Maksims Žigunovs, Biznesa augstskola Turība

1. 3 VEBINĀRU CIKLS
GLOBĀLĀS TENDENCES 3D
DIGITALIZĀCIJA
Temperatūras sadalījums: no idejas līdz tehnoloģijai
Maksims Žigunovs

2. 2

3. Deviņdesmitajos gados, paralēli ātrai
personālo datoru ienākšanai
skaitļošanas pasaulē, tirgū dominēja
neliels skaits uzņēmumu, kas baudīja
ekonomisko labklājību un stabilu
sava biznesa pieaugumu. Divi
dominējošie spēlētāji bija Microsoft,
kas bija atbildīgs par lielākās daļas
datoriem paredzētās
programmatūras pārdošanu; un
Intel, kas bija galvenais aparatūras
komponentu piegādātājs.
3

4. Ņemot vērā straujo un ievērojamo
datoru tehnoloģiju attīstību 1980.
gados, daudziem programmatūras
jauninājumiem bija nepieciešama
arī aparatūras jaunināšana vai, kā
tas bija reti, jauna datora iegāde.
Šim darbības režīmam bija
vajadzīgas lielas naudas summas,
lai uzturētu skaitļošanas iespējas
mājās vai organizācijā.
4

5. 1996. gada maijā piecas skaitļošanas kompānijas (Apple, Oracle, IBM,
Netscape un Sun) izveidoja jaunu aliansi un definēja jaunu skaitļošanas
koncepciju: tīkla dators. Šī ideja, kas tajā laikā bija revolucionāra, izejošā
no vairākiem pieņēmumiem:
• Datori ir savienoti
• Tīkls vairs nav sašaurinājums (bottleneck)
• Datoru savstarpējā savienojamība
5

6. DATORU KLASIFIKĀCIJA
6

7. Datoru klasifikācija
Straujā tehnoloģiju attīstība
skaitļošanas nozarē prasīja labāku
datoru veidu definīciju vai labāku
klasifikācijas veidu. Tomēr sākuma
stadijā bija tikai "datori".
7

8. Mainframe
Lieldators tika izmantots, lai
definētu un klasificētu
organizācijas datorus, kas bija
atbildīgi par aizmugures apstrādi.
Šādām sistēmām bija jānodrošina
augsta uzticamības, pieejamības
un izmantojamības pakāpe, jo visi
organizatoriskie procesi bija
atkarīgi no šī datora iznākuma.
8

9. Mainframe
Termins lieldators radās tikai pēc
tam, kad sāka parādīties cita veida
datori, piemēram, departamentu
sistēma.
9

10. Minicomputer
Minidators vai departamentu
sistēma sākotnēji bija paredzēta
vienas nodaļas atbalstam. Digital
Equipment Corporation ieviesa
minidatoru, kura mērķis bija
organizatoriskās nodaļas, kuras
cieta no zemākas prioritātes
dārgām organizatoriskām
sistēmām.
10

11. Minicomputer
Šī niša, kas sākotnēji aizsākās kā
mārketinga ideja, izrādījās
ārkārtīgi veiksmīga. Tā vietā, lai
tērētu milzīgas summas
organizatoriskai sistēmai, kas
departamentiem sniedza sliktus
pakalpojumus, departamenti
varēja atļauties iegādāties paši
savu sistēmu, kas bija ievērojami
lētāka un sniedza izcilus
pakalpojumus atsevišķām
nodaļām.
11

12. The personal computer
Personālais dators, kas sākotnēji
bija paredzēts vienam lietotājam,
tika balstīts uz mikroprocesora
mikroshēmu.
12

13. The personal computer
Pašlaik mikroprocesoru
mikroshēmu datorus neizmanto
tikai viens lietotājs, un tie tiek
izmantoti kā infrastruktūra
lielākajai daļai sistēmu, pat
lielajām sistēmām, piemēram,
lieldatori (kas dažos gadījumos
tika aizstāti ar jaunu terminu —
serveri).
13

14. The personal computer
Iepriekš minētā klasifikācija, pamatojoties uz lietojumu, nav precīza, un
šī iemesla dēļ to izmanto reti. Turklāt, tā kā datori tiek plaši izmantoti
mūsu ikdienas dzīvē, klasifikācija bija jāuzlabo, iekļaujot tajā papildu
veidus:
• Supercomputers
• Servers
• Midrange computers
• Workstations
• Appliances
14

