mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2020-4-311-320MELVUOmateltech-424Research ArticleМатематическое моделирование в материаловедении электронных компонентовMATHEMATICAL MODELING IN MATERIALS SCIENCE OF ELECTRONIC COMPONENTSОпыт ФИЦ ИУ РАН в предоставлении облачных сервисов высокопроизводительных вычислений для задач материаловеденияExperience of FRC CSC RAS in providing high-performance computing cloud services for materials science problemsДенисовС. А.DenisovS. A.

ул. Вавилова, д. 44, корп. 2, Москва, 119333

Денисов Сергей Анатольевич — ведущий инженер

 

44-2 Vavilov Str., Moscow 119333

Sergey A. Denisov — Lead Engineer

sdenisov@frccsc.ruВоловичК. И.VolovichK. I.

ул. Вавилова, д. 44, корп. 2, Москва, 119333

Волович Константин Иосифович — канд. техн. наук, старший научный сотрудник

 

44-2 Vavilov Str., Moscow 119333

Konstantin I. Volovich — Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

KVolovich@frccsc.ruКондрашевВ. А.KondrashevV. A.

ул. Вавилова, д. 44, корп. 2, Москва, 119333

Кондрашев Вадим Адольфович — канд. техн. наук, заместитель директора

44-2 Vavilov Str., Moscow 119333

Vadim А. Kondrashev — Cand. Sci. (Eng.), Deputy Director

vkondrashev@frccsc.ruФедеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наукРоссияFederal Research Center “Computer Science and Control” of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202025022021234311320Copyright © Денисов С.А., Волович К.И., Кондрашев В.А., 20212021Денисов С.А., Волович К.И., Кондрашев В.А.Denisov S.A., Volovich K.I., Kondrashev V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/424

Для решения задач материаловедения в том числе многомасштабного моделирования для синтеза материалов с заданными свойствами в ФИЦ ИУ РАН создана современная цифровая платформа для научных исследований, представляющая собой совокупность центра компетенций, высокопроизводительного вычислительного комплекса и комплекса научных сервисов, предоставляемых исследователям в виде традиционных облачных услуг в режимах программных (SaaS), платформенных (PaaS) и инфраструктурных (IaaS) сервисов, а также с помощью специфических технологий предоставления исследователям научного сервиса как услуги (RaaS, Research as a Service).Другими примерами научных областей для которых применяются научные сервисы в совокупности с сервисами высокопроизводительных вычислений являются: биомедицинская химия, кристаллография, компьютерная лингвистика, искусственный интеллект.В статье приводится описание информационно-вычислительной среды ЦКП «Информатика», составляющей основу инструментально-технологической инфраструктуры для макетирования, а также макета системы управления детерминированными научными сервисами цифровой платформы. В статье представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных применительно к алгоритмам передачи и промежуточного хранения исходных данных, сервисам обмена данными при взаимодействии с пользователем платформы, облачным научным сервисам высокопроизводительных вычислений, алгоритмам взаимодействия адаптеров обмена данными при обеспечении взаимодействия между платформой, актуальных при решении задач многомасштабного моделирования для синтеза материалов с заданным свойствами.Полученные результаты позволяют оценить практические аспекты функционирования цифровой платформы для научных исследований, предназначенной для эффективной организации научных исследований и управления научной приборной базой в интересах широкого круга исследовательских коллективов и промышленных потребителей.

