ARUZ - maszyna do spowalniania czasu

Analizator Rzeczywistych Układów Złożonych – ARUZ
ARUZ to inaczej Analizator Rzeczywistych Układów Złożonych. Będzie ważył 50 ton i miał
kształt walca o wysokości 4,5 i średnicy 16 metrów. W łódzkim Technoparku właśnie
wznoszony jest dla niego specjalny budynek. Konstrukcja początkowo była kulą. Jednak
powstaje tuż obok lotniska i ze względu na przelatujące samoloty, nie może być aż tak
wysoka jak pierwotnie planowano. Dlatego trochę ją „ścięto” i teraz przypomina ogromny
kielich. Z tego samego powodu giganta zamknięto w klatce Faradaya. Pochłaniające pół
megawata mocy urządzenie nie może w najmniejszym stopniu zakłócać pracy lotniczego
portu.
Dzieje ARUZa
Z ARUZa będzie można korzystać już w tym roku. Na początek posłużą się nim chemicy.
Żeby wytłumaczyć do czego będzie im potrzebny, trzeba wrócić pamięcią do lat
dziewięćdziesiątych XX wieku. Wtedy to polski naukowiec Profesor Tadeusz Pakuła
wymyślił sposób mieszania cząsteczek w bardzo gęstych substancjach, w których molekuły
zajmują całą przestrzeń. Zagadnienie nie było łatwe – no bo jak przesunąć cząsteczkę jeśli
wokół nie ma wolnego miejsca? Dla jednej cząsteczki oczywiście nie jest to niemożliwe, ale
gdy się dobrze pomyśli, tak jak to uczynił Prof. Pakuła, to dla grupy cząsteczek możliwe są
przemieszczenia kooperatywne. Ten genialny w swojej prostocie pomysł stanowił podstawę
do opracowania przez Profesora modelu ruchów kooperatywnych o nazwie DLL (w j. ang.
Dynamic Lattice Liquid - Dynamiczna Ciecz Sieciowa). W oparciu o założenia tego modelu
skonstruował odpowiedni algorytm i zapisał go w postaci programu komputerowego. Później
z powodzeniem stosował do symulacji procesów zachodzących w skomplikowanych układach
wielocząsteczkowych.
W tym miejscu warto zapoznać się z postacią tego wybitnego naukowca. Prof. Tadeusz
Pakuła, fizyk pochodzący z Łodzi przygodę z nauką zaczynał od studiowania fizyki na
Uniwersytecie Łódzkim. Przez szereg lat pracował pod kierunkiem słynnego naukowca, Prof.
Mariana Kryszewskiego, początkowo na Wydziale Chemicznym Politechniki Łódzkiej, a od
1973 r w Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych Polskiej Akademii Nauk w
Łodzi. Stopień doktora i doktora habilitowanego uzyskał na Wydziale Chemicznym
Politechniki Łódzkiej. W roku 1984 podjął pracę w Instytucie Maksa Plancka Badań
Polimerów w Moguncji w Niemczech, gdzie przeniósł się wraz z rodziną. Od 1995 roku, aż
do przedwczesnej śmierci w roku 2005, pracował dodatkowo w Katedrze Fizyki Molekularnej
Wydziału Chemicznego PŁ, gdzie uzyskał tytuł profesora.
Pod koniec 1999 roku Profesor Pakuła spotkał się w Katedrze Fizyki Molekularnej w
Politechnice Łódzkiej z mgr inż. Jarosławem Jungiem fizykiem i elektronikiem oraz z
fizykiem mgr Piotrem Polanowskim, którzy po zapoznaniu się z modelem DLL
zaproponowali budowę dedykowanej maszyny realizującej założenia tego modelu. Twierdzili,
że wykona ona jeden krok algorytmu DLL dla układu składającego się z 1 miliona cząsteczek
tysiące razy szybciej niż komputery, którymi Profesor posługiwał się w swoich symulacjach.
