Печать

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь.

[nautiloos]

Как-то раз на Матче Века в МФТИ играя в составе выпускников разговорился о применении рабочих станций для физических расчетов. Ниже копирую часть дипломной работы, в которой расчеты производились на мобильной рабочей станции MSI. Очень люблю читать такие работы и хочу поделиться со всеми:

Как изменить мир с ноутбуком MSI.

Часть первая.
Кто мы, и что мы делаем.

Кто мы:
Мы российский разработчик и производитель приборов и систем для активной сейсморазведки ООО "Сейсмотроника" (Сколково) www.seismotronics.com
Мы входим в группу компаний ЦМЭ (Центр молекулярной электроники https://mipt.ru/science/labs/center_for_molecular_electronics/), куда также входят мировой лидер в производстве сейсмометров и сейсмического оборудования ООО "Р-сенсорс" (Долгопрудный) http://r-sensors.ru/ , дочерняя компания МФТИ по разработке и производству систем регистрации и навигации на основе электрохимических сенсоров ООО "Нордлаб" (http://nordlab.com/ru/ ), и молодой стартап ООО "иГео" ( igeosensor.com), поддержанный РВК.
 

Наша компания является резидентом Сколково, а также резидентом ФизтехТехнопарка. Мы тесно сотрудничаем с  Институтом проблем технологии микроэлектроники РАН (Черноголовка), Лабораторией электрохимических микросистем (ФизтехТехнопарк), Центром нанотехнологий МФТИ, и ведущим российским микроэлектронным заводом "Микрон" в Зеленограде;
Кроме того, наши друзья и партнеры:
- НИИ МЭ (Зеленоград);
- Технологический Центр МИЭТ;
- ИОФ РАН и лично Виталий Кононенко;
- ИРЭ РАН, в том числе ФИРЭ РАН;
- ООО НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» (г. Зеленоград);
- ЗНТЦ (г. Зеленоград);
- Лаборатория технологии микро- и наносистемной техники Ярославского Филиала Физико-технологического института РАН.
И теперь ,как вы уже, должно быть, поняли, мы дружим также с компанией MSI.

(На самом деле мы дружим давно, еще со времен легендарных материнских плат MSI BX Master на легендарном же intel BX 440 под пентиум III, куда мы с паяльником и силой разума нештатно устанавливали новейшие тогда туалатины. Далее были MSI MS-6330 Lite, MS-6337 во всех вариациях, 815EPT Pro, MSI MS-6380,  MSI MS-6533E, и только недавно мы списали уникального двухпроцессорного монстра MSI 860D pro, оснащенного парой Xeon и восемью разъемами RDRam на отдельной расширительной плате. Уважаем мы и современную технику MSI, но прогресс пошел настолько быстро, что не только некогда обрастать легендами - даже цифры с буквами  запоминать не успеваем.)

Что мы делаем:
Мы разрабатываем новое поколение приборов электрохимической регистрации механических сигналов, объединяющее в себе преимущества современных микроэлектронных технологий и электрохимических принципов измерения.
Эти приборы используются при наблюдении за ледником Норденшельда, разбрасываются вблизи вулканов Авачинской группы полевым сейсмовулканическим отрядом, регистрируют колебания грунта при движении поездов на участке Петербург - Приозерск, входят в состав приборной базы Института земной коры СОРАН, участвуют в низкочастотном сейсмическом зондировании для поиска нефтегазовых залежей, стоят в составе сейсмостанций в районах вечной мерзлоты в Якутии, мониторят колебания высотных зданий в Москве, дрейфуют на ледовых станциях "Северный полюс-36/39/40", спускаются на дно морское при подводных работах на арктическом шельфе вблизи Архангельска, входят в комплект переносной лаборатории виброконтроля в Дубне, работают в обсерватории на Шикотане, представляют интерес(с) для охранных комплексов концерна приборостроения на Кутузовском проспекте, и прошли испытания в Институте нефтегазовой геологии в Новосибирске.
За последние несколько лет мы разработали технологию, топологию, и геометрию планарного преобразующего элемента на основе молекулярно-электронного переноса, и всеми доступными нам традиционными и нетрадиционными способами и технологиями и в тесном сотрудничестве с большим количеством научных и производственных организаций мы создали и испытали работающие прототипы приборов будущего.
В прошлом году мы получили первые работоспособные кристаллы производства завода Микрон в Зеленограде, собрали на их основе первые приборы, провели предварительные испытания и убедились в их работоспособности. Это первая веха в начале пути к промышленному производству гибридных электрохимических микросхем, это новый век российской электрохимической микроэлектроники.

