно-распределенных алгоритмов, активно использующих блокирующую синхронизацию.
Алгоритмы и протоколы, реализующие переносимый механизм синхронизации параллельно-распределенных единиц выполнения, позволяющий уменьшить общее время вычислений.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основная задача, которая решается в работе, заключается в построении программной системы, обслуживающей высокопроизводительное моделирование различных физических полей в одной среде. То есть вся система моделирования должна быть разбита на две подсистемы:
1. Предметно-независимая подсистема. Должна обеспечивать сервисные функции: геометрическое моделирование среды, в которой моделируется поле, банки данных, пользовательский интерфейс, визуализация, распределение вычислительного времени.
2. Предметно-ориентированная подсистема. Должна выполнять моделирование с использованием ресурсов, предоставленных предметно-независимой подсистемой. В систему должны входить предметно-ориентированные компоненты, которые разрабатываются с участием специалиста предметной области, задающего параллельный алгоритм, реализуемый с использованием средств поддержки разработчика моделирующих подсистем.
Устанавливается строгое требование к независимости реализации предметно-независимой подсистемы от специфики решаемой модельной задачи. Предметно-независимая подсистема должна реализовываться для обеспечения сервисных функций, обеспечивающих моделирование любого физического поля на любых масштабах. Специфика и алгоритм расчета конкретного поля, такие как возможность лучевого приближения, затухание, поляризация и. т. п., должны задаваться исключительно соответствующим компонентом предметно-ориентированной подсистемы.
Реализация взаимодействия между подсистемами на верхнем уровне должна поддерживать размещение экземпляров подсистем как на одной машине, так и на удаленных машинах.
С точки зрения пользователя задача системы состоит в том, чтобы на основе данных о среде, в которой генерируется моделируемое поле, ему была возвращена картина распределения этого поля в 2D или 3D формате.
Данные, вводимые пользователем, должны включать:
1. Геометрическую модель среды распределения поля. Под геометрической моделью понимается двух или трехмерное описание компонентов модели среды распределения поля: их положение, размеры и. т. п.
2. Физическую модель. Пользователь задает параметры каждого компонента геометрической модели, задавая их материалы и вещества. Физические параметры материала (коэффициенты поглощения, диэлектрические проницаемости, и. т. п.) выбираются из базы данных, система управления которой, как будет указано ниже, входит в предметно-независимую подсистему, а наполнение осуществляется для конкретной предметной задачи. К физическим параметрам относятся и те, которые задают прохождение волны в части среды, не определяемой компонентами геометрической модели (например, давление, влажность, температура воздуха).
3. Количество и положение плоскостей вывода результатов моделирования. Под плоскостями вывода результатов понимаются плоскости, секущие геометрическую модель среды распределения поля. На этих плоскостях в процессе моделирования будут в различных точках "накапливаться"получаемые параметры моделируемого поля.
Данные, получаемые пользователем в результате выполнения программы, включают:
1. Распределение характеристик поля по плоскостям вывода результатов. Значения исследуемых характеристик поля в контрольных точках, являющихся элементами матриц распределения по плоскостям вывода результатов - по одной матрице на плоскость.
2. Визуализация распределения поля как функция от значений на плоскостях. Визуальное отображение значений на одной плоскости - в виде линий уровня. Для трехмерного отображения предполагается расположение плоскостей в виде сетки и построение плоскостей равных характеристик поля. Результат визуализации может быть наложен на графическое представление среды распределения поля (следующий пункт).
3. Визуализация геометрической модели среды распределения поля. Двух или трехмерное отображение среды, доступное до проведения процедуры моделирования. После завершения моделирования используется как графическая подложка, на которую накладывается картина распределения поля.
Устанавливается требование к поддержке многопользовательской работы в системе над одним или множеством модельных проектов.
Предметно-независимая подсистема
Сервисные функции предметно-независимой подсистемы должны включать в себя:
-Централизованное хранение адресов компонентов системы и управление ими.
-Распределение нагрузки между вычислителями, выполняющими компоненты моделирования.
-Реализацию политики безопасности и поддержки ролей пользователей системы.
-Реализацию геометрической модели среды распространения моделируемого поля и централизованного доступа к ней.
-Реализацию системы управления банками данных, необходимых при выполнении моделирования.
-Реализацию пользовательского интерфейса системы.
-Реализацию межсистемного взаимодействия по протоколам HLA.
На основе указанных функциональных требований к предметно-независимой подсистеме в целом заданы следующие структурные компоненты предметно-независимой подсистемы на верхнем уровне системной иерархии:
1. Подсистема управления. Реализует централизованное хранение адресов узлов распределенной системы моделирования и предоставление авторизованного доступа к ним по запросу.
