Для тех, кто закончил изучение химии в школе, она останется в воспоминаниях цветными опытами в пробирках и колбочках и яркими экспериментами с пиротехническими эффектами (впрочем, кого-то, возможно, огорчали неприятные ароматы, необходимость составления уравнений реакций и решения задачек). Однако те, кто продолжал овладевать этой наукой в вузе, увидел, что опыты в пробирках - это удел школьников. Химия сегодня - это не просто опыты с растворами в пробирках и пиротехнические эффекты, - современная наука оперирует такими методами, как рентгеноструктурный анализ, спектроскопия, хроматография, ядерный магнитный резонанс, квантово-химические подходы, с которыми связаны не только задачи моделирования процессов и структур, а также соответствующие теоретические построения, но и огромный объем вычислений.
Заведующий лабораторией химической
кибернетики профессор Александр Немухин
Химический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова (www.chem.msu.ru) сегодня располагает неплохой компьютерной базой: у него своя локальная сеть (входящая в состав университетской), к которой подключено около 400 пользователей. Компьютерный парк факультета насчитывает более 500 машин; учебный процесс и потребности сотрудников обеспечиваются также тремя компьютерными классами. Полтора года назад здесь появилась уникальная учебно-научная единица - вычислительный кластер, состоящий из 18 машин и сервера. Химический факультет оказался одним из победителей конкурса, объявленного представительством компании Intel в странах СНГ и Балтии в рамках корпоративной Академической программы, осуществляемой в этом регионе с 1997 г. По условиям конкурса преимущество получали проекты, которые предусматривали целенаправленное внедрение в учебный процесс новых возможностей, предоставляемых современными информационными технологиями (видео, аудио, трехмерная графика, Интернет), а также подготовку специалистов, способных эффективно применять соответствующий инструментарий. На конкурс был представлен 51 проект от четырех ведущих московских вузов - МГУ им. М. И. Ломоносова, МГТУ им. Н. Э. Баумана, МИФИ и МФТИ. Из авторов 23 проектов, заявленных Московским университетом, обладателями грантов Intel (сумма каждого - около 80 000 долл.) стали два факультета: факультет вычислительной математики и кибернетики (ВМК) с проектом “Учебно-исследовательская лаборатория компьютерной графики и машинного зрения” (руководитель - доцент, доктор физ.-мат. наук Ю. М. Баяковский) и химический факультет (точнее, кафедра физической химии химфака), представивший проект “Высокопроизводительные компьютерные технологии в физической химии” (руководитель - зав. кафедрой физхимии академик В. В. Лунин). Результаты конкурса были объявлены в июле 1999 г., а в ноябре на химфаке состоялось торжественное открытие компьютерного класса, где разместился новый программно-аппаратный комплекс. Однако победе в конкурсе предшествовала серьезная работа, часть которой проводилась в сотрудничестве с компанией Intel в рамках объявленной ею в России Академической программы.
Из истории сотрудничества с Intel
“Наше сотрудничество с Intel началось еще в 1998 г., - рассказал научный сотрудник Лаборатории химической кибернетики (ЛХК) Александр Грановский, - на основе общего интереса к высокопроизводительным вычислениям. Дело в том, что с 1993 г. мы работаем с пакетом GAMESS (General Atomic and Molecular Structure System, разработчики - группа Марка Гордона, Университет штата Айова, США), который активно используется для квантовохимических расчетов. Это некоммерческое ПО его создатели распространяют в виде исходных текстов при условии регистрации и заполнения специальной анкеты. Наша работа с данным пакетом включала не только вычисления, на которые он рассчитан, но и собственные разработки - от адаптации и оптимизации реализованных в нем алгоритмов под платформу Intel (вплоть до полного их “переписывания”, использования языков более низкого уровня и т. д.* ) до создания новых алгоритмов и методов расчета, по сути - новых функциональных возможностей системы, основанных на наших теоретических исследованиях. Сюда можно отнести функцию поддержки SMP, высокопрецизионные методы расчета (в частности, высшие порядки теории возмущений, позволяющие получать высококачественные оценки энергии и равновесной геометрии молекулярных систем). То, что получилось в результате, - наш вариант пакета - мы называем PC GAMESS.
