Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование базовых средств и технологий параллельного программирования для отечественного суперкомпьютера с перспективной архитектурой.

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.514.11.4036
Организация
АО "НИЦЭВТ"

Целью работы является создание перспективных технологий, средств параллельного программирования и распределенной обработки данных для новых поколений вычислительных систем с набором из следующих свойств и конкурентных преимуществ (предлагаемые к реализации перспективные технологии и средства параллельного программирования должны поддерживать сочетания из нескольких этих свойств):
• совместимость с отраслевыми стандартами, стандартными платформами и программными средствами;
• универсальность: предлагаемые решения должны быть применимы к широкому классу прикладных областей;
• радикальное сокращение трудоемкости создания параллельного кода;
• радикальное улучшение таких характеристик кода, как надежность (вероятность ошибок) и управляемость кода;
• значительная автоматизация процесса разработки и исполнения параллельных приложений (разгрузка программистов);
• высокая масштабируемость предлагаемого решения в широком диапазоне числа процессоров;
• создание эффективных приложений для компьютерных систем с высокой степенью параллелизма, обеспечение работы приложений с терафлопным уровнем реальной производительности;
• качественное изменение свойства переносимости параллельного кода: один и тот же код можно использовать в различных установках (в идеале «один код для любой платформы»: многоядерные системы, кластеры, SMP-системы, вычислительные среды и GRID-подобные системы) под управлением разных ОС (Linux, коммерческие UNIX-системы, системы семейства MS Windows и др.)
• увеличение времени жизни кода: при модернизации аппаратной платформы код не потребуется сильно изменять, обеспечение преемственности в развитии вычислительной техники при смене поколений компьютеров;
• поддержка устойчивости к частичному выходу из строя оборудования и другие перспективные функциональные характеристики.

Этапы проекта

1
18.05.2007 - 31.10.2007
1. Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.
2. Исследованы модели параллельных вычислений, в том числе:
- мультитредовая модель (треды разных типов, включая тяжелые вычислительные и легкие невычислительные);
- потоковая модель (статические и динамические графы потоков данных с разной грануляцией вычислений в узлах);
- модели распределения данных и вычислений, их локализации.
3. Разработана концепция средств и технологий параллельного программирования.
4. Разработана архитектура инструментальных средств.
5. Разработана технология (методология) создания программных средств параллельного программирования.
6. Разработана имитационная (архитектурная) модель СКСН и ее подсистем на уровне обеспечения выполнения мультитредовых программ.
7. Разработан и отлажен формат объектных модулей, ассемблера, редактора связей, загрузчика исполняемых модулей.
8. Разработан и отлажен базовый компилятор языка Си с выполнением объектных программ на имитационной модели СКСН.
9. Проведены патентные исследования согласно ГОСТ 15.011 и составлен отчет о патентных исследованиях.
10. Подготовлена к печати статья «Параллельное умножение матриц на суперкомпьютере с мультитредово-потоковой архитектурой» в тематическом сборнике факультета ВМиК МГУ им. Ломоносова «Программные инструменты и системы».
11. Составлен промежуточный отчет по этапу 1.
Развернуть
2
01.11.2007 - 31.12.2007
1. Разработаны базовые программные средства параллельного программирования в составе:
- библиотеки программ работы с тредами;
-библиотеки программ управления сегментно-страничной памятью.
2. Разработан прототип системы поддержки выполнения мультитредовых программ и блоков операционной системы.
3. Разработаны функциональные и оценочные тесты с мультитредовой моделью вычислений, проведены исследования на имитационной модели СКСН.
4. Разработаны программы и методики проведения тестирования.
5. Проведено тестирование разработанных программ.
6. Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011.
7. Реализованы мероприятия по достижению технико-экономических показателей (п. 6 Технического задания).
8. Составлен промежуточный отчет по этапу №2
Опубликована одна статья и приняты к печати статья и доклад на международной конференции
Развернуть
3
01.01.2008 - 30.06.2008
Аннотация


Наименование НИР: «Разработка и исследование базовых средств и технологий параллельного программирования для отечественного суперкомпьютера с перспективной архитектурой».

