Создание функционирующего в режиме удалённого доступа интерактивного учебно-методического комплекса для выполнения работ в области моделирования наноразмерных атомно-молекулярных структур, наноматериалов, процессов и устройств на их основе, в распределенной вычислительной среде

Номер контракта: 16.647.12.2025
Дата: 24.11.2010 - 25.08.2011
Головной исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики»

АННОТАЦИЯ ПРОЕКТА

Тема: «Создание функционирующего в режиме удалённого доступа интерактивного учебно-методического комплекса для выполнения работ в области моделирования наноразмерных атомно-молекулярных структур, наноматериалов, процессов и устройств на их основе, в распределенной вычислительной среде»

Работа по проекту велась в 3 этапа с 2010 по 2011 гг.

Цель работы: создание системы дистанционного управления распределенной проблемно-ориентированной средой высокопроизводительных вычислений для моделирования наноразмерных структур, наноматериалов, процессов и устройств на их основе, в целях дистанционного обучения и проведения вычислительных экспериментов студентами (бакалаврами, магистрами), исследователями и разработчиками в области наноэлектроники, нанобиотехнологий и наноинженерии.

2010 г.

На I этапе «Технический проект» в ходе выполнения работ были получены следующие результаты:

- подготовлен прогнозно-аналитический обзор по предметным разделам «Наноэлектроника», «Нанобиотехнологии» и «Наноинженерия» в соответствии с направлением проекта, на основании которого были сформулированы перспективные направления исследований и разработок, а также были определены требования к составу прикладных сервисов, используемых в составе учебно-методического комплекса (УМК);

- разработана высокоуровневая концептуальная структура УМК, использующего в своем составе аппаратно-программный комплекс (АПК), базирующийся в свою очередь на высокопроизводительном программном комплексе HPC-NASIS;

- разработаны базовые подходы, модели и алгоритмы, используемые для

а) организации эффективного процесса человеко-компьютерного взаимодействия; б) представления экспертных знаний, определяющих процедуры построения и выполнения композитных приложений для численного эксперимента;

- сформулированы и обоснованы требования к форматам входных и выходных данных АПК, а также к характеристикам используемых в его составе программно-аппаратных средств;

- разработана модель обучения пользователя на базе концепции «интеллектуального инструктора», использующая базу экспертных знаний в ходе использования набора доступных прикладных сервисов для формирования процедурной, методической и информационной составляющей УМК;
- сформулирована общая методика использования средств удаленного доступа программного комплекса HPC-NASIS в составе АПК на основе реализации основных методов проведения компьютерного эксперимента в области квантово-механических расчетов и моделирования наноразмерных систем и комплексов.

Новизна применяемых решений основывается на использовании концепции iPSE (Intelligent Problem Solving Environment), ориентированной на построение проблемно-ориентированных высокопроизводительных вычислительных сред на основе сервисно-ориентированной архитектуры, рассматриваемых в качестве платформы для решения широкого класса задач компьютерного моделирования. Ее применение позволяет гибко и эффективно объединить в одном комплексе набор разнородных проблемно-ориентированных разработок, доступных в составе АПК, который используется в качестве базы для построения УМК, являющегося объектом разработки данного проекта. В основу функционала АПК заложен компонент интеллектуальной поддержки пользователя (как проблемно-ориентированная экспертная система), который позволяет строить и выполнять различные сценарии, реализующие всю технологическую цепочку исследований – от подготовки исходных данных до анализа и обобщения полученных результатов с использованием разнообразных средств человеко-компьютерного взаимодействия (научной визуализации, когнитивной графики, виртуальной реальности).

Приоритетными областями применения разрабатываемого УМК являются области «наноэлектроника», «нанобиотехнологии» и «наноинженерия».
АПК в составе УМК предоставляет возможность решения задач в рамках следующих направлений:

- высокоточные расчеты из первых принципов свойств малых (до 100 атомов) атомно-молекулярных систем, включая свойства основного и возбужденных состояний;

- моделирование мезосистем (от 100 до 10000 атомов);

- первопринципные вычисления электронных и фононных свойств твердотельных наноструктур и тонких пленок;

- первопринципные вычисления электронной структуры наносистем;

- расчет линейных и нелинейных оптических свойств ансамблей наночастиц, погруженных в матрицу или нанесенных на поверхность;

- сервисы моделирования процессов наногидродинамики и формирования наночастиц, нанопластин и нанотрубок.

2011 г.

