Материалы портала «Научная Россия»

Как помочь науке, не вставая с дивана?

Как стать участником мирового научного процесса? Как сделать так, чтобы домашний ноутбук стал частью системы Большого адронного коллайдера? Речь идет вовсе не о хакерстве. А о принятой во всем мире сети распределенных вычислений.

Сегодняшняя фундаментальная наука требует все больших вычислительных мощностей. Суперкомпьютеры сегодня заранее просчитывают и планируют каждый эксперимент, моделируют работу блоков мега-экспериментальных установок. Нарастание во всем мире объема этих вычислений заставило ученых задуматься об использовании коллективных усилий. Ведь далеко не каждый научный коллектив обладает средствами, достаточными для построения вычислительного кластера или аренды суперкомпьютера.

Создать вычислительные мега-мощности планетарного масштаба позволяет метод распределенных вычислений.

Более подробно о том, что это такое и как работает, как можно стать участником научных мега-проектов и каковы они на сегодняшний день можно прочитать в материале «Как стать компьютерным донором»  http://scientificrussia.ru/articles/kak-stat-kompyuternym-donorom – интервью с Александром Андреевым (ник AlexA[boinc.ru]), участником добровольных распределенных вычислений с 2005 года, одним из организаторов и администраторов сайта BOINC.RU и команды распределенных вычислений «Russsia Team».

  

 

Первые ростки эпохи компьютерного донорства обнаруживаются еще в 1973 году, когда программисты Джон Шох и Джон Хапп из Калифорнийского научно-исследовательского центра Xerox PARC написали программу, которая по ночам запускалась в локальную сеть PARC и заставляла работающие компьютеры выполнять различные вычисления. А в 1978 году советский математик Виктор Глушков предложил ряд принципов распределения работы между процессорами, на базе которых им была разработана ЭВМ ЕС-2701. В 1994 году Дэвид Джиди предложил идею по организации массового проекта распределённых вычислений с использованием компьютеров добровольцев — SETI@Home. С этого момента и берет начало эра распределенных компьютерных вычислений.

 В настоящее время в мире насчитывается более  80-ти различных проектов распределенных вычислений. Среди них и супермасштабные проекты крупнейших мировых научных центров, и рядовые проекты студентов-дипломников, аспирантов и научных сотрудников. Вот лишь наиболее значительные из них. 

Эффективная эксплуатация магнитной системы Большого адронного коллайдера, была бы невозможной без предварительного моделирования поведения пучков в рамках проекта

LHC@Home http://lhcathomeclassic.cern.ch/sixtrack/


 

MilkyWay@Home http://milkyway.cs.rpi.edu/milkyway/ 

Исследования возникновения и эволюции звездных потоков, окружающих нашу Галактику, сложно представить без использования результатов, полученных в этом проекте.

 

 

GIMPS  http://www.mersenne.org

 Наибольшие известные простые числа, состоящие из более чем десяти миллионов цифр, открыты в течение последнего десятилетия в проекте

 

 

 

Einstein@Home  http://einstein.phys.uwm.edu/

 проект, занимающийся поиском гравитационных волн, приходящих к нам от чрезвычайно плотных и быстровращающихся нейтронных звёзд или двойных систем с их участием. Данные для обработки поступают с Лазерного Интерферометра Обсерватории Гравитационных волн (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory - LIGO) в США и обсерватории для поиска гравитационных волн GEO 600, расположенной в Германии. Проект работает уже восьмой год. За это время произведен гигантский объем вычислений силами более 320 тыс. человек со всего мира и более 2,5 млн. персональных компьютеров. Гравитационных волн, к сожалению, пока не обнаружено, однако идет постоянное совершенствование как методики обнаружения, так и точности самих приборов - LIGO и GEO 600, представляющих собой сложнейшие многотонные и многокилометровые комплексы установок. Также в этом проекте стали обрабатывать данные и с радиотелескопов, применяя методику для поиска пульсаров.  И вот тут уже есть реальные достижения. Было открыто несколько десятков новых, ранее неизвестных космических объектов - быстровращающихся нейтронных звезд.

