Atklājumi.lv

Baltijā veikti zinātniskie aprēķini 10 miljonu procesorstundu apjomā

Vērienīgā Eiropas Savienības projekta „BalticGrid" ietvaros izveidotā infrastruktūra palīdzējusi nodrošināt Baltijas reģiona pētniekiem iespēju veikt zinātniskos aprēķinus 10 miljonu procesorstundu apjomā. Tie izdarīti pēdējo divu gadu laikā ar Grid aprēķinu tīklu palīdzību.

Latvijas Universitātes Matemātikas un informātikas institūta (LU MII) pārstāvji skaidro, ka vēsturiski Eiropas zinātnieku Grid tīkls, tāpat kā savulaik vispasaules tīmeklis, tapis CERN (Eiropas organizācija kodolenerģijas pētījumiem) paspārnē, lai palīdzētu risināt apjomīgus kodolfizikas uzdevumus.

Šodien pasaulē Grid tīklu aktīvi izmanto zemestrīču prognozēšanai un to seku modelēšanai, gruntsūdeņu piesārņojuma un attīrīšanas procesu pētīšanai, cilvēka arteriālās sistēmas modelēšanai. Ir pat atsevišķas programmas, kas, izmantojot Grid, meklē zāles pret vēzi vai palīdz veikt pētījumus ģenētikā. Arī tādās jomās kā bioķīmija, gēnu inženierija, vides zinātnes, datorlingvistika, kvantu datoru pētījumi un daudzās citās vairs neiztikt bez Grid tīklu iespējām.
Pārspēj visjaudīgākos datorus

Grid tehnoloģija jeb „režģa skaitļošana" ļauj pētniekiem veikt zinātniskos aprēķinus būtiski lielākos apjomos un ātrākā laikā, tādējādi ievērojami paaugstinot pētnieciskā procesa efektivitāti un ražīgumu. Grid izmantošana ļauj veikt lielāku skaitu simulāciju un modelējamo konfigurāciju pārbaudi, ātrāk atrodot labākos risinājumus konkrētajām pētāmajām problēmām.

Grid darbības princips ir vienkāršs. Viena superdatora vietā matemātisku aprēķinu veikšanai tiek izmantoti tā dēvētie klāsteri (tīkla datoru vienības), kas sastāv no vienotā sistēmā savienotiem daudziem jaudīgiem datoriem (atsevišķos gadījumos tie var būt pat simti vai tūkstoši mazāku datoru). Katra šāda klāstera darbību savukārt koordinē viens „virsdators", kas palīdz matemātiskos aprēķinus veikt vienlaikus uz vairākiem procesoriem. Tādā veidā tiek taupīts laiks, kas vajadzīgs pat milzīgas jaudas superdatoriem, lai atrisinātu pietiekami lielus un komplicētus uzdevumus.

Tiesa, lai varētu izmantot šo tehnoloģiju piedāvātās iespējas, vispirms zinātniekiem nācās sagatavot programmas, kas ir spējīgas veikt aprēķinus uz vairākiem procesoriem vienlaikus. Tas ir - izdomāt, kā „saskaldīt" uzdevumus vairākās daļās, katru no kurām pēc tam attiecīgi rēķina savs procesors.

Taču ieguldītais laiks un pūles atnesa arī ievērojamus rezultātus. LU MII zinātniskais asistents Edgars Znots stāsta, ka projekta otrās kārtas laikā infrastruktūras noslodze (pētnieku veikto aprēķinu daudzums) ir pieaudzis eksponenciāli par 25% katrus 6 mēnešus. „No tā mēs arī varam secināt, ka pēdējo divu gadu laikā BalticGrid vidē tika veikti zinātniskie aprēķini aptuveni 10 miljonu procesorstundu apjomā," - skaidro LU MII klāsteru administrators. Viņš gan arī uzsver, ka, neskatoties uz straujajiem tehnoloģiju attīstības tempiem, principi, kas izmantoti Grid tīklos, būs dzīvotspējīgi vēl ilgi.

