Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика
Все статьи: 306
Статья научная
В статье описывается оригинальный комплекс высокоуровневого синтеза, преобразующий последовательные программы в схемотехническую конфигурацию специализированных аппаратных средств для реконфигурируемых вычислительных систем. Из исходной последовательной программы строится абсолютно-параллельная форма - информационный граф. Далее, граф преобразуется в ресурсонезависимую параллельно-конвейерную форму - кадровую структуру, которую можно адаптировать к различному аппаратному ресурсу. Преобразование кадровой структуры в информационно-эквивалентную, но занимающую меньший аппаратный ресурс, структуру выполняется с помощью формализованных методов редукции производительности, что позволяет автоматически получить рациональное решение для заданной многокристальной реконфигурируемой вычислительной системы. В отличие от известных средств высокоуровневого синтеза результатом преобразования является не IP-ядро вычислительно-трудоемкого фрагмента, а автоматически синхронизированное решение прикладной задачи для всех кристаллов ПЛИС реконфигурируемой вычислительной системы. По сравнению с распараллеливающими компиляторами, число анализируемых вариантов синтеза рационального решения существенно меньше, что является отличительной особенностью описываемого комплекса. Применение программных средств высокоуровневого синтеза рассматривается на примере задачи решения системы линейных алгебраических уравнений методом Гаусса, содержащей информационно-взаимозависимые вычислительные фрагменты с существенно разной степенью параллелизма.
Бесплатно
Программный комплекс Радуга-Т для моделирования полей нейтронов в ядерно-энергетических установках
Статья научная
При проектировании и сопровождении эксплуатации ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) необходимо выполнять моделирование в этих установках потоков нейтронов. При задании геометрии ЯЭУ необходимо учитывать границы разномасштабных конструктивных элементов, состоящих из материалов с существенно различными свойствами. Из-за больших размеров ЯЭУ для расчетов желательно использовать параллельные компьютеры. Для выполнения такого моделирования развиваются алгоритмы и программы численного решения краевой задачи для интегро-дифференциального уравнения переноса нейтронов на неструктурированных сетках. В статье приводится описание реализованных в программном комплексе РАДУГА-Т алгоритмов решения такой задачи. Представлены сетки, сеточные схемы, итерационные методы решения систем сеточных уравнений. Рассмотрены методы распараллеливания вычислений на гибридных компьютерах (используются технологии MPI и OpenMP). Представлены методы работы с пространственными сетками (построение, улучшение качества, декомпозиция, визуализация). Описаны особенности программной реализации. Проведено сравнение используемых в программном комплексе РАДУГА-Т алгоритмов с алгоритмами в других аналогичных программных комплексах. Приведены результаты исследования эффективности распараллеливания вычислений в задаче расчета коэффициента размножения нейтронов в модели легководного реактора. Исследования выполнены на многопроцессорном компьютере МВС-10П (МСЦ РАН). Приведены значения ускорения вычислений каждого из используемых в расчете алгоритмов и суммарного ускорения всего расчета.
Бесплатно
Работа с данными в учебном языке программирования Синхро
Статья научная
Статья является продолжением собственных предыдущих исследований автора в рамках многолетней работы по созданию учебного языка программирования СИНХРО, предназначенного для ознакомления с параллелизмом. Основное направление работ - уточнение понятий, способствующих подготовке небольших многопоточных программ при обучении параллельному программированию. Главный результат последнего года заключается в развитии механизма взаимодействия локальной и общей памяти. Дан приоритет парадигме функционального программирования, популярной при подготовке прототипов многопоточных программ. Это помогло преодолеть зависимость порядка вычислений от последовательности вхождения выражений в текст программы и размещения данных в памяти. Описаны отличия от привычных понятий программирования, сдерживающих решение задач организации параллельных вычислений и предельно распределенных систем из ряда потоков, взаимодействующих в терминах доступа к значениям переменных, возможно расположенных в общей памяти. Повышен базовый уровень воздействий на память. Часть из них укрупнены для предотвращения неожиданностей из-за асинхронности и ослабления императивности элементов распределенных систем. Добавлено понятие команд-двойников для управления императивной синхронизацией взаимодействующих устройств, полезное при решении вопросов освобождения памяти.