На II этапе проекта, соответствующем стадии рабочего проекта разработки программного обеспечения,

- спроектирована общая программная архитектура АПК;

- разработаны и протестированы базовые системные компоненты опытного образца, разработаны методики применения АПК к решению предметных задач компьютерного моделирования в нанотехнологиях и удаленного доступа к ресурсам проблемно-ориентированной среде высокопроизводительных вычислений;

- подготовлен экспериментальный стенд в среде Грид ННС, на котором развернут опытный образец HPC-NASIS II RU.СНАБ.80066-05;
- разработаны программа и методика предварительных испытаний;

- разработаны учебно-методические материалы (программы учебных курсов, описания лабораторных работ, методические рекомендации к исследовательским работам, сценарии электронных тьюторов), необходимые для наполнения учебно-методического комплекса на основе аппаратно-программного комплекса HPC-NASIS II на третьем этапе работ.

АПК HPC-NASIS-II RU.СНАБ.80066-05 предназначен для поддержки функционирования учебно-методических комплексов (УМК) в области нанотехнологий, использующих в режиме удаленного доступа прикладные сервисы проблемно-ориентированной среды высокопроизводительных вычислений для моделирования наноразмерных структур, наноматериалов, процессов и устройств на их основе. АПК предоставляет возможности для выполнения распределенных компьютерных экспериментов, обработки, хранения, интерпретации и коллективного использованиях их результатов. В частности, АПК позволяет:

- применять прикладные вычислительные и информационные сервисы в составе различных УМК для проведения обучения в области моделирования наноразмерных атомно-молекулярных структур, наноматериалов, процессов и устройств на их основе (по соответствующим направлениям нанотехнологий);

- эффективно задействовать распределенные вычислительные ресурсы удаленных организаций (в том числе в составе Грид ННС) для проведения численных экспериментов высокой вычислительной сложности.

АПК HPC-NASIS-II RU.СНАБ.80066-05 состоит из следующих подсистем и программных компонентов:

1) интеллектуальная подсистема поддержки принятия решений пользователя RU.СНАБ.80066-05 01 12 в составе:

- программный компонент интеллектуальной поддержки принятия решений пользователей RU.СНАБ.80066-05 01 02;

2) подсистема интеллектуального человеко-компьютерного взаимодействия RU.СНАБ.80066-05 01 13, в составе:

- программный компонент интеллектуального интерфейса удаленного доступа RU.СНАБ.80066-05 01 04;

- программный компонент когнитивной визуализации RU.СНАБ.80066-05 01 08;

3) подсистема автоматизации распределения вычислительной нагрузки и оптимизации производительности композитных приложений RU.СНАБ.80066-05 01 14, в составе:

- программный компонент формирования и исполнения Workflow RU.СНАБ.80066-05 01 03;

4) подсистема исполнения заданий на распределенных вычислительных ресурсах RU.СНАБ.80066-05 01 15, в составе:

- программный компонент автоматизации удаленного исполнения заданий RU.СНАБ.80066-05 01 05;

5) подсистема управления инфраструктурой RU.СНАБ.80066-05 01 16, в составе:

- программный компонент авторизации, квотирования, биллинга и тарификации RU.СНАБ.80066-05 01 06;

- программный компонент доступа к данным RU.СНАБ.80066-05 01 07;

- программный компонент обеспечения инфраструктурного взаимодействия RU.СНАБ.80066-05 01 09;

5) программный компонент развертывания и конфигурирования RU.СНАБ.80066-05 01 11;

6) подсистема-репозиторий проблемно-ориентированных сервисов RU.СНАБ.80066-05 01 17, включающая в себя следующие программные компоненты (по условиям контракта, заимствуемые у сторонних производителей или из программного комплекса HPC-NASIS RU.СНАБ.80066-01, исключительные права и (или) права на использование в среде ННС на которые принадлежат исполнителю данного проекта):

- программный компонент SEMP расчетов свойств мезосистем на основе полуэмпирических моделей квантовой химии RU.СНАБ.80066-01 01 01;

- программный компонент квантово-химических расчетов PRIRODA RU.СНАБ.80066-01 01 02;

- программный компонент NDDO/sp-spd высокоточных полуэмпирических расчетов в SP- и SPD-базисах, включающий в себя набор программ для получения структурных, электронных, энергетических, деформационных и спектроскопических характеристик атомно-молекулярных систем до 1000 атомов RU.СНАБ.80066-01 01 03;

