Проект MilkyWay@Home заткнул за пояс суперкомпьютер Roadrunner

Пока вы читаете эту статью, на десятках тысяч компьютеров по всему миру продолжаются вычисления, призванные разгадать многочисленные тайны нашей галактики. Интересующиеся астрономией добровольцы от Австралии до Японии предлагают свободные вычислительные ресурсы своих компьютеров, чтобы помочь программистам и астрономам из Ренселлеровского политехнического института (Rensselaer Polytechnic Institute) в США построить модель Млечного Пути. Совокупная вычислительная мощность центральных процессоров и видеокарт компьютеров, подключенных к проекту MilkyWay@Home, составляет 1,45 петафлопа. Это больше, чем может похвастаться второй по мощности суперкомпьютер мира — знаменитый Roadrunner с его 1,38 петафлопами.

Проект MilkyWay@Home использует платформу распределенных вычислений BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing), которая создавалась под проект поиска сигналов внеземных цивилизаций SETI@Home, а теперь работает на благо десятков других научно-исследовательских проектов. Вычислительная производительность, аккумулированная MilkyWay@Home, уже значительно превысила возможности как самого SETI@Home, так и остальных проектов распределенных вычислений на платформе BOINC. Фактически MilkyWay@Home — вторая по производительности распределенная вычислительная система, уступающая только Folding@Home, проекту Стэнфордского университета по моделированию фолдинга (сворачивания) белков человеческого организма.

Каждый участник проекта добровольно подключает свой компьютер к исследованиям, проводимым в проекте MilkyWay@Home. Для этого достаточно загрузить программу-менеджер BOINC, запустить ее и выбрать в списке предлагаемых проектов MilkyWay@Home (предварительно потребуется создать учетную запись). Потом начнется загрузка файлов и вскоре ваш компьютер начнет моделировать распределение, плотность и перемещение звезд внутри небольшого участка галактики.

В созвездии Змееносца (Ophiuchus) расположена спиральная галактика NGC 6384, которая лежит почти в плоскости диска нашей галактики, поэтому некоторые звезды на фотографии (например, с крестообразными лучами) являются звездами Млечного Пути, попавшими в поле зрения телескопа. (Фото NASA.)

Одним из направлений исследований MilkyWay@Home являются процессы слияния карликовых галактик с Млечным Путем. За сотни миллионов лет эволюции наша галактика успела поглотить десятки небольших звездных скоплений, вобрав в себя и перемешав звезды их некогда составлявшие. Это моделирование, в частности, позволит получить представление о распределении темной материи в галактике.

Исследования и развитие проекта MilkyWay@Home поддерживается за счет Национального фонда науки США (National Science Foundation — NFS) и безвозмездной передачи оборудования компаниями IBM, ATI и nVidia.

Междисциплинарная команда, развивающая проект MilkyWay@Home, состоит из многочисленных научных работников — от профессоров до студентов. Этот разношерстный коллектив начал складываться с 2006 года, когда Хайди Ньюберг (Heidi Newberg), адъюнкт-профессор физики, прикладной физики и астрономии из Ренселлеровского политеха, задалась целью исследовать трехмерное распределение звезд и материи в Млечном Пути по данным Слоановского цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey). Ни одна из существовавших компьютерных моделей не позволяла уложиться в разумные сроки при использовании доступных вычислительных ресурсов даже для небольшого участка одного-единственного галактического звездного потока.

«Я была исследователем с очень большой вычислительной задачей и очень скромными компьютерными ресурсами для ее выполнения», говорит Хайди. «Работа над проектом MilkyWay@Home позволила получить в распоряжение огромный вычислительный ресурс, который мне никогда не видать, работай я в одиночку».

Прежде чем взор Хайди обратился к платформе BOINC, она сотрудничала с адъюнкт-профессором информатики Маликом Мэгдоном-Исмаилом (Malik Magdon-Ismail) над созданием более эффективного и быстрого алгоритма, который в последующем и лег в основу проекта MilkyWay@Home.

«Ученым всегда нужны дополнительные вычислительные мощности», рассказывает Хайди. «Огромное количество данных неизбежно приводит к необходимости использования все больших вычислительных ресурсов». Поэтому ее работа быстро превысила возможности лабораторных компьютеров, и к работе над проектом MilkyWay@Home подключились Клэр и Роланд Шмитты (Schmitt), выдающийся профессор информатики Болеслав Шиманский (Boleslaw Szymanski), адъюнкт-профессор информатики Карлос Варела (Carlos Varela), постдокторант Трэвис Дизель (Travis Desell), а также выпускники и студенты Ренселлеровского политехнического института.

Сложившийся коллектив исследователей активно включился в развитие астрофизического проекта и вычислительных алгоритмов для него. «Когда вы используете суперкомпьютер, то все его процессоры работают над вычислительной задачей как единое целое, выдавая требуемый результат единомоментно», делится Варела. «С распределенной системой типа MilkyWay@Home все не так просто, так как приходится иметь дело с самым разными операционными системами и компьютерами, разбросанными по всему миру. В итоге результаты вычислений носят асинхронный характер, требуя совершенно новых алгоритмов обработки».

За время развития MilkyWay@Home опубликованы девять научных статей и сделано множество докладов на тему достижений в области информатики. Алгоритмы, заложенные в проект, используются не только в астрофизике, но и для решения других научных задач. Например — в проекте DNA@Home, целью которого является локализация участков определенных генов в ДНК человека. Опыт разработчиков MilkyWay@Home перенимают и другие исследователи из Ренселлеровского политехнического института, планируя запустить проекты по исследованию фолдинга белков и проектирования новых лекарственных средств.

Очень важна роль MilkyWay@Home в привлечении широкой общественности к проблемам астрономии и науки в целом. С момента старта проекта более 50 тысяч человек из 171 страны мира поучаствовали в вычислениях, из них более 20 тысяч и сейчас активно продолжают помогать проекту вычислительными ресурсами. Все результаты и данные, полученные в рамках проекта, обнародованы и регулярно обновляются на веб-сайте MilkyWay@Home.

«Вот это — действительно общественная наука», говорит Трэвис Дизель, который еще аспирантом начал участвовать в проекте и прошел через все стадии его развития. «Это уникальная возможность привлечь людей, интересующихся наукой, и с их помощью создать грандиозный вычислительный инструмент для исследований».

Научно-популярный блог «Просто о науке» http://prostonauka.com по материалам пресс-релиза Ренселлеровского политехнического института.