Технологии Выпуск #14 2 августа 2021

Полторы сотни терафлопс для науки и учёбы

Сегодня производство авиационно-космической техники невозможно без применения технологий математического моделирования.

Полторы сотни терафлопс для науки и учёбы

Центр математического моделирования МАИ сегодня — это современная технологическая площадка, ведущая свою работу по трём направлениям: научно-исследовательская, образовательная деятельность и выполнение обязательств в рамках коммерческих контрактов в интересах крупнейших компаний, в том числе зарубежных.

В число заказчиков услуг Центра математического моделирования МАИ входят АО «Вертолёты России», ПАО «ОАК», АО «ОДК», ГК «Роскосмос», ГК «Ростех», АО «Технодинамика», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», COMAC и другие. Также поддерживается сотрудничество с компаниями Siemens, Dassault, «Аскон», «Топ Системы», центрами сертификации ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИ ГА, испытательными центрами, институтами РАН. Основные направления научной работы центра — мультифизическое моделирование, цифровой двойник, мультидисциплинарная многофакторная оптимизация сложных технических систем, весовая платформа, искусственный интеллект, системы с нечёткой логикой и раскрытие неопределённости.

В 2020 году Центр математического моделирования существенно расширил свои возможности: в его распоряжении появился новый суперкомпьютер производительностью более 152 терафлопс (1 трлн операций в секунду). Ранее для нужд МАИ использовался кластер на 5 терафлопс, а также арендовались вычислительные мощности АО «ЦСМ». Новая многопроцессорная система позволяет при нарастающих потребностях университета обеспечить оптимальный баланс между собственными и арендуемыми вычислительными ресурсами и минимизировать данную статью расходов.

Современные возможности

Сегодня производство авиационно-космической техники невозможно без применения технологий математического моделирования. Модельно-ориентированный подход к проектированию позволяет многократно сократить количество натурных испытаний, частично переведя их в цифровой формат, выявить и устранить потенциальные отказы разработок и эффективно управлять жизненным циклом изделия. Суперкомпьютер задействован в выполнении всех основных задач маёвского Центра матмоделирования, которые связаны с проектированием, испытаниями, сертификацией и эксплуатацией авиационно-космической техники, созданием и внедрением прорывных технологий в этих областях, а также подготовкой высококвалифицированных кадров для авиационной и смежных отраслей. В 2020 году Центр математического моделирования МАИ совместно с Центральным аэрогидродинамическим институтом имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ) и другими партнёрами стал участником научного центра мирового уровня «Сверхзвук», созданного в рамках национального проекта «Наука». Главная цель данного объединения — формирование базы фундаментальных знаний, необходимых для развития технологий сверхзвукового пассажирского самолёта.

— Одним из наших приоритетов на сегодняшний день является решение задач в рамках данного проекта, в том числе с применением методов суперкомпьютерного моделирования, — рассказывает руководитель Центра математического моделирования МАИ Дмитрий Стрелец. — В этот перечень входят моделирование аэродинамических характеристик самолёта, воздействия звукового удара, поведения конструкции планера, вредных выбросов и акустических нагрузок. Это новые задачи, для которых должны быть созданы новые модели, проведена их широкая верификация и валидация, и наши вычислительные мощности будут задействованы в этой научно-исследовательской работе.

В рамках коммерческой деятельности центра развивается ряд проектов, связанных с сокращением объёмов лётных и наземных испытаний воздушных судов. Одно из важнейших направлений — создание широкофюзеляжного дальнемагистрального самолёта CR929. Специалисты Центра матмоделирования задействованы в таких работах, как расчёт статической и динамической прочности конструкции, моделирование аэроупругости, определение нагрузок, расчёт шума и поведения самолётных систем.

— Если раньше для решения данных задач, как правило, использовались упрощённые модели, вводились ограничения, то суперкомпьютер позволяет расширить применение математического моделирования на практике, повысить достоверность решения и получать результаты в приемлемые с точки зрения проекта сроки, — подчеркивает Дмитрий Стрелец.