Подробно о разрабатываемой технологии можно прочесть в наших обзорных и специализированных научных статьях.

Dmitry L. Zaitsev, Vadim M. Agafonov, Egor V. Egorov, Alexander N. Antonov and Vladimir G. Krishtop, «Precession Azimuth Sensing with Low-Noise Molecular Electronics Angular Sensors», Journal of Sensors (Hindawi Publishing Corporation) Vol. 2016, Article ID 6148019, 8 pages.
http://dx.doi.org/10.1155/2016/6148019

А.С. Шабалина, Д.Л. Зайцев, E.В. Егоров, И.В. Егоров, А.Н.Антонов, А.С. Бугаев, В.М. Агафонов, В.Г. Криштоп. «Молекулярно-электронные преобразователи в современных измерительных приборах.» Успехи современной радиоэлектроники. №9, 2014, стр. 33-42.

В.Г. Криштоп, Экспериментальное моделирование температурной зависимости амплитудно-частотной характеристики преобразователей вращательных движений на основе электрохимических преобразователей. // Электрохимия, 2014, Т.50, №4.
V.G. Krishtop «Experimental Modeling of the Temperature Dependence of the Transfer Function of Rotational Motion Sensors Based on Electrochemical Transducers», Russian Journal of Electrochemistry, 2014, Vol. 50, No. 4, pp. 350–354.

Агафонов В.М., Криштоп В.Г., Егоров И.В. «Сейсмические датчики на принципах молекулярно-электронного переноса в твердотельных и жидкостных микроструктурах», Приборы и системы разведочной геофизики. 2013. Т. 43. № 1. С. 39-49. Издательство: ИнформГеофизСервис (Саратов)

А.С. Бугаев, В.М. Агафонов, В.Г. Криштоп, А.Н. Антонов, В.С. Веретин, «Сейсмические датчики для использования в нефтяном и газовом комплексе, основанные на молекулярно-электронном переносе в твердотельных и жидкостных микросистемах.» Нефтегазопромысловый инжиниринг, 2013, «Спецвыпуск №3: итоги 2012», cc. 46-52.
A.S. Bugaev, V.M. Agafonov, V.G.Krishtop, A.N. Antonov, V.S. Veretin, «Seismic sensors for oil and gas complex on the molecular-electronics transduction in the solid state and liquid microsystems» Oil & Gas Field Engineering 2013, Special Issue №3: Results of 2012. pp. 46-52.

В.Г. Криштоп, В.М. Агафонов, А.С. Бугаев, «Технологические основы преобразователей параметров движения на принципах переноса массы и заряда в электрохимических микросистемах», Электрохимия, 2012, том 48, № 7, с. 820–829
V. G. Krishtop, V. M. Agafonov, and A. S. Bugaev, «Technological Principles of Motion Parameter Transducers Based on Mass and Charge Transport in Electrochemical Microsystems», ISSN 1023_1935, Russian Journal of Electrochemistry, 2012, Vol. 48, No. 7, pp. 746–755. © Pleiades Publishing, Ltd., 2012.

Агафонов В. М., Криштоп В. Г., Сафонов М. В., "Измерительные устройства на основе молекулярно-электронного переноса в микро- и наноструктурах", Нано- и Микросистемная техника, V, N6, c.47-53, 2010г. ISSN 1813-8586
Agafonov V.M., Krishtop V.G., Safonov M.V., Measuring Means Based on Molecular-Electron Transfer in Micro-and Nanostructures, Journal of Nano and Microsystem Technique, 2010, №6.

Но если избегать ненужных подробностей, то вкратце рабочие принципы электрохимических регистраторов можно изложить следующим образом: есть система миниатюрных электродов, погруженных в колбу с электролитом, который омывает эти электроды. На электроды подается напряжение, и через электроды и электролитическую жидкость течет электрический ток, благодаря переносу ионов между электродами через  электролит. Внешнее воздействие на эту систему заставляет жидкость течь вблизи электродов, приносить к электродам дополнительные ионы, и таким образом, меняет электрический ток в системе. Измеряя этот дополнительный электрический ток мы можем, таким образом, измерять механическое ускорение, которое воздействует на систему.
Подобный принцип позволяет создавать очень чувствительные устройства, в частности, одни из лучших в мире сейсмометров. Наша задача — разработать технологию, которая будет объединять в себе преимущества электрохимических  и микроэлектронных устройств, и позволит производить эти суперчувствительные акселерометры в больших количествах и продавать по низким ценам.
Одна из вычислительных задач, которые возникают в процессе нашей работы — это научиться рассчитывать характеристики таких систем с микроэлектродами. Для этого требуются довольно значительные вычислительные ресурсы, т.к. необходимо сначала посчитать распределение потоков жидкости в нашей системе, т.е. численно решить довольно вычислительно сложную гидродинамическкую задачу, а потом, на основе результата этого расчета, рассчитать движение ионов в потоке электролитической жидкости, учитывая диффузию. Таким образом, несмотря на то, что математически уравнения выглядят относительно несложно, совместное их решение требует существенных вычислительных мощностей и временных затрат.
Так удачно сложилась жизнь, что когда мы подошли к решению этих задач, и столкнулись с тем, что наши офисные печатные машинки не справляются с вычислением наших задач, появилась возможность взять на тестирование ноутбук, разработанный компанией MSI, как замена рабочей станции. И мы с удовольствием и благодарностью воспользовались этой возможностью.
 

1/3

[nautiloos]

Часть Вторая
Ноутбук.
"Нечто среднее между Ламборгини и танком".

 

Итак, мы взяли на тестирование ноутбук MSI, позиционируемый как рабочая станция для CAD-применений. Ноут совершенно бескомпромиссный, 17 дюймов, тридцать килограммов (шутка), топовый i7, 32 Gb памяти и NVidia GeForce Quadro 4000. "Нечто среднее между ламборгини и танком".
Первое, что впечатляет, это, конечно же, вес. Мы не проводили точных измерений, но наш сотрудник, который таскал станцию в рюкзаке, за месяц здорово раздался в плечах. Один только блок питания весит, наверное, не меньше килограмма.
Кроме того, ноут довольно толстый, и производит впечатление весьма прочного, надежного и дорогого. Внешность аппарата с большим количеством фрезерованного алюминия и скошенных черных граней здорово напоминает автомобиль Бэтмэна. И внутренности тоже. Да стоит, как мы выяснили, сравнимо.

У ноутбука очень удобная клавиатура, абсолютно читаемые клавиши расположены на своих местах, верхняя панель из фрезерованного черненого алюминия выглядит роскошно, скосы боковых поверхностей визуально скрадывают монументальные габариты корпуса.

(Поскольку блок питания у прожорливых современных ноутбуков пользователю почти всегда приходится таскать с собой, я полагаю, что когда-то производители сделают следующий логичный шаг -- присоединят этот вечно путающийся в проводах кирпич к самому ноутбуку.
Разумеется, производителей удерживают две вещи. Первое, это дополнительный вес, как маркетинговый параметр. Никто не указывает вес блока питания в кратких характеристиках ноута, все пишут вес только самого ноутбука. Хотя меня лично, а также стафф в аэропортах, всегда интересует только суммарный вес всего вместе, причем ещё и вместе с сумкой. В случае с семнадцатидюймовой рабочей станцией, потребляющей электричества, как небольшая деревня в прошлом веке, её вес не имеет никакого значения. Рабочая станция и должна быть тяжелой. Если она будет слишком легкой, никто не поверит, что внутри сидит всемогущий бэтмен и вся ядерная мощь великой державы.
Вторая вещь - это обычно меньшая надежность блоков питания по сравнению с самим аппаратом. Что же касается конкретно этого блока питания, то он выглядит абсолютно надежным. Скорее наоборот, этот килограммовый кирпич сам переживет несколько поколений железа.
Поэтому "рабочая станция" - это именно та концепция, которая способна первой в мире получить передовое решение со встроенным питанием от 220 без дополнительного кирпича, и выдвинуть это решение, как конкурентное преимущество.)
 

Кнопка питания вкупе с габаритами самого ноута навевает мысли о ядерном чемоданчике.

Тачпад тоже выглядит по-бэтменски, он слегка утоплен, чтобы не задевать лишний раз, но и кнопка блокировки тачпада при активной работе с клавиатурой тоже присутствует.

На торце перед тачпадом расположены всяческие индикаторы, а над клавиатурой расположены сенсорные кнопки различного назначения, из которых самой главной для нас оказалась кнопка принудительного включения системы охлаждения в самый производительный режим.

Система охлаждения выглядит очень убедительно, при немаленькой толщине ноута, значительную часть его торцов занимают решетки охлаждения. Справляется тоже отлично.

Разъем питания, видеовыходы и сетевой разъем расположены на задней панели ноутбука, что оказалось очень удобным именно при применении его как рабочей станции. 

Колонки издают весьма приличный звук (ну, для ноутбука), который к тому же дополнен полным комплектом аудиовходов и выходов. Ноутбук снабжен вебкамерой с датчиками освещенности, и микрофоном.

На верхней крышке из фрезерованного черненого алюминия расположен роскошный светящийся логотип, который однозначно распознается, как эмблема Футбольного клуба Химки, и это всем футбольным болельщикам конечно, очень приятно.

Этот сияющий значок оказался очень приятной глазу деталью и радовал нас на протяжении всего периода тестирования.

На ноуте была установлена Win7, и все необходимые программы для офисной работы. В продаже Win7 вам вряд ли попадется, так что не будем останавливаться на этом. Переход и освоение ноутбука были очень естественными и не принесли никаких сюрпризов, никто не страдал, всё очень удобно, все нужные кнопки под рукой, все дополнительные функции присутствуют. Повторюсь, самые нужные кнопки для нас оказались кнопка принудительного включения охлаждения в максимальном режиме, и кнопка блокировки тачпада.
 
Мы перенесли нашу рабочую среду для научных расчетов, и начали считать. Забегая вперед, скажу, что мы не сумели в полном объеме использовать вычислительные ресурсы видеокарты, поэтому эта часть технических возможностей оказалась для нас не очень важной.
До этого мы пытались проводить первые расчеты на древненьком i5 с четырьмя гигабайтами памяти, и одна "точка" (набор различных параметров системы и внешнего воздействия) вычислялась два-три часа, в то время как нам требуется рассчитывать не менее десяти точек для получения полной характеристики системы.
На рабочей станции MSI мы получили ускорение расчетов в пять-десять раз. Мы рассчитывали одну точку за 10-20 минут в зависимости от сложности задачи. При объеме некоторых промежуточных файлов в 100-200Gb очень кстати оказалось наличие SSD в качестве системного диска. Процессы вычислений хорошо параллелятся между всеми ядрами, загрузка ядер составляла от 50 до 80 %, загрузить на сто процентов удавалось нечасто. Объем оперативной памяти оказался также для нас (пока) избыточным, мы реально задействовали чуть меньше половины.
В целом, мы получили новый уровень комфорта и производительности, мы испытали новое современное железо и открыли для себя новые возможности. Станция работала круглосуточно, с небольшими перерывами, и общий объем результатов вычислений превысил 500 Gb. К сожалению, наша среда для вычислений не поддерживает cuda, иначе результаты могли бы быть еще более впечатляющими. Ведь основные преимущества этого аппарата, заключающиеся в расширенных профессиональных видеовозможностях, фактически остались нами не востребованы.