Climateprediction.net http://climateprediction.net/ 

проект, созданный при поддержке департамента атмосферной физики Оксфордского Университета (Oxford University Atmospheric Physics), занимается созданием моделей климатических изменений, изучением погодных атмосферных явлений и влиянием деятельности человека на изменения окружающей среды. С помощью данного проекта ученые пытаются установить,  как может измениться климат в следующем столетии с применением широкого диапазона сценариев. Одним из результатов, полученных участниками проекта Climatprediction.net, стал вывод о том, что среднегодовая температура на Земле может подняться на 11 градусов даже в том случае, если выбросы парниковых газов сократятся вдвое. Кроме того, ученые пришли к выводу, что климат сильно реагирует даже на незначительные изменения атмосферных параметров. Поэтому предсказать последствия тех или иных действий по борьбе с глобальным потеплением до сих пор представляется весьма затруднительным.

Rosetta@home http://boinc.bakerlab.org/rosetta/ 

 медико-биологический проект, созданный и поддерживаемый Вашингтонским Университетом (University of Washington). Проект занимается исследованием и определением трехмерных структур белков, что может, в конечном счете, привести к обнаружению лекарств против ВИЧ, малярии, рака и болезни Альцгеймера.

 

QMC@home http://qah.uni-muenster.de/ 

проект исследований в области квантовой химии. Организован и поддерживается сотрудниками подразделения теоретической органической химии Мюнстерского Университета в Германии (Theoretical Organic Chemistry University of Münster).  Проект Quantum Monte Carlo At Home (QMC@HOME) посвящен дальнейшему развитию квантового Метода Монте-Карло (QMC) для всеобщего использования в Квантовой Химии и для предсказания структуры и реактивности молекул, что крайне важно как для химии, так и других естественных наук.

 

 

Проект  eOn   http://eon.ices.utexas.edu/eon2/

исследования в области теоретической химии, целью которого является решение ряда задач из физики твердого тела и материаловедения. Организован и поддерживается исследовательской группой Хенкельмана (Henkelman Research Group) из Техасского университета в Остине. Целью проекта является моделирование молекулярных процессов в миллисекундном масштабе времени (протекание химических реакций, диффузия) с применением метода Монте-Карло. Одним из ожидаемых практически важных результатов проекта является синтез новых высокоэффективных катализаторов.

GPUGRID http://www.gpugrid.net/ 

Проект поддерживается Университетом Пумпеу Фабра (Pompeu Fabra University) в Барселоне. В задачи проекта входит молекулярное моделирование в биомедицине, например, с целью уточнения функций протеинов в организме и борьбы с раком и ВИЧ. 

 

 

SETI@home http://setiathome.berkeley.edu/ 

Проект -"основоположник" всех распределенных вычислений: поиск сигналов внеземных цивилизаций. Сама идея - попытка обнаружить в космосе радиосигналы от инопланетных форм жизни - захватывающа и грандиозна. Вероятно, поэтому проект SETI имеет огромное число приверженцев во всем мире.


WCG  
http://www.worldcommunitygrid.org/ 

Рассказывая о распределенных вычислениях невозможно не вспомнить и о вычислительном гиганте - IBM и ее программе World Community Grid (WCG). WCG не является проектом как таковым, эта программа дает возможность ученым различных областей решать свои задачи с использованием аппаратных и организационным ресурсов World Community Grid. Проекты, победившие в конкурсе и представляющие интерес, с точки зрения организаторов, получают возможность считать свою задачу в качестве подпроекта WCG. Все поддерживаемые проекты отличаются высокой гуманистической направленностью, заботой о здоровье людей.  За время, прошедшее с момента запуска проекта, такая возможность была предоставлена следующим задачам:

Computing for Sustainable Water (вычисления для поддержки водных ресурсов) - проект призванный помочь в предоставлении важной информации исследователям для того, чтобы потенциально улучшить качество воды в мировых водохранилищах.