Бесплатно
Разномасштабные задачи тепломассообмена в атомной энергетике
Статья научная
Данная статья посвящена обзору результатов, полученных в АО ОКБ «ГИДРОПРЕСС» с учетом наработанного опыта в области численного моделирования тепломассообмена в различных объектах атомной энергетики. Польза от применения CFD-технологий при проектировании реакторных установок заключается в возможности на базе ограниченного количества экспериментальных данных детально исследовать процессы тепломассообмена в установке с целью подтверждения или модернизации конструкторских решений на передовом научно-техническом уровне. Представлен ряд задач, для решения которых были использованы современные численные методы вычислительной гидродинамики с применением высокопроизводительной вычислительной техники. Показаны новые возможности расчетного моделирования при использовании современных суперкомпьютерных вычислительных технологий, а также сопутствующие вычислительные сложности и проблемы анализа результатов. Приведены примеры использования рассматриваемой технологии для моделирования экспериментальных стендов и натурных объектов при различных режимах работы. Показана автоматическая обработка результатов, позволяющая проводить анализ больших задач размерностью до 1 млрд. контрольных объемов по интегральным параметрам, характеризующим работу реакторной установки, таким как распределение расходов на входе и на выходе из активной зоны, распределение подогревов в тепловыделяющих сборках активной зоны, и т.д.
Бесплатно
Статья научная
В работе показано, что одна из проблем систем телекоммуникаций - это неопределенность отношения элемента к определенной подсистеме сети передачи информации, элемент может использоваться как абонентское оборудование и как подсистема управления. В результате затрудняется внедрение ad hoc сетей в структуру систем мобильной связи. Для устранения проблемы разработан метод описания структуры системы инфокоммуникаций. Метод основан на представлении системы как единой логической структуры. Основа структуры - это виртуальные узлы. Совокупность виртуальных узлов образует виртуальную сеть. Пропускная способность виртуальной сети изменяется по вероятностным законам. Вероятностные законы определяются на основе статистики посещения виртуального узла физическими узлами. Область использования для систем связи заключается в повышении эффективности управления за счет прогнозирования альтернативных маршрутов передачи информации и синтеза систем связи различных стандартов. Результаты можно использовать для исследования взаимодействий социальных и экономических систем региона. Для демонстрации результатов проведен эксперимент по прогнозированию количества физических узлов в заданном виртуальном узле. По полученным данным рассчитана вероятность появления в виртуальном узле физических объектов. Результаты расчета позволяют построить карту посещаемости территории физическими узлами и рассчитать маршруты передачи трафика между виртуальными узлами.
Бесплатно
Статья научная
В работе изложены результаты по созданию виртуального стенда и отработке CFD моделей проточных частей беcфланцевых расходомеров на суперкомпьютере «Торнадо ЮУрГУ». Представлена структура виртуального стенда для проведения параметрических расчетов. Представлены результаты численного моделирования течения в проточной части бесфланцевого вихревого расходомера для сжимаемой (воздух) и несжимаемой среды (вода).
Бесплатно
Разработка и реализация группового протокола генерации ключа на базе IKE
Статья научная
В качестве основы информационного взаимодействия участников в недоверенной среде часто выступает протокол выработки общего секретного ключа. С помощью такого ключа в дальнейшем может быть построен защищенный канал или защищенная сеть связи. В настоящее время актуальна задача разработки протоколов генерации общего ключа для группы участников. Одним из способов построения таких протоколов является обобщение протокола для двух участников на случай нескольких участников. В работе строится протокол генерации общего секретного ключа для группы участников (для конференции). В основе разработанного протокола лежит протокол IKE (Internet Key Exchange) из семейства протоколов IPSec для двух участников, обеспечивающий выполнение таких свойств безопасности, как аутентификация субъекта и сообщения, генерация новых ключей, защита от чтения назад, защита от повтора и ряда других. Стойкость разработанного протокола генерации ключа основана на сложности задачи дискретного логарифмирования в циклической группе. В работе исследуются свойства безопасности, обеспечиваемые построенным протоколом, в частности, исследуется стойкость к коалиционным атакам, актуальным для групповых протоколов. Также отмечаются некоторые особенности практического применения построенного протокола.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время важнейшими задачами при исследовании структуры земной коры являются обратные задачи гравиметрии и задачи магнитометрии о нахождении поверхностей раздела сред на основе данных о гравитационном и магнитном поле, измеренном на некоторой площади земной поверхности. В основе методов решения этих задач лежат идеи итеративной регуляризации. После дискретизации эти задачи сводятся к системам нелинейных уравнений большой размерности, решение которых требует большого количества вычислительных ресурсов. Необходимость в повышении точности решения требует дополнительных вычислений, что влечет за собой увеличение времени счета. В работе описывается система удаленных вычислений и интегрированного в нее комплекса программ для графических ускорителей, реализующих наиболее быстрые и экономичные по памяти из разработанных ранее итерационных алгоритмов на основе градиентных методов. Эта система представляет собой веб-портал, являющийся универсальным решением для запуска задач на удаленных кластерах. Важнейшим преимуществом такого портала является его простота использования: при подключении к кластеру для осуществления вычислений более не требуется производить установку дополнительного ПО на самом кластере, также не требуется наличие привилегированной учетной записи для работы с кластером. Все что требуется - действующая учетная запись на исполняемом кластере, остальную работу по коммуникации с центром обработки данных (ЦОД) берет на себя портал. Портал может легко масштабироваться при росте количества пользователей, которые могут загружать необходимые алгоритмы и выполнять вычисления с помощью ЦОД.