- программный компонент DPIMC для первопринципных расчетов термодинамических и структурных свойств сильновзаимодействующих квантовых кулоновских систем RU.СНАБ.80066-01 01 04;

- программный компонент MD-kMC для моделирования фононных и термодинамических свойств наноструктур RU.СНАБ.80066-01 01 06;
- программный компонент NTDMFT для вычислений электронной структуры нанотрубок с учетом эффектов электронных корреляций RU.СНАБ.80066-01 01 07;

- программный компонент JAggregate расчета динамики возбуждения линейных молекулярных цепочек – ориентированных J-агрегатов цианиновых красителей RU.СНАБ.80066-01 01 08;

программный компонент QDLaser расчета энергетических, спектральных и угловых характеристик излучения твердотельных и полупроводниковых лазеров с наноструктурами RU.СНАБ.80066-01 01 09;

- программный компонент Plasmon расчета оптических и фотоэлектрических свойств ансамблей наночастиц на поверхности и в объеме диэлектриков RU.СНАБ.80066-01 01 10;

- программный компонент NanoFlow расчета транспортных свойств трубок на основе оксидов переходных металлов RU.СНАБ.80066-01 01 12;

- программный компонент NAEN расчета процессов формирования наночастиц, нанопластин и нанотрубок RU.СНАБ.80066-01 01 13;

- программный компонент UPCONVERSION моделирования процессов переноса возбуждения (ап-конверсии) в лазерных материалах с наномасштабным распределением активатора RU.СНАБ.80066-01 01 15;

- программный компонент квантово-химических расчетов GAMESS US (заимствуется);

- программный компонент квантово-химических расчетов ORCA (заимствуется);

- программный компонент молекулярного моделирования NAMD (заимствуется);

В систему удаленного доступа (СУД) в составе АПК входят подсистемы и компоненты разделов (1‑5).

Детализация архитектуры и состава объекта разработки приведена в документе RU.СНАБ.80066-05 Е1 01.

На III этапе «Опытная эксплуатация в ННС» в ходе выполнения работ проведены предварительные испытания аппаратно-программного комплекса (АПК) удаленного доступа к проблемно-ориентированной среде высокопроизводительных вычислений для моделирования наноразмерных структур, наноматериалов, процессов и устройств HPC-NASIS II RU.СНАБ.80066-05, а также

- развернут опытный полигон в среде ГридННС, в рамках которого АПК HPC-NASIS II введен в опытную эксплуатацию;

- разработаны дополнительные программные сервисы для предоставления удаленного доступа к ресурсам АПК и для мониторинга активности профессионального интернет-сообщества, использующего разработанные в проекте сервисы и материалы в режиме удаленного доступа;

- разработан и внедрен комплект учебно-методических материалов (учебные модули, лабораторные работы, методические указания для исследовательских работ, электронные тьюторы) с использованием АПК и программный симулятор нанотехнологических процессов по направлениям «наноинженерия», «наноэлектроника», «нанобиотехнологии» на основе АПК;

- разработана программа и методики государственных приемочных испытаний, проведены сами испытания.

Опытная эксплуатация АПК HPC-NASIS-II в составе опытного полигона в ГридННС проводилась с 24 июня по 5 августа 2011 г. АПК функционировал в непрерывном режиме (24х7). В опытной эксплуатации участвовали 13 пользователей; всего было 449 запусков композитных приложений. В ходе опытной эксплуатации проводилось авторское сопровождение размещенных в составе АПК сервисов и учебно-методических материалов; разработаны дополнительные компоненты и сервисы, упрощающие использование АПК через Интернет, включая программный симулятор нанотехнологических процессов.

По результатам выполненных работ можно делать следующие выводы:

1) разработанный опытный образец АПК HPC-NASIS-II RU.СНАБ.80066-05 кардинально превосходит существующий комплекс HPC-NASIS RU.СНАБ.80066-01 по функциональным и эргономическим характеристикам, принципиальным с точки зрения создания функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ в области моделирования наноразмерных атомно-молекулярных структур, наноматериалов, процессов и устройств на их основе;

2) создан и введен в эксплуатацию портал удаленного доступа к АПК HPC-NASIS-II RU.СНАБ.80066-05, на основе которого разработан и внедрен комплект электронных учебно-методических материалов на основе методологических и технологических решений, разработанных на данном этапе проекта;

3) опытная эксплуатация и испытания АПК HPC-NASIS-II RU.СНАБ.80066-05 проведены успешно;

4) комплекс продемонстрировал свою работоспособность на ресурсах ГридННС.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики»