Център на НАСА за климатични симулации

На 7 април 2022 г. Beowulf Cluster Computing беше въведен в Залата на славата на космическите технологии по време на 37-ия годишен космически симпозиум, организиран от Space Foundation в Колорадо Спрингс, Колорадо. Обявената цел на залата на славата е да „признае променящите живота технологии, възникващи от глобалните космически програми; почитат отговорните учени, инженери и новатори; и да съобщим на обществеността значението на тези технологии като възвръщаемост на инвестицията в изследване на космоса.

По време на встъпителната церемония компютърните учени Джеймс Фишър, бивш ръководител на проекта на НАСА за Земните и космическите науки (ESS), и Томас Стърлинг, бивш координатор за оценка на ESS, бяха признати и отличени за ключовите им роли в разработването на първия Beowulf компютърен клъстер в Центъра за космически полети Годард на НАСА през 1994 г. Проектът ESS на НАСА беше част от програмата на НАСА за високопроизводителни изчисления и комуникации (HPCC). Фишер е участвал в изследването на високопроизводителната компютърна архитектура на НАСА Годард в продължение на десетилетия, а Стърлинг се присъединява към екипа през 1992 г., за да помогне на учените от НАСА да използват по-добре иновативните паралелни компютърни архитектури на проекта. Компютърният клъстер Beowulf беше голям пробив за екипа на проекта ESS: той постави нов стандарт за мащабируеми паралелни изчисления, използвайки масиви от евтини, свързани в мрежа персонални компютри.

Майк Литъл, дългогодишен експерт по компютърни системи на НАСА, който е работил в централата (HQ) на НАСА през 90-те години на миналия век, управлявайки различна част от суперкомпютърната програма на агенцията в Code R (бившата дирекция „Изследвания и инженеринг“), припомни, че той е знаел за работата на Фишер и Стърлинг и е присъствал на прегледите на програмата HPCC в централата на НАСА. Литъл си спомни: „Бях много наясно и развълнуван от това, което правеха по проекта ESS.“

Отбелязвайки променящото живота въздействие на проекта ESS, Литъл отбеляза: „Компютърният клъстер Beowulf беше пробив в НАСА, който даде възможност за много други иновации, включително точно, базирано на данни цифрово прогнозиране на времето и еволюцията на дизайна на самолетите без използване на вятърни тунели. На практика всяка друга област на науката, математиката и биологията продължават да бъдат преки бенефициенти от тази новаторска работа.“

Какъв обаче беше първоначалният импулс за НАСА да разработи по-бързи компютри на първо място? Какви бяха техническите и обществени среди, които стимулираха тези иновации? Според Джим Фишер това е история, която датира чак от космическата надпревара в средата на 50-те години на миналия век, когато Съединените щати и бившият Съветски съюз се състезаваха за господство в ракетната технология и възможностите за космически полети по време на историческата Студена война.

През 1955 г. администрацията на Айзенхауер публично обяви намерението си да изстреля американски научен сателит в орбита по време на Международната геофизична година (IGY), която обхваща юли 1957 г. – декември 1958 г. Това съвместно, глобално научно изследователско усилие е предназначено да проучи няколко феномена от науката за Земята, събиране на данни и споделяне на резултати от изследвания сред десетките участващи нации. Няколко световни центрове за данни също бяха създадени за съхраняване на споделени данни от IGY. Забележителните резултати от изследванията на IGY включват потвърждението на теорията за тектоничните плочи, полярните изследвания, откриването на радиационните пояси на Ван Алън в магнитосферата на Земята и разработването на научни спътници.

След като Съветският съюз успешно изстреля първия сателит Спутник през октомври 1957 г., постигайки този крайъгълен камък в космическите полети преди Съединените щати, започна така наречената „криза на Спутник“ с шокиращото схващане, че САЩ изостанаха от Съветския съюз в технологиите и научното образование. В отговор правителството на САЩ удвои усилията си за напредване на космическите полети.