Бесплатно
Разработка компьютерных моделей баллистических тканей с поверхностной обработкой
Статья научная
Баллистические ткани на сегодняшний день широко применяются в качестве элементов защитных структур. Актуальными задачами при разработке бронеструктур являются минимизация их массы, уменьшение кинетической энергии пули, передаваемой объекту, расположенному за бронепанелью (снижение величины прогиба тыльной стороны панели). Значительная часть энергии пули рассеивается за счет работы сил трения при вытягивании нитей из ткани. Умение предсказывать работу баллистической ткани при вытягивании нитей позволит проектировать высокоэффективные бронеструктуры. Поэтому были разработаны малопараметрические численные модели вытягивания нити из арамидной ткани Р110 полотняного переплетения, а также для этой ткани с разными типами поверхностной обработки (канифоль, силиконовая смазка) в пакете программ LS-DYNA. Поверхностная обработка ткани позволяет изменять коэффициент трения между нитями с минимальным увеличением веса, и в модели она учитывалась за счет изменения одного параметра - коэффициента сухого трения. Рассмотрено несколько способов распараллеливания задачи вытягивания нити из ткани, получены графики ускорения. Были получены расчетные зависимости нагрузки от перемещения при вытягивании нити из ткани с поверхностной обработкой и без нее. Расчетные результаты лежат в диапазоне разброса экспериментальных данных.
Бесплатно
Разработка компьютерных моделей войлочных материалов, применяемых в бронезащитных элементах
Статья научная
Статья посвящена разработке численными методами моделей войлочных материалов, применяемых в бронезащитных элементах. Для создания сетки конечных элементов войлочных материалов разработан программный комплекс на языке С++, спроектирован и реализован, проведено тестирование. Программный комплекс позволяет создавать численные модели войлочного материала с прямолинейными волокнами, либо с искривленными волокнами по ломаной линии. Были созданы модели войлочных материалов, проведено суперкомпьютерное моделирование ударного нагружения войлочного материала из высокопрочных высокомодульных волокон в пакете программ LS-DYNA, проведено сравнение полученных данных с экспериментальными, получены графики ускорений.
Бесплатно
Разработка компьютерных моделей модифицированных арамидных тканей
Статья научная
Статья посвящена разработке численными методами моделей модифицированных арамидных тканей (арамидных тканей с поверхностной обработкой), применяемых в бронезащитных элементах. На сегодняшний день актуальными задачами при разработке бронезащитных элементов (бронежилетов) являются минимизация их массы, снижение величины прогиба тыльной стороны бронепанели (уменьшение уровня травмирования тела человека). Большая часть энергии пули рассеивается за счет работы сил трения во время вытягивания нитей из баллистических (арамидных) тканей в бронежилете. Поверхностная обработка тканей позволяет увеличить фрикционное взаимодействие нитей и снизить прогиб тканевых преград при локальном ударе с минимальным утяжелением. Для создания сетки конечных элементов тканей с поверхностной обработкой разработано приложение, спроектировано и реализовано, проведено тестирование. Приложение позволяет создавать численные модели модифицированных арамидных тканей со сплошной поверхностной обработкой и частичной (полосами вдоль осей X и Y в плоскости ткани). В работе рассмотрена арамидная ткань полотняного переплетения P110 с поверхностной обработкой ПВА. Была создана модель ткани со сплошной поверхностной обработкой. Поверхностную обработку строили оболочечными элементами, которые соединяли нити основы и утка с наружной стороны. Проведено суперкомпьютерное моделирование ударного нагружения модифицированной арамидной ткани, расположенной на регистрирующей среде (техническом пластилине) в пакете программ LS-DYNA. Проведено сравнение полученных расчетных данных с экспериментальными, получен график ускорения.
