© 1995-2021 Компания «Инфосистемы Джет»
Зачем нужен ГРИД
Вычислительные комплексы

Наиболее перспективные области науки и техники (термоядерная энергетика, биотехнологии и медицина, космос, управление климатом, геология и т.п.) требуют все возрастающего объема компьютерных вычислений

29.07.2008

Посетителей: 112

Просмотров: 102

Время просмотра: 0

В быстро меняющемся мире высоких технологий в настоящее время начинается новый этап технического переоснащения. Наиболее перспективные области науки и техники (термоядерная энергетика, биотехнологии и медицина, космос, управление климатом, геология и т.п.) требуют все возрастающего объема компьютерных вычислений. Отдельные компании и страны в целом, не обладающие адекватными вычислительными мощностями, начинают отставать от своих конкурентов. Прочное лидерство в области производства суперкомпьютеров в настоящее время принадлежит Японии и США, и затраты на воспроизводство аналогичных технологий столь велики, что даже западноевропейские страны не могут себе их позволить.

 

 

Развитие инновационных компонентов экономики значительно увеличивает роль математического моделирования природных, экономических и технологических процессов. Моделирование предоставляет возможность оперативного выбора оптимальных путей и решений и при этом требует значительно меньших ресурсов, чем проведение экспериментов в реальных условиях, а иногда является и безальтернативным. Такое моделирование, в свою очередь, невозможно без использования высокопроизводительных информационно-вычислительных систем (ВИВС).

 

ВИВС необходимы не только для фундаментальных научных исследований, разработки новых подходов (дизайна и производства), создания сложных изделий и систем в промышленности, но и, что более важно, для  контроля безопасности их функционирования и применения человеком в условиях все нарастающей их сложности. Во многих отраслях взаимодействие человека с промышленными и транспортными системами, принятие решений в сложных, кризисных ситуациях стало невозможно без ВИВС. Без применения ВИВС затруднительно или невозможно точное и достоверное инженерное и научное моделирование процессов и систем в ключевых отраслях:

  • в структурах государственного управления – для проведения долгосрочного прогнозирования экономического развития, мониторинга и прогноза экологической обстановки в регионах;
  • для решения задач Министерства по чрезвычайным ситуациям при проведении анализа развития событий в случае катастроф природного или техногенного характера;
  • для решения задач Министерства обороны в части проведения аналитических исследований и ситуационного моделирования;
  • в машиностроительной промышленности для определения оптимальных конструкторских и технологических решений, обеспечения необходимого уровня промышленной и транспортной безопасности;
  • в фармацевтической промышленности, где необходима ускоренная разработка важнейших лекарственных средств, невозможная без применения результатов исследований по расшифровке генома человека и детального понимания взаимодействия протеинов;
  • в медицине – для решения задачи ранней диагностики и успешного лечения опасных болезней;
  • в экологии – для точного прогнозирования погоды, локальных климатических катастроф и глобальных климатических изменений; для контроля состояния и изменений экологической среды человека и живых организмов в пределах городов и в природе;
  • в современном материаловедении при разработке новых революционных материалов для промышленности;
  • при обеспечении сейсмической безопасности и для исследований и разведки энергетических ресурсов;
  • при решении масштабных информационных задач в любых отраслях, для оптимизации управления энергетическими системами;
  • в фундаментальной науке – для решения сложных проблем физики, в космических исследованиях, в биологии, химии.

 

Рынок ВИВС был всегда наиболее емким сегментом ИТ-рынка (до 17% рынка серверных систем) с точки зрения инновационной и инвестиционной привлекательности для российских и зарубежных коммерческих компаний, зарубежных компьютерных корпораций, стремившихся к освоению рынка и расширению своего присутствия на нем.

 

Однако за последние два года интенсивного внедрения однотипных платформ кластерного типа рынок России в сегменте высокопроизводительных систем практически полностью утратил свой инновационный потенциал. Это связано с тем, что практически все проекты, за исключением нескольких, свелись к закупке и интеграции общедоступных компонентов.

В результате передовые производители суперкомпьютеров стали рассматривать рынок в России с исключительно конъюнктурной, чисто коммерческой точки зрения – как потребительский рынок компонентов для больших систем, не имеющих прикладного смысла, где действует единственный критерий – стоимость теоретической (пиковой) операции и рейтинг машины в престижном списке. Эффективность такого рода инвестиций приближается к нулю.