Spotkali się z wielkim entuzjazmem i zainteresowaniem tym pomysłem ze strony twórcy
modelu DLL. Niebawem we troje rozpoczęli żmudną pracę nad opracowaniem koncepcji i
założeń konstrukcyjnych przyszłej maszyny. Po 4 latach projekt był na tyle gotowy, żeby go
zrealizować, i wtedy zwrócili się z propozycją dalszej współpracy do kierownika Katedry
Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej prof. Andrzeja
Napieralskiego oraz właściciela firmy elektronicznej FOREL dr inż. Witolda Zatorskiego.
Dzięki przychylności prof. Napieralskiego, który od razu przydzielił do pomocy jednego ze
swoich najlepszych doktorantów mgr inż. Rafała Kiełbika, praca nabrała charakteru
aplikacyjnego.
Rozpoczęto też działania związane z pozyskaniem środków na budowę maszyny. Nie było to
proste, ponieważ koszt budowy tego urządzenia szacowano wówczas na 100 mln zł. Suma
wydaje się być szokująco wielka, ale w porównaniu do podobnych wielkością instalacji
superkomputerowych na świecie i tak kilkukrotnie mniejsza (budowa największych
superkomputerów na świecie kosztuje od 100 do 200 milionów – tylko, że dolarów!). Starano
się zdobyć fundusze ze środków ówczesnego Komitetu Badań Naukowych, funduszy
europejskich, środków ministerialnych i innych. Istniała duża nadzieja, że pieniądze te
zostaną zdobyte dzięki wielkiemu międzynarodowemu autorytetowi Prof. Pakuły.
Niestety w 2005 roku, Prof. Pakuła zmarł. To spowodowało, że szanse budowy maszyny
oddaliły się w bliżej nieznaną przyszłość. Od tego czasu, w oczekiwaniu na szansę
finansowania maszyny, postanowiono działać „drobnymi krokami”. Najpierw, za pieniądze
pozyskane z projektu badawczego KBN, w ciągu 3 lat zbudowano mały model maszyny
zawierający 216 cząsteczek. W ciągu następnych 3 lat skonstruowano następny model, w
którym można było zmieścić już około 3000 cząsteczek. Podczas budowy i uruchamiania tych
modeli znaleziono słabe strony proponowanych rozwiązań technicznych i wymyślono jak je
ulepszyć. W trakcie tych prac zespół badawczy uległ przeorganizowaniu. Dr Piotr Polanowski
odłączył od grona konstruktorów maszyny, ale pozostał przy symulacjach molekularnych
DLL stając się wysokiej klasy specjalistą. Do zespołu wykonawców maszyny zaczęło
natomiast napływać coraz więcej młodych osób. Pojawili się doktoranci i pracownicy Katedry
Mikroelektroniki i Technik Informatycznych, a także dr inż. Krzysztof Hałagan wychowanek dr hab. Piotra Polanowskiego. Zaczęły powstawać prace inżynierskie i
magisterskie dotyczące konstrukcji tego urządzenia. Jednak ciągle nie można było pozyskać
środków na budowę maszyny.
Nadzieja pojawiła się, gdy unikalna wiedza potrzebna do zbudowania maszyny została włączona do projektu Europejskiego Centrum Bio- i Nanotechnologii (ECBNT) jaki z inicjatywy
Rektora PŁ, prof. dr. hab. inż. Stanisława Bieleckiego został opracowany w PŁ. Koordynatorem był prof. Jacek Ulański, który jest wielkim entuzjastą i zwolennikiem budowy maszyny
realizującej model DLL. Projekt ten przewidywał utworzenie szeregu zaawansowanych interdyscyplinarnych laboratoriów integrujących zespoły badawcze z różnych Wydziałów PŁ i
stwarzał szansę na budowę w Łodzi ośrodka naukowego na najwyższym światowym poziomie. Przewodniczącym Międzynarodowej Rady Naukowej ECBNT został światowej sławy
uczony, prof. Krzysztof Matyjaszewski bliski współpracownik i przyjaciel zmarłego Prof. Pakuły, uważany od szeregu lat za jednego z najpoważniejszych kandydatów do Nagrody Nobla
w dziedzinie chemii. Niestety z różnych względów, nie udało się zrealizować ECBNT w Politechnice Łódzkiej. Natomiast, gdy pojawiła się szansa, że istotna część projektu ECBNT może być zrealizowana, Politechnika Łódzka wniosła ten projekt aportem do Technoparku. Pozyskane przez Technopark środki z Polskiej Agencji Rozwoju Przedsiębiorczości w ramach
rozszerzenia projektu budowy laboratoriów BioNanoPark+ wraz z wkładem własnym głównych udziałowców – Miasta Łódź oraz Województwa Łódzkiego pozwoliły na realizację pomysłu łódzkich naukowców.