Бесплатно
Разработка программного комплекса для анализа энергоэффективности программного обеспечения
Статья научная
В работе рассмотрена задача разработки энергоэффективного программного обеспечения. Основное внимание уделено программированию для мобильных устройств. Предложен новый программный инструмент для анализа энергоэффективности приложений для мобильных устройств. Инструмент позволяет собирать и обрабатывать экспериментальную информацию, характеризующую энергоэффективность приложений на используемой платформе. Приведено сравнение аналогичных инструментов. Описаны основная функциональность, метод использования и результаты применения на примере задачи матричного умножения. Проведен анализ энергоэффективности реализаций алгоритма с использованием набора команд SSE, а также технологий параллельного программирования OpenMP и Cilk Plus. Исследованы зависимость энергоэффективности от числа использованных потоков, количества кэш-промахов, количества переходов между C-State-состояниями процессора. Сформулированы выводы по результатам проведенного анализа. Приведены планы по дальнейшему развитию функциональности инструмента.
Бесплатно
Разработка системы динамического изменения контента видеоигр на основе эволюционного моделирования
Статья научная
Темой данного исследования является применение методов эволюционного моделирования (ЭМ) для автоматического создания и динамического изменения мультимедийных данных в рамках процедурной генерации контента (ПГК) видеоигр. Использование таких методов ЭМ, как генетические алгоритмы, позволяет решить проблемы персонализации и адаптируемости контента, имеющую большую значимость в индустрии видеоигр. В работе приведен обзор существующих систем ПГК на основе ЭМ и предложен новый универсальный метод представления персонажей в подобных системах. В рамках исследования реализована система эволюционного моделирования, основанная на предложенном методе; в отличие от существующих решений, разработанная система является универсальной и может использоваться в различных коммерческих и научных проектах.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена разработке системы реконструкции неоднородных тел элементарными объемами на примере керамики с дефектами микроструктуры. Система была спроектирована и реализована. Проведено тестирование системы. Данная система позволяет создавать модели керамических структур с учетом распределения дефектов, которые предназначены для суперкомпьютерного моделирования ударного нагружения керамик в пакете программ LS-DYNA.
Бесплатно
Распараллеливание тестов NAS NPB для сопроцессора Intel Xeon Phi на языке Fortran-DVMH
Статья научная
В статье анализируется эффективность выполнения тестов NAS из пакета NPB 3.3.1 (EP, MG, BT, SP, LU) на узлах кластеров различной архитектуры, использующих многоядерные универсальные процессоры, графические ускорители фирмы NVidia и сопроцессоры фирмы Intel. Сравниваются характеристики тестов, разработанных на высокоуровневом языке Fortran-DVMH (далее FDVMH), и их реализации на других языках. Исследуется влияние различных оптимизаций для FDVMH-версий тестов NAS, необходимых для их эффективной работы на сопроцессоре Intel Xeon Phi. Представлены результаты запусков тестов при одновременном использовании всех ядер центрального процессора, графического процессора и сопроцессора Intel Xeon Phi.
Бесплатно
Распознавание утомления человека на основе анализа его речи с помощью нейросетевых технологий
Статья научная
Качественные психофизиологические исследования сопряжены с созданием доступных и хорошо организованных баз данных, требующих большую предварительную работу по разработке измерительных комплексов, включающих не только средства для измерения психофизиологических параметров человека, но и его эмоционального состояния, которое отображается в выражении лица, речи и поведенческих паттернах респондентов. Измерительные комплексы должны также включать и средства обработки экспериментального материала. Суть исследования состояла в проведении эксперимента по созданию прототипа базы речевых данных русскоязычных респондентов, получения ответов на методические вопросы, возникающие у специалистов при использовании базы для задачи распознавания состояния утомления человека. Разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий синхронно регистрировать психофизиологические параметры, видеозаписи поведенческих реакций и аудиозапись речи человека. В качестве модели физического утомления использовался кардиореспираторный тест с физической нагрузкой. До прохождения и после завершении теста добровольцы зачитывали набор стандартных фонетически представительных текстов. Полученные аудиозаписи обрабатывались с помощью специализированной нейронной сети, способной анализировать интегральные спектральные характеристики звука. Результаты эксперимента показали возможность распознавания состояния утомления человека по его речи, что позволяет перейти к созданию большого банка аудиозаписей и совершенствованию алгоритмов распознавания состояния утомления.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается распределенный алгоритм с локальными взаимодействиями Patch, предназначенный для управления распределением данных и динамической балансировки нагрузки в системе фрагментированного программирования LuNA. Система LuNA используется для упрощения создания параллельных реализаций крупномасштабных численных моделей для распределенных вычислительных систем. Фрагментированная программа в системе LuNA выполняется под управлением исполнительной системы, которая использует различные алгоритмы распределения данных и вычислений для обеспечения эффективного (в плане времени исполнения и потребления ресурсов) исполнения программы. Разработанный для использования в системе LuNA распределенный алгоритм Patch предназначен для случая распределения многомерных сеток данных на многомерной решетке вычислительных узлов. Алгоритм использует отображение данных на многомерную решетку ячеек (координат), которые затем распределяются между вычислительными узлами мультикомпьютера. Такое отображение позволяет алгоритму учитывать зависимости между данными и сохранять локальность данных при динамической балансировке нагрузки. Тестирование алгоритма Patch на фрагментированной реализации реальной вычислительной задачи показало его преимущество над использовавшимся ранее в системе LuNA алгоритме Rope, в виде уменьшения суммарного объема и дальности коммуникаций между вычислительными узлами в ходе исполнения программы.