 

Отраслевые инвестиции в ВИВС (как ведомственные, так и коммерческие) до сих пор в лучшем случае давали значимые для конкретной отрасли результаты. Эти инвестиции, как правило, приводили к масштабным (по российским стандартам) расходам на ВИВС, которые не давали ощутимого результата для государства, пользователей, коммерческих организаций, выраженного в эффективности практического применения. Причина – в отсутствии единой политики и самой постановки задачи на построение оптимального, промышленно применимого вычислительного ресурса и создание инфраструктуры его развития и использования, что является наиболее содержательной и в то же время трудной задачей. Эта задача решается только в альянсе с лидерами промышленного и делового сообщества при поддержке и участии передовых групп системных и прикладных экспертов и инженеров – разработчиков ВИВС и их пользователей, при условии развития перспективных технологий и системы обучения.

 

Целесообразность долгосрочных инвестиций и исследований в ВИВС охватывает сферу национальных экономических и социальных интересов, выходящих за рамки ожиданий немедленной экономической отдачи, но дает первые результаты уже через год после начала работ. Речь идет о создании национальной инфраструктуры, которая будет оптимальна, доступна для промышленных инженеров, ученых-исследователей и молодого поколения специалистов и достаточно надежна и проста в использовании для гражданских применений.

 

Несмотря на высокий потенциал применения ВИВС, на практике существует комплекс проблем, ограничивающих востребованность таких систем и их применение.

 

  1. Создание ВИВС является достаточно дорогостоящим процессом, причем стоимость нелинейно возрастает с ростом производительности. Эта оценка справедлива не только для собственно вычислительных систем, но и для поддерживающей инфраструктуры.
  2. Расчеты с использованием ВИВС часто требуют применения дорогостоящих средств визуа­лизации и отображения результатов. В процессе  работы формируются гигантские объемы данных, которые в числовой форме человек просто не в состоянии осмыслить. Здесь во многих случаях необходимо обратиться к графической форме представления информации.
  3. Нагрузка на вычислительные центры часто носит переменный характер, при котором потребность в расчетных ресурсах может сильно изменяться с течением времени. Как следствие, при планировании вычислительных центров возникают либо проблемы при работе с пиковой производительностью, либо серьезная недозагрузка дорогостоящих ресурсов.
  4. ВИВС сегодня изолированы и ориентированы на технологии конкретных производителей, что делает их применение, с одной стороны, зависимым от планов производителей в развитии или свертывании данного направления, с другой стороны, затрудняет использование других платформ для решения аналогичных задач.
  5. Программирование ВИВС требует колоссальной экспертизы, усилий по синхронизации на уровне взаимодействия программных процессов и данных. Организация такой синхронизации вручную, при помощи прикладных интерфейсов, сложна и доступна экспертам самого высокого уровня с многолетним опытом в параллельных вычислениях.

 

Подготовка специалистов в области ВИВС требует работы на таких системах, а это доступно сегодня небольшому числу ВУЗов. Количество специалистов в этом случае не обеспечит массовое применение технологий высокопроизводительных вычислений.

 

В мировой практике для решения всех перечисленных выше проблем перешли от создания отдельных вычислительных центров с применением ВИВС к построению специализированных сетей высокопроизводительных вычислений на основе ГРИД -технологии. Сегодня проекты по созданию таких сетей проводятся в большинстве развитых стран и стран, уделяющих большое внимание инновационным направлениям экономики. В списке государств, использующих и развивающих собственные национальные и межнациональные инфраструктуры ГРИД, – страны Евросоюза, США, Япония, Бразилия, КНР.

 

Более того, все крупные производители программного и аппаратного обеспечения предлагают решения для ГРИД-инфраструктур (Sun, HP, IBM, Microsoft, Cisco, SAP, Oracle, NetApp и др).

 

Исторически ГРИД-системы были продолжением концепции распределенных (слабо связанных) вычислительных архитектур (кластеров). Фактически эта концепция была распространена на гео­графически распределенные системы с включением в ресурсный пул широкого множества вычислительных, измерительных, информационных и других устройств и комплексов. В последствии она получила свое окончательное оформление в идее «виртуальных организаций» в ГРИД-системе, предполагающей не только технологические соглашения (утилиты, протоколы и интерфейсы разного уровня), но и определенные организационные соглашения (политику), определяющие принципы и условия работы коллективов в единой проектной среде. Эволюция ВИВС и ГРИД приведена на Рис. 1.

 

Рис. 1. Эволюция ВИВС

 

Основное преимущество сети высокопроизводительных вычислений перед отдельными вычислительными центрами состоит в возможности обеспечить широкий круг пользователей специализированными услугами, позволяющими им использовать ВИВС за счет виртуализации вычислительных ресурсов. При этом благодаря специализированной сетевой инфраструктуре появляется возможность централизованно решать вопросы обеспече­ния непрерывности функционирования сис­те­мы, информационной безопасности, качества предоставляемых услуг.
Динамическое перераспределение ресурсов единого информационно-вычислительного пула позволит существенно повысить полезную нагрузку на те системы, которые в настоящее время используются с крайне низкой эффективностью.

