Ю.Я. Болдырев,СПбГПУ                                                

На протяжении XX века произошла смена технологических  укладов, от уклада, характеризуемого массовым использованием паровых двигателей в начале века, до технологического уклада массового применения компьютерных технологий. 

Суперкомпьютерные технологии

Под суперкомпьютерными технологиями понимают совокупность трех составляющих:

— технологии разработки и создания суперкомпьютеров;

— технологии разработки и развития системного и прикладного программного обеспечения для суперкомпьютеров;

— технологии для проблемно ориентированного применения суперкомпьютеров.

Большинство направлений инженерной деятельности по разработке машин, систем и технологий связано с естественнонаучными отраслями знания. Последние образуют области, которые принято считать фундаментальными основами инженерного знания: механика сплошных сред, аэрогидродинамика, механика твердого и деформируемого тела и т. д. Особо, в силу значительной вычислительной ресурсоемкости, выделяют методологию решения задач о движении жидкостей и газов, с которыми связаны подавляющее большинство задач живой и неживой природы, — от течения крови по сосудам, до движения межгалактических газовых облаков, а в инженерных задачах большинство процессов в машинах и механизмах. Исходя из этого, часто конструируют суперкомпьютеры, ориентированные на преимущественное решение задач динамики жидкости и газа. Так, один из наиболее мощных суперкомпьютеров первого десятилетия XXI века —  Blue Gene фирмы IBM учитывает особенности решения такого рода задач.

Компьютерные технологии и развитие промышленности во второй половине XX века

Сущность CALS (или PLM) технологий состоит в попытке описать и систематизировать в рамках компьютерных технологий производственные и иные процессы, в которых рассматривается жизнь любого изделия от идеи его создания, проектирования, изготовления, через период эксплуатации и обслуживания, заканчивая утилизацией. При такой широкой постановке задачи CALS технологии содержат в себе массу экономических, управленческих и иных проблем, которые, конечно, также составляют важные аспекты инженерного образования.

CALS технология включает цепочку CAD/CAE/CAM технологий (Computer Aided Design/Engineering/Manufacturing — проектирование, инженерный анализ и передача его итогов в производство).

Суперкомпьютерные технологии и инженерный анализ

Развитие суперкомпьютерных технологий c позиций чисто вычислительных мощностей (ресурсов) привело в наши дни научное и инженерное сообщество к возможности ставить и решать классы естественнонаучных и инженерных задач, которые были немыслимы для инженеров и исследователей 15 — 20 лет назад.

Что же нового привнесла суперкомпьютерная реализация CAE технологий компьютерного инжиниринга в промышленность? Вычислительная мощность — главная черта таких технологий — привела к принципиально новому качеству их применения в инженерной практике. Появилась возможность решать междисциплинарные задачи, которые по своей постановке близки к задачам реального физического мира, мира машин, механизмов и систем, создаваемых в сфере промышленного производства.

Примером характерной задачи, демонстрирующей эффективность применения больших вычислительных ресурсов, является расчет течения в проточной части турбины Саяно-Шушенской ГЭС, которая решалась в Лаборатории прикладной математики и механики СПбГПУ. Расчёт проводился в течение 3-х месяцев на 6 узлах вычислителя, то есть с использованием24 процессоров. Область течения разбивалась на 24 части с числом расчетных узлов в 5624563.

В качестве второго примера приведем расчеты процессов горения, выполненные в рамках магистерской работы на кафедре «Математическое и программное обеспечение высокопроизводительных вычислений» Физико-механического факультета. Рассматривалось численное моделирование пламени, которое является эталонным. Было выбрано пламя из «архива» Ливерморской Национальной Лаборатории США (Sandia National Laboratories (Livermore, California, USA). Число Рейнольдса Re, характеризующее  процесс течения газов, сопровождающих горение в этой задаче равно 22400, то есть оно много больше его критического значения, равного примерно 1000, при котором течение становится  турбулентным, т. е. рассматриваемое течение заведомо турбулентно. Расчет занял 5 недель на 15 узлах кластера (на 60 процессорных ядрах) для одной из моделей горения, при этом в процессе этого расчета было сделано около 450000 итераций.

