Программный комплекс для моделирования кинетики термолюминесценции в кристаллах с применением параллельных вычислений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Евсегнеев, Олег Анатольевич

• Евсегнеев, Олег Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Евсегнеев, Олег Анатольевич

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ И ПОДХОДОВ ДЛЯ РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ

АЛГОРИТМОВ

1.1. Выбор прототипа программного средства генетического моделирования процессов ТЛ

1.1.1. Анализ быстродействия

1.1.2. Программная структура

1.1.3. Генетический алгоритм для моделирования кинетики ТЛ

1.2. Распространенные варианты распараллеливания генетических алгоритмов

1.2.1. Глобальная схема

1.2.2. Островная схема

1.2.3. Клеточная схема

1.2.4. Гибридная схема

1.2.5. Типы ПВС и параллелизма применительно к ГА

1.3. Особенности распределения вычислений для глобального ГА

1.4. Веб-сервисный подход к созданию программного комплекса для ПВС

1.4.1. Концепция веб-сервисов

1.4.2. Выбор веб-сервисной платформы

1.5. Высокоуровневые средства программирования в научно-ориентированных математических пакетах

1.6. Выводы и постановка задач исследований

ГЛАВА 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫЧИСЛЕНИЙ ДЛЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЛ

2.1. Механизм распределения вычислений параллельного генетического алгоритма

2.1.1. Традиционная схема распределения вычислений

2.1.2. Формирование очереди задач для балансировки нагрузки ПВС

2.1.3. Сортировка задач в очереди

2.1.4. Сравнительный анализ эффективности распараллеливания ГА

2.2. Сценарии вычислительных экспериментов 53 2.2.1. Выполнение сценариев на ПВС 53 2.2.1. Балансировка нагрузки ПВС при выполнении сценария

2.3. Зависимость эффективности распараллеливания от количества второстепенных узлов ПВС

2.4. Основные результаты и выводы по главе

ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА НА ОСНОВЕ ВЕБ-СЕРВИСНОГО

ПОДХОДА

3.1. Пакет моделей программного комплекса

3.1.1. Определение требований

3.1.2. Структурная модель программного решения на основе сервера приложений

3.1.3. Алгоритмические модели параллельных процедур

3.1.4. Функциональная модель взаимодействия программного комплекса и пользователя

3.1.5. Информационная модель базы данных серверной части программного комплекса

3.2. Проектирование

3.2.1. Задачи внутреннего проектирования

4

3.2.2. Выбор метафоры программирования

3.2.3. Проектирование структуры и выбор средств реализации серверной части программного комплекса

3.2.4. Проектирование структуры и выбор средств реализации параллельного приложения

3.2.5. Обмен данными между сервером приложений и параллельной программой

3.2.6. Проектирование интерфейса пользователя программного комплекса в веб-ориентированной нотации

3.2.7. Синтаксис встроенного высокоуровневого языка

3.3. Реализация программного комплекса

3.3.1. Требования к аппаратной части и программному обеспечению

3.3.2. Описание основных экранных форм интерфейса пользователя

3.4. Основные результаты и выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПРИ ГЕНЕТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ МЕХАНИЗМОВ ТЛ В

КРИСТАЛЛАХ

4.1. Зонные модели для описания кинетики ТЛ

4.1.1. Традиционные модели

4.1.2. Учет пространственной неоднородности многоловушечных систем

4.1.3. Фрактальная модель «одна ловушка - один рекомбинационный центр»

4.1.4. Обобщенная фрактальная модель

4.2. Методика проведения испытаний

4.3. Параллельный генетический поиск модельных параметров 92 4.3.1. Численный анализ ТЛ кривых для традиционных моделей ТЛ

4.3.2. Численный анализ ТЛ кривых для моделей с фрактальной кинетикой

95

4.4. Эффективность распараллеливания процедуры многофакторного

вычислительного эксперимента

4.5. Основные результаты и выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Параметры тестовых моделей ТЛ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Технические характеристики ПВС

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Иерархическая информационная модель ПК

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АЛ - активная ловушка

ГА - генетический алгоритм

МФЭ - многофакторный эксперимент

ОДУ - обыкновенное дифференциальное уравнение

ПГА - параллельный генетический алгоритм

ПВС - параллельная вычислительная система

ПК - программный комплекс

1111 - программный пакет

ОС - Операционная система

РЦ - рекомбинационный центр

ТЛ - термолюминесценция

БОМ - критерий качества аппроксимации

ОТОЯ - модель «одна ловушка - один рекомбинационный центр»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Программный комплекс для моделирования кинетики термолюминесценции в кристаллах с применением параллельных вычислений»

ВВЕДЕНИЕ

Метод параллельных вычислений используется для моделирования сложных систем уже свыше 30 лет [1], однако наибольшее распространение данные технологии получили только в последнее десятилетие. Благодаря интенсивному развитию высокопроизводительных кластеров [2], GRID систем [3], и многоядерных рабочих станций с графическими ускорителями NVidia [4], стало возможным решать ресурсоемкие задачи без применения специальных параллельных вычислительных систем (ПВС).