Конгресът на САЩ бързо прие Националния закон за аеронавтиката и космоса от 1958 г. и две нови правителствени агенции се родиха от кризата със Спутник: ориентираната към цивилни цели Национална администрация за аеронавтика и космос (НАСА) и военноориентираната Организация за напреднали изследвания в областта на отбраната Агенция за проекти (DARPA). НАСА стана наследник на своя предшественик, бившия Национален консултативен комитет по аеронавтика (NACA), цивилна група, основана през 1915 г., за да догони тогавашната превъзходна европейска авиационна технология по време на Първата световна война. Комитетът на NACA от назначени от президента, който включва летеца пионер Орвил Райт, създава изследователския център Langley (LaRC) в Хамптън, Вирджиния през 1920 г. и започва изграждането на поредица от вятърни тунели за тестване на нови самолети, класически пример за търговски и обществени ползи на технологии, получени от НАСА.

През май 1959 г. НАСА създаде първото си съоръжение за космически полети в Грийнбелт, Мериленд, Центърът за космически полети Годард. Военноморската изследователска лаборатория на Съединените щати разработи проект Vanguard с цел да изстреля научен сателит по време на IGY с помощта на 3-степенна ракета Vanguard и да проследи космическия кораб. След изстрелването на Sputnik служителите на NRL от Project Vanguard бяха прехвърлени от лабораторията във Вашингтон, окръг Колумбия, към NASA Goddard. Тогава проектът Vanguard беше управляван от НАСА и сателитният персонал стана първите обитатели на новото съоръжение на НАСА.

Три от единадесетте изстрелвания на сателит Vanguard бяха успешни, включително последният спътник, изстрелян през септември 1959 г., Vanguard III. На борда имаше четири различни експеримента, измерващи магнитното поле на Земята; рентгеновите емисии от Слънцето; горни атмосферни плътности; и въздействието на микрометеорити върху външната обвивка на малкия космически кораб (диаметър 50,8 cm). Сателитът Vanguard III все още е в околоземна орбита след 62 години и може да продължи да орбитира още 200 години.

Ранните компютърни изследвания в NASA Goddard бяха отговор на космическата надпревара от средата на 20-ти век. Бившият мениджър на проекта Vanguard на NRL Джак Таунсенд стана помощник-директор по космически науки и сателитни приложения в NASA Goddard, а Дейвид Шефър, физик, който беше част от първоначалния екип на NRL, който работи върху телеметричната система на сателитите Vanguard, се премести от NRL в НАСА по същото време.

Шейфър беше експерт по магнитни усилватели. В NRL той разработи радиотелеметрията за сателитите на Project Vanguard, което позволява предаването на броя на ударите на микрометеоритите в реално време обратно към приемниците на Земята. В NASA Goddard Шейфър пое ролята на разработването на компютри за космоса.

С всеки нов сателит, който беше разработен в NASA Goddard, постепенно се добавяха повече бордови компютри, като Schaefer лети с първия транзистор и първата интегрална схема в космоса. Фишер припомни, „добавянето на бордови компютри се превърна в нещо, което учените оцениха, защото ако имаха някакъв вид интелигентност на борда, те можеха да получат повече научни данни обратно, като работят с компютърните хора.“ С течение на времето вниманието на Шейфър се разширява и към подобряване на способността на наземните компютри от онези дни да улавят научните данни, предавани от всеки нов сателит.

Ранната скорост на данни беше един бит в секунда, но когато скоростта на данни се увеличи през 70-те години, данните започнаха да се трупат в NASA Goddard в огромни стаи, пълни с кръгли ленти за съхранение, които трябваше да бъдат индексирани, монтирани и поискани за достъп . Целият процес беше неефективен, отнемаше много време и беше скъп. През 70-те години на миналия век мениджърите на НАСА очакваха необходимостта от значително увеличени скорости на връзката надолу за новите сателити Landsat за наблюдение на Земята. Тъй като сателитите Landsat произвеждат пълно изображение на земната повърхност за малко повече от две седмици, увеличаването на количеството данни изисква по-ефективен трансфер на данни, както и по-бързи и по-мощни изчислителни възможности. НАСА трябваше да измисли нов начин за извършване на повече бордова обработка на данни или по някакъв начин да намали обема на данните, събрани от сателит.

