Полторы сотни терафлопс для науки и учёбы

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

Фото: Пресс-служба МАИ / Личный архив

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.

Фото: Пресс-служба МАИ / Личный архив

— 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.

Фото: Пресс-служба МАИ / Личный архив

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.

Фото: Пресс-служба МАИ / Личный архив

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