Одной из областей, где необходимы высокопроизводительные вычисления, является изучение кинетических процессов, протекающих в твердых телах. При моделировании релаксационных механизмов в метастабильных системах с изменяющейся во времени концентрацией основных компонентов применяются различные численные методы, которые предполагают проведение громоздких итерационных вычислений. В качестве примера такого процесса, можно рассмотреть явление термолюминесценции (TJI) в широкозонных материалах [5]. Для генерации модельных кривых TJ1 необходимо решать системы обыкновенных дифференциальных уравнений, которые описывают перераспределение носителей заряда и конкуренцию центров захвата и рекомбинации в возбужденных кристаллах. При изучении кинетики указанных процессов возникает и более комплексная задача идентификации модели TJI. Для её эффективного решения применяются эволюционные подходы на основе генетических алгоритмов (ГА) [6], работа которых может занимать значительное время в зависимости от количества варьируемых параметров.

Ещё одной ресурсоемкой задачей в рамках моделирования кинетики TJ1 является проведение вычислительных экспериментов, в ходе которых требуется сгенерировать большое число кривых при варьировании параметров модели. Для её решения можно использовать инструментарий высокоуровневого программирования, позволяющего составлять сценарии расчетов. Генерация множества пиков TJ1, как и в случае процедуры генетического поиска, может по-

8

требовать значительной вычислительной мощности для того, чтобы получить результат в приемлемый срок.

Таким образом, эффективное распараллеливание процедуры генетического поиска и сценариев вычислительного эксперимента является актуальной задачей математического моделирования. Благодаря ускорению расчетов, связанных с работой ГА, становится доступным расширение факторного пространства исследуемых моделей. Перспективным представляется и разработка программного комплекса (ПК), способного объединить в себе функции информационной системы и средства моделирования процессов ТЛ с использованием ПВС.

Объект исследования. Параллельные алгоритмы генетического поиска моделей ТЛ в кристаллах.

Предмет исследования. Параллельный генетический алгоритм и методы повышения его эффективности для решения задач по моделированию кинетики ТЛ.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является разработка и реализация программного комплекса для моделирования кинетических процессов с использованием методов параллельных вычислений. В качестве объекта исследования были выбраны кинетические процессы ТЛ в твердых телах.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) выполнен обзор аналогов программных средств моделирования кинетических процессов и выбран прототип;

2) проведен анализ существующих схем распараллеливания ГА, из которых выбрана наиболее подходящая для исследуемой области;

3) предложен эффективный подход к распределению вычислений ГА, применяемого для параметрической и структурной идентификации моделей ТЛ;

4) выполнено проектирование программного комплекса с веб-сервисной архитектурой для моделирования кинетики ТЛ в кристаллах на ПВС;

5) осуществлена программная реализация спроектированного ПК и проведено его тестирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложен метод балансировки нагрузки ПВС на основе упорядоченной очереди для процедуры генетического поиска моделей процесса термолюминесценции в кристаллах;

2) разработан механизм распараллеливания сценариев вычислительного эксперимента, составленных с помощью специального высокоуровневого языка;

3) реализована структура программного средства для моделирования процессов ТЛ, которая отличается от структуры прототипа новым блоком распределения вычислений и подсистемой сценариев и позволяет строить математические модели адекватные исследуемому физическому процессу;

4) синтезирована веб-сервисная архитектура параллельного программного комплекса, имеющая в своей основе сервер приложений, который может быть размещен в глобальной сети в виде сервиса со стандартными внешними интерфейсами и использоваться в рамках идеологии облачных вычислений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Предлагаемый параллельный ГА с балансировкой на основе упорядоченной очереди эффективно использует ПВС и позволяет значительно снизить время идентификации моделей ТЛ.

2) Подсистема высокоуровневого языка, использующая метод равномерной загрузки ПВС такой же как в параллельном ГА, позволяет значительно ускорить выполнение программ вычислительного эксперимента.

3) Структура разработанного ПК, в отличие от прототипа, включает в себя новые блоки интерпретации программ вычислительного эксперимента и распределения вычислений, которые расширяют функциональность системы и позволяют использовать ПК как на кластерных ПВС, так и на многоядерных рабочих станциях.

4) Веб-сервисная архитектура делает возможным размещение созданного ПК в глобальной сети в виде сервиса со стандартными протоколами взаимодействия, благодаря чему упрощается обслуживание и развитие созданного программного средства.

