Výzkumné oblasti - SC4Industry
Základní cíle projektu v oblasti superpočítačových simulací a vývoje algoritmů potřebných pro takovéto simulace (SC4Industry) se dají rozdělit do následujících témat, řešených příslušnými výzkumnými programy (VP):
- VP 2 - Numerické modelování pro řešení inženýrských problémů
- VP 3 - Knihovny pro paralelní počítání
- VP 4 - Modelování pro nanotechnologie
S rychlým rozvojem informačních technologií v posledních pár letech se otevřely zcela nové možnosti i v oblasti počítačového modelování komplexních fyzikálních a obecněji přírodních jevů. Tento pokrok nachází rozsáhlé uplatnění v oblasti průmyslových aplikací. V současné době jsme svědky toho, jak kvantitativní přístupy k řešení problémů pronikají do běžné praxe a nahrazují tradiční časově a finančně náročné procesy typu vyrob-vyzkoušej-oprav či vyrob-prodej-zlepši. Počítačové modelování a simulace umožňují redukovat v čím dál více případech výrobní problémy na rovnice či jiné relace ve formě vhodné pro počítačové řešení. Tento proces je však současně čím dál náročnější. Například nelze od sebe jednoduše oddělit základní výzkum od aplikací, při nichž vznikají nové problémy, jejichž řešení má často významný průnik základního výzkumu a aplikací.
Výzkumný program Numerické modelování pro řešení inženýrských problémů představuje právě takový průnik, neboť je zaměřen na rozvoj efektivních matematických metod pro řešení problémů, které jsou v současné době díky svému rozsahu, nehladkosti nebo nelinearitě na hranici řešitelnosti, a následně jejich zapojením do řešení vybraných komplexních vědeckých a inženýrských problémů. Důraz bude kladen především na vývoj algoritmů, které dokážou efektivně využít moderní superpočítače a jsou v jistém smyslu optimální, čili škálovatelné. V našem případě to budou zejména algoritmy, které mají pro některé třídy úloh asymptoticky lineární složitost, přičemž doba výpočtu je přibližně nepřímo úměrná počtu procesorů. Výzkum bude vycházet z rozvoje efektivních metod pro řešení základních přímých úloh se speciální strukturou, včetně vnějších úloh, které budou dále využity k řešení multifyzikálních úloh, multiškálových úloh, inverzních úloh identifikace fyzikálních parametrů, a k řešení úloh optimálního navrhování. Výzkumná činnost bude zahrnovat všechny fáze matematického modelování od výběru problémů a jejich korektní matematické formulace, přes diskretizaci a návrh efektivních algoritmů, studium výpočetní náročnosti, analýzu spolehlivosti výsledků (aposteriorní odhady) až po implementaci nových algoritmů. S ohledem na praktické aplikace bude věnována pozornost i oblastem, které umožňují propojení existujících softwarových prostředků. Při počítačové implementaci nových algoritmů bude využito toho, že významná část algoritmů řešení i zcela různých úloh je stejná. Cílů projektu chceme dosáhnout mezioborovým přístupem a propojením zastoupených týmů při řešení konkrétních vědeckých a inženýrských problémů. V rámci záměru budou systematicky rozvíjeny stávající výsledky, rozpracovány nové přístupy s cílem dosáhnout prokazatelně nových výsledků mezinárodního významu s praktickým uplatněním a důraz bude také kladen na nalézání řešení vybraných náročných problémů v celé oblasti výzkumného záměru.
Celá řada výsledků výše zmiňovaného výzkumu pak najde zásadní uplatnění v rámci výzkumného programu Knihovny pro paralelní výpočty. Kromě standardních softwarových balíků ať už komerčního či nekomerčního charakteru, které budou k dispozici na superpočítačovém centru pro řešení praktických problémů, bude možné využívat i nově vyvinuté softwarové balíky, které budou výsledkem výzkumu programu Numerické modelování pro řešení inženýrských problémů a které budou využívat nejnovějších poznatků v této oblasti. Jako nejzajímavější se v této části řešení projektu jeví vzájemné propojení vlastních softwarových nástrojů se standardně využívanými komerčními a nekomerčními balíky. Podobné propojení již bylo navrhujícím pracovištěm v minulosti řešeno, např. při využití vlastních paralelních řešičů pro konečněprvkové systémy ANSYS, Comsol či PMD, nebo v systému AnyBody řešící biomechanické simulace, který používá knihovny OOSol vyvíjené na předkládajícím pracovišti. Díky tomu pak budou mít běžní uživatelé standardních softwarových balíků možnost využít nejmodernějších metod řešení svých praktických problémů, aniž by nějak významně museli proniknout do problematiky superpočítačů a teorie těchto metod.
