300 TFlops для будущего: НГУ вывел на рабочий режим вычислительный кластер для ускоренной разработки новых материалов

В Новосибирском государственном университете (НГУ) вышел на проектную мощность вычислительный кластер Центра коллективного пользования «Вычислительное материаловедение и моделирование функциональных материалов с заданными свойствами», приобретенный благодаря финансовой поддержке Фонда НТИ. Кластер позволяет быстрее создавать и тестировать цифровые модели материалов для авиадвигателей, оборудования нефтедобычи, углеродных композитов, включая новые материалы на основе многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), и других направлений высокотехнологичной промышленности.

Главный эффект — резкое сокращение количества дорогостоящих и длительных натурных экспериментов. То, что раньше требовало недель расчётов на обычных компьютерах, теперь можно выполнять значительно быстрее, параллельно решая несколько исследовательских и прикладных задач.

Как рассказал заместитель директора Центра НТИ по новым функциональным материалам НГУ (ЦНФМ) Александр Квашнин, на кластере уже развёрнуты около 60 программных продуктов, созданных в рамках проекта «Цифровой паспорт материала».

— Основное назначение цифрового паспорта — ускорение разработки новых функциональных материалов за счёт уменьшения количества физических экспериментов, которые часто бывают дорогими и трудоёмкими, — пояснил он.

Здесь же будет работать модель «цифрового керна», которую ЦНФМ создаёт совместно с Передовой инженерной школой НГУ для задач нефтегазовой отрасли.

— Если раньше расчёт одной сложной модели, например, решение сопряженных задач механики, тепло- и массопереноса, электромагнитного воздействия в процессе синтеза новых материалов на обычных компьютерах занимал недели, то теперь трудоёмкость сокращается в разы. Это значит, что мы можем быстрее получать результат, решать больше задач и вовлекать в реальные проекты больше студентов, — отметил Александр Квашнин.

По своим возможностям кластер соответствует современному уровню высокопроизводительных вычислений: суммарная производительность вычислительных узлов и рабочих станций центра превышает 300 TFlops. Такой ресурс обеспечивают современные процессоры Intel Xeon и графические ускорители NVIDIA, включая Tesla A100.

Инфраструктура используется не только для расчёта свойств отдельных материалов. На её базе работают пакеты гидро- и газодинамического моделирования, включая FlowVision, что позволяет переходить к моделированию целых устройств — например, газотурбинных установок. Команда ЦНФМ уже создает цифровые модели, способные прогнозировать техногенные пожары и аварийные режимы, в том числе вращающийся срыв в турбинах газотурбинных установок, и помогать предотвращать развитие опасных сценариев ещё до срабатывания автоматики.

Кластер станет рабочим инструментом и для индустриальных партнёров. Участники Консорциума Центра НТИ смогут использовать его для прикладных задач: от расчётов процессов вытеснения нефти с применением специальных веществ до виртуального подбора составов сплавов и углеродных материалов, а также режимов их обработки.

Отдельное направление — подготовка кадров для цифрового материаловедения. Передовой инженерной школой НГУ совместно с ЦНФМ уже запущены образовательные программы по компьютерному моделированию материалов. Студенты и магистранты работают на том же программном обеспечении, которое используется и в научных, и в индустриальных проектах, а часть выпускников уже включилась в реальные вычислительные задачи для индустриальных партнеров.

НГУ также развивает кооперацию с другими российскими центрами цифрового материаловедения, в том числе с МГТУ имени Баумана, с которым реализует проекты в рамках направления «Перспективные материалы и цифровое материаловедение» Дорожной карты высокотехнологичных направлений.

Как отмечают сотрудники ЦНФМ, партнёрство важнее конкуренции:

— Наша общая с партнерами задача — за счёт цифровых моделей и «цифровых двойников» существенно ускорить разработку новых материалов и их внедрение в реальный сектор экономики.

Одним из первых пользователей кластера станет лаборатория прототипирования функциональных и биомедицинских материалов Центра НТИ, которая будет располагаться в здании научно-исследовательского центра нового кампуса НГУ.