Практическая значимость работы. Разработанный программный комплекс позволяет проводить идентификацию экспериментальных кривых термолюминесценции одновременно при помощи поиска оптимальных параметров модели и построения системы уравнений, использующих эти параметры. Благодаря использованию метода параллельных вычислений время работы программы значительно снижается относительно известных аналогов, тем самым появляется возможность использовать больше варьируемых параметров при идентификации модели TJI. Время работы генетического поиска сокращается в 14 раз при использовании вычислительного кластера с 16-ю узлами и в 4 раза -при работе на 4-ядерной рабочей станции. Кроме того, предложенный подход к распределению вычислений обеспечивает эффективное распараллеливание сценариев вычислительных экспериментов, составленных с помощью встроенного высокоуровневого языка, включая сценарии МФЭ.

Применение в составе комплекса развитого сервера приложений Zope, созданного в рамках идеологии открытого программного обеспечения, упрощает задачу по модернизации системы и добавлению в неё других кинетических моделей. Веб-сервисный подход, использованный при разработке архитектуры, позволяет интегрировать ПК с внешней информационной системой с помощью известных протоколов а также использовать облачные параллельные сервисы.

Имеются два Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ и акт о внедрении разработанного ПК. Созданная система может использоваться в образовательном процессе при обучении студентов физических и информационных специальностей, а также при подготовке научных кадров высшей квалификации.

Апробация работы. Основные результаты и положения исследований

докладывались и обсуждались на: VIII международной конференции «Опто-,

11

наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2006); международной научно-практической конференции «Снежинск и наука - 2006. Трансфер технологий, инновации, современные проблемы атомной отрасли» (Снежинск, 2006); the 5-th international scientific conference «Chaos and structures in nonlinear systems. Theory and experiment» (Astana, 2006); конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007); юбилейной научно-практической конференции ФТФ - 60 (Екатеринбург, 2009); Втором Международном форуме по нанотехнологиям (RusNanoTech 09) (Москва, 2009).

Работа частично поддержана в рамках выполнения Государственного контракта по ФЦП «Научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы». Часть результатов получена при выполнении НИР в рамках Государственного контракта по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 статей в научных журналах из перечня ВАК 2005 - 2011 гг. и в материалах международных конференций, а также 2 Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Евсегнеев, Олег Анатольевич

4.5. Основные результаты и выводы по главе

1) С помощью разработанного программного комплекса выполнен тестовый запуск процедуры генетического поиска моделей термолюминесценции с заранее известными параметрами. Получены значения показателей эффективности распараллеливания Ер и ускорения Sp для запусков программы на четы-рехядерной рабочей станции и на вычислительном кластере «Beowulf». Для рабочей станции с Np - 4 показатель Ер = 98%, что означает ускорение расчетов в Sp=3,99 раза. При работе ГА на кластере с четырьмя узлами показатель ускорения составляет Sp = 3,80, что объясняется повышенными задержками на коммуникацию. При использовании кластера с Np - 16 достигнуто ускорение Sp - 14 раз.

2) Проведены вычислительные эксперименты с использованием подсистемы высокоуровневого языка. Полученные значения показателей Ер и ускорения Sp для двух сценариев незначительно отличаются от рассчитанных с использованием эмулятора.

3) Для модифицированной модели «одна ловушка - один центр рекомбинации», учитывающей неоднородность системы дефектов, проведены тестовые запуски процедуры генетического поиска, в результате которых выявлено, что прирост времени работы ГА для данных моделей относительно традиционного случая достигает 20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты и сделаны следующие выводы.

1. Разработан программный комплекс, который позволяет проводить идентификацию моделей ТЛ на основе генетического поиска оптимальных параметров моделей с применением методов параллельных вычислений. По результатам работы данного комплекса исследователь может делать обоснованные предположения о физическом содержании ТЛ-модели и получать количественные оценки ее параметров.

2. Проведен анализ существующих программных средств, используемых при решении задач параметрической и структурной идентификации моделей ТЛ-процессов в кристаллах. Выбран прототип разрабатываемого решения - ПК ОепТЬ. Выявлены его недостатки. Проведен обзор различных подходов к распараллеливанию процедуры генетического поиска. Для использования в разрабатываемом ПК выбран синхронный глобальный ГА. Определен основной недостаток данной схемы, способный снизить эффективность распараллеливания - бездействие процессоров в момент синхронизации ГА.

3. Для повышения эффективности распараллеливания генетического поиска предложена и реализована процедура балансировки задач на основе очереди для более равномерной загрузки узлов ПВС. Проведены расчеты скорости работы ПК в параллельном режиме с использованием эмулятора загрузки узлов вычислительной системы. Выполнен анализ влияния порядка задач в очереди на степень ускорения и предложены методы, позволяющие повысить эффективность распараллеливания при помощи сортировки очереди. На основе предложенных подходов выполнено алгоритмическое и функциональное описание ПК.

4. Предложена подсистема скриптового языка, которая позволяет составлять и выполнять сценарии вычислительных экспериментов в рамках рассматриваемой проблемы. Выполнение программ, описанных с помощью сценариев, может осуществляться в параллельном режиме с использованием тех же подходов к распараллеливанию, что и в случае работы ГА.

