Since the earliest days of philosophical thinking ...gradvohl/XXX/IntrodCompCientifica4.pdf ·...
Transcript of Since the earliest days of philosophical thinking ...gradvohl/XXX/IntrodCompCientifica4.pdf ·...
Tecnologia em Foco
Vitor R. ColuciFaculdade de Tecnologia - UNICAMP
http://www.ft.unicamp.br/vitor
Introdução à Computação de Alto Desempenho
Roteiro
-Computação Científica
-Aplicações
-Supercomputadores
-Clusters
-Computação Paralela
-Visita
Computação
Científica
Ciência
Since the earliest days of philosophical thinking, there have always been two ways to do science.. The first is to go and out and observe and make measurements, for example dropping cannon balls from the Leaning Tower of Pisa, or studying the motion of the `wanderers`. The second is by contemplating the results of the first, for example, our increase in apparent weight when a lift goes up. All scientific progress until the middle of the twentieth century was performed in this way and the achievements have been truly remarkable.
Paul Harrison, Computational Methods in Physics, Chemistry and Biology (2001)
Ciência
Now in the middle of the twentieth century,, machines started to be developed that could performed arithmetical operations, and lots of them, very quickly. With our insatiable appetite to investigate the world around us and perform science, people quickly began to look at ways the new computers could be exploited in our quest for greater knowledge and understanding. And so a third way of doing science was created - computation.
Paul Harrison, Computational Methods in Physics, Chemistry and Biology (2001)
Ciência
Teoria Experimentos
SimulaçõesComputacionais
Novo paradigma
Computação Científica
Objetivo: Resolver problemas utilizando computadores
Problemas reais são em geral muito difíceis ou muito complexos para soluções analíticas mas tratáveis com o computador
Modelagem ClimáticaSimulação de FuracõesSimulação de TsunamiSimulação de TornadosDinâmica de Fluidos ComputacionalModelagem de Materiais
Utilização de métodos quantitativos para simular as interações da atmosfera, oceanos, continentes e gelo.
Modelos: equações diferenciais baseadas em leis da Física, movimento de Fluidos, Química.
Resultados: Ventos, transferência de calor, humidade relativa, etc em cada elemento do grid.
Modelagem climática
www.csm.ornl.gov/PR/PR2006/hpc-07-21-06.html http://www.drroyspencer.com/2009/07/how-do-climate-models-work/
http://www.vets.ucar.edu/vg/Diana/index.shtml
Simulação de Furacões
Tsunami = Onda de grande
comprimento de onda no
oceano gerada por terremotos
ou outros eventos
que deslocam repentinamente
grande quantidade de água
Simulação de Tsunami
Resolução de equações diferenciais não-lineares (propagação do Tsunami)
Leis que governam água sobre ação da gravidade
Topografia
1 2
3 4
http://amcg.ese.ic.ac.uk/index.php?title=Tsunami_simulation
http://www.psc.edu/research/graphics/gallery/mxue.php
Simulação de Tornados
http://eiger.mae.wvu.edu/tornado.htmlhttp://eiger.mae.wvu.edu/papers/debris1_P.pdf
There are many reasons for studying tornado debris clouds. They are one of the chief visual signatures of tornadoes, providing clues to their dynamics. Debris loading, particularly larger missiles, can contribute significantly to tornado damage. Understanding the differences between the local velocities of debris and air is important for interpreting Doppler radar measurements of tornado wind speeds. Finally, the presence of debris may alter the fluid-dynamic structure of the tornado itself.
Effects of Fine-Scale Debris on Near-Surface Tornado Dynamics, D. C. Lewelleny, Baiyun Gong, and W. S. Lewellen
http://dev.aerosim-motorsports.com/2008/05/
Dinâmica de Fluidos Computacional
http://www.autoevolution.com/news/how-does-cfd-computational-fluid-dynamics-work-6400.html#image1
Aerodinâmica influenciada pela temperatura (pneus e motor)
CFD usada pela Renault
Fluxo de ar saindo do carroTurbulências parte traseira Sistema de refrigeração
Modelagem de Materiais
NanomateriaisNano: prefixo que vem do grego
antigo e significa "anão".
