Актуальность исследования
Метод параллельных вычислений используется для моделирования сложных систем уже свыше 30 лет, однако наибольшее распространение данные технологии получили только в последнее десятилетие. Благодаря интенсивному развитию высокопроизводительных кластеров, многоядерных рабочих станций и программно-аппаратной архитектуры на основе графических процессоров, стало возможным решать ресурсоемкие задачи без применения специальных параллельных вычислительных систем (ПВС).
Одной из областей, где необходимы высокопроизводительные вычисления, является изучение кинетических процессов, протекающих в твердых телах. При моделировании релаксационных механизмов в метастабильных системах с изменяющейся во времени концентрацией основных компонентов применяются различные численные методы, которые предполагают проведение громоздких итерационных вычислений. В качестве примера такого процесса можно рассмотреть явление термолюминесценции (ТЛ) в широкозонных материалах. Для генерации модельных кривых ТЛ необходимо решать системы обыкновенных дифференциальных уравнений, которые описывают перераспределение носителей заряда и конкуренцию центров захвата и рекомбинации в возбужденных кристаллах. При изучении кинетики указанных процессов возникает и более комплексная задача идентификации модели ТЛ. Для её эффективного решения применяются эволюционные подходы на основе генетических алгоритмов (ГА), работа которых может занимать значительное время в зависимости от количества варьируемых параметров.
Ещё одной ресурсоемкой задачей в рамках моделирования кинетики ТЛ является проведение вычислительных экспериментов, в ходе которых требуется сгенерировать большое число кривых при варьировании параметров модели. Для её решения можно использовать инструментарий высокоуровневого программирования, позволяющего составлять сценарии расчетов. Генерация множества пиков ТЛ, как и в случае процедуры генетического поиска, может потребовать значительной вычислительной мощности для того, чтобы получить результат в приемлемый срок.
Таким образом, эффективное распараллеливание процедуры генетического поиска и сценариев вычислительного эксперимента является актуальной задачей математического моделирования. Благодаря ускорению расчетов, связанных с работой ГА, становится доступным расширение факторного пространства исследуемых моделей. Перспективным представляется и разработка программного комплекса (ПК), способного объединить в себе функции информационной системы и средства моделирования процессов ТЛ с использованием ПВС.
Объект исследования. Параллельные алгоритмы генетического поиска моделей ТЛ в кристаллах.
Предмет исследования. Параллельный генетический алгоритм и методы повышения его эффективности для решения задач по моделированию кинетики ТЛ.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является разработка и реализация программного комплекса для моделирования кинетических процессов с использованием методов параллельных вычислений. В качестве объекта исследования были выбраны кинетические процессы ТЛ в твердых телах.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. выполнен обзор аналогов программных средств моделирования кинетических процессов и выбран прототип;
2. проведен анализ существующих схем распараллеливания ГА, из которых выбрана наиболее подходящая для исследуемой области;
3. предложен эффективный подход к распределению вычислений ГА, применяемого для параметрической и структурной идентификации моделей ТЛ;
4. выполнено проектирование программного комплекса с веб-сервисной архитектурой для моделирования кинетики ТЛ в кристаллах на ПВС;
5. осуществлена программная реализация спроектированного ПК и проведено его тестирование.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. предложен метод балансировки нагрузки ПВС на основе упорядоченной очереди для процедуры генетического поиска моделей процесса термолюминесценции в кристаллах;
2. разработан механизм распараллеливания сценариев вычислительного эксперимента, составленных с помощью специального высокоуровневого языка;
3. реализована структура программного средства для моделирования процессов ТЛ, которая отличается от структуры прототипа новым блоком распределения вычислений и подсистемой сценариев и позволяет строить математические модели адекватные исследуемому физическому процессу;
4. синтезирована веб-сервисная архитектура параллельного программного комплекса, имеющая в своей основе сервер приложений, который может быть размещен в глобальной сети в виде сервиса со стандартными внешними интерфейсами и использоваться в рамках идеологии облачных вычислений.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Предлагаемый параллельный ГА с балансировкой на основе упорядоченной очереди эффективно использует ПВС и позволяет значительно снизить время идентификации моделей ТЛ.
2. Подсистема высокоуровневого языка, использующая метод равномерной загрузки ПВС такой же как в параллельном ГА, позволяет значительно ускорить выполнение программ вычислительного эксперимента.
3. Структура разработанного ПК, в отличие от прототипа, включает в себя новые блоки интерпретации программ вычислительного эксперимента и распределения вычислений, которые расширяют функциональность системы и позволяют использовать ПК как на кластерных ПВС, так и на многоядерных рабочих станциях.
