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

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 28.11.2014 № 14.578.21.0093 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 28.11.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР.
2. Проведение патентных исследований.
3. Сравнительная оценка возможных направлений работы на основе результатов патентных и прогнозных исследований.
4. Определение и обоснование оптимального варианта направления исследований.
5. Проведение маркетинговых и прогнозных исследований по тематике ПНИЭР.
6. Приобретение компьютерной и оргтехники в целях создания рабочих мест.
7. Обеспечение удаленного доступа к суперкомпьютерному кластеру ДВФУ.
8. Разработка методики планирования многофакторного эксперимента по верификации результатов моделирования.

При этом были получены следующие результаты:

1. В результате аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР были выделены направления, по которым ведутся научно-исследовательские работы по созданию средств и методов высокопроизводительного моделирования, а также по созданию средств обеспечения адаптируемости систем моделирования: параллельное дискретно-событийное моделирование; понятие федерации, объединяющей разнородные системы моделирования в одну надсистему; программно-аппаратная платформа CUDA; применение метода Монте-Карло в высокопроизводительных системах моделирования.
2. В результате проведения анализа отобранных охранных документов определены наиболее перспективные технические решения, содержащие сведения о последних научно-технических достижениях в этой области. Патентный поиск был проведен на основе отобраных 122 источников патентной информации в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
3. В результате аналитического обзора и патентных исследований был определён ряд возможных направлений исследований. Эти направления включают исследования в двух различных предметных областях – «Компьютерное моделирование физических процессов», которая описывает фундаментальные и прикладные вопросы, связанные с представлением реальных физических процессов в конечной и детерминированной ЭВМ, а также «Высокопроизводительные параллельно-распределенные вычисления». Список возможных направлений исследований, таким образом, разбит на два соответствующих раздела и включает в себя исследования методов повышения адекватности моделирования, адаптируемости систем моделирования, методов распараллеливания компьютерного моделирования и балансировки нагрузки на основе PDES, методов применения и применимости программно-аппаратных платформ, реализующих различные модели параллельных вычислений, вопросов коммуникации, синхронизации параллельных и распределенных потоков выполнения, балансировки нагрузки между параллельными и распределенными вычислениями, обеспечения отказоустойчивости параллельных систем компьютерного моделирования.
4. Определены основные направления исследований ПНИЭР:
   • Разработка принципов создания и метода реализации адаптируемых архитектур высокопроизводительных систем компьютерного моделирования физических полей, предназначенных для решения задач моделирования произвольных физических полей в пространстве неограниченной сложности и расширяемых на произвольное множество вычислительных узлов, реализующих различные модели параллельных вычислений.
   • Разработка эффективных в плане производительности и функциональности механизмов балансировки нагрузки, обеспечения отказоустойчивости системы моделирования, синхронизации и взаимодействия параллельных потоков выполнения, их доступа к разделяемым ресурсам, а также методов численной оценки эффективности этих механизмов.
   • Разработка и апробация системы моделирования физических полей в выбранных предметных областях.
5. Проведенные маркетинговые и прогнозные исследования подтвердили растущий потенциал рынка программного обеспечения параллельно-распределенных вычислений, и, как следствие, хорошие рыночные перспективы разрабатываемого продукта. Также проведенный анализ позволил определить основных конкурентов в лице компаний-разработчиков ПО и научно-исследовательских организаций, проводящих исследования в данной области.
6. Для обеспечения рабочего процесса в рамках реализации ПНИЭР было закуплена следующая компьютерная техника:
   • моноблок HP ProOne All-in-One 23" (4 шт.);
   • моноблок HP ProOne All-in-One 19,5" (1 шт.).
7. Для обеспечения процесса исследования в рамках реализации ПНИЭР был обеспечен удаленный доступ к вычислительному кластеру ДВФУ, в связи с тем фактом ̧ что он находится на большом удалении от рабочих корпусов университета.
8. Разработана методика планирования многофакторного эксперимента по верификации результатов моделирования.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 28.11.2014 № 14.578.21.0093 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2015 по 30.06.2015 выполнялись следующие работы:

1. Формулировка требований к функциональности и архитектуре системы моделирования физических полей на основе заданных целей выполнения ПНИЭР.
2. Формулировка и обоснование функции критерия эффективности системы на основе выбранной системы показателей.
3. Проведение концептуального проектирования архитектуры системы моделирования на основе сформулированных требований.
4. Проведение имитационного и численного моделирования архитектуры системы, выбор оптимального направления реализации архитектуры.
5. Реализация предметно-независимой архитектуры системы моделирования, ее прототипирование.
6. Материально-техническое обеспечение ПНИЭР.
7. Материально-техническое обеспечение проведения дополнительных  экспериментальных исследований по верификации результатов моделирования.
8. Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИЭР.
9. Обеспечение удаленного доступа к суперкомпьютерному кластеру ДВФУ.

