
IV Международная научно-техническая конференция
112
масштабах (с помощью модели), можно переносить на масштабы больших задач, которые
предстоит решать будущей реальной машине. Опыт исследований в этом направлении
показывает, что главным объектом, определяющим свойство подобия, в данном случае
является вычислительный граф, описывающий содержание задачи в структурной форме.
Иными словами, если структура (граф) вычислений на малых и больших масштабах
сохраняется примерно постоянной, то, несмотря на возможный разброс, результаты
моделирования в обоих случаях обязательно должны коррелировать между собой, то есть
нести информацию друг о друге.
Таким образом, чтобы эффективно использовать принцип подобия при разработке
вычислительных систем, необходимо: во-первых, уметь выполнять расчеты на малых и
больших масштабах с неизменным графом вычислений и, во-вторых, уметь делать это для
сложных структур, присущих большим задачам. Остановимся подробнее на этих условиях.
Для достижения первого условия автором на основе комплексного анализа
постановок задач разработан экспериментальный набор [1] типовых вычислений,
ориентированный на физико-математические приложения. Особенность набора состоит в
том, что он содержит типовые алгоритмы, характерные для данной сферы приложений. Эти
алгоритмы уже непосредственно в своей структуре отражают такие фундаментальные
свойства больших задач, как линейность и нелинейность, стационарность и
нестационарность, непрерывность и дискретность, детерминированность и случайность,
многомерность и т.д. Каждая программа набора плавно масштабируема, что позволяет
проводить исследования как на малых, так и на больших масштабах вычислений при
неизменном графе.
Переходя ко второму условию, следует отметить, что каждая отдельная большая
задача имеет довольно жесткую структурную организацию, поэтому результаты ее
моделирования часто неприменимы к каким-либо другим, столь же большим задачам.
Однако интересы разработчиков вычислительных систем требуют, чтобы представленные в
их распоряжение тестовые задачи широко отражали характерные свойства реальных
вычислений. В этом случае появляются основания для объективной оценки проекта по
спектру приложений на ранних этапах проектирования.
Изложенные соображения естественным образом подводят нас к проблеме
приближения произвольной вычислительной структуры совокупностью базовых структур.
Математические методы приближенного анализа давно известны и эффективно
используются при решении многих научно-технических задач. Это, например, методы,
связанные с аппроксимациями произвольной функции набором базисных функций,
произвольного вектора набором базисных векторов и т.д. Применение аппарата
приближений играет огромную роль в развитии многих областей научных исследований.
Однако проблема структурных приближений выглядит, на наш взгляд, значительно сложнее
по сравнению с проблемами математических приближений. Здесь встают чрезвычайно
трудные (с точки зрения формальных подходов) проблемы: во-первых, как определять
характерный базис вычислительных структур, а во-вторых, как формировать произвольную
структуру на основе базисного набора.
Автором на первом этапе предложен семантический метод решения указанной
проблемы, опирающийся на смысловой анализ процесса моделирования задач. Удобно
показать суть этого метода на конкретном примере. Возьмем, например, в качестве базиса
набор типовых вычислений, указанный выше, и на его основе построим приближенный
аналог реальной задачи.
Рассмотрим вычислительную структуру решения двумерной задачи Навье-Стокса для
несжимаемой вязкой жидкости. В одной из формулировок эта задача состоит из двух
нестационарных уравнений в частных производных для скоростей течения и уравнения
Пуассона для давления. Мы не будем выписывать здесь эти хорошо известные уравнения, а
обратимся к наиболее существенной (в данном аспекте) вычислительной стороне дела.
Алгоритм решения задачи сводится к поочередному расчету полей скорости и давления в