ФТИ им. А.Ф. Иоффе: Суперкомпьютерные вычисления для прогресса в управляемом термоядерном синтезе и астрофизике

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) провёл на своей площадке мероприятие, посвященное суперкомпьютерным вычислениям для прогресса исследований по управляемому термоядерному синтезу и астрофизике. Эти и целых ряд других сложных научных задач решаются сотрудниками ФТИ им. А.Ф. Иоффе с помощью вычислительных ресурсов нового суперкомпьютера «РСК микроЦОД», установленного в институте специалистами группы компаний РСК в сентябре 2020 г.

«Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, история которого уже перешагнула 100-летний рубеж и давший стране двух Нобелевских лауреатов – академиков Н.Н. Семенова и Ж.И. Алферова – с целой плеядой не менее великих ученых, всегда был на переднем крае фундаментальных и прикладных исследований в важнейших областях физики и технологий. В последние 10-20 лет в мире резко возросли требования к скорости разработки инновационных направлений с целью их применения в современной жизни человечества и во благо будущих поколений. Поэтому для нашего института было очень важно получить в распоряжение своих научных лабораторий и секторов такой современный и мощный инструмент для решения актуальных научных и технологических задач, каким является суперкомпьютер «РСК микроЦОД», – отметил во вступительном слове директор ФТИ им. А.Ф. Иоффе, доктор физ.-мат. наук, профессор Сергей Викторович Иванов.

Энергия Солнца на благо человечества

В течение почти уже 100 лет ученые всего мира бьются над решением проблемы, связанной с получением неиссякаемого источника энергии с помощью термоядерного синтеза. Задача создания контролируемой среды, в которой ядра атомов смогут непрерывно сливаться под экстремальными давлением и температурой для выделения энергии, невероятно сложна. Синтез и деление — два совершенно разных процесса производства ядерной энергии. Суть термоядерного синтеза состоит в объединении легких атомов в более крупные, а в основе широко известного ядерного деления – разрыв атома (обычно Урана) путем обстрела его нейтронами (так называемая, цепная реакция). Оба эти процесса дают огромное количество энергии, но ядерный синтез, при прочих равных, позволяет получить ее гораздо больше. Фактически, он равнозначен воссозданию процессов, которые происходят на Солнце и дают огромное количество энергии.

Среди других преимуществ термоядерного синтеза – он не приводит к образованию долговременных ядерных отходов, а все-таки имеющая место часть отходов может быть переработана за 100 лет без вреда для экологии. Также при синтезе нет опасности расплавления реактора или возникновения ядерной аварии, так как этот процесс основан на высокотемпературных реакциях, которые охлаждаются в течение нескольких секунд после его прекращения.

Для решения задачи получения управляемого термоядерного синтеза сейчас ведущими учеными во всем мире применяется подход, который заключается в использовании магнитных полей для удержания двух тяжелых форм водорода, дейтерия и трития, в устройстве, которое называется токамак. Это устройство состоит из ряда катушек, размещенных вокруг реактора в форме тора, в котором плазма нагревается до миллионов градусов с помощью сильного внутреннего тока. Задача состоит в удержании плазмы в таком интервале времени, чтобы произошло слияние ядер и выделение энергии.

Одним из основных способов достижения высокой температуры, необходимой для запуска термоядерной реакции в плазме токамака, является её нагрев с помощью высокочастотных (ВЧ) волн. Для описания взаимодействия ВЧ волн с плазмой токамака применяются модели, основанные на решении уравнений Максвелла. Поскольку плазма в токамаке – это сложный объект, являющийся по своим электродинамическим свойствам анизотропным и к тому же существенно неоднородным в двух (а иногда и в трёх) измерениях, то наиболее адекватным является использование численных методов решения этих уравнений. В лаборатории физики высокотемпературной плазмы ФТИ им. А.Ф. Иоффе разработан полноволновой электродинамический код, позволяющий получить полную трёхмерную картину распространения и поглощения ВЧ волн в плазме токамака. Для решения этой задачи требуются большие вычислительные мощности, причём ее сложность быстро возрастает с увеличением размера токамака.

Перспективы использования нового вычислительного кластера «РСК микроЦОД» для расчётов взаимодействия высокочастотных волн с плазмой токамака раскрыл в своем докладе Михаил Александрович Ирзак, старший научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе, кандидат физ.-мат. наук. «Мы проводили расчёты для малого токамака ФТ-2 (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург) и для токамака среднего размера Т-15МД (Курчатовский институт, Москва). Использование нового мощного вычислительного кластера ФТИ позволит нам проводить двумерные вычисления для токамаков больших размеров, и даже реализовать полную трёхмерную модель», – подчеркнул он.

Через тернии к звездам и пульсарным туманностям

О реализации многомасштабного количественного моделирования наблюдаемой структуры и нетепловых спектров пульсарных туманностей рассказал Алексей Евгеньевич Петров, научный сотрудник Лаборатории астрофизики высоких энергий ФТИ им. А.Ф. Иоффе, кандидат физ.-мат. наук. Он представил новые результаты уникального магнитогидродинамического моделирования структуры течений и магнитных полей пульсарных туманностей Vela и PSR B1929+10, а также модельные карты синхротронного излучения для Vela и PSR J0437-4715. Кроме того, было проведено кинетическое моделирование (на основе метода Монте-Карло) спектров позитронов и электронов, ускоренных в пульсарных туманностях ряда быстродвижущихся пульсаров. Эти результаты были достигнуты благодаря использованию суперкомпьютерных ресурсов вычислительного кластера «РСК микроЦОД». Более того, разработанные модели позволяют воспроизвести ряд морфологических и спектральных свойств исследуемых пульсарных туманностей.

