Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0093

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0093
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет"
Название доклада
Исследование и разработка высокопараллельных программно-алгоритмических средств и методов моделирования и их реализация для высокопроизводительных программно-аппаратных платформ
Докладчик
Чусов Андрей Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель ПНИЭР: 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.
Для достижения данной цели коллективом исполнителей ПНИЭР решались следующие задачи:
1. Концептуальное проектирование архитектуры системы моделирования независимо от предметной области, для которой определяется модель, но с учётом принципиальных требований к адаптируемости системы, и её масштабируемости для различных высокопроизводительных программно-аппаратных платформ.
2. Разработка методов аналитической оценки эффективности системы моделирования на основе заданной системы показателей.
3. Реализация экспериментального образца системы моделирования для предметных областей "Архитектурная акустика" и "Гидроакустика", экспериментальная оценка эффективности ЭО СМ для заданных показателей эффективности.
4. Создание примитивов блокирующей синхронизации потоков выполнения в параллельных и распределенных вычислительных средах, его оптимизация по критерию времени простоя потоков выполнения при состязательности за владение экземпляром примитива синхронизации.
Актуальность и новизна исследования
Исследование и разработка проводилась с тем, чтобы снизить остроту проблем, характерных для проблемно-ориентированного программного обеспечения в целом и для систем компьютерного моделирования физических полей в частности: адаптируемость последних к задачам различных предметных областей, в которых проводится моделирование, и масштабируемость на широкое множество разнородных параллельно-распределенных вычислителей при решении модельных задач.
В совокупности с поддержкой параллельной многопользовательской работы над модельными проектами в одной среде данные характеристики позволят удешевить процесс разработки проблемно-ориентированных систем моделирования физических полей, основанных на использовании разработанных предметно-независимой подсистемы и соответствующих интерфейсов взаимодействия с пользователем с одной стороны и с моделирующей проблемно-ориентированной подсистемой – с другой.
Кроме того, указанная гибкость в применении, которая отсутствует у аналогов, позволит оптимизировать процесс моделирования по двум определяющим показателям – времени проведения моделирования и его адекватность. Последняя определяется числом проводимых элементарных модельных вычислений, составляющих эксперимент, числом дискретных компонент, которыми аппроксимируются моделируемые физические явления, а также, собственно, сформулированными в предметной области алгоритмами, вычислительная сложность которых может легко превысить экспоненциальную.
Описание исследования

Принципиально были выделены три требования, которым должна удовлетворять система моделирования физических полей: адаптируемость к различным модельным задачам, масштабируемость на широкое множество параллельно-распределенных вычислителей различной природы (CPU процессоры и ядра, графические процессоры CUDA, а также распределенные гибридные кластерные системы) и поддержка одновременной работы многих пользователей в единой системе над одним или множеством модельных проектов в одной или множестве предметных областей.

На верхнем уровне системной иерархии были выделены две подсистемы: предметно-независимая подсистема и предметно-ориентированная подсистема. Последняя реализует алгоритм моделирования на основе знаний предметной области и с использованием интерфейса, сервисов и средств поддержки разработчика, предоставляемых предметно-независимой подсистемой.

Таким образом, работа над проектом заключалась в разработке этого интерфейса и реализации сервисов, предоставляемых предметно-ориентированной подсистеме с учетом предъявленных принципиальных требований, а также в анализе результатов с использованием реализации моделирования в двух предметных областях: «Архитектурная акустика» и «Гидроакустика». Набор реализованных сервисов предметно-ориентированной подсистемы включает в себя: реализацию геометрической модели среды моделируемого поля, систему управления банками данных, используемых в предметной области, балансировщик нагрузки, централизованную подсистему управления и подсистему безопасности (обе последних при моделировании исключается из набора участников информационного обмена), подсистему визуализации, подсистему внешнего интерфейса (реализация внешнего интерфейса частично определяется конкретным экземпляром подсистемы предметной области). Были разработаны новые реализации моделей блокирующей синхронизации параллельных и распределенных потоков выполнения, получен метод аналитической оценки времени выполнения программ, реализующих алгоритмы с блокирующей синхронизацией. Был выполнен теоретический и экспериментальный анализ этих реализаций.

Результаты исследования

1. Концептуальные требования к системе моделирования физических полей на основе принципов адаптируемости к различным предметным задачам, масштабируемости на множества гибридных параллельных и распределенных вычислителей.

2. Функция эффективности системы моделирования физических полей на основе выбранной системы показателей эффективности.

3. Архитектура системы моделирования физических полей на верхнем уровне системной иерархии.

4. Детализированная архитектура адаптируемой предметно-независимой подсистемы; интерфейс и средства поддержки разработчика предметно-ориентированных подсистем.

5. Метод аналитической оценки эффективности применения блокирующей синхронизации вычислений с точки зрения временных издержек, накладываемых блокировками и состязательностью синхронизируемых параллельно-распределенных потоков выполнения.

6. Алгоритмы и протоколы, реализующие синхронизацию параллельно-распределенных единиц выполнения, их программная реализация.

7. Математические модели физического поля в предметных областях "Архитектурная акустика", "Гидроакустика" для проведения экспериментальных исследований по верификации результатов моделирования физических полей.

8. Экспериментальный образец системы моделирования физических полей с реализацией предметно-ориентированной подсистемы для предметных областей "Архитектурная акустика", "Гидроакустика"

9. Программы и методики экспериментальных исследований экспериментального образца системы моделирования.

10. Проведение экспериментальных исследований экспериментального образца системы моделирования, в том числе исследования по верификации результатов моделирования.

 

Практическая значимость исследования
Результаты ПНИЭР позволят повысить эффективность проведения модельных экспериментов в научной сфере и в промышленности по таким противоречивым показателям, как адекватность результатов моделирования, время, требуемое для его проведения, и стоимость программно-аппаратного обеспечения моделирования и разработки системы моделирования для конкретной предметной области.
Стоимость разработки проблемно-ориентированного решения для моделирования физического поля снизится за счет повторного использования выделенных сервисов (возможно, реализуемых единым экземпляром предметно-независимой подсистемы), предоставляемых предметно-независимой подсистемой, обслуживающей заданный набор предметно-ориентированных подсистем. Набор этих сервисов вкючает в себя реализацию геометрической модели среды моделируемого поля, сервис подсистемы управления банками данных, используемых в предметной области, распределение нагрузки между параллельными и распределенными вычислителями подсистемы предметной области, реализацию политик безопасности, используемых в системе моделирования, централизованное управление узлами распределенной системы, визуализацию и частичное обеспечение внешнего (пользовательского) интерфейса.
При реализации моделирования для конкретной предметной области предполагается удаленное или локальное использование указанных сервисов, предоставленного интерфейса предметно-независимой подсистемы, средств поддержки разработчика предметно-ориентированных подсистем для обеспечения заданных требований к эффективности моделирования.
Масштабируемость системы, обеспечиваемая поддержкой разных реализаций параллелизма выполнения, позволяет оптимизировать затраты на проведение моделирования в зависимости от требований к адекватности результатов, времени проведения моделирования, а также реализуемости алгоритмов моделирования для конкретной предметной области.
В целом, предполагается повышение экономической эффективности проектирования, разработок и выбора оптимальных технических решений в самых разных отраслях промышленности таких, как самолетостроение, автомобилестроение, судостроение, подводная техника, атомная энергетика и пр., в которых используется высокопроизводительное компьютерное моделирование.