Этап 3. « Экспериментальные исследования поставленных перед НИР задач»

В имитационной модели МТП-суперкомпьютера для поддержки статической и динамической потоковых моделей организации вычислений были реализованы операции управления статическими тредовыми устройствами, команды передачи данных через регистровые порты, команды удаленного вызова процедур. Разработаны библиотеки для создания потоковых программ – библиотека статических и библиотека динамических графов. Проведено исследование возможности использования конвертера f2c в качестве составного блока базового компилятора языка Фортран для МТП-суперкомпьютера. Разработаны средства профилирования, трассировки и отладки мультитредовых программ. Представлен полный набор оценочных тестов для МТП-суперкомпьютера и его программного обеспечения. Проведено оценочное и функциональное тестирование.


Руководитель работы,
начальник отдела ОАО «НИЦЭВТ» _______________________________ Л.К.Эйсымонт
Развернуть
4
01.07.2008 - 31.10.2008
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОТЧЕТНОМ ЭТАПЕ № 4
«Обобщение и оценка результатов исследований»
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 18 мая 2007 г. № 02.514.11.4036.

Шифр: «2007-4-1.4-00-07-077»
Период выполне-ния этапа 01 июля – 31 октября 2008 г.
Исполнитель: Открытое акционерное общество
«Научно-исследовательский центр электронной вычис-лительной техники» (ОАО «НИЦЭВТ»), г. Москва

Цель работы Разработка и исследование базовых средств и техноло-гий параллельного программирования для отечествен-ного суперкомпьютера с перспективной архитектурой.


