PARALLEL.RU - Информационно-аналитический центр по параллельным вычислениям

Институт теоретической и прикладной механики СО РАН
д.ф.-м.н. Геннадий Адамович Тарнавский
к.ф.-м.н. Сергей Иванович Шпак

Теория и приложение.

Главное внимание уделено теоретическим вопросам распараллеливания успешно функционирующих в течение длительного времени методов и реализующих их алгоритмов решения сложных интегро-дифференциальных систем уравнений. Рассмотрен ряд способов распараллеливания метода решения, связанных с различными видами декомпозиции полной задачи на ряд одновременно выполняемых подзадач (декомпозиции по физико- математическим процессам или технологической цепи вычислений и реализующим их "горизонтальным" распараллеливанием; декомпозиции по расчетным геометрическим областям и реализующим ее "вертикальным" распараллеливанием), сравнены их эффективности и разработан оптимальный способ распараллеливания. Проведенные теоретические исследования будут использованы при создании комплекса программ третьего поколения для решения задач аэрогазодинамики - информационно- вычислительной системы "Поток-3".

Предлагаемая разработка параллельных алгоритмов является одним из аспектов создания информационно-вычислительной системы "Поток-3" для развития, сохранения и распространения разработанных за длительный период результатов научной деятельности в области вычислительной аэродинамики (методы, алгоритмы, программы и расчетные данные), для хранения, пополнения и систематизации накопленной информации, обеспечения непрерывности научного прогресса и его ускорения в данной области за счет преемственности осуществленных разработок.

ИВС ориентирована на современные многопроцессорные ЭВМ и предназначена для информационно-вычислительной поддержки фундаментальных научных исследований физики и механики процессов обтекания тел различной конфигурации сверхзвуковым и гиперзвуковым потоком вязкого теплопроводного газа с учетом его реальных свойств, в том числе изучения отрывных течений над поверхностью тела, а также течений в ближнем и дальнем следе за ним, в широком диапазоне определяющих параметров и высот полета. С ее помощью можно, также, проводить исследование процессов движения тел в газовых средах с аномальными свойствами, моделирующих условия в атмосферах Венеры, Марса и Юпитера, или в газовых средах с возбуждением колебательных или электронных степеней свободы (новые способы управления движением с импульсным подводом лазерного излучения в поток газа).

Конечной целью предлагаемого проекта является создание ИВС третьего поколения на базе действующей ИВС второго поколения с существенным расширением круга решаемых научных проблем путем совершенствования вычислительных технологий. Основным направлением разработки станет решение теоретических и практических вопросов по повышению эффективности вычислительного процесса на основе распараллеливания алгоритмов и реализующих их основных, вспомогательных и поддерживающих программ.

Актуальность проекта определяется следующими обстоятельствами:

1. собственно в компьютерной технике, используемой для аэродинамических исследований, российская наука отстала безнадежно;
2. хроническое и в прошлые годы отставание по техническим характеристикам (памяти и быстродействию) ЭВМ имело определенное положительное значение - созданные отечественные численные методы решения больших интегро-дифференциальных систем уравнений аэродинамики существенно превосходили их западные аналоги (например, метод Годунова, или представляемый авторами настоящего проекта метод расщепления), а реализующие их вычислительные алгоритмы и компьютерные программы вынужденно отличались экономичностью и остроумными способами повышения скорости расчета реальных аэрокосмических задач;
3. создание за рубежом многопроцессорных ЭВМ с большой оперативной памятью и использование в аэрокосмических расчетах больших расчетных сеток фактически уравняло возможности "хороших" отечественных алгоритмов, реализуемых на "плохих" ЭВМ, и "плохих" зарубежных алгоритмов, реализуемых на "хороших" ЭВМ;
4. разработка технологий параллельных вычислений и конкретно распараллеливание качественных алгоритмов, совместно с большим опытом эксплуатации, может позволить вновь добиться приоритета в вычислительной газовой динамике (и это, по-видимому, единственный путь).

Кроме того, авторы проекта стремятся сломать сложившуюся "традицию", когда разработанные пакеты программ и полученные с их помощью научные результаты с уходом их создателей безвозвратно теряются, а новые поколения специалистов в области аэродинамики на новой компьютерной базе проходят все тот же трудоемкий и длительный путь создания и верификации методов, алгоритмов и программ от одномерных модельных к многомерным реальным задачам.