To solve the problems of materials science, including multiscale modeling for the synthesis of materials with specified properties, a modern digital platform for scientific research has been created at the FRC CSC RAS. The digital platform is a combination of a competence center, a high-performance computing complex and a set of scientific services that are provided to researchers in the form of traditional cloud services in software (SaaS), platform (PaaS) and infrastructure (IaaS) services, as well as using specific technologies for providing researchers scientific service as a service (RaaS, Research as a Service).Other examples of scientific fields for which scientific services are used in conjunction with high-performance computing services are: biomedical chemistry, crystallography, computational linguistics, artificial intelligence.The article describes the information and computing environment of the sharing research facilities Center for Collective Use “Informatics”, which forms the basis of the instrumental and technological infrastructure for prototyping, as well as the layout of the control system for deterministic scientific services of the digital platform.The article presents the results of experimental studies carried out in relation to algorithms for the transfer and intermediate storage of initial data, data exchange services when interacting with a platform user, cloud scientific high-performance computing services, algorithms for the interaction of data exchange adapters when ensuring interaction between the platform, which are relevant in solving problems of multiscale modeling for the synthesis of materials with desired properties.The results obtained allow us to evaluate the practical aspects of the functioning of a digital platform for scientific research, designed for the effective organization of scientific research and management of the scientific instrument base in the interests of a wide range of research teams and industrial consumers.