Приведем еще один пример, носящий ярко выраженный характер прорывных разработок, которые могут быть реализованы только с использованием суперкомпьютеров. Проектирование и многокритериальная оптимизация авиационного двигателя на нестационарных режимах работы. Решение задачи потребует полной загрузки наиболее мощного на сегодняшний день отечественного суперкомпьютера «Ломоносов» на протяжении семи лет. Заметим, что производительность «Ломоносова» составляет в пиковом режиме свыше 1 PFlops, поэтому для решения такого класса задач в приемлемые для промышленного производства сроки требуются вычислительные системы с производительностью не менее, чем 1000 раз выше, то есть системы производительностью порядка 10¹⁸ операций в секунду с плавающей точкой («экзафлопсные» системы).

Суперкомпьютерные технологии и их роль в инженерном образовании

Центральной проблемой, обуславливающей трудности и вопросы, встречающиеся на пути широкого внедрения суперкомпьютерных технологий в инженерное образование, является их универсальный и всеобъемлющий характер. Сущность этой универсальности заключается в том, что суперкомпьютерные технологии позволяют в максимальном объеме реализовать технологии математического моделирования. А это, в свою очередь, дает возможность ставить и решать во всей полноте междисциплинарные задачи, которые, как указывалось, дают возможность весьма близко подойти к описанию реального физического мира.

Такое высокое качество описания явлений природы и мира техники, требует и все более высокого уровня освоения инженерным сообществом фундаментальных основ инженерного знания. Именно здесь «кроется» проблема слабого внедрения суперкомпьютерных технологий в инженерное образование, — высшая техническая школа, в своем подавляющем большинстве, не готова к радикальной и быстрой перестройке учебного процесса на такие технологии.

Полномасштабное внедрение CAE-технологий в их связке с CAD/CAM и внедрение суперкомпьютерных технологий, революционно изменяющих процесс инженерной деятельности, требует радикальной перестройки образовательного процесса подготовки инженерных кадров. Сущность этой перестройки состоит в том, что инженерная деятельность, в рамках названных технологий приобретает исследовательский характер.

Практически массовым и в некоторой мере устоявшимся стало преподавание CAD-систем различного уровня, на основе которых формируется некоторый образ будущего изделия. В ряде вузов имеется и определенный опыт преподавания CAM-систем. Хуже обстоит дело с преподаванием CAE-технологий компьютерного инжиниринга, причем как с их изучением в виде универсального вычислительного инструментария, так и с их использованием для проведения на качественно новом уровне практических, лабораторных и курсовых работ по очень большому числу курсов. К числу технологий компьютерного инжиниринга естественно отнести комплексы уровня ANSYS Mechanical, ANSYS Fluent и др., которые по уровню их массового использования считаются программными комплексами мирового уровня и позволяют строить учебный процесс для следующих общеобразовательных дисциплин:

 — механика жидкости газа;

 — механика твердого и деформируемого тела;

 — основы тепло и массообмена;

 — вычислительная гидроаэромеханика;

 — вычислительная механика и т. д.

Очевидно, что этот список может быть продолжен с большей предметной ориентацией на другие группы инженерных дисциплин. Заметим, что практически все дисциплины из приведенного списка, при рассмотрении серьезных постановок задач, требуют большого вычислительного ресурса, а значит и использования суперкомпьютеров.

Но использование CAE-технологий в их полномасштабной связке с CAD/CAM — есть только один из сегментов того, что в недалеком будущем станет основой нового содержания инженерного образования. Это содержание должно включать в себя преподавание реализованной в суперкомпьютерном варианте группы дисциплин, в основе которых лежит триада CAD/CAE/CAM технологий. Задача ведущих технических вузов состоит в том, чтобы, предложить концепцию инженерного образования на базе суперкомпьютерных технологий и определить группы дисциплин, которые будут составлять некоторую основу такого образования.

Сегодня, Санкт-Петербургский политехнический университет подготовил проект создания Суперкомпьютерного центра на базе вуза, который подержан Минэкономразвития, Минобрнауки и Минкомсвязи России и будет реализован в 2013-2014 гг. Важнейшим аспектом работы Суперкомпьютерного центра станет повышение качества учебной и научной работы, что позволит вузу готовить кадры мирового уровня с использованием наиболее передовых технологий, остро востребованных отечественным машиностроением.