С оглед на тези нужди и с финансов поток за посрещане на изискванията на мисията Landsat, Дейв Шейфър ръководи своя екип да разработи масивен паралелен процесор (MPP), първият по рода си. Той наема Джим Фишер през 1974 г. да работи върху идеи за прилагане на MPP. През 1978 г. Джордж Ръмни, сега в Центъра за климатични симулации на НАСА (NCCS), дойде на борда, за да работи върху софтуера на MPP. Когато Шефер се пенсионира през 1981 г., Фишер става ръководител на екипа. Масовото паралелно изчисление се наложи сред научната общност на НАСА и беше комерсиализирано от компании като Digital Equipment Corporation и MasPar Computer Corporation. Успешното използване от Goddard на компютъра MasPar позиционира екипа да играе водеща роля в проекта ESS на програмата HPCC, започващ през 1992 г.

Една от техническите цели на ESS беше да разработи масивна паралелна работна станция за използване от учени от Goddard. Имайки предвид тази цел, Стерлинг излезе с идеята да комбинира новодостъпната операционна система Linux с отворен код с водещи персонални компютри и Ethernet кабели за работа в мрежа, като интегрира тези технологии в компютърни клъстери, наречени Beowulf. Стърлинг привлече Дон Бекер, за да помогне с проекта, защото Бекер беше Linux гуру, който беше разработил полезни Ethernet драйвери и можеше да интегрира прототипа на Beowulf. Ръководителят на ESS за системен софтуер, Джон Дорбанд, прегърна тази нова идея и започна да намира приложения за нея сред мрежата от научни изследователи на ESS.

Инженерът на компютърни системи на НАСА Майк Литъл, който, подобно на Фишер и Шефър, се занимава с изчисления от висок клас от няколко десетилетия, отбеляза въздействието на първия компютърен клъстер Beowulf и значението на тези технологии като възвращаемост на инвестициите в изследването на космоса, „В началото на 90-те години на миналия век, докато НАСА ставаше все по-зависима от суперкомпютрите за създаване на базирани на физика модели, разделителната способност ставаше все по-важна.“ За да се управляват тези модели, са необходими по-големи векторни суперкомпютри, но високата им цена ограничава това, което агенцията може да си позволи. Подходът на Beowulf предлагаше сравнима производителност, но беше десет пъти по-евтин.

Компютърният клъстер Beowulf, изобретен от екипа на проекта ESS в NASA Goddard, е в основата на съвременните компютърни системи от висок клас. Оригиналният Beowulf беше нов модел за позволяване на ефективно съхранение и извличане на масивни набори от данни и мащабируеми паралелни изчисления и постави нов стандарт в НАСА за експериментално интегриране на нови технологии за ускоряване на изчислителните изследвания и адаптиране към непрекъснато променящия се мащаб на набори от научни данни. Със сравнително малко финансиране на проекти и много изобретателност, страст и креативност, награденият проект на екипа на NASA Goddard, който сега е въведен в Залата на славата на космическите технологии, ускори глобалното преминаване от скъпи, патентовани суперкомпютърни системи към приемане на PC клъстери и софтуер с отворен код от научната общност.

Освен въздействието върху научните изследвания, ползите от тази революция в клъстерните компютри в NASA Goddard имат пряко, ежедневно въздействие върху живота на Земята и нейните жители, тъй като компютрите от висок клас продължават да експериментират, да се развиват и дават възможност за точни , сложни, подробни модели на земната система, използвани за разбиране и прогнозиране на важни явления като усилване на Арктика, системи от бури, озонова климатология, слънчеви изригвания и наука за климата.

Свързани връзки

Шон Кийф, Център за космически полети Годард на НАСА
13 май 2022 г.