научный сервисконсолидированный научный сервисцифровая платформаоблачные вычислениясервис-ориентированная архитектурамикросервисыгибкая интеграцияscientific serviceconsolidated scientific servicedigital platformcloud computingservice oriented architecturemicroservicesflexible integrationРабота выполнена при частичной поддержке РФФИ (проекты № 18-29-03100 и № 18-29-03091) с использованием ресурсов гибридного высокопроизводительного вычислительного комплекса Центра коллективного пользования «Информатика» ФИЦ ИУ РАН.This work was supported in part by the Russian Foundation for Basic Research (project No. 18-29-03100 and No. 18-29-03091) using the resources of the hybrid high-performance computing complex of the of the Center for Collective Use “Informatics” of the Federal Research Center “Computer Science and Control” of the Russian Academy of Sciences.ReferencesЗацаринный А. А., Киселев Э. В., Козлов С. В., Колин К. К. Информационное пространство цифровой экономики России. Концептуальные основы и проблемы формирования / под общ. ред. А. А. Зацаринного. М.: ФИЦ ИУ РАН; ООО «НИПКЦ Восход-А», 2018. 236 с.Zatsarinnyy A. A., Kiselev E. V., Kozlov S. V., Kolin K. K. Information space of the digital economy of Russia. Conceptual foundations and problems of formation. Moscow: OOO “NIPKTs Voskhod-A”, 2018. 236 p. (In Russ.)Зацаринный А. А., Кондрашев В. А., Сучков А. П. Система научных сервисов как актуальный компонент научных исследований // Системы и средства информатики. 2019. Т. 29, № 1. С. 25—40. DOI: 10.14357/08696527190103Zatsarinny A. A., Kondrashev V. A., Suchkov A. P. The system of scientific services as a relevant component of scientific research. Systems and Means of Informatics. 2019, vol. 29, iss. 1, pp. 25—40. (In Russ.). DOI: 10.14357/08696527190103Zatsarinny A. A., Kondrashev V. A., Sorokin A. A. Approaches to the organization of the computing process of a hybrid high-performance computing cluster in the digital platform environment // CEUR Workshop Proceedings: ITHPC 2019 - Short Paper Proc. 5th International Conference on Information Technologies and High-Performance Computing, Khabarovsk, 16–19 September 2019. V. 2426. Khabarovsk, 2019. P. 12—16.Zatsarinny A. A., Kondrashev V. A., Sorokin A. A. Approaches to the organization of the computing process of a hybrid high-performance computing cluster in the digital platform environment. CEUR Workshop Proc.: 5th International Conference on Information Technologies and High-Performance Computing, ITHPC 2019; Computing Center of Far East Branch of the Russian Academy of Science. Khabarovsk, 16–19 September 2019, vol. 2426. Khabarovsk, 2019. Pp. 12—16.Зацаринный А. А., Кондрашев В. А., Сорокин А. А., Денисов С. А. Методы консолидации научных сервисов // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2019. Т. 22, № 4. С. 302—307. DOI: 10.17073/1609-3577-2019-4-302-307Zatsarinny A. A., Kondrashev V. A., Sorokin A. A., Denisov S. A. Scientific services consolidation methods. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2019, vol. 22, no. 4, pp. 302—307. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2019-4-302-307Волович К. И., Денисов С. А. Основные научно-технические проблемы применения гибридных высокопроизводительных вычислительных комплексов в материаловедении // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2019. Т. 22, № 4. С. 262—267. DOI: 10.17073/1609-3577-2019-4-262-267Volovich K. I., Denisov S. A. The main scientific and technical problems of using hybrid HPC clusters in materials science. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2019, vol. 22, no. 4, pp. 262—267. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2019-4-262-267Абгарян К. К. Многомасштабное моделирование работы многоуровневых элементов памяти, применяемых для создания нейроморфных сетей // Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов: материалы I международной конференции, Москва, 21–23 октября 2019 г. М.: МАКС Пресс, 2019. С. 53—55. DOI: 10.29003/m682.MMMSEC-2019Abgaryan K. K. Multiscale modeling of the operation of multilevel memory elements used to create neuromorphic networks. Mathematical Modeling in Materials Science of Electronic Component: Proc. I International Conference. Moscow, October 21–23, 2019. Moscow: MAKS Press, 2019. Pp. 53—55. (In Russ.). DOI: 10.29003/m682.MMMSEC-2019Абгарян К. К. Информационная технология построения многомасштабных моделей в задачах вычислительного материаловедения // Системы высокой доступности. 2018. Т. 14, № 2. С. 9—15.Abgaryan K. K. Information technology of the construction of multi-scale models in problems of computational materials science. Highly Available Systems. 