Projekti / Programi
Vzporedni in porazdeljeni sistemi
01. januar 2014
- 31. december 2016
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.07.00 |
Tehnika |
Računalništvo in informatika |
|
| 2.08.00 |
Tehnika |
Telekomunikacije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P170 |
Naravoslovno-matematične vede |
Računalništvo, numerična analiza, sistemi, kontrola |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.02 |
Naravoslovne vede |
Računalništvo in informatika |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
Raziskovalci (23)
Organizacije (3)
Povzetek
Motivi: Danes potrebujemo vse bolj zmogljive računalnike na vseh področjih človekovega delovanja: v naravoslovju in humanistiki, v inženirstvu, medicini, ekonomiji, na področju financ in v industriji. Prepričani smo, da so vzporedni in porazdeljeni računalniški sistemi obetavna in realna možnost ter priložnost za izzive prihodnosti. Vzporedni računalniki so prodrli že v osebne telefone in bodo v prihodnje reševali večino algoritmično opredeljenih nalog. Posegajo tudi v področje umetne inteligence in ekspertnih sistemov. Znanje je tisto, kar vzporedni računalnik pretvori v uporabno napravo, zato je tu veliko priložnosti tudi za industrijo.
Cilji: Pričakujemo, da bomo z zmogljivimi računalniki izvajali računsko zahtevne simulacije naravnih pojavov in informacijsko-tehnoloških procesov, ki jih ni moč raziskovati samo s poskusi. Pričakujemo, da bomo računsko zahtevne praktične probleme reševali učinkoviteje z uporabo novih vzporednih oz. porazdeljenih postopkov, ki bodo uporabljali tudi sodobne metode (naključnost, približnost, zgledovanje po naravnih pojavih). Naš cilj je tudi bolj učinkovito obvladovanje in analiza velikih količin podatkov.
Pričakovani rezultati: Raziskovalni rezultati naše programske skupine bodo pripomogli k učinkovitejši uporabi računalniških virov, k skrajševanju časa pri izvajanju računsko zahtevnih nalog in k boljšemu razumevanju in razlagi teoretskih podlag porazdeljenega in vzporednega računanja. Z raziskavami bomo prišli do novih spoznanj in znanj za izvedbo učinkovitih vzporednih in porazdeljenih računalnikov. Okrepili bomo svojo vlogo pri povezovanju raziskovalnega dela s študijskimi programi slovenskih in tujih univerz. Prispevali bomo k povečanju konkurenčnosti naše industrije, ki mora sloneti na inženirskem razvoju in na dodanem znanju. Po drugi strani bomo z novimi metodami prispevali k boljšemu življenjskem okolju in k zdravju ljudi.
Pomen za razvoj znanosti
Pomen računalnikov je nedvomen. Dandanes predstavljajo osnovno opremo na večini tehničnih in raziskovalnih področij ter orodje za izvedbo računsko zahtevnih nalog, kot so upravljanje industrijskih procesov, globalnih finančnih tokov, medicinske diagnostike, raziskovanja zemlje in vesolja in še mnogo več. Zahtevnost opravil, ki jih rešujemo z računalniki, zelo hitro narašča, saj stremimo k vse bolj natančnim in zanesljivim računskim napovedim. Posledično računalniški algoritmi postajajo vse bolj napredni in njihovo izvajanje dražje, tako s finančnega kot s časovnega in navsezadnje tudi z ekološkega vidika. Pogosto je zelo pomembna tudi hitra časovna odzivnost, kar običajno vodi v dodatne podražitve ali celo onemogoči praktično uporabo računalniških izračunov. Gornje zahteve pogosto rešujemo z nakupom dragih visoko zmogljivih računalniških sistemov. Le redko pa je surova računska moč takih sistemov primerno izkoriščena, saj se povečuje predvsem na račun povečevanja števila procesnih enot, bodisi da gre za več procesorjev, za več računskih jeder, za dodajanje pospeševalnikov ali pa za sestavljanje računalnikov v skupke. Drugačno povečevanje računske moči ni mogoče zaradi tehnoloških in fizikalnih omejitev, ki ne dovoljujejo višanja hitrosti delovanja procesnih. Trenutno je doseganja Moorovega zakona (podvojitev računske zmogljivosti na vsaki dve leti) možno samo z večanjem števila povezanih računalniških enot. Doseganje tako veliki računskih zmogljivosti, kot je peta nivo z 10^15 operacij s plavajočo vejico na sekundo (PFLOPS), je dandanes mogoče le z uporabo vzporednih računalnikov z milijoni optimalno povezanih procesorjev. Pri predpostavki, da za eno računsko operacijo potrebujemo samo en cikel, bi sekvenčni računalnik s frekvenco ure 10 GHz dosegal "samo" 10^10 operacij s plavajočo vejico na sekundo (FLOPS), kar je znatno pod peta nivojem. Danes je zato edina možnost, da presežemo to mejo na poti proti eksa nivoju (10^18 FLOPS), vzporeden računalnik z milijoni procesorjev, ki delujejo na učinkovit vzporeden način. Vendar pa dodajanje procesnih enot ne reši problema samo po sebi. Vzporedno izvajanje programa je pogosto omejeno s hitrostjo komunikacije med procesnimi enotami in z izkoriščenimi možnostmi za zasnovo vzporednih algoritmov, saj vsak del programske kode, ki ga ni mogoče zapisati vzporedno, postane ozko grlo za učinkovito vzporedno izvajanje. Po drugi strani postaja pereč okoljski in finančni problem tudi prekomerna poraba energije, ki je danes okrog 0.5kW/TFLOPS. Zato je potrebno najti postopke za še učinkovitejšo izrabo sodelujočih računalniških virov s poglobljenim znanji na področjih računalniških algoritmov in arhitektur, protokolov komuniciranja, usklajevanja podatkov, dostopa do skupnih virov, odkrivanja napak in ostalih sorodnih tematik, ki so osrednje teme predlaganih raziskav. Na podlagi tovrstnih znanj lahko dosegamo nove preboje na področju računalništva, s čimer bistveno skrajšamo računske čase in zmanjšamo porabo energije. Predlagani raziskovalni program prispeva nove temeljne teoretske rezultate na področju vzporednega in porazdeljenega procesiranja podatkov. Raziskave usmerja v vzporedne postopke, metode in okolja za njihov razvoj, metode za učinkovitejše programiranje ter na povečanje zmogljivosti in učinkovitosti procesiranja in komunikacije. Nove teoretične izsledke se pričakuje predvsem na področjih razvoja novih vzporednih postopkov in simulacijskih modelov, analize zahtevnosti in obvladovanja procesorskih in komunikacijskih virov. Raziskave protokolov za obravnavo skupnih spremenljivk in sodelovanja pri izvajanju skupnih nalog bodo prispevale k integraciji in standardizaciji ter tako pomembno vplivale na uporabo prihodnjih informacijskih storitev. Teoretična postopki in metode bodo zasnovani tako, da bodo omogočali čim širšo možnost uporabe.
