В Институте вычислительных технологий прошла Х российско-германская школа по параллельному программированию и высокопроизводительным вычислениям. Её преподаватели, доктор Томас Бёниш и доктор Кристоф Нитхаммер, рассказали об организации супервычислений для науки в своей стране.

Доктор Томас Бёниш и доктор Кристоф Нитхаммер.

Т. Бёниш: – Мы с коллегой работаем в Штутгартском суперкомпьютерном центре (сокращенно HLRS от нем. Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart – Прим. ред.), одном из трёх федеральных центров высокопроизводительных вычислений в Германии. Два других расположены в Юлихе и в Гаршинге под Мюнхеном. Их назначение – предоставлять вычислительные мощности для всего академического сообщества Германии: университетов и организаций, входящих в Общество Гумбольдта. Все вместе они образуют так называемый Суперкомпьютерный центр Гаусса (GCS) и участвуют в конкурсе Евросоюза на финансирование проектов по созданию компьютеров формата Exascale. При этом наши центры сохранили исторически сложившиеся различия. Гаршинг – это прежде всего вычисления в интересах геофизики и медико-биологических наук, Юлих специализируется на физике элементарных частиц, а Штутгарт всегда был известен работами в области инженерных приложений. Ещё одно принципиальное отличие HLRS – опыт взаимодействия с промышленностью. В силу специфики Баден-Вюртемберга – это прежде всего автомобилестроение.

– Федеральные центры супервычислений работают на средства федерального же бюджета?

Т. Бёниш: – Только наполовину. Вторые 50% средств поступают из бюджета земли, где расположен центр. В случае с нашим HLRS это Баден-Вюртемберг, Юлих софинансирует земля Северный Рейн-Вестфалия, Гаршинг – соответственно, Бавария.

– Это как-то сказывается на системе управления центрами?

Т. Бёниш: – И да, и нет. Текущие административные вопросы центра решает менеджер, а высшее руководство осуществляет директор. В HLRS он по должности одновременно является и руководителем Института высокопроизводительных вычислений в Штутгартском университете, поэтому процедура его выбора и назначения на должность напоминает приглашение профессора. Специальная комиссия публикует объявление о вакансии с квалификационными требованиями, собирает заявки, рассматривает и формирует список из трёх лучших кандидатов. В стенах университета соискатели выступают с открытыми презентациями. С первым по списку соискателем университет, а также министерство науки и искусства Баден-Вюртемберга проводят переговоры. В случае их успешного окончания, процедура завершается назначением, если нет – последовательно продолжается со вторым и третьим кандидатом из списка.

– Преподают ли ваши сотрудники в университете, практикуются ли студенты в HLRS?

К. Нитхаммер: – Да. И ещё раз да. Студенты Института высокопроизводительных вычислений проходят у нас практику на уровне и бакалавриата, и магистерских работ. В свою очередь, сотрудники центра читают им лекции и проводят практикумы. Есть также курс численного моделирования, предназначенный студентам всех инженерных специальностей Штутгартского университета.

– Какова численность сотрудников вашего центра как такового, его организационная структура?

Т. Бёниш: – У нас работает около 120 человек. Кроме предоставления вычислительных услуг пользователям они вовлечены в научную деятельность: чтобы качественно производить параллельные вычисления для сторонних партнёров, необходимо самим глубоко понимать все стороны этого процесса на самом современном уровне.

К. Нитхаммер: – Область собственных исследований центра очень широка. Она начинается с вопросов эффективного использования компьютерных архитектур и сетевых топологий, на основе которых построены суперкомпьютеры, захватывает сферу разработки программного обеспечения для технологий компиляции и направлена в сторону многочисленных разноплановых приложений и их оптимизации. В HLRS разрабатывается оригинальное программное обеспечение для решения различных научных задач.

Т. Бёниш: – Если говорить о структуре, то она многоуровневая. Наш центр состоит из четырёх больших департаментов: системного администрирования и сервисов, инженерной инфраструктуры, программного обеспечения и визуализации. Четвёртый – административный, занимающийся также общественными связями. Каждый департамент, соответственно, состоит из нескольких отделов. Лично я работаю в первом из перечисленных.

– Можете ли вы назвать три (или больше) самых значимых, самых ярких и полезных научных достижений вашего центра?

Т. Бёниш: – Это сложный вопрос. Можно говорить о собственных исследованиях центра и, с другой стороны, о наиболее успешных работах в интересах его пользователей. Вторая часть не менее значима, чем первая. Для примера, не так давно была выполнена работа по моделированию процессов сгорания угля, в рамках которой удалось существенно повысить разрешение модели и таким образом намного лучше воспроизвести параметры физического процесса. Другой пример – вычислительное обеспечение прогнозирования ураганов, благодаря чему удалось вдвое увеличить число успешных прогнозов. Это значительный прогресс, хотя на самом деле покрывается лишь около 50% всех возникающих ураганов.

К. Нитхаммер: – Кроме фундаментальных исследований HLRS занимается прикладными работами, и здесь интересен европейский опыт создания так называемых «передовых» центров в области приоритетных направлений науки и техники. Я не могу назвать точное количество таких центров, от 12 до 16, и в деятельности четырёх из них участвует HLRS. В частности, мы координируем работу центра анализа данных, инженерных задач, а также участвуем ещё в двух – геофизическом и по оптимизации эффективности вычислительных алгоритмов.

Т. Бёниш: – Одной из ключевых задач HLRS всегда было обеспечение высокой эффективности приложений наших пользователей на имеющихся у нас компьютерных архитектурах. Это научное направление не так давно развилось если не в новую отрасль науки, то в достаточно автономную область инженерии научного программного обеспечения. Направление интенсивно развивается во многих европейских университетах (например, в Кембридже), где созданы соответствующие исследовательские центры и лаборатории. В ближайшем будущем, по нашим прогнозам, исследования в области моделирования будут опираться на две ключевые квалификации: эксперт по программному обеспечению и эксперт в конкретной предметной области. Причём первый из них не обязательно должен работать в центре супервычислений – некоторые модели можно запустить при помощи обыкновенного ноутбука. Только такой симбиоз может приводить к эффективным результатам – от методик, до алгоритмов и их программной реализации.

– Насколько это направление совпадает со специализацией ИВТ СО РАН?

К. Нитхаммер: – Очень сильно. Но, разумеется, не со всем спектром исследований и разработок, которые ведёт ваш институт. У вас наблюдаются оба элемента инженерии исследовательского программного обеспечения: с одной стороны, создаются новые математические модели (как, например, течений в гидротурбинах), с другой стороны, те же люди, которые их строят, прилагают усилия к повышению эффективности программных систем для научных исследований на современных и будущих компьютерных архитектурах.

Т. Бёниш: – Согласен. Институт вычислительных технологий делает гораздо больше того, что мы назвали инжинирингом программного обеспечения. Математическое моделирование – намного более широкая сфера деятельности, которая становится всё более и более востребованной во всех отраслях знаний и сферах деятельности. Соответственно, нужно больше людей, способных работать в этой сфере. В Новосибирске мы увидели несколько хороших институтов, современный университет и суперкомпьютерный центр, работающий в их интересах. Нам рассказали о перспективе принципиально более тесной интеграции на базе вычислительных мощностей, поэтапно наращиваемых – о Сибирском национальном центре высокопроизводительных вычислений, обработки и хранения данных (СНЦ ВВОД в рамках программы «Академгородок 2.0» — Прим. ред.).

Подготовили Андрей Соболевский и Дмитрий Чубаров. Фото Андрея Соболевского