Три года назад мы почувствовали реальную помощь со стороны Intel и активизировали работы по созданию новых алгоритмов и поддержке параллельных вычислений в сетях, а в 1999 г. компания предоставила ЛХК четыре мощные машины - наш первый (“маленький”) кластер - и подписала с нами контракт на дальнейшие работы по PC GAMESS”.
Intel также заинтересована в развитии подобных разработок - в самой компании несколько исследовательских групп занимаются различными аспектами высокопроизводительных вычислений. В частности, некоторые из них работают над созданием высокопроизводительных библиотек под архитектуру Intel (например, BLAS - Basic Linear Algebra Subroutines, библиотека манипулирования с векторами и матрицами, важная для исследований, где используются матрично-матричные, матрично-векторные и векторно-векторные операции). При создании PC GAMESS сотрудники ЛХК также обращались к BLAS и другим высокоэффективным библиотекам Intel.
Совместные работы помогли партнерам лучше узнать друг друга, и когда Intel объявила конкурс 1999 г., ЛХК и химфак решили непременно принять в нем участие. Как было сказано выше, победа в конкурсе принесла химикам возможность шире развернуть как научную, так и учебную деятельность.
А теперь - посчитаем
Вычислительный кластер, установленный на химфаке, сегодня используется как для квантово-химических расчетов (главным образом с помощью PC GAMESS) и дальнейшего усовершенствования этого пакета, так и для занятий студентов и аспирантов кафедры и факультета, а также при выполнении дипломных работ. В течение многих лет уже при наборе студентов на первый курс формируются две специальные группы, которые курирует кафедра физической химии: одна - с усиленной подготовкой по дисциплинам физико-химического цикла и строению молекул, другая - по вычислительным методам в химии. Для них очень важно в процессе обучения освоить современные программные средства, помогающие проводить квантово-химические расчеты и при этом хорошо понимать механизм их работы. Для этого помимо теоретических курсов необходимы практикумы и лабораторные занятия.
Компьютерный класс, в котором установлен
вычислительный кластер из 18 машин
“В основе квантовой химии лежит идея получения информации о веществе с помощью неэмпирических расчетов, - пояснил профессор Александр Немухин, возглавляющий ЛХК, - и основным методом здесь является решение уравнений квантовой теории для атомной или молекулярной системы. Разумеется, существует немало способов их приближенного решения, квантовая химия располагает своим набором средств для этого. Наша цель - на практике познакомить студентов с различными методами, границами и условиями их применения. Возьмем, например, молекулу воды - с методической точки зрения очень удобный объект. На ней можно продемонстрировать фактически любые методы расчетов (в том числе и те, которые для больших молекул нереализуемы из-за огромной сложности вычислений), показать их достоинства и недостатки.
Еще один пример - молекула адамантана. При исследованиях по кинетике адсорбции возникла необходимость выяснить распределение зарядов в данной молекуле (оно влияет на очень многие свойства молекул); подобные расчеты, кстати, достаточно востребованы в квантовой химии. Они были предложены одному из студентов в качестве задачи практикума. Для этого он должен был понять, какая точность от него требуется, выбрать соответствующий метод расчета (необходимое приближение), затем составить входной файл, в который закладывается информация о конкретной молекулярной системе и о том, какими методами расчета надлежит воспользоваться, и наконец запустить программу. После этого выполнение задачи заняло всего 10 минут.
Однако основная идея построения нашего вычислительного кластера заключалась в отработке параллельных вычислений, когда задействованы все или часть машин кластера. Не так давно мы проводили для лаборатории нашей кафедры расчет частот колебаний одного из производных фуллерена C
H
. Задача выполнялась на 14 машинах в течение восьми с половиной суток. Одновременно в классе шли занятия со студентами, поэтому приоритет задачи был немного понижен. В задачах подобного типа масштабируемость обычно очень хорошая, и можно сказать, что на одной машине данный расчет занял бы времени почти в 14 раз больше.