Technopark jest instytucją, która ma dbać o komercjalizację badań naukowych, szczególnie
w zakresie bio- i nanotechnologi. Jej właścicielami są miasto Łódź i województwo łódzkie,
ale udziały mają również łódzkie uczelnie. W Technoparku znajdują się dobrze wyposażone
laboratoria dla naukowców i firm innowacyjnych. Inwestycja została przeprowadzona
modelowo, ukończono ją rok przed czasem, czym chętnie chwaliła się Polska Agencja
Rozwoju Przedsiębiorczości. Więc kiedy znalazła oszczędności, bez wahania dała dodatkowe
63 mln zł na zadanie rozszerzające BioNanoPark+ w ramach projektu BioNanoPark. I właśnie
w ramach tego rozszerzenia powstaje maszyna o nazwie ARUZ będąca najnowszą wersją
urządzenia, które postanowiono 15 lat temu zbudować. Obecnie koszt jej budowy wynosi 20
mln zł. Ktoś może się zdziwić, że 20 mln zł wystarczy skoro wcześniej szacowano, że
maszyna kosztować będzie 100 mln. Należy jednak pamiętać o zawrotnym postępie w
dziedzinie miniaturyzacji urządzeń i nanotechnologii charakterystycznym dla rynku
elektronicznego. Pojawiły się nowe rozwiązania, dzięki którym można pomieścić w jednym
układzie scalonym 100 razy więcej tranzystorów w stosunku do ich odpowiedników sprzed
15 lat.
Wieloletni trud i zabiegi o finansowanie dobiegły końca, ale od razu pojawiły się nowe
problemy. Narzucony, a wynikający ze zobowiązań Technoparku wobec Państwowej Agencji
Rozwoju i Przemysłu, termin wykonania ARUZa okazał się niesłychanie krótki. Maszyna
musi być zbudowana w ciągu 1 roku (podczas gdy na całym świecie realizacja tego typu
przedsięwzięć trwa od 3 do 5 lat). Rozpoczęły się intensywne poszukiwania wykonawcy.
Przedsiębiorstwem, które podjęło się tego trudnego i ryzykownego zadania był łódzki oddział
firmy Ericpol. Zaangażował do tego celu zespół składający się z około 20 osób. Od września
2014 roku z wielkim zaangażowaniem i profesjonalizmem organizuje on pracę, realizując
terminowo wszystkie, zaplanowane wcześniej, etapy budowy. Ericpol jest firmą
informatyczną działającą od wielu lat na polskim rynku i dlatego nie tylko sprawnie
koordynuje wykonanie tego przedsięwzięcia, ale też bierze aktywny udział w pracach
związanych z oprogramowaniem systemu serwerów i pamięci masowych niezbędnych do
prawidłowej pracy ARUZa.
Niezwykła sprawność w przetwarzaniu danych
W czym tkwi tajemnica ARUZa? Dlaczego przewiduje się, że będzie on konkurencyjnym
urządzeniem w stosunku do istniejących superkomputerów skoro wcale nie posiada
mikroprocesorów?