5. Рассчитан показатель ускорения при распараллеливании процедуры генетического поиска на реальных ПВС. При запуске генетического алгоритма на кластере с 16 узлами может достигаться 14-кратное ускорение. На 4-ядерной рабочей станции значение £р=3.9. Схожие результаты получены и при выполнении сценариев вычислительного эксперимента.

6. Практическим результатом исследования является разработка программного комплекса, позволяющего:

1) значительно повысить скорость выполнения процедуры идентификации моделей термолюминесценции по сравнению с основным аналогом ОепТЬ за счет использования параллельных вычислительных систем;

2) составлять сценарии вычислительных экспериментов при помощи встроенного скриптового языка и выполнять их на ПВС;

3) работать с исследуемыми моделями удаленно, используя для этого веб-ориентированный интерфейс пользователя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Евсегнеев, Олег Анатольевич, 2012 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Воеводин В.В. Вычислительная математика и структура алгоритмов [Текст] // - М.: Изд-во МГУ, 2006. - 112с.

2. Gropp W. Beowulf Cluster Computing with Linux, Second Edition. The MIT Press. 2003. 504 p.

3. Fundamentals of Grid computing [Электронный ресурс] /

http://w-ww.redbooks.ibm.com/redpapers/pdfs/redp3613 .pdf

4. Казённов A.M. Основы технологии CUDA // Компьютерные исследования и моделирование. - 2010. Т. 2. № 3. С. 295-308.

5. Chen R., McKeever S.W.S. // Theory of Thermoluminescence and Related Phenomena: Singapore. World Scientific, 1997.

6. Weinstein I.A., Popko E.A. Evolutionary approach in the simulation of thermoluminescence kinetics // Radiation Measurements. - 2007. - Vol. 42. No.4-5. - P. 735-738.

7. LAB Fit Curve Fitting Software (Nonlinear Regression Program) [Электронный ресурс] // http://zeus.df.iifcg.edu.br/labrit/

8. James, F. LMU : MINUIT Documentation [Электронный ресурс] / F. James, M. Roos // http://lmu.web.psi.ch/facilities/software/minuit_doc.html

9. ModelKinetix - ModelManager and ModelMaker - Modeling Software [Электронный ресурс] // http://www.modelkinetix.com/modelmaker/features.htm

10. FlexPDE finite element model builder for Partial Differential Equations [Электронный ресурс] // http://www.pdesolutions.com/index.html

11. Bos, A. J. J. An Intercomparison of Glow Curve Analysis Computer Programs: I. Synthetic glow curves [Текст] / A. J. J. Bos, T. M. Piters, J. M. Gomez-Ros, A. Delgado // Radiation Protection Dosimetry. - 1993. - Vol. 47. - P.473-477.

12. Puchalska, M. GlowFit - a new tool for thermoluminescence glow-curve deconvolution [Текст] / M. Puchalska, P.Bilski // Radiation Measurements. - 2006. -Vol. 41.-P. 659-664.

13. Adamiec, G. Application of a genetic algorithm to finding parameter values for numerical simulation of quartz luminescence [Текст] / G. Adamiec, M. Garcia-Talavera, R.M. Bailey // Geochronometria. - 2004. - Vol. 23. - P. 9-14.

14. DataFit Curve Fitting and Data Plotting Software Features [Электронный ресурс] // http://www.oakdaleengr.com/datafit.htm

15. И.А.Вайнштейн. Программный модуль «Электронный ГА-конструктор люминесцентных моделей с термоактивационной кинетикой» ("GenTL") / И.А.Вайнштейн, Е.А. Попко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006614299. - Москва, 18.12.2006.

16. Диссертация Попко

17. Попко, Е.А. Разработка программного комплекса генетического моделирования: обзор, аналоги, прототип и предлагаемое решение [Текст] / Е.А. Попко, Г.Б. Смирнов // Научные труды XII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ: сборник статей. В 3-х частях. Ч. 2. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. - С. 26-28.

18. Mitchell, М. An introduction to genetic algorithms [Текст] / M. Mitchell. -Cambridge: MIT Press, 1999.

19. Bethke A. D. Comparison of genetic algorithms and gradient-based optimizers on parallel processors: Efficiency of use of processing capacity [Текст] // Technical report, University of Michigan, 1976.

20. Grefenstette J.J. Parallel adaptive algorithms for function optimization [Текст]// Tech. Rep. No. CS-81-19, Vanderbilt University, Computer Science Department, Nashville, Tn, 1981.

21. Cantu-Paz, E. Efficient and accurate parallel genetic algorithms [Текст] / E. Can-tu-Paz. - Norwell: Kluwer, 2000.

22. Cantu-Paz E. Designing efficient master-slave parallel genetic algorithms [Текст] // Technical Report IlliGAL 97004, Illinois Genetic Algorithms Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign, 1997.

