Презентация проекта GPUDigitalLab на конференции ЦИПР 2016 в г. Казань

1. Секция:
Информационные Технологии
Докладчик:
Губанов Олег Игоревич
Общество с ограниченной ответственностью Аксиома
Тема доклада:
Разработка вычислительного ядра общего назначения на
основе мульти-агентной архитектуры для решения задач из
области математического моделирования на основе
графических процессоров

2. КОНЦЕПЦИЯ ПРОЕКТА
Проект представляет собой набор программных решениц для выполнения задач для научно-технических школ и
производственных предприятий
Проект имеет удобную расширяемую архитектуру, что позволяет встраивать новые программные модули без дополнительных
усилий и затрат
Задача проекта дать доступ к параллельный вычислениям широко группе специалистов за минимальные деньги
Веб-платформа со встроенным личным кабинетом позволит в реальном времени увидель ваш баланс на счете и список
выполненных операций за определенный период

3. Общие сведения о системе.
• Система GPUDigitalLab – это программно-аппаратный комплекс состоящий из основного вычислительного ядра и набора
программных решений подключенных к нему посредством одним из видов интер-процессорных протоколов обмена
данными.
• Задачей центрального процессора является контроль обмена данными между программными модулями а также
выполнения скоростных расчетов по заданным математическим алгоритмам и входных параметрам в виде источников
данных.
• В основе системы лежит технология Microsoft DirectCompute. Данная технология позволяет использовать вычислительные
шейдеры(compute shader) в которых математические алгоритмы реализованы на основе языка HLSL. Данные
подключаются к данному алгоритму в виде константных буфферов. Устройство Direct3D11 исполняет заданный алгоритмов
на основе заданного количества потоков.

4. GPUDigitalLab
Хостинг
вычислительных
мощностей
Предоставление
услуг по созданию
математических и
визуальных моделей
Предоставление
услуг по
визуализации
Возможности технологии GPUDigitalLab

5. АППАРАТНАЯ АРХИТЕКТУРА ПРОЕКТА
Облачный Сервис
База Знаний

6. Структура Вычислительного ядра системы GPUDigitalLab
Центральный
Процессор
Менеджер
Direct2D
Менеджер
Direct3D11 Менеджер
Media
Foundation
Менеджер
DirectCompute
Менеджер Базы
Знаний
Менеджер
исполняемых
алгоритмов
Менеджер
виртуальных агентов
Менеджер
внешних
подключений
Менеджер Мат.
Моделей
Обработчик
Событий
Диспетчер Задач
Модуль
взаимодействия со
средой 3D
Визуализации
Менеджер
Экспериментов
Менеджер
архивации и
распаковки данных

7. Принцип работы вычислительного ядра системы GPUDigitalLab.
Система в реальном времени собирает и анализирует
данные проходящие через указанные ранее протоколы.
Получив запрос на выполнение новой задачи система
создает пустой архив и записывает в него данные,
полученные через протокол, архивирует и передает его
основному модулю для исполнения.
Задачей основного модуля является правильное
определение типа задачи и корректный запуск необходимых
для ее исполнения подсистем.

8. Обработка входных данных в ядре GPUDigitalLab
Модуль
обработки
сетевых запросов
TCP/HTTP
Модуль
обработки
запросов от
облачных
ресурсов по
протоколу REST
Модуль по
обработке
сигналов от COM
клиентов
Модуль
обработки
сигналов по
протоколу Named
Модуль
приему
входных
сигналов
Модуль
создания и
распаковки
архивов
Математический
Алгоритм
Трехмерная
Модель
Основной
Программн
ый Модуль
Источник Данных с
параметрами для
выполнения задачи
Тип Выходного
файла
результатов
расчетов
Трехмерная
Модель
Тип Выходного
файла

9. Запуск эксперимента на основе математической модели
Математический
Алгоритм
Основной
Программный
Модуль
Источник Данных с
параметрами для
выполнения задачи
Тип Выходного
файла
результатов
расчетов
Трехмерная Модель
Тип Выходного
файла
визуализации
Менеджер
Экспериментов
Проект
Эксперимента
Менеджер
Математических
моделей
Математическая
Модель
Менеджер
Математических
моделей
Симулятор
вычислительного
эксперимента
Программатор
экспериментов
Среда 3D
визуализации

10. Выполнение вычислительного алгоритма в ядре GPUDigitalLab
Математический
Алгоритм
Основной
Программн
ый Модуль
Источник Данных с
параметрами для
выполнения задачи
Модуль Исполнения
Математических
Алгоритмов
Диспетчер Задач
Системы
Новая задача с
указанным ID.