Бесплатно
Статья научная
Программная Q-система предназначена для исследования ресурса параллелизма численных алгоритмов. С помощью Q-системы можно вычислить ресурс параллелизма любого численного алгоритма, а также найти алгоритм с лучшим ресурсом параллелизма из множества алгоритмов, решающих алгоритмическую проблему. Теоретической основой Q-системы является концепция Q-детерминанта, где Q - множество операций, используемых алгоритмом. Любой численный алгоритм имеет Q-детерминант и может быть представлен в форме Q-детерминанта. Такое представление является универсальным описанием численных алгоритмов. Q-детерминант состоит из Q-термов. Их число равно числу выходных данных алгоритма. Каждый Q-терм описывает все возможные способы вычисления одного из выходных данных на основе входных данных. Q-детерминант делает алгоритм понятным с точки зрения структуры и реализации. Q-система может быть использована для повышения эффективности параллельных вычислений. В статье описаны новые возможности Q-системы. Новая функциональность позволяет использовать классификацию алгоритмов при их исследовании. Также новая функциональность дает возможность вычислять функции для аппроксимации высоты и ширины алгоритмов более точно и создавать их графическое представление. В результате интерфейс пользователя Q-системы стал более удобным, появилось больше возможностей для исследования ресурса параллелизма алгоритмов.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются характерные особенности реализации итерационных методов решения систем линейных уравнений в задачах математической физики на параллельных вычислительных системах, которыми являются геометрическая декомпозиция расчетной области и распараллеливание данных внутри последовательно выполняемых процессором итераций с интенсивным информационным обменом между процессорами и памятью. Стандартные методы реализации итерационных методов решения систем линейных уравнений при множественных транзакциях с памятью и межпроцессорных обменах, существенно снижающих реальную производительность, дополнительно требуют от вычислительной системы наличия большого числа физических линий связи для реализации сложных топологий и иерархических схем хранения данных. Выходом является использование многопроцессорных систем с реконфигурируемой архитектурой, позволяющее адаптировать свою архитектуру под структуру итерационных алгоритмов математической физики путем распараллеливания по итерациям. В статье рассмотрена реализация метода Якоби для решения краевой задачи Дирихле для уравнения Лапласа на реконфигурируемой вычислительной системе, на примере которой показано сокращение количества внешних каналов обмена как одного из наиболее критических ресурсов реконфигурируемой вычислительной системы.
Бесплатно
Реализация транслятора RAID-5 для распределенной файловой системы GlusterFS
Статья научная
Статья посвящена реализации алгоритма RAID-5 в распределенной файловой системе GlusterFS. Анализ требований предъявляемых к масштабируемой файловой системе (ФС), способной задействовать в дисковые ресурсы узлов вычислительного кластера, показывает, что реализация распределенной версии алгоритма RAID-5 позволяет существенно повысить устойчивость ФС к сбоям отдельных узлов и даже стоек кластера. В статье дается краткий обзор принципов функционирования распределенной файловой системы GlusterFS и описывается способ встраивания алгоритма RAID-5 в эту систему. Описываются основные алгоритмы и структуры данных, реализованные для адаптации RAID-5 в распределенную ФС. Делаются выводы об устойчивости и производительности разработанной ФС. Показано, что реализованный алгоритм позволяет наращивать пропускную способность ФС до пропускной способности нижележащей сетевой системы, незначительно теряя в производительности при наличии отказавших узлов.
Бесплатно