15. Supercomputers
Superdatori, kas ir termins, ko lieto,
lai definētu ārkārtīgi ātrus un
jaudīgus datorus, kas spēj palaist
liela mēroga sarežģītas programmas,
piemēram, laikapstākļu
prognozēšanu, dažādas simulācijas,
molekulāro modelēšanu un tā tālāk.
Agrāk dominējošā tehnoloģija šādu
vajadzību apmierināšanai bija īpašam
nolūkam paredzētu sistēmu,
piemēram, vektoru procesoru,
projektēšana un izstrāde.
15

16. Supercomputers
Pašlaik visas šīs prasības tiek
izpildītas, izmantojot paralēlas
sistēmas, kuru pamatā ir virkne
mikroprocesoru, kas darbojas
kopā. Mūsdienu mākoņdatošanas
tendence, kas nodrošina piekļuvi
virtuālai sistēmai, kas sastāv no
elastīga procesoru skaita un
atrodas kaut kur tīklā, ir vēl viena
augstas veiktspējas sistēmu
ieviešana.
16

17. Servers
Serveri, kas daudzās organizācijās
nodrošina daļēju lieldatoru
nomaiņu galvenokārt noteiktai
funkcionalitātei, piemēram, pasta
serveris, failu serveris, drukas
serveris utt. Savā ziņā šie serveri ir
“kopsaucējs” starp lieldatoru un
departamentu sistēmām.
17

18. Servers
No vienas puses, daļa lieldatora
darba slodzes tika migrēta uz
serveri, kas bija labāk piemērots
šim darbam. No otras puses,
departamentu sistēmas tika
aizstātas ar serveriem. Šī iemesla
dēļ savulaik skaidrā līnija, kas
atšķīra lieldatorus un
departamentu sistēmas, vairs
nepastāv.
18

19. Midrange computers
Vidēja līmeņa datori, kas parasti ir
lielāki serveri, kas nodrošina
pakalpojumus vairākiem
departamentiem vai pat dažiem
organizācijas lietotājiem. Tie
parasti bija mazāki nekā lieldatori,
taču nodrošināja vairāk
funkcionalitātes salīdzinājumā ar
parastajiem serveriem.
19

20. Workstations
Darbstacijas, kas ir dažāda veida
personālie datori konkrēta
organizatoriskā uzdevuma
veikšanai. Darbstacijas mērķis
noteica konkrēto konfigurāciju un
sistēmai pievienotās ierīces.
20

21. Workstations
Piemēram, darbstacijām, kas bija
paredzētas CAD (datorizētā
projektēšana), bija jāaprīko ar
ātrāku procesoru un lielāku
atmiņu, kas spēj darbināt
inženiertehniskos modeļus.
21

22. Workstations
Turklāt tiktu uzlabotas arī grafikas
iespējas, un sistēmai parasti bija
nepieciešams lielāks ekrāns ar
augstāku izšķirtspēju. Pašlaik visas
darbstacijas ir sava veida
personālais dators vai pat
planšetdators
22

23. Appliances
Ierīces, kuras vairumā gadījumu
darbina dators; tie ietver lielāko
daļu elektrisko un elektronisko
ierīču, piemēram, veļas
mazgājamās mašīnas, televizorus,
signalizācijas sistēmas, pulksteņus,
kameras un daudz ko citu.
23

24. Appliances
Īpašu uzmanību ir pelnījusi viena
īpaša ierīce tās popularitātes dēļ:
mobilais tālrunis, kas kļuvis par
dominējošo ierīci piekļuvei
tīkliem, izklaides ierīce un mobilais
informācijas centrs.
24

25. DATORS = EFEKTIVITĀTE
?
25

26. Datoru sistēmas
Katra datorsistēma sastāv no vairākiem komponentiem:
• Procesors, kas atbild par instrukciju izpildi (cilvēka ķermeņa
smadzenes)
• Atmiņa, ko izmanto kā pagaidu instrukciju un datu krātuvi
veicamajiem uzdevumiem (dažādas atmiņas cilvēka ķermenī)
• Kanāli datu pārsūtīšanai starp dažādām sastāvdaļām (cilvēka
ķermeņa cirkulāciju un nervu sistēmu
• Ievades un izvades vienības, kas savieno datoru ar ārpasauli vai
lietotājiem (cilvēka ķermenī, kas atbilst sajūtām, kas kalpo kā
ievadierīces; un muskuļi, kas kalpo kā izvadierīces)
26

27. Paralēlās skaitļošanas izmantošanas priekšrocības
• Aprēķinu veikšanai veltīt mazāk laika.
• Sadalīt disku un RAM atmiņu.
• Kolektivizēt disku un RAM atmiņu.
27

28. Paralēlā aprēķinu atmiņa
• Koplietojamā atmiņa.
• Pa datoriem sadalīta atmiņa.
• Koplietojamās un sadalītas atmiņas simbioze.
• Grafiskās kartes atmiņa.
28