Say No to Schistosoma
(скажи нет шистосоме) - проект способствует продвижению важных исследований тропической болезни, которая убивает 200 000 человек в год и затрагивает свыше 207 миллионов человек по всему миру.


GO Fight Against Malaria
(ВПЕРЕД - на борьбу с малярией) - проект глобальной онлайн-борьбы с малярией, нацеленный на помощь в поиске новых лекарств, которые могут остановить распространение малярии, инфекций и помочь в лечении лекарственно-устойчивых штаммов.


Drug
Search for Leishmaniasis (Поиск лекарств против Лейшманиоза) - поиск лекарства от одной из самых неизученных тропических болезней в мире, которая заражает более двух миллионов детей и взрослых в 97 странах мира ежегодно.


Computing for Clean Water
(вычисления для чистой воды) - расчеты для нахождения более эффективных и более дешевых методы получения чистой воды.



The
Clean Energy Project (проект чистой энергии) - проект, работающий над открытием новых материалов, которые могут быть использованы в солнечных батареях будущего и позволят эффективно улавливать и хранить солнечное излучение в качестве энергии для последующего использования.


Discovering Dengue Drugs - Together
(вместе откроем лекарство от лихорадки) в ходе проекта идентифицируются лекарства, которые могут бороться с Лихорадкой, Гепатитом С, болезнью Западного Нила и вирусом Желтой лихорадки.

 
Help Cure Muscular Dystrophy (помощь в лечении мышечной дистрофии) - проект, который поможет разработать более эффективные методы лечения мышечной дистрофии и других нервно-мышечных заболеваний.



Help Fight Childhood Cancer
(помощь в борьбе с раком у детей) - поиск лекарств, способных отключать белки, связанные с наиболее часто встречающимися твердыми опухолями у детей.



Help Conquer Cancer
(помощь в победе над раком) - проект, который помогает ученым лучше понимать процесс лечения рака путем выявления белков, участвующих в образовании рака, и их функции.



Human Proteome Folding
(свертывание белков человека) - исследования для обнаружения функций белков человека, которые могут оказаться полезными в качестве лекарственных препаратов.



FightAIDS@Home
- попытка найти лекарства против СПИДа.

 


И это лишь малая часть тех исследований в различных областях науки, которые используют в своих интересах методы распределенных вычислений.

Распределенные вычисления в России 

Конечно РВ – довольно своеобразное увлечение. Но ими увлекаются практически во всех странах мира. Но положение России тут, увы, не самое блестящее.  
По данным статистического сервера BOINCstats http://boincstats.com/ru, который, кстати, тоже создан, финансируется и поддерживается на добровольных началах, в мире за все время сбора статистики (а это уже почти 8 лет) в добровольных распределенных вычислениях принимало участие 2,5 млн. человек. В настоящее время активно участвуют более 270 тыс. человек. В США насчитывается более 85 тысяч активных участников, в Германии - более 21 тысячи, в Великобритании - более 15 тысяч. В небольших по населению Польше и Чехии в настоящее время в РВ участвуют 3500 и 4000 чел., соответственно. В России сейчас насчитывается чуть больше 4400 человек, активно участвующих в проектах РВ. Для такой большой страны с сильно развитой инфраструктурой интернета – это очень мало.

За последние 5-6 лет, пожалуй, можно вспомнить не более десятка отечественных проектов, которые возникали, некоторое время работали и благополучно канули в лету, не оставив после себя никаких упоминаний о результатах. Ярких и успешно существующих же российских проектов всего два:

1.Организованный в 2010 году совместными усилиями энтузиастов сайта BOINC.RU www.boinc.ru и доцента кафедры вычислительной техники Юго-Западного государственного университета Эдуарда Ватутина проект Gerasim@home http://gerasim.boinc.ru.
В проекте проводились исследования в области автоматики и кибернетики, решалась задача анализа качества разбиений граф-схем параллельных алгоритмов логического управления, полученных различными эвристическими методами. Он работал более года и выполнил все запланированные исследования, по результатам которых были выпущены как печатные научные работы, так и проведено несколько докладов и лекций на различных научных форумах. 