Żeby odpowiedzieć na te pytania należy zastanowić się nad tym jak działają komputery i
superkomputery. Ich sercem jest mikroprocesor, który z zawrotną szybkością, sekwencyjnie
jedną po drugiej, wykonuje bardzo proste operacje arytmetyczne i logiczne. Program
komputerowy ustala kolejność tych operacji, co w konsekwencji prowadzi do wykonania
bardzo skomplikowanych obliczeń. Złożone zadania obliczeniowe w wielu przypadkach
można podzielić na fragmenty. W sieci połączonych ze sobą mikroprocesorów (klastry
komputerowe lub superkomputery) wszystkie mikroprocesory mogą jednocześnie wykonać
powierzone im zadanie. Nazywane jest to pracą równoległą. Po wykonaniu obliczeń
procesory muszą się wymienić wynikami za pomocą tzw. magistral sygnałowych. Później
znów przystępują do realizacji kolejnego kroku algorytmu. Taki sposób pracy, chociaż
znacznie przyśpieszający działanie komputerów, obarczony jest poważnymi wadami: 1) nie
wszystkie obliczenia można wykonać równolegle, 2) mikroprocesory wykonują powierzone
im zadania w sposób sekwencyjny, 3) wymiana danych pomiędzy mikroprocesorami trwa
bardzo długo w stosunku do czasu trwania obliczeń, co w największym stopniu przyczynia się
do znacznego spowolnienia systemu wieloprocesorowego.
Inaczej wygląda to w ARUZie. Maszyna składa się z równolegle pracujących układów
elektronicznych umieszczonych w węzłach sieci przestrzennej. Zawierają one komórki
przeznaczone do wykonywania konkretnych operacji logicznych. Funkcje te są znacznie
bardziej złożone niż operacje arytmetyczno-logiczne wykonywane przez mikroprocesor.
Oznacza to, że po pobudzeniu jednym impulsem zegara systemowego, układy te wykonają w
jednej chwili wielokrotnie więcej niż mikroprocesor. Komórki połączone są tylko z
sąsiadującymi kilkoma komórkami za pomocą bardzo szybkich złącz. Zapewniają one
znacznie efektywniejszą wymianę danych pomiędzy komórkami niż magistrale komputerowe.
Kolejne kroki algorytmów zawsze są wykonywane przez wszystkie komórki jednocześnie
(maszyna w 100% równoległa). Można powiedzieć, że to nie ARUZ składa się z wielkiej
ilości współbieżnie działających mikroprocesorów, lecz on sam stanowi pewien rodzaj
olbrzymiego, skomplikowanego makroprocesora lub automatu komórkowego.
Maszyna zawiera specjalizowane komórki, które niezwykle szybko mogą wykonać kolejne
kroki algorytm DLL. Ktoś może zadać pytanie, czy budowa tak kosztownego urządzenia
służącego do przeprowadzania tylko jednego typu analiz ma sens? Odpowiedź brzmi – jak
najbardziej tak. ARUZ został zbudowany przy użyciu elektronicznych programowanych
układów logicznych FPGA (w j. ang. Field Programmable Gate Array). Ich wielką zaletą jest
możliwość łatwej zamiany ich wewnętrznej struktury połączeń. Oznacza to, że ARUZ dzisiaj
może być maszyną realizującą algorytm DLL, a jutro można go zmienić np. w superkomputer
po zaprogramowaniu w każdym układzie FPGA struktury mikroprocesora!
ARUZ zawiera 27000 układów FPGA, co czyni go jedynym na świecie urządzeniem, w
którym znajduje się tak wielka ilość tych układów. Obecnie do każdego z układów FPGA
wpisano około 100 komórek DLL. Daje to przestrzenną sieć symulacyjną zawierającą około
2,7 miliona komórek, w których zawarte będą wirtualne cząsteczki badanych związków
chemicznych. Przy takich rozmiarach przestrzeni symulacyjnej ARUZ może z powodzeniem
stanowić alternatywę dla wielkich systemów superkomputerowych. Kolejną zaletą tej
maszyny jest jej sprawność energetyczna. Pomimo, że urządzenie będzie pochłaniało 0,5 MW
mocy, to jednak w porównaniu np. z jednym z największych obecnie superkomputerów
Chińskim Tianhe-2 jego energochłonność będzie około 50 razy mniejsza. Tianhe-2 zawiera 3
mln mikroprocesorów, czyli podobnie jak ARUZ 2,7 mln komórek, jednak jego pobór mocy
to 24 MW!
