Analiza ogromnych ilości danych spływających z nawigacyjnych systemów monitoringu (na przykład bałtyckiego systemu AIS) oraz badania prowadzanie za pomocą modeli symulacyjnych opartych na metodzie Monte Carlo wymagają coraz większych mocy obliczeniowych, których nie są w stanie dostarczyć nawet najszybsze stacje robocze oparte o systemy PC. Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego wystąpił z inicjatywą budowy ultraszybkiej jednostki obliczeniowej o architekturze modułowej.
Jednostka o nazwie ACETON (Akademickie CEnTrum Obliczeń Nawigacyjnych) przeznaczona będzie między innymi do realizacji czterech projektów:
- budowy mikroskopowego modelu stochastycznego do oceny bezpieczeństwa nawigacji na akwenie Bałtyku południowego;
- budowy modelu Monte Carlo do oszacowania bezpieczeństwa nawigacji w aspekcie zapasu wody pod stępką dla jednostek wchodzących do portów polskich;
- analizy incydentów nawigacyjnych na Bałtyku;
-
obliczeń dotyczących strumieni ruchu jednostek na Bałtyku;
Modele stosowane w inżynierii ruchu morskiego są coraz bardziej dokładne i skomplikowane. Do uzyskania jednak zadowalających rezultatów pod kątem ich statystycznej dokładności niezbędne są duże moce obliczeniowe. Często w badaniach kluczowy jest czas, a otrzymanie wiarygodnych wyników za pomocą typowych komputerach PC trwa kilka dni lub nawet tygodni. Dane spływające z bałtyckiego systemu AIS to około 6GB rocznie, a ich przetwarzanie jest nie lada wyzwaniem pod kątem numerycznym.
Klaster komputerowy można zdefiniować, jako połączone ze sobą komputery, które udostępniają użytkownikowi zintegrowane środowisko pracy. Klaster zbudowany jest z wielu komputerów zwanych inaczej węzłami (ang. node). Klastry mogą spełniać różne zadania w zależności od potrzeb np. dublowanie krytycznych funkcji systemu w celu zapewnienia niezawodności lub podział niektórych funkcji tak, aby zmniejszyć obciążenie systemu. Na szczególną uwagę zasługują klastry obliczeniowe (wydajnościowe). W klastrach tego typu w każdym węźle wykonywany jest osobny proces obliczeniowy, powodując tym samym zrównoleglenie obliczeń. Ze względu na architekturę szczególnie interesujące są klastry typu Beowolf, gdzie poszczególne węzły są to komputery klasy PC pracujące zazwyczaj pod kontrolą systemu operacyjnego GNU/Linux z odpowiednio zmodyfikowanym (patchowanym) jądrem systemu.
Wszystkie istniejące aktualnie na świecie superkomputery wykonane są w technologii klastrowej. Najpotężniejszym z nich według listy najszybszych
superkomputerów wg listy top500 (http://www.top500.org) jest Jaguar (224162 rdzeni) zbudowany przez Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Klaster ten jest wykorzystywany do złożonych obliczeń w zakresie klimatologii chemii, nauki o materiałach, energetyce atomowej, astrofizyki, bioenergii, fizyki i innych.
W Polsce zdecydowanie największą moc obliczeniową posiada Galera rozwijana przez Trójmiejską Akademicką Sieć Komputerową (TASK) o łącznej ilości rdzeni obliczeniowych wynoszącej: 5336.
Klaster ACETON rozbudowywany przez IIRM składa się obecnie z dwóch komputerów Sun Microsystems SunFire X2270 oraz jednego komputera Fujitsu Primergy RX300 S4. Do obliczeń dostępne są 24 rdzenie. Dzięki zastosowaniu technologii HyperThreading w procesorach Intel Xeon X5570 możliwe jest wydobycie dodatkowej mocy obliczeniowej z 16 rdzeni, które są widziane przez system jako dodatkowe rdzenie logiczne. ACETON jest klastrem typu SSI (Single System Image), czyli z poziomu użytkownika jest widziany jako jeden komputer, a nie sieć rozproszonych węzłów. Klaster działa pod kontrolą systemu operacyjnego Debian GNU/Linux ze zmodyfikowanym przy użyciu łatek z projektu Kerrighed jądrem 2.6.20. System wspiera aplikacje pisane w języku C, C++. Na podstawie niestety niezbyt aktualnego zestawienia na stronie http://pliszka.net/hpc/ nasz klaster plasuje się w pierwszej 40-ce w Polsce i nie jest to nasze ostatnie słowo. Szacuje się, że klaster pod kątem mocy obliczeniowej znajduje się na 5-tym miejscu w Szczecinie, ale nie moc jest najważniejsza tylko sensowne jej wykorzystanie. W najbliższym czasie planuje się systematyczną rozbudowę ACETONA o kolejne jednostki obliczeniowe i bazodanowe. Koszt budowy klastra wyniósł do tej pory około 100 tys zł.