1 bilionésimo do metro = 10-9 m (nanômetro)
1m1.000.000.000
Mesma razão entre o diâmetro de uma bola de gude e o diâmetro da Terra
A largura de um fio de cabelo
A largura de uma célula vermelha do sangue
O comprimento típico de uma bactéria
A largura de uma partícula de poeira
A largura de fio em um chip de computador
A largura da estrutura helicoidal de DNA
A distância entre dois átomos de carbono
Alguns valores típicos:
100.000 nanômetros
10.000 nanômetros
1.000 nanômetros
800 nanômetros
100 nanômetros
2 nanômetros
0.15 nanômetros~1 nm
Fulereno Nanotubo de Carbono
(1985) (1991)
Fonte: Jirka Cech
Comparação de um fio de cabelo (fino) com nanotubos de carbono
Modelagem de Materiais
Acesso experimental a fenômenos em nanoescala pode não ser possível:
- Dificuldade de manipulação- Degradação irreversível nas amostras causada pelo ato de medir- etc
“Preenchem a lacuna” entre o Experimento e a Observação
Investigação de fenômenos “inacessíveis”
Fornecer dicas, descartar/aceitar hipóteses/modelos, etc
Nanomateriais
Dinâmica Molecular
Resolver equações de movimento para um sistema de partículas interagentes
!ri(t)
!Fi
!Fi =
d!pi
dt
Evolução temporal do sistema
!Fi
Dinâmica Molecular
Dinâmica Molecular Dinâmica Molecular
!Fi
!Fi =
d!pi
dt
Evolução temporal do sistema
Primeiros princípios (ab initio)
Semi-empíricos
Clássicos
i j
Aplicações de Dinâmica Molecular
• Design/Concepção de novas nanoestruturas
• Controle da organização de nanoestruturas
• Investigação de nano-dispositivos mecânicos
• Interação de nanoestruturas com o mundo
biológico
Engenharia de Nanomateriais
Y. He et al. Nature 452, 198 (2008)
Arranjo controlado de
DNA
Construção de Super-Fulerenos
C60 Super-Fulereno
V. R. Coluci, R. P. B. dos Santos, D. S. Galvão J. of Nanoscience and Nanotechnology 10 !4378 (2010)
Comportamento Mecânico (estático)
Supercomputadores
Supercomputdores1976 Cray-1Processamento 160 MFlops (160 milhões de operações de ponto flutuante por segundo)
Preço: US$ 10 milhões
Caros (~ US$ 10 milhões)
Inicialmente só encontrados em laboratórios do governo (EUA)
Universidades e indústrias
(cálculos mais rápidos levam a uma vantagem na competição)
Ex.: Fórmula 1, Desenvolvimento de medicamentos (patentes), etc
Supercomputador (hoje):
Computador paralelo com milhares de CPUs
www.top500.org
#1 Tianhe-1A [Linux] 186 368 núcleos,
Los Alamos National Laboratory, 2.6 PFLOPS (peta Flops)
20 bilhões vezes mais rápido que o Cray-1
Supercomputdores
www.top500.org
’93 ’94 ’95 ’96 ’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10 ’11 ’12
1 Gflop/s
10 Gflop/s
100 Gflop/s
1 Tflop/s
10 Tflop/s
100 Tflop/s
1 Pflop/s
10 Pflop/s
100 Pflop/s
1 Eflop/s
PERFORMANCE DEVELOPMENT PROJECTED
0.4 Gflop/s
59.7 Gflop/s
1.17 Tflop/s
SUM
N=1
N=500
31.1 Tflop/s
2.57 Pflop/s
44.2 Pflop/s
Hoje 2.57 PFlops (1015 Flops)
2018 EFlops (1018 Flops)
Tianhe-1ANational Supercomputing Center in Tianjin
ComputerNUDT TH MPP, X5670 2.93Ghz 6C, NVIDIA GPU, FT-1000 8C
Main Memory229376 GBInstallation Year2010!
Operating SystemLinuxMemory229376 GB
7.168 GPUs Nvidia Tesla e 14.336 processadores Intel Xeon
ProcessorIntel EM64T Xeon X56xx (Westmere-EP) 2930 MHz (11.72 GFlops)
INSTALLATION TYPE
20%
40%
60%
80%
100%
’93 ’94 ’95 ’96 ’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10
VENDORRESEARCH
CLASSIFIED
INDUSTRY
GOVERNMENT
ACADEMIC
CHIP TECHNOLOGY20%
40%
60%
80%
100%
’93 ’94 ’95 ’96 ’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10
HP
INTEL
ALPHA
IBM
AMD
MIPS
SPARC
PROPRIETARY
IBM Roadrunner
Power 2.35 MW, Space 296 racks, 560!m2 , Memory 103.6 TB, Speed 1.71 PFlops (theoretical peak), Cost USD $125M
Aglomerado de computadores pessoais (PCs) utilizando SO gratuito ligados em rede
Cluster Beowulf Cluster Beowulf
1994 - NASAThomas Sterling e Donald J. Becker
16 PCs - microprocessador 486Linux
70 MFlops
US$ 50.000,00
10% do valor dos supercomputadores da época
Personagem principal do épico inglês mais antigo (1600)
História de um herói de grande força que luta contra um monstrochamado Grendel
Poder computacional cresceu muito(de 100 MHz to 3.6 GHz em 8 anos)
PCs de vários vendedores estão disponíveis
Linux robusto e eficiente
Clusters Beowulf Linux ganhando popularidade na indústria e universidades
Baixo custo, alta performance e disponibilidade dos códigos fontes
Cluster Beowulf
Cluster (Nasa) 64 PCs
Beowulf FT
88 GB RAM44 coresIntel/AMDRede Gigabit
24 Tesla C1060
Cluster IBM
168 cores Power 755
24 cores Intel X5650
2 Nivida Tesla M2070
768 GB RAM
4.5 TFlops
Computação
Paralela
AtividadeSomar 2 matrizes
A + B = C4 grupos
Visita