«РСК микроЦОД» в ФТИ им. А.Ф. Иоффе

В сентябре 2020 года специалисты группы компаний РСК установили новую сверхкомпактную суперкомпьютерную систему класса «РСК микроЦОД» в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге, которая сразу же вошла в рейтинг Top50 самых мощных суперкомпьютеров России и СНГ на 46-й позиции. Ее пиковая производительность составляет 92,16 ТФЛОПС, а максимальная производительность на индустриальном тесте LINPACK – 66,13 ТФЛОПС.

«РСК микроЦОД» – быстро завоевывающее популярность решение, представляющее собой сверхкомпактный, энергоэффективный и полностью готовый к работе центр обработки данных в одной стойке, устанавливаемый в любые, практически неподготовленные, помещения. Это решение было выбрано ФТИ им. А.Ф. Иоффе вследствие существующих ограничений для серверных помещений и лимита на подведенное электропитание. При необходимости этот программно-аппаратный комплекс позволяет при нехватке вычислительной мощности запускать решаемые задачи во внешних суперкомпьютерных центрах.

Такой ЦОД состоит из поля вычислительных узлов «РСК Торнадо» со 100% жидкостным охлаждением, возможных компонентов с воздушным охлаждением и всей инфраструктуры системы охлаждения, размещенных в одном шкафу. Это решение может масштабироваться от нескольких до 32-х или 51-го узла, работающих под управлением системы управления и мониторинга на базе интегрированного программного стека «РСК БазИС».

«РСК микроЦОД» в ФТИ им. А.Ф. Иоффе построен на базе 20-ти вычислительных узлов с высокопроизводительными серверными процессорами Intel Xeon Scalable 2-го поколения (модели Intel Xeon Gold 6248R), а также серверных плат Intel Server Board S2600BPB и твердотельных дисков Intel SSD. Для высокоскоростной передачи данных между вычислительными узлами используется технология коммутации Intel Omni-Path.

Система «РСК микроЦОД» может быть легко расширена и модернизирована с помощью узлов «РСК Торнадо» на базе нового процессора Intel Xeon Scalable 3-го поколения и модулей энергонезависимой памяти Intel Optane серии 200. Процессоры Intel Xeon Scalable 3-го поколения позволяют получить 50-60% прирост производительности для ключевых ресурсоемких приложений, требующих высокопроизводительных вычислений.

Универсальное высокоплотное и энергоэффективное решение «РСК Торнадо»

Специалистами РСК накоплен уникальный опыт разработки, создания и эксплуатации высокоплотных и энергоэффективных суперкомпьютерных комплексов, де-факто компания является мировым технологическим лидером в этой области.

Решение «РСК Торнадо» на базе серверных процессоров Intel обладает передовыми показателями компактности и вычислительной плотности (до 153 узлов в одном стандартном шкафу 42U), высоким уровнем энергоэффективности, а также обеспечивает возможность стабильной работы вычислительных узлов в режиме «горячая вода» при температуре хладоносителя до +65 ⁰С на входе в вычислительные узлы и коммутаторы. Работа в режиме «горячая вода» для данного решения позволяет применить круглогодичный режим free cooling (24x365), используя только сухие градирни, работающие при температуре окружающего воздуха до +50 ⁰С, что, в свою очередь, позволяет полностью избавиться от чиллеров. В результате среднегодовой показатель PUE системы, отражающий уровень эффективности использования электроэнергии, составляет менее чем 1,06, что является одним из лучших для HPC-индустрии.

Высокая доступность, отказоустойчивость и простота использования вычислительных систем, созданных на базе решений РСК для высокопроизводительных вычислений, также обеспечиваются благодаря передовой системе управления и мониторинга на базе интегрированного программного стека «РСК БазИС». Эта система является открытой и легко расширяемой платформой, созданной на основе ПО с открытым исходным кодом и микроагентной архитектуры.

Она позволяет осуществлять управление как центром обработки данных в целом, так и отдельными его элементами, такими как: вычислительные узлы, коммутаторы, инфраструктурные компоненты, задачи и процессы. Все элементы комплекса (вычислительные узлы, блоки питания, модули гидрорегулирования и др.) имеют встроенный модуль управления, что обеспечивает широкие возможности для детальной телеметрии и гибкого управления.

Конструктив шкафа позволяет заменять вычислительные узлы, блоки питания и модули гидрорегулирования (при условии применения резервирования) в режиме горячей замены без прерывания работоспособности комплекса. Большинство компонентов системы (таких, как вычислительные узлы, блоки питания, сетевые и инфраструктурные компоненты и т.д.) являются программно-определяемыми, что позволяет существенно упростить и ускорить как начальное развертывание, так и обслуживание, и последующую модернизацию системы. Жидкостное охлаждение всех компонентов обеспечивает длительный срок их службы.

В составе «РСК БазИС» имеются функциональные возможности по мониторингу и управлению территориально распределенными центрами обработки данных.

www.ioffe.ru  и  www.rscgroup.ru