Еще один пример - наши собственные тестовые расчеты, позволяющие оценить как возможности кластера, так и возможности PC GAMESS. Это высокопрецизионные расчеты, отвечающие четвертому порядку теории возмущений с полным учетом всех возбужденных состояний и требующие очень большого объема вычислительных ресурсов. Нам было необходимо выяснить, сколько гигафлоп мы можем на практике получить от кластера и какова масштабируемость наших алгоритмов. Мы получили очень неплохие результаты: на 18 компьютерах зафиксировали 17,6-кратное ускорение. Кроме того, подобные задачи важны для нас как возможность проверки алгоритмов на способность предельного распараллеливания расчетов и равномерного распределения нагрузки на машины”.
Приходится заботиться о равномерности нагрузки компьютерного класса и в другом смысле, связанном с расписанием. Оно составлено таким образом, что дневные часы первых трех-четырех дней в неделю посвящены занятиям со студентами и аспирантами; конец же недели отведен на научные исследования, связанные с тематикой ЛХК, а также с разработкой PC GAMESS. На выходные дни, как правило, оставляется либо одна большая задача, которая считается параллельно на всех машинах, либо несколько задач (для каждой выделяется несколько машин).
А в перспективе так много интересного
Помимо занятий со студентами и аспирантами и возрастающего потока заказов на расчеты от других лабораторий кафедры, в планах сотрудников ЛХК - дальнейшее развитие PC GAMESS. На сегодняшний день у него уже около 500 пользователей по всему миру. Регулярно выпускаются новые версии, а сейчас идет работа над реализацией и включением в пакет новых прецизионных методов расчета на основе разработанных в ЛХК алгоритмов. Планируется дальнейшее развитие поддержки новых поколений процессоров и SMP-систем. Недавно была создана Linux-версия пакета. И наконец, весьма перспективны и будут продолжены конкретные исследования по квантовой химии, которые ведутся всеми сотрудниками лаборатории (и в большинстве случаев - при помощи пакета PC GAMESS).* Изначально пакет Gamess US реализован на языке Фортран.
Лаборатория химической кибернетики
Основателем и первым заведующим ЛХК (www.lcc.chem.msu.ru) был академик В. И. Спицын. С 1993 г. она входит в состав кафедры физической химии. Основные направления исследований ЛХК - математическое моделирование свойств веществ и реакционной способности самыми разнообразными методами квантовой теории строения и статистической физики, а также развитие методов планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных. Профессор химфака Александр Немухин, возглавляющий ЛХК с 1993 г., считает, что современная химическая наука невозможна без подобного моделирования.
Состав и характеристики вычислительных кластеров ЛХК
“Маленький” кластер:
четыре компьютера, каждый из которых имеет:
- два 500 МГц Pentium III Xeon (1 Мб кэша второго уровня)
- 512 Мб ECC PC100 SDRAM
- RAID-контроллер Mylex 1164 Extreme
- четыре жестких диска LVD SCSI-3 (IBM DRVS 9 Гб)
Общее дисковое пространство - 130 Гб
Общая пиковая производительность - 4 Гфлоп
ОС Windows NT 4.0
Вычислительный кластер в компьютерном классе:
Восемнадцать рабочих станций, каждая из которых имеет:
- 500 МГц Pentium III
- 256 Мб ECC PC100 SDRAM
- два жестких диска ULTRA-ATA (11 Гб каждый, ULTRA-2 DMA mode)
Один сервер:
- четыре 550 МГц Pentium III Xeon (1 Мб кэша второго уровня)
- ECC RAM объемом 4 Гб
- RAID-контроллер Mylex 1164 Extreme
- четыре жестких диска LVD SCSI-3 (IBM DMVS 9 Гб)
Общее дисковое пространство - 428 Гб
Общая пиковая производительность - 11,2 Гфлоп
ОС Windows NT 4.0
