Исследование и разработка методов создания проблемно-ориентированных библиотек для суперкомпьютеров гибридной архитектуры
- Номер контракта: 07.514.11.4014
- Приоритетное направление: Стратегические компьютерные технологии и программное обеспечение
- Критическая технология: Технологии распределенных вычислений и систем
- Период выполнения: 19.08.2011 — 02.08.2012
- Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт программных систем им. А.К. Айламазяна Российской академии наук
- Ключевые слова: суперкомпьютеры, параллельное программирование, распределенная память, многоуровневая память, гибридные системы, гибридные вычисления, ускорители вычислений
1. Цель исследования, разработки
Задача проекта — разработка научно-технического задела в области создания сверхмасштабируемого программного обеспечения (ПО) суперкомпьютеров, ориентированного на эффективное функционирование на вычислительных системах со сверхвысокой степенью параллельности и экзафлопсным уровнем производительности в тематической области “Информационно-телекоммуникационные системы”. Целью НИР является разработка методов создания проблемно-ориентированных библиотек, предназначенных для упрощения программирования коммуникаций в суперкомпьютерах, в состав которых входят ускорители вычислений, такие как GPGPU или FPGA (гибридных суперкомпьютерах), и на их основе разработка экспериментального образца программного обеспечения (ЭО ПО) — проблемно-ориентированной библиотеки, предназначенной для программирования прикладных задач из области вычислительной механики на гибридных суперкомпьютерах.
2. Основные результаты проекта
Выполнен аналитический обзор информационных источников в области программных средств поддержки программирования на современных суперкомпьютерах, наиболее близких к разрабатываемого подходу. Проведен анализ задачи горения как типовой задачи вычислительной механики, на которой выявляются проблемы организации данных, и выделены коммуникационные шаблоны.
Выполнена реализация ЭО ПО библиотеки CENTAUR — библиотеки коллективных коммуникационных операций для решения проблемно-ориентированного класса задач вычислительной механики типа задач горения. Разработана программная документация ЭО ПО библиотеки CENTAUR. В соответствии с разработанной программой и методикой проведены исследовательские испытания ЭО ПО.
Разработана методика по созданию проблемно-ориентированных программных библиотек, предназначенных для упрощения программирования коммуникаций в гибридных суперкомпьютерах, в состав которых входят ускорители вычислений, такие как GPGPU или FPGA, при реализации задач вычислительной механики.
Выполнялось сопровождение специализированного открытого веб-сайта по тематике проекта.
- Проведены обобщение и оценка полученных результатов. Подготовлен отчет о НИР.
- Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных НИР в реальном секторе экономики и проект ТЗ на проведение ОКР по теме «Разработка инструментального программного обеспечения гибридных суперкомпьютеров для повышения продуктивности разработки параллельных программ и повышения их эффективности».
Проведены патентные и маркетинговые исследования. Выполнена оценка РИД, полученных при выполнении НИР.
Новизна полученных решений заключается в выборе при реализации библиотеки CENTAUR методов для разрешения противоречия между требованиями продуктивности программирования, эффективности выполнения программ и универсальности применения. Повышение продуктивности программирования и эффективность реализации программ достигается за счет проблемной ориентации на задачи вычислительной механики и отказа от универсальности. Новое качество достигается за счет того, что, с одной стороны, библиотека CENTAUR дает прикладному программисту средства явного описания распределения данных и вычислений между процессами, с другой стороны, перемещение данных производится библиотекой автоматически, неявно для программиста.
Сопоставление с аналогичными работами мирового уровня. Разработка программных библиотек для автоматизации программирования различных классов вычислительных задач на гибридных суперкомпьютерах является актуальной темой в связи с бурным распространением ускорителей вычислений: как графических, так и основанных на программируемых логических интегральных схемах. Основным отличием известных работ является ориентация на ускорители определенного типа и установка на универсальность средств относительно различных классов задач. Например, наиболее близкая разработка — библиотека StarPU (INRIA, Франция) предназначена для исполнения кода на графических ускорителях или в центральном процессоре и позиционируется как универсальный инструмент. Отличием разрабатываемой методики и библиотеки CENTAUR от известных работ является возможность эффективной реализации интерфейса на ускорителях разного типа, с одной стороны, и проблемная ориентация на определенные классы сеточных задач вычислительной механики, с другой стороны. На основе ранее выполненных обзора научно-технической литературы и патентных исследований сделан вывод, что ни одна из работ не дает аналогичных средств автоматизации программирования эффективного перемещения данных в гибридных суперкомпьютерах.
3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках исследования, разработки
Свидетельство № 2012616844 о государственной регистрации программы для ЭВМ "Коммуникационная библиотека Centaur v.1.0". Дата регистрации 01.08.2012.
4. Назначение и область применения результатов проекта
Результаты НИР могут быть использованы для проведения ОКР, направленных на создание эффективных параллельных программ для гибридных суперкомпьютеров. Результаты могут быть использованы организациями, занимающимися разработкой параллельных программ для суперкомпьютеров для повышения продуктивности и надежности программирования гибридных суперкомпьютеров при сохранении высокой эффективность.
5. Эффекты от внедрения результатов проекта
Разрабатываемые методы программирования суперкомпьютеров и ЭО ПО должны обеспечивать уменьшение трудозатрат при разработке эффективных параллельных программ для решения больших вычислительных задач на гибридных суперкомпьютерах.
6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта
Возможные формы коммерциализации полученных результатов: заключение лицензионных до-говоров, заключение договоров уступки прав на РИД.