23. Cantu-Paz, E. and D. E. Goldberg. Efficient parallel genetic algorithms: theory

and practice [Текст] // Computa. Methods Appl. Mech. Eng., 186, 221-238 (2000)

102

24. Nowostawski, N. Parallel Genetic Algorithm Taxonomy / M. Nowostawski, R. Poli // Submitted to Publication to: KES'99, 1999.

25. Сидоренко, Ю.Н. Параллельные методы решения задач глобальной оптимизации: генетические алгоритмы и эволюционные стратегии. / Ю.Н. Сидоренко, С.В. Тимченко // Вторая Сибирская школа-семинар по параллельным вычислениям / Под ред. проф. А.В.Старченко. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. - 111 с.

26. Grefenstette J.J. Robot learning with parallel genetic algorithms on networked computers [Текст] // Proc. 1995 Summer Computer Simulation Conf. (SCSC '95). Society for Computer Simulation, Ottawa, Ontario, Canada.

27. Hong, T. Using the master-slave parallel architecture for genetic-fuzzy data mining / Hong, Т., Lee, Y., Wu, M. // Proceedings of 2005 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, Vol. 4, pp. 3232-3237.

28. Marko, B. Solving N-Queen Problem Using Global Parallel Genetic Algorithm / Marko, В., Marin, G. and Leo, B. // EUROCON 2003. Computer as a Tool, The IEEE Region 8, Vol. 2, pp. 104-107, 2003.

29. Peigin S., Periaux J., Timchenko S. Asynchrone parallel genetic algorithm for heat flux optimization problem [Текст] // In Proceedings of the Parallel Computing '98 Conference , Hsinchu, Taiwan. May 1998. pp 377-384. Elsevier Science Publishers.

30. Земских, JI.B. Применение генетических алгоритмов для оптимизации адаптивной системы управления мобильного робота на параллельном вычислительном комплексе / Л.В. Земских, Е.К. Самаров, А.А.Жданов, В.В. Бабкова // Труды Института системного программирования: Том 7, Новые подходы в ней-роноподобных и основанных на знаниях системах. /Под ред. А.А. Жданова/ -М.: ИСП РАН, 2004. - С. 105-110

31. Liu, Qitao. Parallel genetic algorithms for tuning a fuzzy data mining system / Susan M. Bridges, I. Banicescu // In Proceedings of the Artificial Neural Networks in Engineering Conference (ANNIE 2001), St. Louis, MO, November 4-7, 2001.

32. Baragli R. Parallel Genetic Algorithms for Hypercube Machines / R. Baraglia, R. Perego // VECPAR 1998: 691-703

33. Cotta, С. A Hybrid Genetic Algorithm for the 0-1 Multiple Knapsack problem / C. Cotta, J. Troya // Artificial Neural Nets and Genetic Algorithm 3, 250-254.

34. Lim, D. Efficient Hierarchical Parallel Genetic Algorithms Using Grid Computing / D. Lim, Y. S. Ong, Y. Jin, B. Sendhoff, B. S. Lee // Future Generation Computer Systems: The International Journal of Grid Computing: Theory, Methods and Applications, Vol. 23, No. 4, pp. 658-670, 2007.

35. Berger, J. A parallel hybrid genetic algorithm for the vehicle routing problem with time windows / J. Berger, M. Barkaoui, O. Braysy, // Defense Research Establishment Valcartier, Canada, Working Paper, 2001.

36. Flynn, J. M Some Computer Organizations and Their Effectiveness // IEEE Transactions on Computers 21(9):948~960, September, 1972

37. DVM система [Электронный ресурс] // http://www.keldysh.ru/dvm

38. Bertsekas D.P., Tsitsiklis J.N. Parallel and Distributed Computation. Numerical Methods [Текст] // Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1989

39. Beane, G. The Effects Of Microprocessor Architecture On Speedup In Distrbuted Memory Supercomputers: a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science (in computer science); B.S. University of Maine, 2002. - 87p.

40. Воеводин B.B., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления [Текст] // СПб.: БХВ-Петербург, 2002,- 608с.: ил.

41. SOA Practitioners' Guide. Part 1. Why Services-Oriented Architecture? // http://soablueprint.com/yahoo_site_admin/assets/docs/SOAPGPartl .290211145.pdf

42. Foster, I Service-Oriented Science // Science 308, 814 (2005)

43. Hey, T Cyberinfrastructure for e-Science / Tony Hey, et al. // Science 308, 817 (2005)

44. Официальный сайт сервера приложения Zope 2: портал [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://zope2.zope.org. Дата обращения: 12.10.2011

45. Горбунов-Посадов М.М. Расширяемые программы. -М.: Полиптих, 1999. -336 с.