29. Tradicionāls piegājiens
29

30. Vairāku Thread izmantošana
30

31. Paralēlie procesi
31

32. Koplietojamā atmiņa
Koplietojamā atmiņa (Shared
Memory Systems) ir atmiņa, kuru
var izmantot datora procesors
aprēķinos kā arī to var izmantot
vienlaicīgi gan CPU kodoli, gan
Threads. Tā ir gan RAM atmiņa,
gan cietā diska atmiņa.
32

33. Pa datoriem sadalīta atmiņa
Pa datoriem sadalīta atmiņa
(Distributed Memory) nozīmē, ka
kopējā atmiņa ir sadalīta pa
datoriem, kas ir saslēgti vienā
nedalāmā aprēķinu sistēmā. Bieži
šāds tīkls ir vadīts caur datoru-
kurator. Katram datoram ir savs
procesors, RAM atmiņa un cietais
disks (ne vienmēr).
33

34. Koplietojamās un sadalītas atmiņas simbioze
Koplietojamās un sadalītas
atmiņas simbioze (Distributed
Shared Memory) kombinē divu
iepriekš apskatīto metožu
kombinācija.
34

35. Grafiskās kartes atmiņa
Grafiskās kartes atmiņa GPU
(Graphics Processing Unit) -
datorgrafikas apstrādes iekārta,
kas var saturēt vairākus simtus
procesoru un kopējo atmiņu. GPU
var saturēt vairākus simtus
procesorus, un ir domāts
apjomīgiem paralēliem
aprēķiniem.
35

36. Paralēlās aprēķinu lietojumprogrammas
CPU:
• Wolfram Mathematica.
• MatLAB.
• Intel Fortran, Intel C, GNU Fortran, GNU C.
Klasteris:
• MatLAB.
• Intel Fortran, Intel C, GNU Fortran, GNU C.
GPU:
• MatLAB.
• CUDA SDK.
36

37. Paralēlās aprēķinu tehnoloģijas
CPU:
• CPU Threads.
• OpenMP.
Klasteris:
• MPI.
GPU:
• CUDA Threads.
• OpenACC.
37

38. Time (seconds) RAM (MB)
Shared memory CPU (Intel Fortran)
38

39. 39

40. http://ncar.ucar.edu/learn-more-about/climate

41. http://edgcm.columbia.edu/documentation/EET_EdGCM_Chapter.pdf

42. Jaunās simulācijas rezultāti | Kartes (4)

43. SMS ir plaša mēroga risinājums, orientēts uz piekrastu
zonām un upēm un to ūdens tilpnes modelēšanu.

47. AERMOD

48. AERMOD

49. Temperatūras sadalījums: no idejas līdz tehnoloģijai
Datori praktiskā pielietojumā
49

50. Aktualitāte
Mūsdienās resursu un laika efektīvai izmantošanai ir vajadzīgas tā patēriņa
un pieejamības prognozes, kā arī augsts precizitātes līmenis šīm prognozēm.
Disertācijas ietvaros tiek apskatīts tēmas pielietojums “2010/0301 / 2DP /
2.1.1.1.0 / 10 / APIA / VIAA / 151” projekta “Jauno tehnoloģiju un
programmatūras izstrāde biogāzes ražošanas procesu optimizēšanai”
ietvaros, veidojot siltuma vadīšanas modeli un tā modifikāciju, lai izstrādāt
monotonu konservatīvu eksponenciālu diferenču shēmu, kas ir paredzēta
paralēlai izpildei ar laika soļu modernizāciju tās izpildes laikā.
Projekta galvenā ideja bija infiltrāta ģenerēšana un savakšana, izmantojot
šķidruma savākšanas caurules ar mazām caurumiem, novedot to līdz
sadedzināšanas iekārtām. Poligonā atrodas sensoru komplekts, kas
nepārtraukti nodrošina datus par siltumu un spiedienu precīzās poligona
vietās. Tas ļauj šos parametrus interpolēt citiem poligona apgabaliem.
50

51. Aktualitāte
Poligona shēma (sarkanie un zilie punkti ir sensori, kas nodrošina datus projekta ietvaros):
Sensoru tipi: spiediena, mitruma un temperatūras sensori. Izmantojot sensorus kopēja
sistēma māk izrēķināt nepieciešamību apliet konkrēto iekšklastera apgabalu ar ūdeni
(apjoms tiek rēķināts reālā laikā). Šīs process izraisa ķīmiskās reakcijas, kuru rezultātā
veidojas biogāze un savukārt notiek temperatūras pieaugums.
51

