Программные продукты и системы

Распространение суперкомпьютеров, расширение сферы их применения обусловливают потребность в квалифицированных специалистах в области суперкомпьютерных технологий, включая разработку высокопроизводительных вычислительных систем и их использование. Все это ставит подготовку таких специалистов в ряд важнейших задач высшей школы, что, в свою очередь, требует новых подходов к содержанию и организации образовательного процесса в области суперкомпьютерных технологий.

Суперкомпьютерные технологии представляют собой некоторую обобщенную область знаний, в которую входят проектирование и разработка аппаратных платформ, сетевые телекоммуникации, программная инженерия, информатика. Студенты, изучающие суперкомпьютерные технологии, должны получать современные знания по широкому спектру дисциплин, уметь интегрировать теорию и практику, быть способными входить в новые для себя предметные области. Однако из-за отсутствия в вузах среды обучения, адекватно моделирующей информационную среду деятельности специалистов, призванных разрабатывать суперкомпьютеры и решать на них задачи, они не могут овладеть многими важными профессиональными компетенциями, не имеют возможности приобрести опыт и овладеть навыками работы в интегрированной информационной среде. У них не вырабатываются способность и умение оценивать проектные и управленческие решения по нескольким критериям, в недостаточной степени развито системное видение деятельности по разработке и реализации решений в области суперЭВМ с учетом их целостности, многоаспектности, стадийности, с пониманием целей, содержания и места каждого этапа процесса разработки и использования суперкомпьютера.

Учитывая новизну, быстрое развитие, многоаспектность, комплексность понятия суперкомпьютерные технологии, вузы, выпускающие специалистов в области вычислительной техники и информатики, оказались не в состоянии готовить специалистов для науки и наукоемких отраслей, использующих суперкомпьютерные технологии.

Перечисленные проблемы и задачи определили для авторов настоящей работы необходимость разработки и внедрения учебно-методического комплекса, интегрирующего принципы математики, информатики с инженерными подходами, в процессе подготовки инженерных и научных кадров для разработки суперкомпьютеров и эффективного применения суперкомпьютерных вычислений.

Усилия авторов были направлены на:

·     разработку и внедрение новых образовательных моделей, отвечающих требованиям рынка труда;

·     разработку предметно-специализированных компетенций, включающих компоненты непрерывного образования специалистов в течение всего периода их профессиональной деятельности;

·     достижение нового качества системы подготовки специалистов в области вычислительной техники;

·     интеграцию в российское и мировое научно-образовательное пространство.

Разработанный учебно-методический комплекс имеет в своей основе научную, учебно-ме­тодическую, технологическую и организационную компоненты и опирается на сочетание предметного и деятельностного подходов в подготовке научных и инженерных кадров в области суперкомпьютерных технологий, обеспечивая непрерывность обучения.

Научная составляющая комплекса

При формировании подходов к организации и содержанию учебного процесса по высокопроизводительным вычислительным системам и их применениям авторы исходили из того, что наиболее продуктивным решением проблемы подготовки кадров по проектированию, сопровождению и использованию суперЭВМ является погружение образовательного процесса в среду профессиональной деятельности будущих специалистов. В Межведомственном суперкомпьютерном центре (МСЦ) РАН были развернуты работы по суперкомпьютерным технологиям, установлен первый и самый мощный в России суперкомпьютер для науки и высшей школы. Высокий научный и инженерный потенциал МСЦ РАН, прочные связи с профильными вузами, потребность в притоке молодых инженерных и научных кадров в итоге определили его в качестве базы для подготовки специалистов в области суперкомпьютерных технологий.

МСЦ РАН – крупнейший и самый мощный суперкомпьютерный центр в России в сфере науки и образования, в несколько раз превышающий по производительности другие крупные российские вычислительные центры и входящий в число ведущих мировых суперкомпьютерных центров.

Научная составляющая разработанного авторами учебно-методического комплекса:

·     исследования, проводимые в МСЦ РАН его сотрудниками, институтами РАН, российскими вузами, использующими вычислительные мощности суперкомпьютеров, установленных в МСЦ РАН и объединенных единой научно-образова­тельной сетью;

·     модели и методы компьютерного моделирования сложных систем, разработанные также и при непосредственном участии авторов [1, 2];

·     работы по всему технологическому циклу суперкомпьютеров и суперкомпьютерных вычислений, включая проектирование, конструирование и оптимизацию высокопроизводительных вычислительных систем, организацию эффективного вычислительного процесса [3];

·     фундаментальные основы создания распределенной информационно-вычислительной среды для науки и образования;

·     коллектив высококвалифицированных инженеров и научных работников;

·     интеграция в единое российское и мировое научно-образовательное пространство.

Сочетание высочайшего научного потенциала МСЦ РАН, формирующего по сути новую предметную область научных исследований и разработок – суперкомпьютеры и суперкомпьютерные вычисления, с современной научно-образователь­ной инфраструктурой определяет уникальное качество среды обучения, в которой формируются будущие специалисты.

