SIA “Mikrotīkls” konkursa projekts veiksmīgi noslēgts: Pieredzē dalās tā vadītājs, profesors Jānis Priede

Kāda bija Jūsu motivācija iesaistīties SIA “Mikrotīkls” konkursā?

Par šo konkursu biju dzirdējis no kolēģiem, kuri bija tajā veiksmīgi piedalījušies iepriekšējos gados, un man bija ideja, kura šķita piemērota šim konkursam. Tā kā konkurss ir vairāk orientēts uz pētniecības infrastruktūras attīstību, man kā teorētiķim, kas savā darbā pamatā izmanto papīru, zīmuli un datoru, bija izaicinājums piedalīties šādā konkursā.

Projekta ideja nāca no manas iepriekšējā darba pieredzes Koventrijas Universitātē (Apvienotā Karaliste), kur strādājot pie šķidruma plūsmu modelēšanas, kas ir būtiska mana darba sastāvdaļa, biju sācis izmantot tā sauktos grafikas procesorus (GPU). Tās ir ierīces, kas rada to, ko redzam uz datoru ekrāniem. Kustīgu telpisku objektu parādīšana, tā lai tie izskatītos maksimāli dabīgi, ir diezgan sarežģīts process, kurā nepieciešams ātri veikt lielu daudzumu aprēķinu. Lielā mērā pateicoties datorspēļu attīstībai pāris pēdējās desmitgadēs, grafikas procesori ir kļuvuši par miniatūriem superdatoriem ar vairākiem tūkstošiem procesoru un daudzu desmitu gigabaitu atmiņu, kas tos padara pievilcīgus zinātniskiem aprēķiniem. Izmantojot grafikas procesorus nereti izdodas saīsināt aprēķiniem nepieciešamo laiku desmitiem reižu. Pirms diviem gadiem, kad  pateicoties ESF finansētam projektam LU personālsastāva atjaunotnei, atgriezos Latvijā, atklāju, ka LU nekas tāds vēl nav pieejams.

Mana galvenā motivācija iesaistoties šajā projektā bija padarīt uz grafikas procesoriem balstītu datormodelēšanas tehnoloģiju pieejamu LU pētniekiem un studentiem.

Kāds ir šī projekta mērķis un pienesums?

Šī projekta pamatmērķis bija palielināt LU datormodelēšanas kapacitāti, papildinot  FMOF Skaitliskās Modelēšanas Institūta (SMI) augstas veiktspējas datoru klāsteri ar diviem NVIDIA Tesla A40 48GB grafikas procesoriem aprīkotu serveri.

Veicot cenu aptauju, servera piegādei izvēlējāmies Apvienotās Karalistes kompāniju Broadberry, kura piedāvāja vislabāko servera komplektāciju. Papildus tam mūsu pasūtījumam tika piemērota ievērojama cenas atlaide, līdzīgi kā Lielbritānijas augstākās izglītības iestādēm, daudzas no kurām šī kompānija apgādā ar datortehniku. Pasūtījuma noformēšanas laikā, Broadberry konsultants mums ieteica NVIDIA RTX A6000 grafikas procesoru, kam ir  līdzīga cena, bet augstāka veiktspēja nekā mūsu sākotnēji izvēlētajam variantam. Pēc pasūtījuma noformēšanas pagājušā gada septembra beigās, mūsu serveris tika uzbūvēts un piegādāts nepilnu sešu nedēļu laikā, kas bija pārsteidzoši ātri, ņemot vērā tā laika globālo mikroshēmu deficītu. Šis deficīts diemžēl ietekmēja servera uzstādīšanu, kura tika pabeigta tikai 2023. gada augustā, jo aizkavējās datortīkla papildus sadales iekārtas piegāde, kurā izrādījās nepieciešama servera pieslēgšanai esošajam SMI klāsterim. Septembrī tika pabeigta programmu nodrošinājuma uzstādīšana un servera testēšana. Kopš tā laika serveris ir pieejams koplietošanai SMI augstas veiktspējas datoru klāsterī hpc.lu.lv kā mezgls node-gpu. Pieslēdzoties HPC klāsterim, lietotāji tiek informēti, ka šis GPU serveris ir iegādāts  pateicoties mecenāta "Mikrotīkls" ziedojumam, kuru  administrē Latvijas Universitātes fonds. Lietotājiem tagad ir iespēja izstrādāt GPU datorprogrammas,  izmantojot NVIDIA HPC programmu paketē (developer.nvidia.com/hpc-sdk) pieejamos C un Fortran kompilatorus, kā arī specializētās matemātisko algoritmu bibliotēkas. Lietotāji var darbināt arī iepriekš izveidotas GPU datorprogrammas, izmantojot Singularity konteineru platformu (modinst.lu.lv/en/singularity-containers/).

Kas ir būtiskākais, ko Jūs kā zinātnieks esat ieguvis pēc projekta noslēgšanas?

Pirmkārt, kopā ar kolēģiem, esmu ieguvis piekļuvi relatīvi jaudīgiem skaitļošanas resursiem, kurus būs iespējams izmantot turpmākos pētniecības projektos, kā arī  mācību procesā. Otrkārt, šī projekta ietvaros veicu arī nelielu pētniecības projektu, kurā modelēju viļņus, kas veidojas uz šķidra metāla un elektrolīta robežvirsmas, kad caur to plūst stipra elektriskā strāva. Šādi viļņi var rasties alumīnija elektrolīzes iekārtās, kā arī tā liela izmēra šķidru metālu baterijās, kuras nākotnē varētu izmantot saules bateriju un vēja ģeneratoru saražotās elektroenerģijas uzglabāšanai.

Šim projektam man bija nepieciešams pārveidot datorprogrammu, kuru biju izveidojis kopā ar savu iepriekšējo doktorantūras studentu Koventrijas Universitātē, tā, lai tā varētu izmantot grafikas procesoru. Šis darbs prasīja nedaudz vairāk laika nekā sākumā biju plānojis, jo nācās no jauna uzrakstīt dažas būtiskas algoritma sastāvdaļas, proti tā saukto ātro kosinusa transformāciju. GPU programmas kods arī iznāca vairāk kā divas reizes garāks par sākotnējo CPU versiju. Ar rezultātu esmu ļoti apmierināts, jo neskatoties uz algoritma relatīvo sarežģītību, rēķinot ar augstu izšķirtspēju, GPU kods ir 4-5 reizes ātrāks nekā CPU versija. Strādājot pie šī projekta, esmu iemācījes dažas jaunas lietas, ar kurām labprāt padalīšos ar kolēģiem un studentiem.

Papildu informācija:

Noslēdzoties LU Fonda projektam "Uz moderniem grafikas procesoriem balstītas datormodelēšanas tehnoloģijas ieviešana LU", ko vadījis FMOF profesors Jānis Priede, acinām visus interesentus uz zinātniskajām brokastīm*. Reģistrēšanās brokastīm: Reģistrējies: ej.uz/hpczinatniskasbrokastis 

*Aktivitāte bijusi iespējama pateicoties Latvijas Universitātes Fonda projektam “Uz moderniem grafikas procesoriem balstītas datormodelēšanas tehnoloģijas ieviešana LU”, kas finansēts no SIA “Mikrotīkls” ziedojuma.