Статья
ЗАЧЕМ и КАКИЕ нужны суперкомпьютеры эксафлопсного класса? Предсказательное моделирование свойств и многомасштабных процессов в материаловедении
Рассматривается подход, позволяющий выявить, для каких задач нужны суперкомпьютеры эксафлопсного класса. Возможности подхода рассмотрены на примерах актуальных задач материаловедения, физики конденсированного вещества и плотной плазмы, для решения которых необходимо атомистическое моделирование на современных и создаваемых в настоящее время суперкомпьютерах. Для каждой задачи проведено соответствие между набором изучаемых явлений и требуемым уровнем быстродействия (числа ядер) вычислительной системы. Показана масштабируемость параллельных программ моделирования и перспектива расширения предсказательной способности методов по мере увеличения числа вычислительных ядер и/или использования специализированных архитектур (графические ускорители). Рассмотрена иерархия методов моделирования, необходимых для адекватного описания свойств веществ на различных пространственных и временных масштабах. На наиболее глубоком нанометровом/пикометровом масштабе для моделирования электронной динамики и построения эффективных потенциалов взаимодействия частиц применяется теория функционала плотности (квантовая молекулярная динамика). Классический метод молекулярной динамики позволяет явно рассмотреть системы движущихся атомов вплоть до микромасштабов. Выход на макромасштабы осуществляется с помощью кинетических подходов и механики сплошных сред. Проведены сравнения эффективности распараллеливания для топологий тора и толстого дерева для трёх классов задач.
Helical segments are common structural elements of membrane proteins. Dimerization and oligomerization of transmembrane (TM) α-helices provides the framework for spatial structure formation and protein-protein interactions. The membrane itself also takes part in the protein functioning. There are some examples of the mutual influence of the lipid bilayer properties and embedded membrane proteins. This work aims at the detail investigation of protein-lipid interactions using model systems: TM peptides corresponding to native protein segments. Three peptides were considered corresponding to TM domains of human glycophorin A (GpA), epidermal growth factor receptor (EGFR) and proposed TM-segment of human neuraminidase-1 (Neu1). A computational analysis of structural and dynamical properties was performed using molecular dynamics method. Monomers of peptides were considered incorporated into hydrated lipid bilayers. It was confirmed, that all these TM peptides have stable helical conformation in lipid environment, and the mutual adaptation of peptides and membrane was observed. It was shown that incorporation of the peptide into membrane results in the modulation of local and mean structural properties of the bilayer. Each peptide interacts with lipid acyl chains having special binding sites on the surface of central part of α-helix that exist for at least 200 ns. However, lipid acyl chains substitute each other faster occupying the same site. The formation of a special pattern of protein-lipid interactions may modulate the association of TM domains of membrane proteins, so membrane environment should be considered when proposing new substances targeting cell receptors.
The model of distributed calculators makes it possible a parallel calculation of the correlated N-particle system with a complex multi-particle interaction (long-range ionic and short-range repulsive, two- and three-particle covalent interactions) with MPI and CUDA technologies. The computational model is based on the mathematical model of heterogeneous descriptors developed by the authors, that allows shift the focus from the describing the physical interactions in the system to the description of data flow between the descriptors. The results of computer experiments, which compare the time of the simulation on the cluster of 16 calculators and GPU NVIDIA are given. The model of distributed calculators was being tested with the software package of RIS «MD-SLAG-MELT»
Одной из важнейших задач при разработке автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) является обеспечение приемлемого быстродействия вычислительных машин и обеспечение их эффективной работы. В статье рассмотрен алгоритм, реализующий разделение задач между процессорами подсистемы распределенного молекулярно-динамического моделирования информационно-исследовательской системы "Шлаковые расплавы". Предложена методика оптимизации данного алгоритма, произведена оценка эффективности и расчет ускорения предложенного решения.
В главе 1.1 (Кузнецов, Ефремов) рассмотрены теоретические подходы к изучению мембранных белков (МБ), которые являются важнейшим компонентом плазматической мембраны клетки. Они выполняют жизненно важные функции, а нарушения в их работе приводят к развитию патологических состояний. Изучение МБ экспериментальными методами требует особых подходов и техник, поскольку для их функционирования необходимо сохранение мембранного окружения. Поэтому несмотря на значительный прогресс в экспериментальном изучении структуры и свойств МБ, для них разрабатывается множество теоретических методов предсказания пространственной организации и физико-химических параметров. Среди имеющихся на данный момент методов изучения мембранных белков in silico можно выделить ряд алгоритмов, основывающихся на моделировании по гомологии, а также методы предсказания структуры и свойств этих белков de novo. В связи с ростом вычислительных возможностей применяются все более сложные алгоритмы, позволяющие детально описывать поведение системы, либо принимающие во внимание большее число факторов. Широкое распространение получили комбинированные подходы, сочетающие в себе разные уровни описания свойств моделируемой системы. Наибольший интерес при изучении МБ представляют их трансмембранные домены (ТМД), сформированные в большинстве случаев α-спиралями и их пучками. На смену господствовавшей концепции аминокислотных мотивов димеризации, рассматривавшей, в первую очередь, белок-белковые контакты, приходит модель мембраны как адаптивной активной матрицы, способной в значительной степени подстраиваться под присутствующие в ней белки и модулировать их активность. Такой механизм взаимного влияния двух компонентов системы бросает вызов современным методам теоретического описания мембранных систем, поскольку требует учета большего числа параметров. К настоящему времени появилась возможность изучения сложных многокомпонентных модельных систем, ранее являвшихся недоступными для молекулярного моделирования. Современные технологии компьютерного эксперимента позволяют выявлять принципы белок-липидного взаимодействия в мембранах, а также описывать механизмы функционирования мембранных белков на молекулярном уровне.