„Joprojām ir ļoti daudz zinātnisko aprēķinu, kurus nevar risināt nedz uz vienkodolu, nedz četrkodolu vai pat sešpadsmit kodolu serveriem. Lai arī nākotnē būtiski pieaugs pieejamo skaitļošanas kodolu skaits jeb jauda serveros, viens serveris nekad nebūs risinājums nopietniem zinātniskajiem aprēķiniem. Tāpēc vienmēr būs jāmeklē tehnoloģijas un risinājumi, kas varēs vairākus serverus apvienot kopā, veidojot klāsterus. Savukārt, ja runājam par vēl lielākiem aprēķiniem, atkal jau būs jāprot apvienot vairākus klāsterus kopā vēl apjomīgākā struktūrā - režģī vai tā dēvētajā „mākoņinfrastruktūrā" (Cloud). Šī tad attiecīgi nākotnē varētu kļūt par jaunu paradigmu Grid tīklu attīstībā," stāsta Edgars Znots.

Koplieto skaitļošanas resursus

LU MII Akadēmiskā tīkla laboratorijas „SigmaNet" vadītāja Baiba Kaškina pastāstīja, ka režģa idejas būtība ir apvienot katra individuālā skaitļošanas centra resursus kopējā tīklā, lai tos varētu izmantot pēc iespējas lielāks zinātnieku skaits. „Tradicionālā pieeja, ka katrai zinātnieku grupai ir savs skaitļošanas klāsteris, uz kā veikt aprēķinus, ir ekonomiski neefektīva. Zinātniski pētnieciskajā procesā aprēķini bieži vien ir nepieciešami periodiski, jo starp šiem aprēķinu periodiem zinātnieki analizē iegūtos rezultātus. Tas nozīmē, ka noteiktā laikā skaitļošanas resursi netiek izmantoti pilnībā. Savukārt, apvienojot kopā visus šos klāsterus, vienmēr ir gana daudz tādu resursu, kurus savstarpēji var izmantot arī visi citi pētnieki, kas iesaistīti Grid tīkla lietošanā," saka Baiba Kaškina.

SigmaNet vadītāja gan atzīst, ka šobrīd vēl ir pāragri novērtēt konkrētu ieguvumu Latvijas zinātnei kopumā, jo pie jebkuras jaunas tehnoloģijas ieviešanas, sākotnējais posms, kad visi apgūst jaunās iespējas, ir salīdzinoši lēns. Taču tās zinātniskās grupas, kas bijušas ieinteresētas režģa iespēju izmantošanā, ir apmierinātas ar gūtajiem uzlabojumiem veicamo aprēķinu ražīgumā.

Pašlaik Latvijā ir uzstādīti četri klāsteri. Divi no tiem atrodas Latvijas Universitātes Matemātikas un informātikas institūtā, bet divi - Rīgas Tehniskajā universitātē (RTU). Abas šīs organizācijas bija BalticGrid projekta partneri no Latvijas un faktiski aizsāka Grid tīklu ieviešanu un izmantošanu Latvijā.

Latvijas zinātnieki, pateicoties Grid tīkliem, guvuši panākumus tādos projektos kā mākslīgā intelekta pētniecība un „SemTi-Kamols" (Semantiskā tīmekļa kamols), kuru mērķis ir padarīt rakstveida informāciju „saprotamu" ne tikai cilvēkiem, bet arī automatizētām datorprogrammām. Tāpat Latvijā tiek izdarīti aprēķini saistībā ar signālu apstrādi un datu pārraides protokolu simulāciju, ko veic RTU zinātnieki. Vēl režģa vidē tiek realizēti aprēķini saistībā ar kompozītmateriālu izpēti un konstrukciju modelēšanu, ko veic RTU Būvniecības fakultātes (RTU BF) pētnieki. Ievērojamus skaitļošanas resursus izmanto arī LU Cietvielu fizikas institūta (LU CFI) pētnieki, kas veic katalītisko sakausējumu modelēšanu un īpašību izpēti ar skaitlisko metožu palīdzību.

Izmanto „Lielā sprādziena" pētniecībai

Grid tīklu tehnoloģija ir cieši saistīta ar Lielā hadronu kolaidera (Large Hadron Collider jeb LHC) pētījumu rezultātu datu apstrādi. Tas šobrīd ir vislielākās enerģijas elementārdaļiņu paātrinātājs pasaulē, kas darbojas Eiropas kodolpētījumu centra CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) ietvaros. LHC galvenā tuneļa garums vien ir 26,7 km un tas izbūvēts apmēram 100 m dziļumā Francijas un Šveices teritorijā. Lādēto daļiņu kūļu noturēšanai un korekcijai izmantoti 1624 supravadoši magnēti ar kopējo garumu virs 22 km.