2. Подсистема безопасности. Реализует политику безопасности в системе моделирования в целом, включая реализацию (серверная часть) протоколов аутентификации и авторизации подсистем и пользователей. пока объединена с подсистемой управления и подсистемой балансировки нагрузки
3. Подсистема балансировки нагрузки. Реализует распределение нагрузки между вычислительными узлами, реализующими модельные эксперименты и структурно входящими в предметно-ориентированные подсистемы. Распределение нагрузки реализуется за счет использования двух списков: событий, описывающих параметры элементарных компонентов моделирования в соответствии с заданным в предметной области разделением моделируемого объекта в пространстве и во времени, а также адресов вычислительных узлов, собственно выполняющих компоненты моделирования. Пока система объединена с подсистемой управления и подсистемой безопасности нагрузки.
4. Подсистема геометрического моделирования. Реализует средства хранения и представления сред распространения моделируемых физических полей, предоставляет централизованный доступ к геометрической модели. В текущей реализации подготавливает также визуальное представление геометрической модели до расчета распределения поля. Данную операцию в дальнейшем предпологается выполнять на стороне пользователя.
5. Банк данных. Реализует хранение постоянных справочных данных, необходимых при моделировании: коэффициенты поглощения, затухания, номинальныые параметры источников поля, диэлектрические и магнитные проницаимости и. т. п.Информационное наполнение банка определяется в предметной области. Реализация СУБД должна быть предметно-независимой и удовлетворять требованиям ГОСТ. Каждой предметной области соответствует собственный экземпляр СУБД банка.
6. Подсистема пользовательского интерфейса. Реализует взаимодействие с пользователем, включая визуализацию результатов моделирования по матрицам распределения поля (см. рис. 2) и геометрической модели среды по ее математическому описанию (последнее - вопрос развития, поскольку визуализация геометрической модели сегодня реализуется подсистемой геометрического моделирования).
7. Подсистема межсистемного взаимодействия. Реализует взаимодействие с внешними системами по протоколу HLA [2, 3].
Подсистемы, реализующие взаимодействие с пользователем и внешними системами должны отображать все внешние значения, дружественные к пользователю и заданные в соответствии с протоколами межсистемного взаимодействия, на единые внутрисистемные единицы.

Риски:
Заранее (вне зависимости от предметной области) неизвестно распараллеливаема ли пользовательская задача, эффективными ли будут методы управления параллельным моделированием в той модели вычислений, которая реализуется пользователем.
Неизвестное заранее ограничение сверху на количество параллельных вычислителей, после которого включение дополнительных мощностей дает отрицательный результат.
Необходимость осведомленности эксперта предметной области о требовании к параллелизму его алгоритмов и, как следствие, необходимость его хотя бы поверхностного обучения и вероятность неэффективности алгоритмов.
Разделение системы моделирования на предметно-независимую и предметно-ориентированную подсистему осуществляется на верхнем уровне системной иерархии. С другой стороны, реализация моделирующих подсистем, образующих предметно-ориентированную подсистему, будет осуществляться пользователем и после выхода законченного продукта. Соответственно и требования предметников к сервисам также будут выставляться и меняться на всем жизненном цикле. Таким образом, возможны частые изменения архитектуры системы в целом.
Имеется требование к участию экспертов предметной области в разработке моделирующих подсистем, также уже после выхода финальной версии продукта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Применяется при проведении дополнительных экспериментальных исследований звуковых полей в закрытых пространствах и стохастических подводных волноводах
Разработанные решения позволяют предоставлять сервисы по высокопроизводительному компьютерному моделированию физических полей в различных предметных областях.
Программная реализация системы моделирования и верификация результатов ее работы на примере физических полей в предметных областях «Архитектурная акустика» и «Гидроакустика».
Все исследования носят прикладной характер и направлены на повышение эффективности разработки высокопроизводительных систем компьютерного моделирования, анализа и визуализации произвольных физических полей на различных вычислительных платформах, а также расчета параметров этих В соответствии с предложенными архитектурными принципами построена законченная система, позволяющая проводить моделирование, анализ и визуализацию акустического поля в произвольном пространстве. Разработанный механизм многопоточной синхронизации, является более эффективным (по скорости выполнения и функциональности) по сравнению с аналогами.