Pierwsze testy przeprowadzone dla algorytmu liczenia całki oznaczonej metodą trapezów pokazały, że możliwe jest trzydziestokrotne zwiększenie szybkości obliczeń w stosunku do komputera dwurdzeniowego (FS amilo pro v3505, procesor Intel Core Duo 1,73 GHz). Zysk czasu obliczeń jest ściśle zależny od algorytmu, a także od techniki programowania.
Obliczenia nawigacyjne wymagają niekiedy dużej mocy obliczeniowej. Modele takie jak symulacyjny model oceny bezpieczeństwa nawigacyjnego na akwenach otwartych czy probabilistyczny model określania rezerwy wody pod stępką budowane przez IIRM pozwalają na równoległe wykonywanie obliczeń, a co za tym idzie pełne wykorzystanie klastra ACETON.
Jednym z pierwszych projektów wdrożonym na klastrze ACETON będzie symulacyjny model oceny bezpieczeństwa nawigacyjnego na akwenach otwartych. Pozwala on na kompleksową ocenę bezpieczeństwa dowolnych akwenów otwartych. Ruch statków, opisany, jako niestacjonarny proces Poissona, symulowany jest z zastosowaniem rozkładów stworzonych na podstawie analizy danych statystycznych. Model uwzględnia wszystkie podstawowe typy wypadków nawigacyjnych, pozwala również na ocenę skutków tych awarii. Mikroskopowe podejście do symulowania ruchu statków, duża ilość danych niezbędnych do symulowania wypadków i awarii oraz ich ewentualnych skutków oraz wynikająca ze statystycznej stabilności wyników konieczność uzyskiwania dużej ilości scenariuszów awarii skutkuje długim czasem obliczeniowym oraz koniecznością zastosowania komputerów o dużej mocy obliczeniowej.
Innym projektem zaimplementowanym na ACETON-ie będzie probabilistyczny model określania rezerwy wody pod stępką. Założeniem metody jest to, że niepewności związane z sondowaniem i pogłębianiem, błędy określania osiadania i zanurzenia statku, nierówność dna, wpływ pływów i falowania, itp można modelować za pomocą odpowiednich rozkładów i ich parametrów (stosowana jest w nim symulacja Monte Carlo). Model wykorzystuje metodę probabilistyczną, której wynikiem jest rozkład zapasu wody pod stępką określa zapas wody pod stępką dla wybranego statku wchodzącego do portu oraz prawdopodobieństwo awarii, polegające na uderzeniu kadłuba statku w dno w wyniku niedostatecznej rezerwy wody pod stępką. Program działa na zasadzie wykonania założonej liczby iteracji, po których wykonaniu przeprowadzana jest analiza wyników i podawany jest rozkład zapasu wody pod stępką. W poszczególnych iteracjach wykorzystywanych jest 5 głównych bloków obliczeniowych: losowego zanurzenia statku, poziomu wody, głębokości, osiadania statku, zapasu wody pod stępką Ponadto blok obliczeniowy osiadania statku określa wartość osiadania w poszczególnej iteracji w trzech etapach. Stosowana jest tutaj metoda bootstrap (metoda szacowania rozkładu błędów estymacji, za pomocą wielokrotnego losowania ze zwracaniem z próby), która umożliwia dokładniejsze określenie osiadania statku - co również wymaga znaczącej mocy obliczeniowej.
Klaster ACETON to kolejne zwiększenie potencjału badawczego naszej uczelni. Wszystkich zainteresowanych wysokowydajnymi obliczaniami naukowymi pracowników i studentów zapraszamy do współpracy i kontakt z administrującym klastrem Markiem Duczkowskim (Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.).
Autorzy: Marek Duczkowski Lucjan Gucma, Maciej Gucma, Marcin Przywarty, Marta Schoeneich