Помимо этого, суперкомпьютер является одним из инструментов обучения в новой магистратуре Московского авиационного института — «Технологии суперкомпьютерного моделирования сложных технических систем». Магистратура открыта в 2020 году Центром матмоделирования совместно с IT-центром МАИ, институтом № 8 «Информационные технологии и прикладная математика» и Институтом системного программирования РАН. Студенты смогут использовать мощности сверхпроизводительной машины на практических занятиях, во время работы над темами диссертаций и т.д.

Технические решения

Разработчиком высокопроизводительного вычислительного комплекса контейнерного типа с полной автономностью является компания «Ниагара Компьютерс». Основными направлениями ее деятельности являются проектирование и создание центров обработки данных, разработка импортозамещающих решений, высокопроизводительных вычислительных кластеров и систем хранения данных.

Новый суперкомпьютер располагается в модульном центре обработки данных (МЦОД) производства российской компании GreenMDC.

— МЦОД был изготовлен и протестирован на производстве в Санкт-Петербурге в течение 16 недель, после чего был доставлен в Москву на площадку МАИ, где его собрали и запустили в эксплуатацию, — объясняет директор по развитию бизнеса GreenMDC Михаил Шумай. — Благодаря слаженной работе компаний GreenMDC, «Ниагара Компьютерс» и команде из МАИ проект удалось реализовать в кратчайшие сроки, даже несмотря на ограничения, связанные с пандемией COVID-19. Размер Центра обработки данных составляет 3,2 × 12 × 3 м, он разделён на тамбур и машинный зал. Задачу отвода теплоизбытков выполняют три кондиционера, а стабильное электроснабжение обеспечивается за счёт модульного источника бесперебойного питания (ИБП) Delta общей мощностью 120 кВт. Непрерывная работа оборудования, питающегося от ИБП, может поддерживаться в течение 10 минут. Конструкция оборудована системами контроля доступа, видеонаблюдения и газового пожаротушения. Также предусмотрена система диспетчеризации, отслеживающая состояния всех инженерных систем МЦОД и оповещающая пользователей посредством рассылки писем и SMS.

— Это далеко не первый наш совместный проект с компанией GreenMDC, но однозначно наш первый суперкомпьютер в формате МЦОД, предназначенный для решения широкого спектра задач в авиационной промышленности с применением нейронных сетей и машинного обучения, — подчёркивает президент «Ниагара Компьютерс» Дмитрий Гаранов.

Новые горизонты

В ближайшие годы МАИ продолжит реализацию крупных проектов по российским и международным авиационным программам, для чего потребуются вычислительные мощности нового суперкомпьютера. План научных исследований включает в себя развитие работ по бессеточным методам, микромеханике, турбулентному горению, обледенению, а в будущем — по молекулярной и электродинамике, цифровым двойникам и связанному с ними мультифизическому моделированию.

— Мы существенно продвинулись в развитии собственных конкурентоспособных расчётных мощностей, — говорит директор дирекции перспективных научных программ МАИ Роман Клиновский. — При этом университет не останавливается на этом этапе, уже есть планы по дальнейшему увеличению мощностей оборудования.

До конца 2021 года возможности маёвского суперкомпьютера планируется расширить за счёт применения графических ускорителей. Мощность машины вырастет до 230-300 терафлопс, а её загрузка достигнет уровня 80%, что является хорошим показателем. Это позволит Московскому авиационному институту реализовывать свои проекты и вести подготовку будущих лидеров инноваций на более высоком уровне (например, проводить научные исследования и лабораторные работы для студентов магистратуры по таким направлениям, как нейронные сети и искусственный интеллект).

— Собственный суперкомпьютер такой мощности открывает множество возможностей для наращивания научно-исследовательского потенциала МАИ в области математического моделирования и цифрового проектирования, — заключает Роман Клиновский. — В частности, он позволит решать такие сложные многодисциплинарные задачи, как оптимизация летательных аппаратов, подробный расчёт аэроакустики самолёта, создание и разработка сверхзвукового пассажирского самолёта. Установка такого оборудования в МАИ — маленький шаг для инновационного развития страны и огромный шаг для нашего университета.

Юлия Мартынова