Учебно-методическая составляющая комплекса

Подготовка специалистов в области суперкомпьютеров и суперкомпьютерных вычислений проводится с учетом полученных студентами базовых знаний по циклу дисциплин «Информатика и вычислительная техника» путем введения основных и специальных курсов, лабораторных работ и практических занятий, разработанных в учебном центре МСЦ РАН.

Учебно-методическое обеспечение, технология обучения разрабатывались исходя из того, что развитие профессиональных компетенций обучающихся должно происходить в процессе их вовлечения в научно-исследовательскую деятельность в реальной информационно-производствен­ной среде.

Учебно-методическая составляющая комплекса:

·     разработанная авторами концепция формирования профессиональных компетенций в новой, находящейся в процессе формирования и бурного развития области науки и профессиональной деятельности – суперкомпьютеры и суперкомпьютерные вычисления;

·     разработанная и внедренная авторами концепция развития профессиональных компетенций путем организации учебного процесса в среде профессиональной деятельности;

·     разработанные  курсы по циклу дисциплин «Разработка высокопроизводительных вычислительных систем и комплексов, математическое и компьютерное моделирование с применением суперкомпьютеров», направленные на подготовку научных и инженерных кадров;

·     подготовленный сотрудниками МСЦ РАН и авторами статьи комплект учебно-методических пособий по циклу дисциплин «Разработка высокопроизводительных вычислительных систем, математическое и компьютерное моделирование с применением суперкомпьютеров».

Выполняемые в МСЦ РАН исследования с участием ведущих ученых, преподавателей и студентов позволяют последним получать представление о механизмах извлечения новых результатов, применении их в реальных разработках, а преподавателям открывают уникальную возможность постоянной актуализации и совершенствования учебных курсов.

Технологическая компонента комплекса

При формировании концепции подготовки специалистов в области суперкомпьютерных технологий, находящейся на этапе становления, авторы исходили из того, что единственно возможным путем достижения успеха может быть погружение обучаемых в информационно-производственную среду профессиональной деятельности, поддержанную современной вычислительной и сетевой инфраструктурами.

МСЦ РАН поддерживает и развивает высокоскоростную телекоммуникационную сеть, позволяющую участвовать в разделении вычислительных мощностей и интегрированных информационных российских и мировых ресурсов. Одним из важнейших направлений развития телекоммуникаций в МСЦ РАН представляются создание метасети распределенных вычислений и сотрудничество в реализации проектов по технологии GRID с российскими и зарубежными партнерами.

Технологическая компонента комплекса опирается на вычислительные мощности МСЦ РАН [4] и является базой для формирования и подготовки читаемых курсов, проведения лабораторных практикумов по применению современных суперкомпьютеров, выполнения курсовых, дипломных работ, научной работы студентов, а также используется в качестве базы для производственной практики студентов, их участия в научно-исследова­тельских проектах, выполняемых в МСЦ РАН.

Кроме того, данная компонента реализует принцип открытости в использовании информационных и вычислительных ресурсов для целей науки и образования посредством системы интер­активного удаленного доступа к суперкомпьютерам МСЦ РАН, интегрированным в российское и международное научно-образовательное пространство.

Возможность объединения вычислительных, сетевых и информационных ресурсов, БД и БЗ позволяет создать на базе МСЦ РАН виртуальную производственную среду деятельности специалистов, разрабатывающих программно-аппаратные комплексы и решающих прикладные задачи, и обеспечивает погружение в эту среду основных элементов образовательного процесса.

Организационная компонента

В качестве организационной компоненты учебно-методического комплекса выступает учебный центр, созданный в МСЦ РАН, аккумулирующий в себе передовой и уникальный опыт организации учебного процесса, интегрирующего научный, учебно-методический и технологический потенциалы МСЦ РАН и ряда ведущих вузов страны: Московского физико-технического института (МФТИ), Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), Московского института электронной техники (МИЭТ). Учебный центр обеспечивает теоретическую, практическую, инструментальную и организационную базы для подготовки специалистов, владеющих современными знаниями и навыками в области разработки и компьютерного моделирования сложных наукоемких задач, реализует концепцию активного участия в интеграционных процессах в научной и образовательной сферах. Ежегодно в учебном центре РАН обучается порядка 130 студентов МФТИ, МИРЭА, МИЭТ. Только за последние пять лет было подготовлено более 200 высококвалифицированных специалистов. Учебный центр МСЦ РАН предоставляет возможность объединения интеллектуальных, технологических, информационных ресурсов и создает тем самым виртуальную производственную среду для обучения специалистов, разрабатывающих высокопроизводительные программно-аппаратные комплексы и решающих на них прикладные задачи.

Формирование профессиональных компетенций

Суперкомпьютерные технологии представляют собой некую обобщенную область знаний, в которую входят проектирование и разработка аппаратных платформ, сетевые телекоммуникации, программная инженерия, информатика.