Faktiski pasaules lielākais zinātniskais eksperiments ļauj pētīt daļiņu vissmalkākās īpašības, palīdzot labāk izprast Visumu, kurā mēs dzīvojam. Iegūto datu apjoms un to apstrādei, kā arī aprēķinu veikšanai vajadzīgā jauda ir milzīgi. Tāpēc elementārdaļiņu šķelšanas projektā piedalās zinātnieki no daudzām valstīm. Datu apstrādē tiek izmantota globālo aprēķinu infrastruktūra, kura balstās uz garantēti drošiem, augstas veiktspējas starppunktu savienojumiem starp 11 LHK primārajiem datu apstrādes centriem visā pasaulē.

Grid tīkli vispirms tika radīti tieši Lielā hadronu kolaidera datu apstrādei. Un tikai vēlāk tos sāka izmantot arī citos zinātniskos pētījumos. Tāpēc, lai arī Latvijas zinātnieki nav tieši iesaistīti elementārdaļiņu pētniecībā, projekta realizācijā gūtie sasniegumi ir izmantojami arī Latvijā.

Pateicoties vairākiem Eiropas Savienības (ES) finansētiem Grid attīstības projektiem, daudzās valstīs ir uzkrāta liela pieredze šo tīklu veidošanā. Šīs zināšanas Eiropas līmenī apkopo projekts EGEE, kas ir akronīms no „Enabling grids for e-science" (Grid pakalpojumu nodrošināšana e-zinātnei). Gadu laikā gūtā pieredze un Eiropas Komisijas vēlme attīstīt šo programmu tālāk, sekmēja Grid tehnoloģiju ienākšanu arī Baltijā. Pirmais šāda rakstura projekts, kurā piedalās arī Latvijas zinātnieki, bija tieši BalticGrid.

Lai arī EGEE projekts tagad jau ir noslēdzies, 2010.gada maijā tika uzsākts jauns Grid tehnoloģiju attīstības projekts ar nosaukumu „EGI-InSpire" (European Grid Initiative: Integrated Sustainable Pan-European Infrastructure for Researchers in Europe), kurā piedalīsies arī Latvija. Šajā projektā katrai partnervalstij ir jānodrošina līdzfinansējums infrastruktūras uzturēšanai, lai zinātniekiem arī turpmāk būtu iespēja izmantot Eiropas aprēķinu resursus. Tāpēc Latvijas zinātnieki cer, ka arī nākotnē Izglītības un zinātnes ministrija finansēs projektus, kas saistīti ar nacionālās režģa infrastruktūras (NGI - National Grid Initiative) uzturēšanu un attīstīšanu, kā arī dalību ar to saistītos ES projektos. Pētnieki arī cer, ka tiks turpināta finansēšana pieejai starptautiskajam akadēmiskajam datortīklam GÉANT, kas ir būtisks priekšnosacījums ātrjoslas datu pārraidei un zinātnisko aprēķinu veikšanai Latvijā.

„Mēs esam ļoti pateicīgi kā Eiropas Komisijai, tā arī Izglītības un zinātnes ministrijai par iespējām, kuras mums tika dotas saistībā ar visiem šiem projektiem. Taču īpaši būtu jāpateicas visiem tiem Latvijas zinātniekiem, kas iesaistījās un aktīvi izmantoja šo lielisko iespēju, tādā veidā atvieglojot gan savu darbu, gan arī demonstrējot citu valstu speciālistiem, uz ko patiesībā esam spējīgi zinātniski pētnieciskajā darbā," - uzsver LU MII Akadēmiskās laboratorijas „SigmaNet" vadītāja Baiba Kaškina.

Rīgā, 2010. gada 16. jūnijā.
Informāciju sagatavoja Jānis Riņķis,

LU MII Tīkla risinājumu daļas sabiedrisko attiecību projektu vadītājs

Tālrunis: +371 28607446

E-pasts: Šī e-pasta adrese ir aizsargāta no mēstuļu robotiem. Pārlūkprogrammai ir jābūt ieslēgtam JavaScript atbalstam, lai varētu to apskatīt.
Internets: http://www.lumii.lv