1. Наименование разрабатываемой научной (научно-технической, инновационной) продукции
Базовые средства и технологии параллельного программирования для отечественного суперкомпьютера стратегического назначения (СКСН) «Ан-гара» с мультитредово-потовокой (МТП) архитектурой и глобально адресуе-мой распределенной общей памятью.
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию про-дукции
2.1 С использованием разработанных на предыдущих этапах НИР про-граммных средств на отчетном этапе разработан набор контрольных тесто-вых приложений в составе:
• программа решения систем линейных уравнений (СЛАУ) мето-дом сопряженных градиентов (CG);
• две программы решения дифференциальных уравнений сеточ-ными методами – программа решения уравнения теплопроводно-сти явным конечно-разностным методом на сетке с регулярной неизменяемой структурой и программа моделирования распро-странения тепла в жидкости равномерно движущимся источни-ком (на регулярной динамически изменяемой сетке);
• программа быстрого преобразования Фурье.
Все выбранные прикладные задачи характеризуются интенсивной рабо-той с памятью, то есть относятся к классу DIS-приложений – целевой облас-ти применения разрабатываемого СКСН «Ангара». Три из четырех тестовых приложений были разработаны на языке Ассемблера, одно – на языке Си.
Исследование производительности СКСН «Ангара» на задаче решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) методом сопряженных градиентов (CG) показало высокую производительность и эффективность, во-первых, одного МТП-процессора - реальная производительность состави-ло примерно 65% от пиковой, а абсолютный показатель J10-4 (старшей моде-ли в семействе МТП-процессоров) достиг рекордных значений для одного процессора - 29 Гфлопс. Во-вторых, на многопроцессорной системе удалось получить рекордные на сегодняшний день результаты для многопроцессор-ных систем - абсолютная производительность на системе из 64 узлов с про-цессорами старшей модели J10-4 составила 193 Гфлопс (близкая производи-тельность, 167 Гфлопс, ожидается на системе Cray XMT, состоящей из 8064 узлов).
При численном решении на регулярной равномерной сетке трехмерного уравнения теплопроводности производительность одного МТП-процессора J7-2 (младшая модель семейства) оказалась приблизительно равной произво-дительности микропроцессоров Itanium 2, Opteron, Power 5 и Cell, в то время как производительность J10-4 значительно их превосходит. Такой результат объясняется регулярной структурой строения сетки, что позволяет эффек-тивно использовать механизмы преднакачки данных в кэш, аппаратно под-держиваемые в суперскалярных микропроцессорах. Иная ситуация склады-вается при численном решении дифференциальных уравнений на нерегуляр-ных и адаптивных сетках. В этом случае производительность суперскаляр-ных систем не превышает 1% от пикового значения.
При параллельной реализации на СКСН «Ангара» быстрого преобразо-вания Фурье был разработан гетерогенный параллельный алгоритм, который позволяет достичь уровня производительности на порядок, превышающей производительность на традиционных суперкомпьютерах с кластерной архи-тектурой.
Из полученных результатов можно сделать следующий вывод, на классе DIS-приложений производительность СКСН «Ангара» значительно превос-ходит производительность традиционных суперкомьютеров кластерного ти-па.
Также на четвертом этапе НИР был разработан проект технических тре-бований на проведение ОКР по созданию СКСН и его программного обеспе-чения. Проведено обобщение выполненных работ по всем этапам НИР.
2.2. Проект по созданию отечественного СКСН «Ангара» основывается на таких архитектурных принципах, как гомогенная и гетерогенная мультит-редовость, статическая и динамическая потоковая обработка данных, гло-бальное адресное пространство с неравномерным по эффективности досту-пом, управление локализацией данных и вычислений. Все принципы нахо-дятся в русле наиболее перспективных мировых работ по разработке архи-тектуры и программного обеспечения суперкомпьютеров высшего диапазона производительности. Наиболее близкими работами являются проекты транс-петафлопсных систем, разрабатываемых в США по программе DARPA HPCS.
2.3. Особенностью выполненных за время проведения НИР работ по созданию базовых средств и технологий параллельного программирования является специфика архитектуры СКСН «Ангара».
2.4. На отчетном этапе были получены пять свидетельств о государст-венной регистрации программ, созданных в рамках данной НИР.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Создание перспективных микропроцессоров и СКСН на их основе, их программного обеспечения значительно ускорит решение фундаменталь-ных и прикладных задач в различных сферах науки и отраслях экономики и позволит: получать принципиально новую продукцию (например, новые ле-карства и фармацевтические препараты); повысить производительность тру-да в различных отраслях экономики, прежде всего в машиностроении, т.к. повышение производительности эксплуатируемых вычислительных систем позволит существенно сократить время разработки новых изделий за счет применения современных математических методов моделирования; провести импортозамещение высокопроизводительных вычислительных средств, по-купаемых за рубежом.
3.2. По результатам выполненной НИР в ОАО «НИЦЭВТ» планируется ОКР по созданию опытного образца СКСН «Ангара» и его программного обеспечения.
3.3. Создание отечественного СКСН позволит сохранить стратегиче-ский паритет и защищенность государственных информационных и теле-коммуникационных систем, а также обеспечит резкое увеличение научно-технического потенциала по приоритетным направлениям науки и техники в Российской Федерации.
Выполнение подобных проектов по созданию перспективных СКСН и их программного обеспечения позволит не только выпустить уникальные вы-сокотехнологичные изделия, но и будет в целом способствовать восстанов-лению в России на федеральном уровне инфраструктуры исследований и раз-работок в области информационных технологий.
4. Выводы
Создание полного набора базовых средств и технологий параллельного программирования на СКСН «Ангара» значительно расширяет диапазон ис-следуемых задач, делает систему более привлекательной для будущих поль-зователей и является основой для разработки новых прогрессивных техноло-гий параллельного программирования, нацеленных на резкое повышение продуктивности разработки параллельных программ.

Руководитель работ по проекту
Начальник отдела ОАО «НИЦЭВТ» _________________ Л.К. Эйсымонт
___ октября 2008 г.
М.П.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.4 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела по перспективным технологиям в области информационно-телекоммуникационных систем
Тема
Разработка и апробация на реальных приложениях перспективных технологий параллельного программирования для следующих поколений вычислительных систем
Продолжительность работ
2007 - 2008, 17 мес.
Бюджетные средства
28 млн
Количество заявок
9
Тема
Разработка технологии ресурсонезависимого параллельного программирования для многопроцессорных вычислительных систем различных классов.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
3 млн
Количество заявок
2
Тема
Организационно-техническое обеспечение проведения Всероссийской научной школы для молодежи «Параллельное программирование»
Продолжительность работ
2010, 8 мес.
Бюджетные средства
1,6 млн
Количество заявок
1
Тема
Высокоуровневые модели параллельных вычислений и их библиотеки поддержки времени выполнения
Продолжительность работ
2011 - 2012, 23 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка архитектуры вычислительных модулей на базе перспективных многоядерных процессоров нового поколения с локальной буферной памятью и семейства решений на ее основе
Продолжительность работ
2007 - 2008, 11 мес.
Бюджетные средства
90 млн
Количество заявок
1