Предложенный метод оценки эффективности многопоточной синхронизации и параллельной сложности распараллеливаемых алгоритмов в отличие от аналогов позволяет учитывать издержки, связанные с состязательностью потоков, а также собственные сложности алгоритмов, реализующих синхронизацию. Результаты работы используются при проведении практических занятий по дисциплинам «Электроакустика и звуковое вещание», «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства», «Техника и технология телерадиовещания» в лабораториях кафедры Электроники и средств связи, а также в процессе курсового проектирования, для моделирования и анализа акустических и электромагнитных полей в помещениях различного функционального назначения с использованием удаленного доступа.
Аналитический обзор информационных источников по теме ПНИЭР показал, что выбранное направление исследований является актуальным и направлено на решение ряда проблем, связанных с применением параллельно-распределенных вычислительных средств для моделирования физических процессов.
Процесс переноса программно-алгоритмических решений на параллельные программно-аппаратные платформы требует проведения комплексных фундаментальных и прикладных исследований как в области информатики и, в частности теорий алгоритмов и сложности, так и в предметных областях, к которым принадлежат задачи, решаемые с параллельных вычислителей.
В перспективе будет разработан новый комплексный метод синхронизации единиц выполнения, применимый в условиях параллельных систем с разделенной памятью, включая системы, распределенные по вычислительной сети.
В целом, на основе выводов, сделанных по результатам аналитического обзора научной и научно-технической литературы, а также существующих объектов интеллектуальной собственности, можно сделать заключение об оригинальности проводимых в рамках ПНИЭР исследований с точки зрения целей, поставленных задач и ожидаемых результатов.
В целях информирования представителей коммерческих структур и научного сообщества о направленности и достигнутых результатов ПНИЭР и в соответствии с Планом-графиком и Техническим заданием Соглашения на предоставление субсидии №14.578.21.0093 от «28» ноября 2014 г. было принято решение о необходимости участия в крупной международной выставке/симпозиуме. Для решения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Осуществить поиск возможных мероприятий, в рамках которых возможно и целесообразно представление самого ПНИЭР и достигнутых в его рамках результатах;
2. Подготовить раздаточный и презентационный материал для представления самого ПНИЭР и достигнутых в его рамках результатах широкой общественности;
3. Подготовить внутренние документы (приказ, смета, направление на командирование сотрудника и т.д.) на обеспечение участия членов научного коллектива в мероприятии.
Для выбора демонстрационной площадки для представления результатов ПНИЭР был проведен поиск по приглашениям, полученным Дальневосточным федеральным университетом, на участие в различного рода симпозиумах, выставках, круглых столах и т.д. как всероссийского формата, так и международного. По результатам рассмотрения возможных экспозиционных площадок, включающих анализ таких параметров как количество участников (масштаб мероприятия), соотношение количества зарубежных и отечественных участников, предполагаемая степень освещения мероприятия в прессе. По результатам анализа была выбрана выставка CeBIT (от нем. Centrum der Büro- und Informationstechnik — центр офисных и информационных технологий) — крупнейшая в мире международная выставка, посвящённая информационным и телекоммуникационным технологиям. Является индикатором сферы информационных технологий, владея выставочной площадкой в 450 000 м² и привлекая до 850 тыс. посетителей, превосходя COMPUTEX и более не проводимую COMDEX (1979—2003).

Текущие результаты проекта:
С участием возможных потребителей, включая экспертов предметных областей «Архитектурная акустика» и «Гидроакустика», сформулированы требования к разрабатываемой системе моделирования.
Заданы основные показатели эффективности системы моделирования и сформулирована целевая функция эффективности.
Задан и оптимизирован дизайн системы на верхнем уровне при детализации архитектуры предметно-независимой системы
Разработаны теоретико-экспериментальные методы оценки и прогнозирования временно̀й эффективности параллельных алгоритмов, интенсивно использующих блокирующую синхронизацию мьютексами и синхронизацию «читающий-пишущий»; получено теоретическое и экспериментальное обоснование временных издержек, связанных с состязательностью единиц параллельного выполнения.
Разработаны протоколы и алгоритмы блокирующей синхронизации параллельного выполнения в системах с общей и раздельной памятью, включая симметричные многопроцессорные и многокластерные системы.
Программно реализованы алгоритмы синхронизации параллельных и распределенных единиц выполнения для платформы Windows с выделенным сервером хранения данных.
Разработана математическая модель расчета акустического поля в замкнутых помещениях; алгоритмически реализован расчет поля в помещениях с учетом рассеивания звука на плоских поверхностях.
В рамках реализации данной работы был приобретен суперкомпьютер NVidia Tesla HPC-4080 (на базе 8 x Intel Xeon E5-2695v2 Sandy Bridge, 512 Gb DDR3, поддержка 8 х вычислителей NVIDIA TESLA K10/K20/K20X).