Výzkumný tým Modelování pro nanotechnologie je koncipován jako kompaktní celek, který se skládá z fyzikálních i chemických laboratoří zajišťujících základní výzkum v oblasti nanotechnologií, vlastní technologické báze pro přípravu nanostruktur, měřicích a diagnostických sestav a aplikačního bloku. Hlavní spojnicí jednotlivých aktivit je kreace matematicko-fyzikálních modelů jak v základním, tak také v aplikovaném výzkumu, a aplikace superpočítačových přístupů pro efektivní řešení těchto modelů.
Přínosy SC4Industry
Kromě obrovského potenciálu pro vývoj nových efektivních metod řešení fyzikálních problémů či v přírodních vědách obecně, je třeba spatřovat největší přínos v pořízení prvního skutečného superpočítače na území České republiky. Jeho samotná neexistence v současné době je největším nedostatkem pro rozvoj vědních disciplín, které jsou úzce spjaty s řešení výpočetně náročných úloh. Přínos vybudovaného superpočítačového centra pak vidíme v jeho následujících aktivitách:
- Rozsáhlé vědecko-výzkumné výpočty na výpočetním clusteru, které jsou nutnou součástí výzkumu řešitelského týmu v oblastech IT4People, SC4Industry, a Theory4IT. Specielně pro oblast IT4People bude nutné dedikovat část clusteru (odhadem 128 uzlů) se zabezpečením dostupnosti 365/7/24 (365 dní v roce, 7 dní v týdnu, 24 hodin denně), jelikož se jedná o úlohy poskytující informace blížící se reálnému času a související s bezpečností a krizovým managementem. Oblasti SC4Industry a Theory4IT pak budou využívat i symetrického víceprocesorového systému pro řešení úloh s objemnými daty, např. dolování dat, simulace v oblasti proudění apod.
- Řešení reálných úloh pocházející z požadavků soukromých firem či státní správy a samosprávy, případně jiných výzkumných institucí, jejichž výpočetní náročnost vyžaduje velkou investici do výpočetního systému. K řešení těchto úloh bude využíván z velké části i komerční software, který bude rozšiřován o aktuální výsledky výzkumu centra. Předpokládá se jak využití výpočetního clusteru, tak i symetrického víceprocesorového počítače, přičemž zřejmě dojde k většímu zatížení druhého systému, neboť obecně komerční software zatím příliš dobře neřeší datově nezávislé distribuované výpočty. Tyto úlohy budou řešeny ve spolupráci centra a externích institucí. Jako partnery především očekáváme průmyslové firmy, domácí a zahraniční výzkumná pracoviště zabývající se obdobnými problémy apod.
- Poskytování výpočetních kapacit pro soukromé i veřejné instituce a poradenství v oblasti supercomputingu. Výpočetní náročnost některých reálných úloh často znemožňuje jejich řešení, neboť vyžaduje pro instituci velkou cenovou investici do pořízení adekvátní výpočetní kapacity. Tato se časem může ukázat jako nedostatečná, případně zbytečně nadhodnocená. Navíc její využití může být občasné dle potřeb praxe. Tuto situaci může daná instituce řešit právě pronájmem výpočetní kapacity centra, které bude mít pro tyto účely rezervovánu určitou kapacitu (odhadem 128 uzlů clusteru a 32 procesorů symetrického multiprocesorového počítače), případně bude možné předem naplánovat poskytnutí všech výpočetních prostředků. Zde se předpokládá největší využití ze strany průmyslových podniků a jiných vědeckých institucí.