46. Mathcad [Электронный ресурс] // http://www.ptc.com/products/mathcad

104

47. Matlab. The Language of Technical Computing [Электронный ресурс] // http://www.mathworks.com/products/matlab/

48. Страница пакета Mathematica [Электронный ресурс] //

http://www.wolfram.com/products/mathematica/index.html

49. Гавва, А.Е. Программная реализация языковых средств поддержки вычислительных экспериментов // А.Е.Гаавва, В.О.Мищенко // МДОЗМФ-2005. -Харьков-Херсон, 2005. - с.71-74

50. Matlab. Parallel Computing Toolbox [Электронный ресурс] // http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/pdf_doc/distcomp/distcomp.pdf

51. Pagonis, V. Numerical and practical exercises in thermoluminescence [Текст] / V.Pagonis, G. Kitis, C. Furetta. - New York : Springer, 2006.

52. Попко, E.A. Сравнение критериев качества аппроксимации данных на основе эволюционного моделирования [Текст] / Е.А. Попко, И.А. Вайнштейн // Научные труды X отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ: сборник статей. В 3-х частях. Ч. 1. — Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006.-С. 125-126.

53. Yang, Chao-Tung A parallel loop self-scheduling on extremely heterogeneous PC clusters / Yang, Chao-Tung, Chang, Shun-Chyi // Journal of Information Science and Engineering. v20 i2. 263-273.

54. Hamidzadeh, B. Dynamic scheduling techniques for heterogeneous computing systems / B. Hamidzadeh, Y. Atif, D. J. Lilja // Concurrency - Practice and Experience 7(7): 633-652(1995)

55. Букатов A.A., Дацюк B.H., Жегуло А.И. Программирование многопроцессорных вычислительных систем [Текст] // Ростов-на-Дону. Издательство ООО «ЦВВР», 2003, 208 с.

56. Гольдштейн C.JI., Ткаченко Т. Я. Введение в системотехнику и системоло-гию. Екатеринбург: ИРРО, 1994, 198с.

57. Методология функционального моделирования IDEF0 // Руководящий документ. - М.¡ГОССТАНДАРТ РОССИИ, 2000. - 62 с.

58. Себеста, Р.У. Основные концепции языков программирования = Concepts of Programming Languages / Пер. с англ. — 5-е изд. — М.: Вильяме, 2001. — 672 с.

59. Calder В., Grunwald D., Zorn В. Quantifying behavioral differences between С and С++ programs [Текст] // Journal of Programming Languages 2 (4) (1994) 313351.

60. Meyer B. Object-Oriented Software Construction. Second Edition [Текст] // Santa Barbara: ISE Inc., 1997. - 1254p.

61. Леоненков, A.B. Самоучитель UML [Текст] / A.B. Леоненков. - СПб: БХВ-Петербург, 2004.

62. Язык программирования Python [Текст] / Россум Г. [и др.] ; Пер. с англ. -М.-СПб.: АНО «Институт Логики» - «Невский Диалект», 2001 - 635 стр.

63. Спецификация SOAP [Электронный ресурс] //http://www.w3.org/TR/soap

64. Шквар Е. Эффективность компиляторов. Сравнительный тест [Электронный ресурс] // http://itc.ua/node/15800

65. Прехельт Л. Эмпирическое сравнение семи языков программирования [Электронный ресурс] // http://www.osp,m/os/2000/l 2/178361 /_jp 1 .html

66. Горелик A.M. Объектно-ориентированное программирование на современном Фортране. Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша РАН №70, Москва, 2002.

67. Пол А. Объектно-ориентированное программирование на С++ [Текст] / Пол Айра. - М.: Бином, 2001.

68. Крюков В.А. Разработка параллельных программ для вычислительных кластеров и сетей [Электронный ресурс] // http://www.keldysh.ru/dvm

69. Шпаковский, Г.И. Программирование для многопроцессорных систем в стандарте MPI: Пособие / Г.И. Шпаковский, Н.В. Серикова; Мн.: БГУ, 2002. -323 с.

70. WMPI 1.3 [Электронный ресурс] // http://www.criticalsoftware.com/wmpi.htiTil

71. MPICH 2 [Электронный ресурс] // http://phase.hpcc.jр/mirrors/mpi/mpich2/

72. Sunta C.M., Ayta W.E. Feria, Piters T.M. et al. Limitation of peak fitting and

peak shape methods for determination of activation energy of thermoluminescence

glow peaks [Текст] // Radiat. Meas. 1999., V. 30, P. 197-201.

106

73. Mandowski A. Topology-dependent thermoluminescence kinetics // Radiat. Prot. Dosim. 119(1-4), 23-28 (2006)

74. Kopelman R. Rate Processes on Fractals: Theory, Simulations, and Experiments //J. Stat. Phys. 42, 185-200 (1986)

75. Kopelman R. Fractal Reaction Kinetics // Science, 241, 1620-1626 (1988)

76. Иванов, A.M. Фрактальная кинетика люминесценции органолюминофоров на поверхности твердых тел и аномальная диффузия молекул и наночастиц на границе с жидкостью: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук / Иванов Андрей Михайлович; Калининградский гос. тех. ун-т. - Калининград, 2007. - 24 с.