2. Организованный в 2011 году и успешно работающий в настоящее время проект SAT@home http://sat.isa.ru/pdsat/. Организаторами проекта являются Институт системного анализа РАН и Институт динамики систем и теории управления Сибирского отделения РАН. Руководители проекта - Михаил Посыпкин и Олег Заикин. Эксперимент, направленный на решение задач криптоанализа генератора A5/1 длился 6 месяцев и был успешно завершен в мае 2012 года. После этого был запущен новый эксперимент, направленный на поиск пар ортогональных диагональных латинских квадратов порядка 9 и 10.

Стоит отметить, что в различных статьях обычно пишут о самих проектах, иногда об организаторах, но практически никогда – об участниках, которые этот проект продвигают. А ведь очень многие активно участвуют в помощи проектам, в агитации за развитие РВ, в создании сайтов/форумов для общения, в помощи самим проектам, придумывают собственные соревнования, привлекают к ним участников со всего мира. Организуются в команды, соревнуются, общаются. В общем, стараются из довольно скучных и унылых компьютерных вычислений сделать что-то интересное, веселое и захватывающее.

Некоторые участники вычислений создавали собственные сайты статистики, которые собирают информацию со всех проектов (а их уже почти сотня), аккумулируют её, обрабатывают по собственным алгоритмам и предоставляют в различных видах. На текущий момент существует несколько таких сайтов, но, пожалуй, самый известный и ставший уже стандартом, это BOINCstats.com  http://boincstats.com/, созданный активным приверженцем РВ Вили де Зуттером (Willy de Zutter) из Нидерландов. Сайт содержится и развивается на пожертвования таких же участников. Здесь впервые начали проводиться виртуальные компьютерные соревнования между командами в отдельных проектах. Суть их в том, что в период его проведения (сейчас это неделя) отдельно учитываются очки, полученные участниками и командами в выбранном проекте (только для зарегистрировавшихся команд). И если обычная статистика в виду очень больших её объемов и большого числа проектов обновляется не очень часто (раз в сутки примерно), то в ходе соревнования обновление происходит каждые 15 минут, поэтому за изменением ситуации можно наблюдать почти в реальном времени, что придает такой гонке (челленджу) определенную динамику и вызывает у участников сильные эмоции (например, когда твоя команда обгоняет соперника или он обгоняет тебя) Примеры можно посмотреть здесь: 
http://boincstats.com/ru/stats/challenge/team/chat/396

Польза таких соревнований для проектов в том, что на период проведения мощности участников концентрируются в выбранном проекте, в результате резко увеличивается проектная вычислительная мощность, и проект существенно продвигается в своем прогрессе. Вот график производительности проекта SAT@home за последний год:
http://sat.isa.ru/pdsat/performance/performance12month.jpg

Все основные пики производительности приходятся именно на соревнования. Для мировой науки это, конечно же, немалое благо. Ну а сами участники получают соревновательный адреналин и истинное удовольствие. Вот например, сайт арены подобных состязаний «Формула Боинк»  http://formula-boinc.org/index.py?lang=ru&year=2013, которую придумала и воплотила в жизнь команда «L'Alliance Francophone». Командой SETI.Germany придумано даже Пятиборье БОИНК Пентатлон: http://www.seti-germany.de/boinc_pentathlon/?lang=en. Это двухнедельное пятиборье, в котором участники считают одновременно пять проектов, причем сами проекты предварительно выбираются голосованием между участвующими командами.

Вперед, коллеги! Наука ждет ваших рекордов!

 

большой адронный коллайдер компьютерные сети распределенные вычисления суперкомпьютер

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий