Xây dựng và phát triển hệ thống tính toán hiệu năng cao phục vụ nhu cầu tính toán khoa học tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Ngày nay, việc sử dụng máy tính hiệu năng cao trong các ngành khoa học và kỹ thuật đã và đang thay đổi cơ bản tiến trình nghiên cứu khoa học. Các ngành khoa học sử dụng tính toán như “sinh học tính toán”, “hoá học tính toán”, “vật lý tính toán”, “vật liệu tính toán”, “cơ học tính toán”, “địa vật lý tính toán”, “thống kê tính toán”,... đã hình thành và phát triển nhanh chóng. Các ngành khoa học này có điểm chung là xử lý thông tin, phân tích và dự báo kết quả bằng tính toán, mô phỏng qua máy tính điện tử. Như vậy, khoa học tính toán cùng với khoa học lý thuyết và khoa học thực nghiệm hình thành thế ba chân của khoa học, chúng kết hợp trong một chỉnh thể thống nhất, đưa khoa học phát triển như ngày nay.

Việc xây dựng một trung tâm tính toán hiệu năng cao dùng chung cho các viện nghiên cứu thuộc Viện Hàn lâm KHCNVN là xu hướng tất yếu, cơ hội để nâng cao tiềm lực và năng lực tính toán khoa học và cũng là mong muốn chung của đội ngũ cán bộ khoa học. Ngày 3/7/2012 Chủ tịch Viện Hàn lâm KHCNVN đã ra quyết định số 873/QĐ-KHCNVN về việc phê duyệt chủ trương đầu tư dự án tăng cường năng lực nghiên cứu cho các tổ chức khoa học và công nghệ năm 2013, theo đó Trung tâm Tin học và Tính toán được giao nhiệm vụ chủ trì Dự án "Đầu tư xây dựng hệ thống tính toán và trang thiết bị phục vụ đào tạo nhân lực tính toán khoa học tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam". Mục tiêu của dự án nhằm mục đích:  

Một là, xây dựng và phát triển hệ thống tính toán hiệu năng cao và liên kết đào tạo, chia sẻ tài nguyên tiềm lực vật chất và con người trong lĩnh vực tính toán hiệu năng cao phục vụ nhu cầu tính toán khoa học tại các ngành - viện nghiên cứu trong Viện Hàn lâm KHCNVN, tiến đến việc tạo ra một trung tâm tính toán hiệu năng cao chia sẻ tài nguyên và nhân lực trên mạng cho các nhu cầu sử dụng phát triển tính toán khoa học trong Viện Hàn lâm KHCNVN cũng như các trường, các viện nghiên cứu khoa học khác trong cả nước, khu vực và hợp tác quốc tế.

Hai là, góp phần tạo ra các bước đổi mới mạnh mẽ về công nghệ, thúc đẩy công tác nghiên cứu khoa học có hàm lượng trí tuệ cao phục vụ hiệu quả cho các lĩnh vực kinh tế - xã hội và an ninh - quốc phòng; phát triển nguồn nhân lực có trình độ cao về tính toán khoa học, đáp ứng yêu cầu phát triển và hội nhập của đất nước; Nhằm tạo ra các sản phẩm con người thông qua việc thực hiện các đề tài/dự án sản xuất thử nghiệm, bao gồm các chuyên gia, các tập thể nghiên cứu khoa học, công nghệ có trình độ cao có khả năng triển khai các nhiệm vụ khoa học, công nghệ có giá trị khoa học và thực tiễn cao hơn trong giai đoạn tiếp theo.

Kể từ khi bắt đầu Dự án đến nay, Trung tâm Tin học và Tính toán đã xây dựng được hệ thống tính toán khoa học hiệu năng cao theo hình thức cụm máy tính song song, với năng lực tính toán đến 4 TFlops (4 nghìn tỷ thao tác dấu phẩy động mỗi giây), phục vụ đủ nhu cầu tính toán cho nghiên cứu khoa học trong toàn Viện Hàn lâm trong giai đoạn 2013-2015. Hệ thống bao gồm 24 máy, mỗi máy được tích hợp 24 bộ xử lý trung tâm: 20 máy sử dụng bộ xử lý AMD Operon 6344 và 4 máy sử dụng bộ xử lý Intel Xeon. Mỗi máy sử dụng bộ xử lý AMD được trang bị 32 GB RAM và ổ cứng 1 TB. 4 máy còn lại được trang bị nhiều hơn: mỗi máy có 128 GB RAM, bốn ổ cứng mỗi ổ 1 TB và một bộ xử lý đồ họa (GPU) Tesla K20m, nhằm đáp ứng nhu cầu tính toán với ảnh đồ họa 3D. Toàn bộ phần cứng được lắp đặt trên tủ rack và được ghép nối với nhau qua mạng InfiniBand tốc độ cao. Hệ thống phần mềm điều khiển được cài đặt trên các máy tính, cho phép chúng thực hiện đồng thời một lượng lớn các phép tính hoặc các bài toán mô phỏng... Cụm máy tính hiện đang được thử nghiệm và quản lý bởi phòng Công nghệ phần mềm - Trung tâm Tin học và Tính toán.

Sơ đồ hệ thống tính toán khoa học hiệu năng cao:

Sơ đồ kết nối mạng máy tính song song

Sơ đồ khai thác hệ thống máy tính song song

Hiện nay hệ thống đang được triển khai thí điểm phục vụ các đề tài có ứng dụng tính toán khoa học tại một số đơn vị thuộc Viện HLKHCNVN, trong đó tiêu biểu là đề tài độc lập cấp Viện: "Phát triển tính toán khoa học chuyên ngành trên cơ sở máy tính hiệu năng cao chia sẻ tài nguyên tại Viện Hàn lâm KHCNVN" do Trung tâm Tin học và Tính toán chủ trì. Đề tài có gồm 6 nhánh độc lập với sự phối hợp của 5 đơn vị là Trung tâm Tin học và Tính toán, Viện Công nghệ thông tin, Viện Vật lý, Viện Khoa học Vật liệu và Viện nghiên cứu hệ gen. 

Tại Viện Công nghệ thông tin, năm 2013 các nhà nghiên cứu đã tích hợp các công cụ tin sinh học vào hệ thống máy tính khoa học hiệu năng cao gồm phân tích trình tự DNA, di truyền học ngoài gen (epigenetics), di truyền học môi trường (metagenomics), nghiên cứu tương quan toàn bộ nhiễm sắc thể (GWAS). Trên cơ sở đó, trong năm 2014 các nhà nghiên cứu tiếp tục tiến hành xây dựng bộ cơ sở dữ liệu chuẩn cho tin sinh học; từ đó, xây dựng một môi trường tính toán hiệu năng cao phục vụ tính toán trong tin sinh học. 

Một nghiên cứu khoa học khác, do Viện nghiên cứu hệ gen thực hiện (2013), đã tiến hành xây dựng một nền tảng công cụ phân tích và mô phỏng tương tác phân tử của protein với các phối tử (ligand) trên nền hệ thống tính toán hiệu năng cao chia sẻ tài nguyên trên mạng, kiểm chứng mô phỏng tương tác phân tử của một số protein với các loại saponin chiết xuất từ sâm Ngọc Linh.

Để ứng dụng các phương pháp và công cụ vật lý trong nghiên cứu vật liệu lượng tử, polymer sinh học, bức xạ hạt nhân và thiên văn học, bắt đầu từ năm 2013 tại Viện Vật lý các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống tính toán hiệu năng cao giải quyết các bài toán chuyên ngành như nghiên cứu cấu trúc pha trong các vật liệu lượng tử; chuyển pha trong các mô hình polymer sinh học; tính toán cho các phép đo bức xạ hạt nhân dùng phổ kế gamma; mô phỏng truyền bức xạ kết hợp thủy động lực học trong vỏ sao già. 

Ở đề tài “Phát triển nền tảng dịch vụ tính toán hiệu năng cao chia sẻ cho tính toán và mô phỏng linh kiện quang tử 2D sử dụng cấu trúc mạng tinh thể quang tử và cấu trúc siêu vật liệu” do Viện Khoa học vật liệu thực hiện, năm 2013 các nhà khoa học đã tiến hành cài đặt 2 chương trình mã nguồn mở và 1 phần mềm thương mại trên hệ thống tính toán hiệu năng cao. Trên cơ sở đó, giai đoạn tiếp theo (năm 2014) các nhà khoa học vật liệu sẽ lập trình và tính toán, mô phỏng việc phát, truyền, nhận sóng quang học trong linh kiện quang tử 2D sử dụng cấu trúc mạng tinh thể quang tử và cấu trúc siêu vật liệu. 

Trong thời gian tới nhiều đơn vị nghiên cứu khác trực thuộc Viện Hàn lâm cũng có nhu cầu tính toán các bài toán khoa học lớn với tần suất cao như Viện Địa lý, Viện Địa chất và Địa vật lý biển, Viện Vật lý Địa cầu, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên,Viện Cơ học... do đó xây dựng một trung tâm tính toán hiệu năng cao dùng chung, chia sẻ nguồn tài nguyên và nhân lực trên mạng không những đáp ứng được nhu cầu phát triển tính toán khoa học hiện nay của Viện Hàn lâm KHCNVN mà còn giúp cho các đơn vị nghiên cứu chuyên ngành có nhu cầu tính toán khoa học lớn giảm được chi phí đầu tư và năng lực tính toán khoa học. Thông qua việc triển khai thí điểm sử dụng hệ thống tính toán hiệu năng cao ở tại một số đơn vị nêu trên, Trung tâm Tin học và Tính toán tiếp tục xây dựng hệ thống tính toán hiệu năng cao hoàn chỉnh, ổn định lâu dài với mục tiêu đáp ứng đủ nhu cầu tính toán cho nghiên cứu khoa học trên toàn Viện Hàn lâm KHCNVN trong tương lai.

Tin: Minh Tâm