2018, vol. 14, no. 2, pp. 9—15. (In Russ.)Кондрашев В. А., Волович К. И. Управление сервисами цифровой платформы на примере услуги высокопроизводительных вычислений // Математическое моделирование и информационные технологии в инженерных и бизнес-приложениях: материалы международной научной конференции, Воронеж, 3–6 сентября 2018 г., Воронеж: Воронежский государственный университет, 2018. С. 217—223.Kondrashev V. A., Volovich K. I. Digital platform service management on the example of high-performance computing services. Mathematical Modeling and Information Technologies in Engineering and Business Applications: Proc. International Scientific Conference. Voronezh, September 3–6, 2018. Voronezh: Voronezhskiy gosudarstvennyy universitet, 2018. Pp. 217—223. (In Russ.)Положение о Центре коллективного пользования «Информатика». URL: https://www.frccsc.ru/ckp (дата обращения: 23.06.2020).Regulations on the Center for Collective Use “Informatics”. (In Russ.). URL: https://www.frccsc.ru/ckp (accessed: 23.06.2020).Зацаринный А. А., Гаранин А. И., Кондрашев В. А., Волович К. И., Мальковский С. И. Оценка надежности гибридного высокопроизводительного вычислительного комплекса при решении научных задач // Системы и средства информатики. 2019. Т. 29, № 2. С. 135—147. DOI: 10.14357/08696527190212Zatsarinny A. A., Garanin A. I., Kondrashev V. A., Volovich K. I., Malkovsky S. I. Evaluation of reliability of the hybrid high-performance computing complex in solution of scientific problems. Systems and Means of Informatics. 2019, vol. 29, iss. 2, pp. 135—147. (In Russ.). DOI: 10.14357/08696527190212Кондрашев В. А. Архитектура системы предоставления сервисов цифровой платформы для научных исследований // Системы и средства информатики. 2018. Т. 28, № 3. С. 131—140. DOI: 10.14357/08696527180310Kondrashev V. A. Architecture of the service delivery system for the research services digital platform. Systems and Means of Informatics. 2018, vol. 28, iss. 3, pp. 131—140. (In Russ.). DOI: 10.14357/08696527180310Zatsarinny A. A., Kondrashev V. A., Sorokin, A. A., Denisov S. A. Scientific services consolidation methods // Russian Microelectronics. 2020. V. 49, N 8. P. 612—616. DOI: 10.1134/S1063739720080144Zatsarinny A. A., Kondrashev V. A., Sorokin, A. A., Denisov S. A. Scientific services consolidation methods. Russian Microelectronics. 2020, vol. 49, no. 8, pp. 612—616. DOI: 10.1134/S1063739720080144Зацаринный А. А., Кондрашев В. А., Сорокин А. А. Алгоритмы управления сервис-ориентированными процессами детерминированных научных сервисов в гибридных вычислительных средах цифровых платформ // Системы высокой доступности. 2020. Т. 16, № 3. С. 5—17. DOI: 10.18127/j20729472-202003-01Zatsarinny A. A., Kondrashev V. A., Sorokin A. A. Algorithms for managing service-oriented processes of determinate research services in hybrid computing environments of digital platforms. Highly Available Systems. 2020, vol. 16, no. 3, pp. 5—17. (In Russ.). DOI: 10.18127/j20729472-202003-01Волович К. И. Некоторые системотехнические вопросы предоставления вычислительных ресурсов для научных исследований в гибридной высокопроизводительной облачной среде // Системы и средства информатики. 2018. Т. 28, № 4. С. 98—109. DOI: 10.14357/08696527180410Volovich K. I. Organization of calculations in a hybrid high-performance computing cluster for parallel execution of heterogeneous tasks. Systems and Means of Informatics. 2018, vol. 28, iss. 4, pp. 98—109. (In Russ.). DOI: 10.14357/08696527180410Волович К. И., Денисов С. А., Мальковский С. И. Формирование индивидуальной среды моделирования в гибридном высокопроизводительном вычислительном комплексе // Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов: материалы I международной конференции, Москва, 21–23 октября 2019 г. М.: МАКС Пресс, 2019. С. 21—24. DOI: 10.29003/m682.MMMSEC-2019Volovich K. I., Denisov S. A., Malkovsky S. I. Formation of an individual modeling environment in a hybrid high-performance computer system. Mathematical Modeling in Materials Science of Electronic Component: Proc. I International Conference. Moscow, October 21–23, 2019. Moscow: MAKS Press, 2019. Pp. 21—24. (In Russ.). DOI: 10.29003/m682.MMMSEC-2019Волович К. И., Денисов С. А. Подходы к организации вычислительного процесса гибридного высокопроизводительного вычислительного комплекса для решения задач материаловедения // Информатика: проблемы, методы, технологии: материалы XX Международной научно-методической конференции, Воронеж, 13–14 февраля 2020 г. Воронеж: “Научно-исследовательские публикации” (ООО “Вэлборн”), 