52. Aktualitāte
52

53. Vienkāršots klastera daļas 3D apgabala modelis izskatās šādi:
53
uw=17.46m
h=6m
bw=30.85m
0.6W/mK
0.0259W/mK
~1W/mK
W/mK - termokonduktivitāte
h=4m
w=30m
uw=151.15m
h=6m
bw=168.15m
0.0259W/mK
0.6W/mK
~1W/mK
W/mK - termokonduktivitāte
h=4m
w=150m
Aktualitāte

54. Darba uzdevumi
• Apskatīt pieejamo literatūru par siltuma izplatīšanas diferenču shēmām.
• Izvēlēties vairākās diferenču shēmas, kas derētu apskatāmām
pielietojumam.
• Noteikt robežnosacījumus un to atkarību pēc gada laika sezona un citiem
fizikāliem apstākļiem.
• Veikt analīzi par izvēlēto diferenču shēmu pa operācijām sadalīšanas
iespējas (algoritma paralēlizācija).
• Apskatīt literatūru par paralēliem aprēķiniem un izvēlēties vispiemērotāko
(pēc vairākiem kritērijiem) paralēlizācijas tehnoloģiju.
• Veikt aprobāciju.
54

55. Zinātniskā novitāte un galvenie rezultāti
Galvenie rezultāti, veidojot zinātniskos izmeklējumus:
• diferenču shēmas aprēķins notiek paralēlas izpildes režīmā
• tiek pielietoti 3. kārtas robežnosacījumi, kas tuvīnā aprēķinus rezultātus (ja tie
ir korekti sagatavoti) neizolētiem analizētiem 3D apgabaliem
• tiek pielietots maināms laika solis ar nākamā laika soļa aprēķinu prognozi un
uz tā bāzes laika solis ir procentuāli maināms katra iterācijā
55

56. Pielietojumi
Darba rezultāti ir pielietojami ne tikai atkritumu poligona aprēķiniem,
bet arī jebkuram citam apgabalam, kuram ir iespējams noteikt/pieņemt
siltuma pārvietojuma koeficientus.
It īpaši tādos gadījumos, kad ir nepieciešams pielietot 3. kārtas
robežnosacījumus, kas paredz siltuma plūsmu, ņemot vērā pieņemto
temperatūras vērtību uz apgabala robežām, uz kuru aprēķini ir tendēti.
Darba rezultāti var noderēt specialistiem, kas cenšas paātrināt
diferenču shēmu aprēķinus izmantojot gan analītisko, gan tehnoloģisko
aprēķinu algoritma optimizācijas.
56

57. Galvenie literatūras avoti
Rajandrea Sethi, Antonio Di Molfettav. Heat Transport Modeling in an Aquifer
Downgradient a Municipal Solid Waste Landfill in Italy. American Journal of
Environmental Sciences, 3 106-110, 2007.
Avots ir orientēts uz temperatūras izplatīšanas aprēķiniem 2D apgabalos. Labs
piemērs šāda tipa aprēķiniem, apskatot MT3DMS modeli, kura ietvaros šķidruma
kustība porainā vidē ir atkarīga no spiediena.
57

58. Galvenie literatūras avoti
58

59. 59
5 punktu trafarets katram 2D

60. Veicot vienādojumu transformācija, siltuma pārneses modelis kļūst par MT3DMS
modeli no papīra 2D risinājuma, kas ir pārveidots 3D formātā:
Diskretizējot vienādojumu:
, kur šķidruma kustības ātrumi pārvietojas analizētā tilpuma porainā vidē, T
ir temperatūra, t ir laika moments, ir modificēts termiskās dispersijas tenors, RT ir
termiskās palēnināšanās koeficients un n ir porainības koeficients.
60
MT3DMS modelis
T
T
z
y
x
T nR
T
Q
z
T
y
T
x
T
z
y
x
R
z
T
v
y
T
v
x
T
v
R
t
T 





















































 1
1































































z
T
T
v
y
T
T
v
x
T
T
v
R
n
F
R
z
T
T
y
T
T
x
T
T
z
y
x
R
t
T
T
l
k
l
k
k
l
j
l
j
j
l
i
l
i
i
T
T
l
k
l
k
l
j
l
j
l
i
l
i
T
l
l
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
z
y
x v
v
v ,
,

61. 61
Rezultāti

62. 62
Rezultāti

63. 63
Rezultāti

64. 64
Rezultāti

65. Temperatūra +14,5 C + liels silts objekts pa labi
65

66. Aprēķinu procesa piemērs 10x10x10 režģim
66
https://youtu.be/yqUtvB_V8Gk

67. Paldies par uzmanību
Maksims Žigunovs
maksims.zigunovs@inbox.lv
67