4. Веб-сервисная архитектура делает возможным размещение созданного ПК в глобальной сети в виде сервиса со стандартными протоколами взаимодействия, благодаря чему упрощается обслуживание и развитие созданного программного средства.
Практическая значимость работы. Разработанный программный комплекс позволяет проводить идентификацию экспериментальных кривых термолюминесценции одновременно при помощи поиска оптимальных пара-метров модели и построения системы уравнений, использующих эти параметры. Благодаря использованию метода параллельных вычислений время работы программы значительно снижается, тем самым появляется возможность расширять факторное пространство модели. Время работы генетического поиска сокращается в 14 раз при использовании вычислительного кластера с 16-ю узлами и в 4 раза - при работе на 4-ядерной рабочей станции. Кроме того, предложенный подход к распределению вычислений обеспечивает эффективное распараллеливание сценариев вычислительных экспериментов, составленных с помощью встроенного высокоуровневого языка, включая сценарии ПФЭ.
Применение в составе ПК развитого сервера приложений Zope, созданного в рамках идеологии открытого программного обеспечения, упрощает задачу по модернизации системы и добавлению в неё других кинетических моделей. Веб-сервисный подход, использованный при разработке архитектуры, позволяет интегрировать ПК с внешней информационной системой с помощью известных протоколов.
Имеются два Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ и акт о внедрении разработанного ПК. Созданная система может использоваться в образовательном процессе при обучении студентов физических и информационных специальностей, а также при подготовке научных кадров высшей квалификации.
Апробация работы. Основные результаты и положения исследований докладывались и обсуждались на: VIII международной конференции «Оптонаноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2006); международной научно-практической конференции «Снежинск и наука - 2006. Трансфер технологий, инновации, современные проблемы атомной отрасли» (Снежинск, 2006); the 5-th international scientific conference «Chaos and structures in nonlinear systems. Theory and experiment» (Astana, 2006); конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007); юбилейной научно-практической конференции ФТФ - 60 (Екатеринбург, 2009); Втором Международном форуме по нанотехнологиям (RusNanoTech 09) (Москва, 2009).
Работа частично поддержана в рамках выполнения Государственного контракта по ФЦП «Научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы». Часть результатов получена при выполнении НИР в рамках Государственного контракта по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 статей в научных журналах из перечня ВАК 2005 - 2011 гг. и в материалах международных конференций, а также 2 Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований, 4 приложений и содержит 114 стр. основного машинописного текста, 45 рисунков, 14 таблиц.
1. Разработан программный комплекс, который позволяет проводить идентификацию моделей ТЛ на основе генетического поиска оптимальных параметров моделей с применением методов параллельных вычислений.
2. Проведен анализ существующих программных средств, используемых при решении задач параметрической и структурной идентификации моделей ТЛ-процессов в кристаллах. Выбран прототип разрабатываемого решения - ПК «GenTL». Выявлены его недостатки. Проведен обзор различных подходов к распараллеливанию процедуры генетического поиска. Для использования в разрабатываемом ПК выбран синхронный глобальный ГА. Определен основной недостаток данной схемы, способный снизить эффективность распараллеливания - простой процессоров в момент синхронизации ГА.
3. Для повышения эффективности распараллеливания генетического поиска предложена и реализована процедура балансировки задач на основе очереди для более равномерной загрузки узлов ПВС. Проведены расчеты скорости работы ПК в параллельном режиме с использованием эмулятора загрузки узлов вычислительной системы. Выполнен анализ влияния порядка задач в очереди на степень ускорения и предложены методы, позволяющие повысить эффективность распараллеливания при помощи сортировки очереди. На основе предложенных подходов выполнено алгоритмическое и функциональное описание ПК.
4. Разработана подсистема скриптового языка, которая позволяет составлять и выполнять сценарии вычислительных экспериментов в рамках рассматриваемой проблемы. Выполнение программ, описанных с помощью сценариев, может осуществляться в параллельном режиме с использованием тех же подходов к распараллеливанию, что и в случае работы ГА.
5. Рассчитан показатель ускорения при распараллеливании процедуры генетического поиска на реальных ПВС. При запуске генетического алгоритма на кластере с 16 узлами может достигаться 14-кратное ускорение. На 4-ядерной рабочей станции значение Sp=3.9.Схожие результаты получены и при выполнении сценариев вычислительного эксперимента.
6. Практическим результатом исследования является разработка программного комплекса, позволяющего:
- значительно повысить скорость выполнения параметрической и структурной идентификации моделей термолюминесценции по сравнению с основным аналогом GenTL за счет использования параллельных вычислительных систем;
- составлять сценарии вычислительных экспериментов при помощи встроенного скриптового языка и выполнять их на ПВС;
- работать с исследуемыми моделями удаленно, используя для этого веб- ориентированный интерфейс пользователя.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