2020. С. 368—377.Volovich K. I., Denisov S. A. Approaches to organizing the computational process of a hybrid high-performance computing complex for solving problems of materials science. Informatics: Problems, Methods, Technologies: Proc. XX International Scientific and Methodological Conference. Voronezh, February 13–14, 2020. Voronezh: “Nauchno-issledovatel’skiye publikatsii” (OOO “Velborn”), 2020. Pp. 368—377. (In Russ.)Volovich K. I., Denisov S. A., Shabanov A. P., Malkovsky S. I. Aspects of the assessment of the quality of loading hybrid high-performance computing cluster // CEUR Workshop Proceedings: ITHPC 2019 - Short Paper Proc. 5th International Conference on Information Technologies and High-Performance Computing, Khabarovsk, 16–19 September 2019. V. 2426. Khabarovsk, 2019. P. 7—11.Volovich K. I., Denisov S. A., Shabanov A. P., Malkovsky S. I. Aspects of the assessment of the quality of loading hybrid high-performance computing cluster. CEUR Workshop Proc.: 5th International Conference on Information Technologies and High-Performance Computing, ITHPC 2019; Computing Center of Far East Branch of the Russian Academy of Science. Khabarovsk, 16–19 September 2019, vol. 2426. Khabarovsk, 2019. Pp. 7—11.Микурова А. В., Скворцов В. С., Раевский О. А. Компьютерная оценка селективности ингибирования мускариновых рецепторов M1-M4 // Biomedical Chemistry: Research and Methods. 2018. Т. 1, № 3. С. e00072. DOI: 10.18097/BMCRM00072Mikurova A. V., Skvortsov V. S., Raevsky O. A. Computational evaluation of selectivity of inhibition of muscarinic receptors M1-M4. Biomedical Chemistry: Research and Methods. 2018, vol. 1, no. 3, p. e00072. (In Russ.). DOI: 10.18097/BMCRM00072Микурова А. В., Скворцов В. С. Создание обобщённой модели предсказания ингибирования нейраминидазы вируса гриппа различных штаммов // Биомедицинская химия. 2018. Т. 64, № 3. С. 247—252. DOI 10.18097/PBMC20186403247Mikurova A. V., Skvortsov V. S. A generalized prediction model of inhibition of neuraminidase of influenza virus of various strains. Biochemistry (Moscow), Supplement Series B: Biomedical Chemistry. 2018, vol. 12, no. 4, pp. 322—329. DOI: 10.1134/S1990750818040054Eistrikh-Heller P. A., Rubinsky S. V., Prokofev I. I., Gabdulkhakov A. G., Mironov A. S., Lashkov A. A. X-ray structure and molecular dynamics study of uridine phosphorylase from vibrio cholerae in complex with 2,2'-anhydrouridine // Crystallography Reports. 2020. V. 65, N. 2. P. 269—277. DOI: 10.1134/S1063774520020066Eistrikh-Heller P. A., Rubinsky S. V., Prokofev I. I., Gabdulkhakov A. G., Mironov A. S., Lashkov A. A. X-ray structure and molecular dynamics study of uridine phosphorylase from vibrio cholerae in complex with 2,2'-anhydrouridine. Crystallography Reports. 2020, vol. 65, no. 2, pp. 269—277. DOI: 10.1134/S1063774520020066Абгарян К. К., Ревизников Д. Л., Журавлев А. А. Параллельная обработка данных в задачах компьютерного моделирования высокоскоростного взаимодействия твердых тел // Материалы ХХ Юбилейной Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным системам (ВМСППС’2017), Алушта, 24–31 мая 2017 г. Алушта: Изд-во МАИ-Принт, 2017. С. 27—28.Abgaryan K. K., Reviznikov D. L., Zhuravlev A. A. Parallel data processing in problems of computer simulation of high-speed interaction of solid bodies. Proc. XX Anniversary International Conference on Computational Mechanics and Modern Applied Systems. Alushta, May 24–31, 2017. Alushta: Izdatel’stvo MAI-Print, 2017. Pp. 27—28. (In Russ.)Ядринцев В. В., Клюбина К. В., Тихомиров И. А., Гершельман А. Ф. Выбор серверного решения для цифровой платформы поиска и анализа текстов // Системы и средства информатики. 2018. Т. 28, № 3. С. 26—38. DOI: 10.14357/08696527180302Yadrintsev V., Klyubina K., Tikhomirov I., Gershel’man A. Choosing server solution for digital platform of text search and analysis. Systems and Means of Informatics. 2018, vol. 28, iss. 3, pp. 26—38. (In Russ.). DOI: 10.14357/08696527180302Аветисян М. С. Сегментирование объемных медицинских изображений с использованием сверточных нейронных сетей // Магистерская диссертация. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2018. С. 58. URL: http://synthesis.ipi.ac.ru/synthesis/student/BigData/master-thesis/2018%20Аветисян.pdf (дата обращения: 30.06.2020).Avetisyan M. S. Segmentation of volumetric medical images using convolutional neural networks. Master’s Thesis. Moscow: MGU im. M.V. Lomonosov, 2018. P. 58. (In Russ.). URL: http://synthesis.ipi.ac.ru/synthesis/student/BigData/master-thesis/2018%20Аветисян.pdf (accessed: 30.06.2020).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.