При этом были получены следующие результаты:

1. Сформулированы требования к функциональности и архитектуре системы моделирования физических полей на основе заданных целей выполнения ПНИЭР с участием специалистов теории систем, проектировщиков архитектуры систем, программистов, а также экспертами предметных областей «Архитектурная акустика», «Гидроакустика», «Электромагнитные поля и волны» с тем, чтобы определить основной (верхнеуровневый) требуемый функционал системы моделирования, формально задать основные существующие проблемы при моделировании физических полей в предметных областях и трудности решения этих проблем вычислительными средствами. На основе этого были сформулированы и подробно описаны ожидаемое поведение системы моделирования, базовые требования к аппаратному и программному обеспечению моделирования.
2. Сформулированы и обоснованы функции критерия эффективности системы на основе выбранной системы показателей осуществлялись на основе сформулированных функциональных и нефункциональных требований к системе моделирования в условиях неопределенности решаемой модельной задачи. Три классических показателя эффективности системотехники – результативность, оперативность и ресурсоемкость – были проанализированы в контексте ПНИЭР и объединены в формально заданную целевую функцию критерия эффективности системы, требующую, однако, уточнений на последующих этапах.
3. Проведено концептуальное проектирование архитектуры системы моделирования на основе сформулированных требований. Целью данных работ было формальное описание верхенуровневых структурных и функциональных компонент и сущностей системы моделирования, предварительное описание верхнеуровневых протоколов взаимодействия подсистем, а также более детализированные, по сравнению  с пользовательскими, требования к системе и ее структурным компонентам.
4. С целью эмпирического анализа эффективности принятых архитектурных решений было проведено имитационное и численное моделирование архитектуры системы на основе принятых положений, задано оптимальное направление реализации архитектуры системы моделирования. В отчете представлены результаты имитационного моделирования процесса расчета физического поля, описана принятая обобщенная модель физического поля. Моделирование показало экспоненциальную сложность расчета физического поля, однако при корректном выборе параметров модели, фактическое время моделирование может быть приемлемым.
5. С учетом проведенного теоретического анализа была реализована предметно-независимая архитектура системы моделирования и выполнено ее прототипирование. Заданы модели расчета физического поля, реализована архитектура подсистем, описаны основные средства поддержки разработчика предметно-ориентированных моделирующих подсистем.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 28.11.2014 № 14.578.21.0093 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №3 в период с 01.07.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:

1. Разработка метода аналитической оценки эффективности применения блокирующей синхронизации вычислений с точки зрения временных издержек, накладываемых блокировками и состязательностью синхронизируемых параллельно-распределенных потоков выполнения.
2. Разработка алгоритмов и протоколов, реализующих синхронизацию параллельно-распределенных единиц выполнения.
3. Программная реализация алгоритмов и протоколов, реализующих синхронизацию параллельно-распределенных единиц выполнения.
4. Разработка математических моделей физического поля в предметных областях "Архитектурная акустика", "Гидроакустика" для проведения экспериментальных исследований по верификации результатов моделирования физических полей.
5. Разработка экспериментального образца системы моделирования.
6. Проведение дополнительных экспериментальных исследований звуковых полей в закрытых пространствах.
7. Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИЭР.
8. Обеспечение удаленного доступа к суперкомпьютерному кластеру ДВФУ.

При этом были получены следующие результаты:

1. Рассмотрен комплексный вопрос синхронизации доступа к этим данным со стороны распределенных клиентов. При этом одним из основных показателей эффективности системы моделирования в целом является быстродействие, поэтому особое внимание было уделено временны̀м издержкам, связанным с разделяемым доступом к этим данным. Поскольку система с реализованным центром хранения данных является системой с общей памятью, рассматривалась реализация блокирующей синхронизации доступа к данным. В отчете приведены результаты анализа синхронизации доступа к таким данным, реализованы вероятностная модель параллельного алгоритма, включающего в себя блокирующую синхронизацию потоков выполнения, представлен созданный метод априорной аналитической оценки быстродействия параллельной программы с блокирующей синхронизации потоков выполнения с учетом их взаимной состязательности.
2. Разработаны алгоритмы и переносимая программная реализация протоколов синхронизации «читающий-пишущий» параллельных и распределенных потоков выполнения, которая используется при синхронизации доступа к банкам данных системы моделирования.
3. Разработаны математические и расчетные модели физического поля в предметных областях «Архитектурная акустика» и «Гидроакустика». При этом создана первая реализация подсистемы предметной области «Архитектурная акустика», требующая верификации и оптимизации по показателю коэффициента использования вычислительных ресурсов. Достигнуты высокие значения коэффициента использования центральных процессоров.
4. Выполнена реализация системы моделирования в соответствии с требованиями, определенными на предыдущем этапе работ, а также с требованиями интерфейса подсистемы управления системы моделирования. Последняя также реализована на текущем этапе ПНИЭР и включена в систему моделирования. Полученная реализация экспериментального образца системы моделирования соответствует определяющему требованию к разделению системы структурно на предметно-независимую и предметно-ориентированную часть, что позволяет обеспечивать адаптируемость системы моделирования к задачам, определенным в различных предметных областях.

За третий этап опубликованы следующие статьи из БД Scopus:

1. Rodionov, A.Yu. Orthogonal frequency-pulsed frequency-division multiplexing in underwater communications systems / A.Yu. Rodionov, P.P. Unru, L.G. Statsenko // Proceedings of Meetings on Acoustics, 2015. - Vol.24, Issue 1. - #005004. 
2. Chusov, A.A. Applying high-performance computing to conducting experiments on sound propagation / A.A. Chusov, L.G. Statsenko, Yu.V. Mirgorodskaya // Proceedings of Meetings on Acoustics, 2015. - Vol.24, Issue 1. - #070011. 
3. Стаценко, Л.Г. Влияние геометрических размеров включений из цветных металлов на резонансные свойства устройств СВЧ / Л.Г. Стаценко, О.А. Пуговкина, Ю.Н. Мансуров // Цветные металлы, 2015. - №12. - С.73-78. http://dx.doi.org/10.17580/tsm.2015.12.13

В рамках этапа зарегистрирована программа ЭВМ «Синхронизация параллельных вычислителей с общей и разделенной памятью по модели «читающий-пишущий», Свидетельство №2016610060 от 11.01.2016