Пылевые частицы могут приобретать кинетическую энергию порядка 10 эВ и более, что значительно превышает температуры ионов и электронов в разряде, а также температуру вещества пылевой частицы. Число пылевых частиц в лабораторных экспериментах может составлять сотни или даже десятки. Это приводит к вопросу о соответствии средней кинетической энергии пылевых частиц понятию «температура». Асимметрия сил, определяющих движение пылевых частиц, приводит к особым механизмам передачи энергии между степенями свободы и ещё более усложняет понятие «температуры» для системы пылевых частиц в плазме. Вопрос применимости понятия «температуры» системе пылевых частиц рассматривается в данной статье.
Plasmatic membranes contain high amount of membrane proteins. They perform vital functions of life, so any disruptions in their structure result in pathologies and diseases. Studies of these proteins with experimental methods are very complicated and expensive, as they require the membrane environment. Despite considerable progress achieved so far in methods of structure determination and property analysis, many computational methods are developing to predict the structural and dynamical parameters of proteins in membranes. Among the algorithms of modeling are the homology analysis, de novo structure prediction, molecular dynamics simulations and other. With growing computational capabilities, sophisticated techniques are developed taking into account more environmental factors. Combined approaches with different levels of approximation of intermolecular interactions are widely used. The major interest in studies of membrane proteins is focused on their transmembrane domains that are fundamental structural elements and are constituted by α-helices or helical bundles incorporated into lipid bilayer in most cases. Therefore, the fundamental problem of interaction of a pair of helices in membrane arises: the exact mechanism of this process is still not so clear. In place of the prevailing concept of dimerization motifs that states the importance of protein-protein contacts, a new model of the membrane as an adaptable lipid matrix is proposed. It states that biological membrane can adjust its properties around proteins and also modulates their activity. This mechanism of the mutual influence of two components is challenging modern computational methods of membrane model- ing because these systems are quite large and include many components to be treated accurately. Nowadays, investigations of the complex multi-component model systems become possible with modern methods of computational experiment.
Журналы событий, сохраняемые современными информационными и техническими системами, как правило, содержат достаточно данных для автоматизированного восстановления моделей соответствующих процессов. Разработано множество алгоритмов для построения моделей процессов, проверки соответствия фактического поведения системы модельному, сравнения моделей процессов, и т.д. Однако возможность быстрого анализа выбираемых пользователями частей журнала до сих пор не нашла полноценной реализации. В статье описан метод многомерного хранения журналов событий для извлечения и анализа процессов, основанный на подходе ROLAP. Результатом анализа журнала является направленный невзвешенный граф, представляющий собою сумму возможных последовательностей событий, упорядоченных по вероятности их возникновения с учетом заданных условий. Разработанный инструмент позволяет выполнять совместный анализ моделей подпроцессов, восстановленных из частей журнала путем задания критериев отбора событий и требуемого уровня детализации модели.
Цель книги - рассказать о современных разработках, которые произошли в энергосистемах, принимая во внимание выбросы CO₂. Книга включает в себя описание процессов по моделированию энергосистем с учетом выбросов CO₂, моделирование рыночного механизма CO₂ , регулирование политики моделирования CO₂ , прогнозирование цен на углерод и моделирование улавливания углерода. Для каждого пункта в книге есть хотя бы одна статья, написанная мировым лидирующим специалистом в данной конкретной области.
В данной работе рассматривается пятое уравнение Пенлеве, которое имеет 4 комплексных параметра. Методами степенной геометрии ищутся асимптотические разложения его решений в окрестности его неособой точки z=z0, z0≠0, z0≠∞, при любых значениях параметров уравнения. Показано, что имеется ровно 10 семейств разложений решений уравнения. Все они - по целым степеням локальной переменной z - z0. Из них одно новое; у него произвольный коэффициент при четвертой степени локальной переменной. Одно из семейств однопараметрическое, остальные - двухпараметрические. Доказано, что все разложения сходятся в окрестности (а являющиеся полюсами - в проколотой окрестности) точки z=z0.
В данной работе рассматривается пятое уравнение Пенлеве, которое имеет 4 комплексных параметра α, β, γ, δ. Методами степенной геометрии ищутся асимптотические разложения его решений при x → ∞. При α≠0 найдено 10 степенных разложений с двумя экспоненциальными добавками каждое. Шесть из них - по целым степеням x (они были известны), и четыре по полуцелым (они новые). При α=0 найдено 4 однопараметрических семейства экспоненциальных асимптотик y(x) и 3 однопараметрических семейства сложных разложений x=x(y). Все экспоненциальные добавки, экспоненциальные асимптотики и сложные разложения найдены впервые. Также уточнена техника вычисления экспоненциальных добавок.
В данной работе рассматривается пятое уравнение Пенлеве. Методами степенной геометрии ищутся асимптотические разложения его решений при x → 0. Получено 27 семейств разложений решений уравнения. 19 из них получены из разложений решений шестого уравнения Пенлеве. Среди остальных 8 семейств одно было известно раньше, ещё одно может быть получено из разложения решения третьего уравнения Пенлеве. Новыми являются 3 семейства полуэкзотических разложений, 2 семейства сложных разложений и семейство степенно-логарифмических разложений.
Электронное издание является сборником материалов международной научно-практической конференции "Теория активных систем" (ТАС-2014)