Teadusarvutused

Teadusarvutused on kõrget jõudlust nõudev arvutustehnika valdkond, mis hõlmab superarvutite ja arvutiklastrite kasutamist, et töötleda suuri andmemahtusid ning lahendada keerukaid arvutusprobleeme.

Teadusarvutused nanotehnoloogia valdkonnas

Selle tehnoloogia realiseerimiseks rakendatakse paralleelarvutuste kontseptsiooni, kus pannakse suur hulk protsessoreid samaaegselt sama ülesannet lahendama. Sedasi on võimalik ka kõige kompleksemaid probleeme lahendada.

Arhitektuur

Teadusarvutusi sooritavates süsteemides on eraldiseisvad sisselogimise sõlmed, arvutusi sooritavad sõlmed ning andmete salvestamise sõlmed, mis ühendatakse üle võrgu kokku klastriks, rakendades võrkandmetöötlust. Arvutusi sooritavad sõlmed võivad olla omakorda jaotatud universaalsemateks sõlmedeks ja spetsialiseeritud sõlmedeks, millel on võimekus konkreetseid ülesandeid hästi lahendada. Sellega tagatakse, et probleeme lahendataks optimaalselt ning ükski sõlm poleks liigselt koormatud.

Veelgi sügavamale minnes võib teadusarvutuste süsteemidest leida erinevaid optimiseerivaid ja juhtivaid osiseid, mille eesmärk on probleeme veelgi efektiivsemalt lahendada. Näiteks võib loetleda teadusarvutuste spetsiifiline ressursijaotaja, mis kontrollib ressursside jagamist sõlmede vahel või siis andmete halduse tarkvara, mis optimiseerib andmete liikumist erinevate riistvarade ja failisüsteemide vahel.

Teadusarvutused üle pilve

Teadusarvutuskeskuste rajamine on kallis, aeganõudev ning nõuab spetsiifilisi teadmisi. Seetõttu pakutakse tava- ja ärikasutajatele aina enam võimalust osta teadusarvutuste süsteemide võimekust sisse üle pilve. Mõned teenused, mida pakutakse, on näiteks andmete hoiustamine, võrgulahendused ja kompleksete arvutuste sooritamine.

Pilveüleste teadusarvutuste teenustega on võimalik rakendada enda kasuks väga kiiret ja võimekat arvutusjõudlust, mida enda arvuti või serveriga poleks kunagi võimalik taastoota. Samuti kuna teadusarvutuste süsteemid on klastrid, siis mõne sõlme väljalangemise korral on võimalik tööd siiski jätkata.

Kasutusvaldkonnad

Järgnevalt loetletakse mõned valdkonnad, kus kasutatakse teadusarvutuste võimekust.

Teadus

Keerulisemate ja täpsemate mudelite analüüs (näiteks füüsikas või keemias) nõuab sedavõrd rohkem arvutusvõimekust, mistõttu rakendatakse aina enam teadusarvutusi akadeemilises töös.

Meteoroloogia

Meteoroloogias ehk ilmastikuteaduses ennustatakse ilma läbi atmosfäris toimuvate kaootiliste protsesside kasutades keerulisi lähendeid ning algoritme. Teadusarvutuste süsteemidega töötletakse suuri andmehulki ning neid algoritme läbi, et ennustada ilma käitumist.

Meditsiin

Meditsiini arengu tõttu tuleb aina enam selles valdkonnas andmemahukaid töid teha. Näiteks on leidnud teadusarvutused rakendust inimese genoomi järjestuse arvutamisel. Kui esimene inimese genoomi järjestuse arvutus võttis aega 13 aastat, siis 2018. aastal suudeti seda teha kõigest 19,5 tunniga.

Inseneeria

Andmerohkete simulatsioonide läbiviimiseks kasutatakse teadusarvutusi, et uusi insenerlahendusi katsetada. Nõnda on näiteks Microsofti Azure HPC võimekust kasutatud autonoomsete sõidukite otsuse vastuvõtmise protsessi arendamiseks ja erinevate õnnetuste läbimängimise simuleerimiseks.

Majandus

Majanduses tuleb ettearvamatus keskkonnas võtta vastu kiireid, kuid kaalutletud otsuseid. Kuivõrd analüüs vähendab riskimäära, siis on asutud majanduses kasutama teadusarvutusi, et püsida konkurentsis ning arendada innovatsiooni.

Teadusarvutuste teenusepakkujad

Järgnevalt loetletakse mõned suuremad teadusarvutuste teenusepakkujad.

Teadusarvutused Eestis

ETAIS

ETAIS ehk Eesti Teadusarvutuste infrastruktuur on taristu, mis tegeleb Eesti arvutusvõime konkurentsivõime tõstmisega ning Eestis olevate teadusarvutuste süsteemide ühtlustamise ja integreerimisega. Nende töö tulemusel on hakatud loobuma eraldiseisvate klastrite loomisest ja pidamisest, sest kuluefektiivsem on teenust sisse osta. ETAISi partneriteks on Tartu Ülikool, TalTech, KBFI ja HARNO, kelle teenuseid saab kasutada läbi ETAISi hallatud keskkonna.

Tartu Ülikooli HPC keskus

2008. aastal loodud Tartu Ülikooli HPC keskus on üks Eesti teadusarvutuste võimekuse ja arengu eestvedajatest. Sealset võimekust on võimalik kasutada nii ülikooli töögruppidel kui ka välistel huvilistel. Samuti pakutakse sealt ligipääsu soomlaste võimsale superarvutile LUMI.

Tartu Ülikooli HPC klastri spetsifikatsioon on järgnev:

• 135 sõlme (2 Intel Xeon E5-2660v2 protsessorit, 64 GB RAM, 1 TB HDD);
• 20 sõlme (2 AMD 7702 protsessorit, 1 TB RAM);
• 4 mälu serverit (2 Intel Xeon Gold 6138 protsessorit, 1 TB RAM, 7 TB kohalik SSD);
• 12 arvutusi sooritavat sõlme (2 Intel Xeon Gold 6138 protsessorit, 256 GB RAM, 7 TB kohalik SSD);
• 2 spetsialiseeritud sõlme (2 Intel Xeon E5-2660v2 protsessorit, 128 GB RAM, 2 TB kohalikku salvestusruumi);
• Umbes 9 PB InfiniBand standardiga salvestusruumi;
• 50 Nvidia V100/A100 GPU-d.

IT Kolledži teadusarvutuste keskus

IT Kolledži teadusarvutuste keskus on TalTechi all olev keskus, kus hallatakse kohalikke teadusarvutuste ressursse. Keskuses on 3 klastrit: kõige värskem 2019. aastal paigaldatud HPC2 klaster, GPU server ja 2013. aastal loodud HPC1 klaster.

HPC2 klastri spetsifikatsioon on järgnev:

• 32 sõlme (2 Intel Xeon Gold 6148 protsessorit, 96 GB RAM, 800 GB HDD);
• InfiniBand standard;
• 20 TB salvestusruumi.

HPC1 klastri spetsifikatsioon on järgnev:

• 232 sõlme (2 Intel Xeon E5-2630L, 48 GB RAM, 800 GB HDD), neist kuskil 100 sõlme on veel töökorras;
• mälu server (1 TB RAM);
• InfiniBand standard;
• 144 TB salvestusruumi;
• GPU server (2 Nvidia Tesla K20Xm videokaarti).