 

Таким образом, создание сети высокопроизводительных вычислений (ГРИД) позволяет обеспечить большую эффективность использования ВИВС, расширить круг пользователей этих технологий, обеспечить широкое использование научно-технического потенциала и компетенции каждого из вычислительных центров, а также существенно ускорить процесс внедрения инновационных технологий во многих отраслях.

 

Анализ зарубежного опыта показывает две важные тенденции в развитии мирового «течения» ГРИД:

 

  • исследования в области ГРИД и построения для них различных инфраструктур происходит при активном  участии государства;
  • вся основная инфраструктура (центры обработки и передачи данных, рабочие группы, научно-исследовательские лаборатории) строится на основе университетов.

 

В первом случае это обосновывается «стратегической перспективой», которой можно обладать, активно занимаясь развитием ГРИД-тематики в стране.

 

Во втором случае это объясняется историчес­ким наличием на базе университетов (зарубежных) развитой инфраструктуры (серверной части, сети передачи данных, специализированных помещений, гибкой политикой производителей по отношению к университетам и т.д.), а также квалифицированным персоналом, способным ставить и проводить сложные научные исследования и эксперименты.

 

Таким образом, развитие тематики ГРИД в государстве может являться стратегической задачей, дающей как мощный потенциал к развитию,  обеспечивающей «паритет» и конкурентные преимущества в мировом обществе.

 

С другой стороны, ГРИД-технологии в той или иной степени используют ведущие машиностроительные, компьютерные, фармацевтические, нефте-/газодобывающие и финансовые корпорации. Это доказывает «бизнес-пригодность» ГРИД для коммерческого использования.

 

Главным эффектом от строительства и использования ГРИД-системы в масштабах государства может стать широкое внедрение технологий применения высокопроизводительных информационно-вычислительных систем, обеспечивающих ускоренное развитие инновационных отраслей экономики. Экономический эффект от использования ГРИД-систем определяется следующими основными факторами:

 

  • оптимизация использования существующих вычислительных ресурсов посредством разработки и внедрения нового подхода к выполнению приложений в распределенной среде информационных и вычислительных ресурсов;
  • отказ от технического и натурного моделирования для сложнейших исследовательских и инженерных систем и сокращение циклов внедрения;
  • практичность сервисов ГРИД для широкого круга коммерческих компаний и бизнес-задач (бизнес-моделирование и анализ систем обработки транзакций и поддержки принятия решений), в которых ключевыми параметрами являются гарантия «качества сервиса» предоставляемых ресурсов, безопасности, а также высокая надежность и,   соответственно, высокий потенциал системы ГРИД с точки зрения привлечения коммерческих инвестиций;
  • востребованность разработок для ВИВС в мире, что дает шанс России осуществить прорыв в области применения распределенных информационно-вычислительных технологий и систем – фактически в единственном сегменте высоких «суперкомпьютерных» технологий, где у России остался шанс быть не просто конкурентоспособной, но и оказаться на передовом рубеже прогресса.

 

В России результатами внедрения и использования ГРИД-технологий и систем могут стать:

 

  • развитие и реализация российского потенциала в области информационных технологий, активное участие Российской Федерации в международной научно-технической кооперации;
  • расширение круга пользователей технологий высокопроизводительных вычислений, снижение стоимости таких работ и преодоление «цифрового неравенства» в этой области, особенно в отдаленных регионах России;
  • создание и развитие инновационной инфраструктуры.

 

Развитие и использование ГРИД-технологий в государстве и обществе окажет позитивное воздействие на развитие рынка информационных и вычислительных технологий и систем как в его массовом сегменте (в перспективе), так и в специфических сегментах (высокопроизводительных программно-аппаратных системах), а также выразится в создании новой перспективной программной технологии.

Уведомления об обновлении тем – в вашей почте

Спасибо!
Вы подписались на обновления наших статей
Предложить
авторский материал





    Спасибо!
    Вы подписались на обновления наших статей
    Подписаться
    на тему







      Спасибо!
      Вы подписались на обновления наших статей
      Оформить
      подписку на журнал







        Спасибо!
        Вы подписались на обновления наших статей
        Оформить
        подписку на новости







          Спасибо!
          Вы подписались на обновления наших статей
          Задать вопрос
          редактору








            Оставить заявку

            Мы всегда рады ответить на любые Ваши вопросы

            * Обязательные поля для заполнения

            Спасибо!

            Благодарим за обращение. Ваша заявка принята

            Наш специалист свяжется с Вами в течение рабочего дня