11. Программирования сложных экспериментов с несколькими
параллельными процессами
Эксперимент
Виртуальной Среды
Основной
Программный
Модуль
Менеджер
Виртуальных
Сред
Менеджер
Экспериментов
Эксперимент 4
Эксперимент 3
Эксперимент 2
Эксперимент 1

12. Мульти-Агентные Системы и Эксперименты
• Среда для исполнения виртуальных агентов представляет собой
среду запуска внутренних процессов в заданный период времени
• Виртуальный Агент – это Служба в системе Windows Server 2012,
состоящая из модуля по работе с вычислительными шейдерами
и основной процедуры.
• Среда создает агентов при получении задачи состоящей из
группы параллельной процессов работающих одновременно
• Каждый виртуальный агент должен иметь отдельную версию
аппаратных модулей для корректной работы и таймер для оценки
времени работы
•

13. Программирования сложных экспериментов с несколькими
параллельными процессами
Эксперимент
Виртуальной
Среды
Основной
Программный
Модуль
Менеджер
Виртуальных Сред
Менеджер
Экспериментов
Агент 3Агент 2Агент 1 Агент 4
Менеджер
Вычислительных
агентов

14. Структура вычислительного агента
Основной
Цикл
Трехмерная модель
Источник
ДанныхВычислительный
алгоритм
Таймер Агента

15. Этапы программирования сложного вычислительного процесса
• Загрузка данных из базы знаний об изучаемом процессе
• Разбиение задачи на группу математических моделей
• Установка подключения источников данных к системе моделирования GPUDigitalLab
• Запуск системы 3D визуализации Imagine3D
• Загрузка и рендер трехмерного проекта для эксперимента
• Загрузка алгоритмов представленных в виде вычислительных шейдеров HLSL.
• Создание и программирование группы математических моделей
• Запуск процесса симулятора экспериментов.

16. Протоколы поддерживаемые ядром для подключения сторонних программ
• TCP/UDP Протоколы
• HTTP Запросы
• СOM
• Named Pipes
• Облачные Cлужбы(REST SDK)
• Azure Web Services

17. Архитектура Системы GPUDigitalLab

18. Проект Научно-Технического Облака Компьютерного Моделирования
Химия-Онлайн Умная Статистика
Построение
трехмерных
моделей из
изображений

19. Проводимые Исследования - Гидродинамика
19

20. Проводимые Исследования – Трехмерная Визуализация
20

21. Проводимые Исследования - Спецэффекты
21

22. Спецэффекты – Мягкие Тени
22

23. Симулятор Распространения Пламени в Замкнутом Пространстве
23

24. Интерфейс для Работы с Функционалом ядра
24

25. Платформа GPUDigitalLab Поддерживает Технологию COM
25

26. Платформа GPUDigitalLab может быть Установлена как Windows Cлужба
26

27. Наша Команда
Губанов Олег Игоревич – Технический Директор(Выпускник Aberystwyth University(Software
Engineer) В 2010-2011 году проходил практику в Microsoft Research в Кембридже в должности
программиста C++. Дипломный Проект – Imagine3D – среда 3D визуализации на основе
интерактивного сценария написанного на скриптовом языке LUA.
Кирилл Александрович Некрасов – доцент кафедры Технической Физики УРФУ(Уральский
Федеральный Университет). Область Исследований – Молекулярная Динамика и Квантово-
Химические Расчеты.
Кузнецов Максим Александрович – Инженер Программист, Выпускник Кафедры Информационные
Технологии (Институт Радиоэлектроники и информационных Технологий).
Коромыслов Илья Николаевич Лукаш Вячеслав Александрович – Биолог, научный Консультант.
Кандидат Биологических Наук(Уральский Государственный Технический Университет).
Лукаш Вячеслав Александрович – Биолог, научный Консультант. Кандидат Биологических
Наук(Уральский Государственный Технический Университет).
Гаврилов Илья Валерьевич– Биолог, научный Консультант. Кандидат Биологических
Наук(Уральский Государственный Технический Университет).

28. Необходимое для запуска проекта Оборудование
• Вычислительный Сервер
• Процессор Intel Xeon
• КоПроцессор Intel Xeon Phi/NVIDIA Tesla K80
• Графический Процессор NVIDIA GeForce
• Система Охлаждения
• Оперативная Память DDR3
• Жесткие Диски
• Рабочие станции программистов

29. Программное Обеспечение используемое системой
• Microsoft Visual Studio 2013-2015 (C++, HLSL)
• Microsoft Direct3D 11
• Microsoft DirectCompute(Shader Model 5)
• Microsoft Windows Server 2012 (серверная ОС)
• Microsoft SQL Server 2014
• Microsoft Web API
• Microsoft Azure
• Microsoft XML Web Services
• NVIDIA PhysX
• NVIDIA OptiX
• Windows Mobile/Windows Phone/Google Android (Мобильные ОС(клиенты))

30. Рынок
• Динамично развивающаяся отрасль;
• Большинство Дата-Центров предлагает мощности CPU;
• Количество обрабатываемой информации растет;
• К 2020 г. мобильных устройств 16 млрд. ед.;

31. Оценочная стоимость проектов
Облачный портал оснащенный сервисами по математическому моделированию – стоимость проекта 5 000 000.
Дата-центр компьютерного моделирования оснащенный серверным помещением и блоком визуализации оснащенного
датчиками захвата жестов – 120 000 000(руб.)

32. Наши конкуренты