|
Секция Открытых Систем |
||||||
|
|
||||||
|
Технология отрытых систем и вычислительный эксперимент в радиоэлектронике.
Гуляев Ю.В., Корниенко В.Н., Олейников А.Я., Черепенин В.А.
Институт радиотехники и электроники РАН.
Получена 5 сентября 2002 г.
Рассмотрено применение технологии открытых систем в вычислительном эксперименте в области радиоэлектроники. Модель вычислительного эксперимента дополнена моделью среды открытых систем. На примере решения задач вакуумной электроники излагаются особенности такого объединения. Предложена новая информационная технология, позволяющая, используя Web-интерфейс, получить доступ к высокопроизводительным, в том числе и распределенным вычислительным ресурсам. Технология применена к моделированию физических процессов в сверхмощных релятивистских генераторах со сверхразмерными электродинамическими структурами. Были использованы 32-х процессорный кластер ИРЭ РАН и суперкомпьютер МВС-1000М Межведомственного Вычислительного Центра.
Рассмотрен один вариант применения технологии открытых систем на вычислительный эксперимент. Классическая модель вычислительного эксперимента дополнена моделью среды открытых систем. Вычислительный эксперимент взят из области радиоэлектроники, в частности, релятивистской сильноточной электроники, где требуется моделирование, связанное с самосогласованными трехмерными решениями уравнений Максвелла и уравнений движения частиц среды. Проблемы подобного типа относятся к крупномасштабным и требуют больших вычислительных ресурсов, которые имеются в настоящее время только у распределенных и/или параллельных вычислительных систем. Описан параллельный алгоритм для решения указанных задач, запрограммированный на языке Си с применением MPI (Message Passing Interface). Технология открытых систем применена при разработке доступа к высокопроизводительным распределенным вычислительным ресурсам и включает в себя создание и использование новых инструментальных средств, названных верстаками (workbenches), позволяющими упростить подготовку прикладных программ в суперкомпьютерной среде. Полная схема технологии предлагает использование трехступенчатой системы: пользователь - промежуточный распределенный вычислительный ресурс (кластер) - супер-ЭВМ. Пример был реализован на 32-х процессорном кластере ИРЭ РАН и супер-ЭВМ МВС-1000М Межведомственного суперкомпьютерного центра. Обсуждаются полученные результаты, возникающие в процессе реализации технологии трудности, а также возможные пути их решения.
2. Краткое изложение понятий ТОС применительно к вычислительному эксперименту.
Как известно [1] существо технологии открытых систем состоит в создании среды, которая, в частности, обеспечивает: - перенос приложений, созданных соответствующим образом на широкий диапазон программно-аппаратных платформ; - взаимодействие с другими системами Для структурирования среды открытых систем и использования единых основных понятий у пользователя, разработчика и изготовителя обычно используется эталонная модель [1,2], рис 1.
Рис. 1. Эталонная модель среды открытой системы
Важным понятием в технологии открытых систем является также профиль - совокупность нескольких базовых стандартов для выполнения определенной функции [1,2]. Вычислительный эксперимент до настоящего времени не связывался с понятиями открытых систем, которые обычно использовались лишь при разработке системного программного обеспечения, а также приложений несколько другого содержания, например, банковских программ, информационных систем, обработке экспериментальных данных и т.д. Классическая схема вычислительного эксперимента приведена на рис. 2, см., например, [3].
Рис. 2 Классическая модель вычислительного эксперимента [3] .
При обсуждении этой схемы и других определений не выделяются пользовательский интерфейс, проблема доступа к вычислительным ресурсам (в том, числе и распределенным), а также не рассматривается переносимость программ на другие платформы. Действительно, еще некоторое время назад эти задачи можно было рассматривать как технические и непринципиальные для вычислительного эксперимента. Однако решение крупномасштабных задач требует таких вычислительных ресурсов, которые в полной мере могут быть предоставлены в настоящее время лишь в распределенной вычислительной среде, к которой можно отнести, например, кластеры и суперкомпьютеры. Пользовательский интерфейс вычислительного эксперимента также часто должен включать ресурсоемкие системы хранения, обработки данных и их визуализацию. По существу, вычислительный эксперимент и реальный крупномасштабный эксперимент сравниваются по объему получаемой информации. Ввиду этого, в современную схему вычислительного эксперимента необходимо включить еще один элемент - пользователя (экспериментатора), который должен управлять как вычислительным экспериментом, так и системами представления данных. Таким образом, для современной реализации вычислительного эксперимента необходима технология открытых систем, рис. 3., где для простоты, алгоритм включен в математическую модель. В противном случае, пакет программ вычислительного эксперимента будет связан с конкретным компьютером или процессором, формат представления данных не будет унифицирован, удаленный доступ будет затруднен и т.д.
Рис. 3. Применение эталонной модели открытых систем к схеме вычислительного эксперимента
3. Особенности вычислительного эксперимента в области радиоэлектроники.
Объекты исследований в области радиоэлектроники можно разделить на три группы. К первой отнесем распространение сигналов широкого диапазона частот в различных средах, ко второй - устройства и процессы, на основе которых разрабатываются приборы для генерации, приема, усиления и обработки сигналов, к третьей - методы обработки сигналов (фильтрация, выделение сигналов на фоне шумов, кодирование и т.д.) [1]. Натурный эксперимент в этих областях во многих случаях является громоздким и дорогостоящим, например, таковыми являются эксперименты по экологическому мониторингу Земли из космоса, создание источников мощного электромагнитного излучения, изучение приборов твердотельной электроники и т.д. В основе математических моделей радиоэлектроники лежит решение уравнений Максвелла в том или ином приближении и уравнений, описывающих среду (классическую или квантовую). К наиболее развитой области, где успешно применяется вычислительный эксперимент, здесь следует отнести вакуумную электронику, в которой к настоящему времени уже сформулированы эффективные математические модели и алгоритмы. Проиллюстрируем это на примере современной релятивистской высокочастотной электроники. Моделирование физических процессов в микроволновой электронике базируется на совместном (самосогласованном) решении уравнений Максвелла и кинетического уравнения [4-6]. Сложность построения решения такой системы уравнений вызывает необходимость использования численных методов.
4. Методы решения кинетического уравнения.
Согласно [7], можно выделить следующие основные численные методы построения решения кинетического уравнения: - решение кинетического уравнения сеточными методами; - использование методов преобразования; - модель "водяной мешок"; - метод "трубок тока"; - метод "крупных частиц"; - смешанные модели; - методы гидродинамики. |