77. Качкарова, П.А. Применение перколяционных методов, теории фракталов и дробных производных к исследованию термодинамики и кинетики фазообразо-вания: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук / Кочкарова Па-ризат Ахматовна; Карачаево-Черкесский гос. технол. акад. - Ставрополь, 2006. - 18 с.

78. Вайнштейн, И.А. Применение фрактальной кинетики для моделирования процессов термолюминесценции в наноструктурах / И.А.Вайнштейн, О.А.Евсегнеев // О 62 Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды VIII международной конференции. - Ульяновск: УлГУ, 2006. - 284 с.

79. Weinstein, LA. The effect of fractal kinetics parameters on the shape of thermoluminescence peaks / I.A. Weinstein, O.A.Evsegneev // Chaos and structures in nonlinear systems. Theory and experiment: Proceedings of the 5-th international scientific conference. - Astana: ENU, 2006. Part 1, 234 c.

80. Alexander S., Orbach R. Density of states on fractals: «fractons» // J. Phys. (Paris) Lett. 44:L13 (1982)

81. Kopelman R. Fractal-Like Exciton Kinetics in Porous Glasses, Organic Membranes, and Filter Papers / R. Kopelman, S. Parus, J. Prasad // Phys. Rev. Lett. 56:L16, (1986)

82. Зеленый, JI. М. Фрактальная топология и странная кинетика: от теории пер-коляции к проблемам космической электродинамики [Текст] / Л. М. Зеленый,

A. В. Милованов. - // Успехи физических наук. - 2004. - Т. 174, N 8. - С. 809-852. - Библиогр.: с. 850-852 ( 195 назв.). - ил.: 22 рис.

83. Соколов И.М. Размерности и другие критические показатели в теории протекания // УФН - 1986 - Т 150, № 2. - С 22284. Божокин, С.В. Фракталы и мультифракталы / С.В. Божокин, Д.А.Паршин -Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 128 с.

85. Попко, Е.А. Обобщенная кинетическая модель процессов термолюминесценции в диэлектриках [Текст] / Е.А. Попко, Г.Б. Смирнов // Научные труды XII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ: сборник статей. В 3-х частях. Ч. 2. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. - с. 2425.

86. Язык XML - практическое введение [Электронный ресурс] // http ://www. citforum .ru/internet/xml/index. shtml

87. Университетский Центр Параллельных Вычислений [Электронный ресурс] // http://ucpc.ustu.ru

88. Timers and synchronization [Электронный ресурс] // http://www.mpi-fomm.org/docs/mpi-11 -html/node .15Q.htrol#nodel 50

89. Введение в практику разработки параллельных программ в стандарте MPI: Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ /

B.М.Баканов, Д.В.Осипов. - М.:МГАПИ, 2005. - 63с.: ил.

90. Анализ проблемы с MPI Wtime [Электронный ресурс] //

http://archives.neohapsis.eom/archives/aix/2002-q2/0007.html

91. Встроенный высокоточный таймер ОС Windows [Электронный ресурс] // http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms644904(VS.85).aspx

92. О.А. Евсегнеев, И.А. Вайнштейн. Программный пакет для численного анализа фрактальной кинетики люминесценции в неупорядоченных системах («FracTL») / О.А. Евсегнеев, И.А. Вайнштейн // Свидетельство об официальной

регистрации программы для ЭВМ № 2008610206. - Москва, 6.11.2007.