2/3

[nautiloos]

Часть третья.

За месяц работы  нам удалось получить и обработать более 500 гигабайт научных данных. Компьютер прекрасно показал себя в задачах, связанных с моделированием больших систем (объем занимаемой памяти - до 32 гигабайт), неизменно поддерживая стабильно высокую скорость расчёта.
Мы рассчитывали течение электролитической жидкости в плоской трубе (между двумя поверхностями), на одну из поверхностей нанесены выпуклые электроды (в порядке Анод-Катод-Катод-Анод). Нас интересовал электрический отклик такой системы на течение жидкости в трубе под воздействием внешней силы, при условии, что на электроды подано электрическое напряжение. 

Треугольная сетка с переменным шагом, используемая в расчетах.

В ходе работ нами были рассчитаны распределения концентраций ионов  в электролите с учетом скорости протекания жидкости вблизи электродов, рассчитаны электрические токи через электроды, и получены амплитудно-частотные характеристики системы. При этом удалось исследовать зависимость выходного тока от величины потока жидкости, от частоты пульсирования потока жидкости, от расстояния между электродами, и от размеров трубы (расстояния между плоскостями, и длины трубы).

По полученным материалам подготовлен доклад  The   simulation   model   of   planar   electrochemical   transducer для The International Conference “Micro- and Nanoelectronics – 2016” (ICMNE-2016) и готовится публикация в научном журнале.

Эти расчеты имеют самое прямое отношение к реальности, т.к. в настоящее время мы разрабатываем технологию изготовления планарных электрохимических датчиков регистрации ускорения на заводе "Микрон" Зеленограде, и уже приступили к испытанию пилотной партии образцов.

Заключение.

С новым ноутбуком MSi мы получили новый уровень комфорта и скорости научных вычислений, и это позволило нам выйти на качественно иной уровень работы. Скорость вычислений возросла по сравнению со старой машиной в несколько раз, и это позволило начать рассчитывать на рабочей станции системы, для расчета которых ранее пришлось бы прибегать к покупке рабочего времени на каком-нибудь серьезном кластере.
Ноутбук MSi - могучая и комфортная машина, предоставляющая возможности современной рабочей станции в мобильном формате. Расставаться с ним после завершения тестирования было немного жаль.
Финалом этого тестирования закономерно стала покупка в нашу лабораторию ноутбука MSI GP72 6QF Leopard Pro-272RU, (17.3", Intel Core i7 6700HQ, 2.6ГГц, 16Гб, 1000Гб, 128Гб SSD, nVidia GeForce GTX 960M 2048 Мб). Этот ноутбук, конечно, попроще протестированной модели, что в первую очередь более соответствует нашим финансовым возможностям. Но из существенных отличий он лишён только модной профессиональной видеокарты, и снабжен всего лишь относительно нехитрой по нынешним временам GF 960М. Пока мы не освоили cuda (наша рабочая среда пока не позволяет задействовать ресурсы видеокарт в вычислениях), это обстоятельство не является для нас существенным, но есть и масса других отличий, и возможно, в другой раз мы расскажем вам и об этой модели.
Мы благодарим компанию MSi за моральную и аппаратную поддержку нашей работы.

3/3