Разрабатываемая ИВС "Поток-3" имеет следующие структуры, определяющие ее функционирование: базу данных, процессорную систему, систему обслуживания. База данных (БД) включает в себя архив (АБД), систему управления (СУБД) и каталог (КБД). АБД представляет собой многомерное дискретное квазипространство, каждая точка которого есть запись результатов расчета в предметной области (аэрогазодинамика или гидродинамика). СУБД является пакетом системных предметно- ориентированных и сервисных программ, обеспечивающих функционирование БД в полном объеме (хранение информации, обмен протоколами с другими системами - графической, справочной и т.д.). КБД содержит полные сведения о файлах АБД. Система обслуживания (СО) включает в себя административную систему (АС) и справочную систему (СС). АС определяет статус пользователя на иерархической основе. СС обеспечивает дружественный интерфейс с пользователем.

Процессорная (вычислительная) система (ПС) обеспечивает получение новых знаний (проведение расчетов) и пополнение ими АБД. ПС содержит пакет программ решения дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения Навье-Стокса), успешно эксплуатирующийся в течение длительного времени и прошедших детальную верификацию на широком классе задач, а также комплекс программ представления полученной информации в удобном для восприятия виде (цветная и черно-белая графика, таблицы).

Модернизация и кардинальные изменения (использование параллельных технологий обеспечения и поддержки расчетов) процессорной системы позволит существенно продвинуться в область уже достаточно физически проработанных, но пока технически недоступных задач, представляющих исключительный интерес в данной области знания на современном этапе.

Работа делится на 2 этапа: теоретический и прикладной.

Теоретический этап: Разработка оптимальной декомпозиции комплекса алгоритмов, составляющих процессорную систему для подготовки к ее распараллеливанию. Рассматриваются и сравниваются 3 способа декомпозиции:

1. Технологическое распараллеливание. Вся система структурирована и состоит из набора действий (имеющих определенный физико-математический смысл), вычислительно реализуемый замкнутыми автономными подпрограммами. На однопроцессорной ЭВМ они, естественно, выполняются последовательно, хотя в этом нет необходимости и они могут выполняться одновременно. Наиболее затратными по загрузке процессора здесь выделяются процедуры "Генерация расчетной сетки" и "Определение компонент метрического тензора". Таких независимых подпрограмм достаточно много.
2. Геометрическое распараллеливание. Вся область проведения расчета делится на ряд сегментов (подобластей), например, "Обтекание головной части", "Течение за кормой", "Течение в дальнем следе". Решение задачи в сегментах проводится параллельно с последующим обменом данных в граничных областях перекрытия.
3. Физическое распараллеливание. Весь физический процесс расщепляется на ряд подпроцессов, отличающихся друг от друга по смыслу, типа: "Газовая динамика" ("Перенос", "Конвекция" и т.д.), "Термодинамика" ("Тепловые потоки", "Уравнения состояния" и т.д.), "Физика" ("Диссоциация", "Ионизация" и т.д.), которые выполняются параллельно (с некоторым сдвигом, и далее по "конвейеру", с расчетом от доминирующего к второстепенному процессу). Возможно, оптимальным окажется некоторое сочетание всех видов декомпозиции.

Прикладной этап: реализация теоретических разработок в конкретных операционных средах на конкретных многопроцессорных ЭВМ.

Ведется сотрудничество с Институтом систем информатики СО РАН с целью использования в проекте ряда конкретных разработок как теории параллельного проектирования, так и их прикладных приложений.

Ведется сотрудничество с Институтом систем информатики СО РАН с целью использования в проекте ряда конкретных разработок как теории параллельного проектирования, так и их прикладных приложений.

Предлагаемая ИВС "Поток-3" является расширением (третьей версией) программных разработок:

1. первая версия - пакет прикладных программ "Замер-1", функционировал в 1978 - 1990 гг. на МВК "Эльбрус";
2. вторая версия - база данных "Внешнее обтекание-2" ("ExtFlow2"), разрабатывался в 1991 - 1996 гг. (в 1995-1996 гг. - при поддержке РФФИ) на базе ЭВМ типа 486 и Pentium. Созданный авторами пакет прикладных программ, обеспечивающий проведение расчетов обтекания тел различной конфигурации, в том числе отрывных течений над поверхностью тела, а также в ближнем и дальнем следе за ним, использовался для проведения научных исследований и прикладных разработок в основных организациях аэрокосмического профиля (ЦАГИ, "Энергия", "Молния", "Южный", "Миасс - Российский ракетный центр"). В связи с этим, нам представляется особо интересным и важным проведение теоретических и прикладных исследований по созданию новых вычислительных технологий параллельного принципа на базе успешно работавшего и хорошо зарекомендовавшего себя комплекса методов, алгоритмов и программ.

630090, Новосибирск, ИТПМ СО РАН, гл. корпус
тел. (2832) 303-923, e-mail: lab2@itam.nsc.ru
Геннадий Адамович Тарнавский
Сергей Иванович Шпак