108

ПРИЛОЖЕНИЕ А Параметры тестовых моделей ТЛ

Таблица А. 1 - Основные параметры ТЛ-моделей

Обозначение Параметр Нижний предел Верхний предел

г время, с 0 -

Т Температура, К - -

Е Энергия активации обычной активной ловушки, эВ 0.5 1.5

8 Частотный фактор обычной активной ловушки, с"1 1-Ю11 1-Ю15

N Общая концентрация обычной активной ловушки, см"3 1-Ю8 МО12

По ■з Начальная концентрация обычной АЛ, см" 1-Ю6 МО12

п Текущая концентрация обычной активной ловушки, см"3 - -

Ап Скорость захвата на обычную активную ловушку, см3/с МО4 1-ю10

М Общая концентрация термически несвязанной ловушки, -3 см МО8 1-ю12

т0 Начальная концентрация термически несвязанной ло- -3 вушки, см МО6 МО12

т Текущая концентрация термически несвязанной ловушки, см"3 - -

Ат Скорость захвата на термически несвязанную ловушку, см3/с 1-ю4 МО10

Аь л Скорость захвата на рекомбинационный центр, см /с 1-Ю4 МО10

Пг Текущая концентрация дырочной ловушки, см"3 - -

Ег Энергия активации дырочной ловушки, эВ 0.5 1.5

Эг Частотный фактор дырочной ловушки, с"1 1-1011 МО15

Н Общая концентрация дырочной ловушки, см" МО8 МО12

ПгО Начальная концентрация дырочной ловушки, см МО6 МО12

Аг Скорость захвата на дырочную ловушку, см /с 1-Ю4 МО10

Пс Концентрация в зоне проводимости, см"3 - -

Пу Концентрация в валентной зоне, см" - -

Ь Концентрация РЦ, см"3 - -

Их Исходная концентрация РЦ, см" 0 МО15

Еч Энергия активации тушения, эВ 0.5 1.5

Частотный фактор тушения, с"1 1-Ю11 МО15

Таблица А.2 - Параметры ТЛ-моделей используемых для сравнения времени

9 3 1

работы прототипа и разработанного ПК. Общие параметры: Ак = 1-10" см -с" ,

Ы}=Ы2 = М3 = М]= Ыг1 = 1 • Ю10 см"3, Уд = 1 ■ 1012с"]

Параметр Значения параметров №-й модели

1 2 3 4 5 6 7 8

Et, 1 1 1 1 1 1 1 1

Ей 1.3 1.15 1.3

Ео 1.25

no/Ni 0.1 0.1 0.1 0.1 0.03 0.1 0.1 0.1

n0/N2 0.1 0.05 0.1

n0/N3 0.05

Sl 1-Ю12 МО12 1-Ю12 МО12 МО12 МО12 110J2 1-Ю12

s2 МО12 1-Ю12 1-ю12

s3 1-ю12

Anl/Ah 100 100 100 100 1 100 10 100

An2/Ah 1 1 1

An3/Ah 1

m0/M] 0.001 0.01 0.01

AmJ/Ah 10 1 1

En 1 1

nro/Nri 0.01 0.09

Sri 1-ю12 1-Ю12

Ari/Ah 1 100

Eq 1

hHCx/N] 1

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Технические характеристики ПВС

Таблица Б.1 - Технические характеристики ПВС типа «Beowulf»

Параметр Значение

Управляющий узел Двухпроцессорный двуядерный сервер Sun Fire Х4200 М2 2x2216 в комплектации: 2 процессора Opteron 2216, 8 Гб оперативной памяти, 4 диска 146 Гб SAS

Расчетные узлы 9 двухпроцессорных двуядерных серверов Sun Fire Х4100 М2 2x2216 в комплектации: 2 процессора Opteron 2216, 4 Гб оперативной памяти, 2 диска 73 Гб SAS; 12 двухпроцессорных узлов HP ProLiant DL 145 G2 (Opteron 2 ГГц). Каждый узел содержит 1 Гб оперативной памяти и жесткий диск 80 Гб

Тип расчетной сети Gigabit Ethernet

Операционная система Rocks Cluster Distribution 4.2.1

Коммуникационная библиотека Интерфейс Передачи Сообщений MPICH2

Система управления очередью заданий Sun Grid Engine

Таблица Б.2 - Технические характеристики рабочей станции

Параметр Значение

Процессор Четырехядерный процессор Intel Core 2 Quad Q6600 2,4МГц, 2Гб оперативной памяти, 1 диск 250 Гб

Операционная система Windows ХР SP2

Коммуникационная библиотека WMPI 1.3

ПРИЛОЖЕНИЕ В Иерархическая информационная модель ПК

Рисунок В.1 - Иерархическая информационная модель ПК

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

№ 2008610206

Программный пакет для численного анализа фрактальной

кинетики люминесценции в неупорядоченных системах

{«Ргас'П > )

Иран«м.гблл;и»телыла); Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский Государственный Технический Университет - У ПИ (К1>)

• '■. 1 )■ Ивсегиеен Олег Анатольевич, Вайшитсйн 11. чья. Х.'ексаи^рович (Н1:)

■ \ 2007111 7|ЗКН

И ноября 201)7 г.

!, • | 1 «1 р<>мм л:!я ЭВМ

9 января 2008 г,

) , </> I, ( , / I • ' I

('■/»'•''У I 1 I

Л/1 . . ПЛ. ('нмогш

!

Рисунок Г.1

- Свидетельство о регистрации «БгасТЬ» 113

1Р О С сж!1ФЕДЕР^ЦЯЯ

«V- \ ^ г

■да V " V-, у,•'.. "-'А*

. .... 1

у. 4Л

X -к —

о государственной регистрации программы дли ЭВМ

№ 2009614263

Параллельный программный комплекс для моделирования термоактивационных механизмов люминесценции в твердых телах ( «РагаЬит»)

11 ратюбладагель(ли): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет-УГШ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» (1Ш)

.....!

\втор(ы): Евсегнеев Олег Анатольевич,

Роговин Валерий Иосифович, Вайпштейн Илья Александрович (ЯП)

Заявка № 2009612963

Дата поступления 15 ИЮНЯ 2009 Г.

Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ

13 августа 2009 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным ;такам

1 ~ . . , /У В.П. Симонов

Ш •:> .->• , , . \ м - л < •* I •* '«■ С

Рисунок Г.2 - Свидетельство о регистрации «РагаЬит»