Pomen za razvoj Slovenije
Neposredni pomen raziskav porazdeljenih sistemov je v tem, da omogočajo in pospešujejo razvoj Slovenije - gospodarstva in državnih služb - ker omogočajo različnim računalniškim aplikacijam dostop do velikih količin podatkov in mrežnih resursov. Porazdeljeni sistemi omogočajo boljšo izrabo preteklih investicij v omrežja. Računsko intenzivni problemi postanejo z boljšim poznavanjem teoretskih osnov vzporednega in porazdeljenega računanja bolj obvladljivi v praksi. Na ta način lahko rešujemo večje in zahtevnejše probleme, ki so bliže modelom realnih dogajanj. Slovenija ima zaradi dobro razvite informacijsko-komunikacijske infrastrukture dobre pogoje, da z raziskovalnim in razvojnim delom pridobi pomembnejše mesto na tem področju. Uporabnost naših dosedanjih raziskav s tega področja je razvidna iz trenutnega pregleda glavnih smeri razvoja računalništva in IKT v svetu. Najpomembnejši medij postaja internet, tudi za industrijsko uporabo, ena najpomembnejših panog gospodarstva pa je računalništvo, katerega poznavanje je ključno za izvedbo skoraj vsakega današnjega projekta. V naši programski skupini smo že pred tem trendom spoznali, v katero smer se razvijajo računalniški sistemi. Postavili smo prvi slovenski medinstitucijski testni GRID in razvili okolje in primere aplikacij, ki bi jih lahko uporabljala manjša podjetja, da bi izkoristila neizrabljene IKT vire. Razvijamo naprave in module za povezovanje podatkovnih virov, senzorske mreže in obdelave video informacij. Prispevamo k razvoju omrežnega računanja, gospodarne porabe energije in možnosti za izvedbo projektov z veliko dodano vrednostjo, ki pogosto zahtevajo podporo zmogljivih računalniških simulacij. S sodelavci iz medicine razvijamo in preizkušamo postopke za učinkovitejše zdravljenje in preprečevanje nevarnih bolezni, predvsem na področjih nevrologije, kardiologije in splošnega zdravstva. Izpopolnjujemo naprave za merjenje biosignalov, ki so nujno potrebne za razvijanje novih diagnostičnih postopkov. Pridobljeno znanje prenašamo v prakso, na primer na področju e-medicine in učinkovitejše rabe energije. Poleg omenjenega imajo naše raziskave tudi posreden pomen za razvoj in uveljavitev Slovenije. Raziskovalne rezultate sprotno predstavljamo na delovnih srečanjih, znanstvenih konferencah in razstavah. Glavne dosežke objavljamo v najpomembnejših revijah na našem raziskovalnem področju in s tem predstavljamo Slovenijo kot državo, ki prispeva pomemben delež v svetovno zakladnico znanja. Sodelujemo na mednarodnih projektih in pri organizaciji mednarodnih konferenc in letnih šol. Velik posreden pomen vidimo tudi v uvajanju novih visokošolskih programov na UL, od koder prihaja del naše programske skupine. Z raziskovalnim delom v programski skupini prispevamo k dvigu kvalitete pedagoških programov s področja naših raziskav. Vzporedno in porazdeljeno računanje, ki je poglavitni predmet naših raziskav, je dolgoročna tehnološka potreba računalniško-informacijske sfere v industriji in državnih službah. Iz rešenih problemov se zaradi novih podmen rojevajo novi problemi, ki jim je treba neprestano iskati rešitve. Za enakopravno sodelovanje v raziskavah in razvoju je potrebno slediti hitremu razvoju IKT. Z razvojem računalniških in mrežnih tehnologij se povečuje tehnološki in profesionalni razvoj tudi na drugih področjih. V okviru programa prispevamo k povečanju konkurenčnosti naše industrije ter k novim spoznanjem in izboljšani diagnostiki v medicini.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