Созданный рабочий механизм взаимодействия вузов и работодателей обеспечивает мониторинг соответствия отраслевых стандартов и государственных образовательных стандартов по направлениям и специальностям «Суперкомпьютеры и суперкомпьютерные вычисления». Наряду с формированием системы знаний и навыков обучение в учебном центре МСЦ РАН направлено на формирование базового набора качеств, которыми должен обладать специалист: системный взгляд на дисциплину, понимание связи теории и практики, адаптируемость, опыт участия в реальных проектах, работа в команде.

Таким образом, разработанная и внедренная авторами концепция формирования профессиональных компетенций определяет базисные знания и навыки, которыми должны обладать специалисты, в области суперкомпьютерных технологий и имеет для высшей школы общесистемный характер.

Подготовка специалистов в области суперкомпьютерных технологий в среде профессиональной деятельности

Разработка, проектирование, создание высокопроизводительных вычислительных систем и комплексов, организация высокопроизводительных вычислений – неразрывный процесс, в который вовлечено большое количество исследователей и специалистов. В предложенном авторами учебно-методическом комплексе предусмотрена подготовка научных и инженерных кадров в области суперкомпьютерных технологий путем реализации концепции развития профессиональных компетенций посредством погружения учебного процесса в среду профессиональной деятельности.

Обеспечение участия ведущих специалистов в области суперкомпьютерных технологий в образовательном процессе, воплощенном в технологии интеграции учебного и научно-производственного процессов, позволяет постоянно актуализировать направленность и наполнение читаемых курсов с учетом текущих и прогнозируемых потребностей рынка труда.

Внедрение в учебный процесс

Основные положения и подходы к решению задачи подготовки специалистов по суперкомпьютерным технологиям были разработаны в 2000–2004 гг. и постоянно совершенствовались с учетом состояния и направлений развития суперкомпьютеров и суперкомпьютерных вычислений.

В результате были определены и реализованы стратегические задачи подготовки специалистов в данной области, которые включали:

· разработку новых принципов организации обучения в информационно-производственной среде профессиональной деятельности;

· формирование преподавательского состава;

· разработку учебно-методического комплекса подготовки специалистов, реализующего принцип непрерывности обучения и интеграции в единое научно-образовательное пространство.

Студенты, проходящие подготовку по направлению «Разработка высокопроизводительных вычислительных систем, математическое и компьютерное моделирование с применением суперкомпьютеров», получают основы знаний по суперкомпьютерным технологиям по учебным планам, программам, учебным пособиям, разработанным авторами или с их участием.

Авторы учебно-методического комплекса «Научное, учебно-методическое и технологическое обеспечение подготовки инженерных и научных кадров в области суперкомпьютерных технологий» являются профессорами и заведующими кафедрами ведущих вузов страны, в течение многих лет читают лекции, руководят дипломными работами студентов, научной работой аспирантов в области суперкомпьютерных технологий.

Практическая значимость учебно-методи­ческого комплекса для отраслей науки, экономики, образования:

·     разработана и реализована система подготовки научных и инженерных кадров для нового, находящегося в процессе формирования направления науки и технологий – суперкомпьютеры и суперкомпьютерные вычисления;

· создан учебный центр по суперкомпьютерным технологиям, который поддерживает при подготовке специалистов весь жизненный цикл по созданию, внедрению, сопровождению и эффективному использованию суперкомпьютерных вычислительных систем и высокопроизводительных вычислений;

· разработанный и внедренный подход к формированию профессиональных компетенций специалистов в области суперкомпьютерных технологий, его наполнение носят для высшей школы общесистемный характер;

· отработана и обеспечена возможность тиражирования в высшей школе разработанной технологии обучения специалистов в среде профессиональной деятельности в области суперкомпьютеров и суперкомпьютерных вычислений.

Разработанный и внедренный учебно-методи­ческий комплекс сделал возможным достижение нового системного качества подготовки специалистов по направлению «Разработка высокопроизводительных вычислительных систем, математическое и компьютерное моделирование с применением суперкомпьютеров» в интересах укрепления позиций России в области суперкомпьютерных технологий, уровень развития которых имеет стратегическое значение.

Авторы представленного в статье учебно-методического комплекса были удостоены Премии Правительства Российской Федерации в области образования за 2008 год.

Литература

1. Савин Г.И. Системное моделирование сложных процессов. М.: ФАЗИС: ВЦ РАН, 2000.

2. Мадера А.Г., Сотников А.Н. Моделирование технических систем на макроуровне: учеб. пособие. М.: Изд-во МГИРЭА, 2001.

3. Шабанов Б.М., Яицков А.С. VHDL – язык описания электронной аппаратуры: учеб. пособ. М.: Изд-во МИЭТ, 2003.

4. Овсянников А.И., Шабанов Б.М., Аладышев О.С., Опалев В.М., Вдовикин О.И., Захарченко А.В. Вычислительная сеть Межведомственного суперкомпьютерного центра // Изв. вузов: Электроника. № 1. 2004.