W budynku, w którym będzie działał ARUZ prowadzone są obecnie prace wykończeniowe.
Powstaje konstrukcja mechaniczna, na której zamontowane zostaną przewody, zasilacze i
inny osprzęt elektroniczny, a także elementy systemu chłodzenia. Kładzione są kable
ethernetowe, które łącznie mają 100 km i ważą aż 6 ton. Na końcu zamontowane zostaną
płyty elektroniczne z układami FPGA.
Zastosowania ARUZa
Do końca bieżącego roku ARUZ zostanie oddany do użytku. Powstaje pytanie, jakie znajdzie
on zastosowanie w przyszłości?
Zacznijmy jednak od tego, jakie korzyści z budowy ARUZa osiągnięto do tej pory i jakie
nadzieje pokładane są w tym urzadzeniu. Spytajmy o to osoby bezpośrednio zaangażowane w
to przedsięwzięcie (zwróćmy uwagę na zmianę tytułów naukowych u niektórych z nich – to
też zasługa przedsięwzięcia jakim jest ARUZ):
Wieloletnie prace nad projektem ECBNT i związanym z nim ARUZ-em zaowocowały
niezwykłą integracją łódzkiego środowiska naukowego, utworzyły się interdyscyplinarne
zespoły badawcze kierowane przez młodych liderów. Patronat Międzynarodowego Komitetu
Naukowego pod kierownictwem prof. Krzysztofa Matyjaszewskiego zapewnił wysoki poziom
naukowy tych inicjatyw. Praca tych zespołów w dużym stopniu przyczyniła się do wielkiego
sukcesu łódzkiego środowiska naukowego, jakim było zakwalifikowanie łódzkiego projektu
ICRI-BioM, jako jednego z trzech polskich projektów, do drugiego etapu prestiżowego
konkursu TEAMING ogłoszonego przez Komisję Europejską. Projekt ICRI-BioM zakłada
bardzo intensywne wykorzystanie ARUZa, m.in. do symulacji zachowań zaawansowanych
biomateriałów w zastosowaniach medycznych. – mówi prof. dr hab. Jacek Ulański
Jestem pewien, że ARUZ znajdzie zastosowanie jako narzędzie do rozwiązywania różnych
zagadnień naukowych. Wierzę też, że w przyszłości okaże się on przydatny do zastosowań
praktycznych. Jestem przekonany, że ARUZ zostanie zauważony w świecie i pojawią się
ośrodki naukowe lub przemysłowe chcące posiadać takie urządzenie. Produkcja takich
maszyn w regionie łódzkim przyczyniłaby się do popularyzacji polskiej myśli technicznej,
rozwoju przemysłu elektronicznego i tworzenia miejsc pracy dla osób o wysokich
kwalifikacjach (które bardzo często wyjeżdżają w poszukiwaniu pracy). Wiem, że postęp w
dziedzinie elektroniki i systemów cyfrowych jest niezwykle szybki. Dzisiaj ARUZ jest
wyjątkowy, ale za kilka lat stanie się urządzeniem o przeciętnych możliwościach. Mam
pomysł na zbudowanie podobnego urządzenia, ale o 100-krotnie większych możliwościach.
Takie są możliwości dzisiaj, a co będzie za 5, 10 lat…? - twierdzi dr inż. Jarosław Jung
Od początku ARUZ projektowany jest do modelowania dynamiki różnych procesów w
złożonych układach ciekłych. Umożliwi on symulacje np. polimeryzacji długich
makrocząsteczek i sieci polimerowych, które to procesy mają duże znaczenie przemysłowe i
aplikacyjne. Samo urządzenie w przyszłości pomoże w rozwoju równoległych algorytmów
obliczeniowych stosowanych w chemii i fizyce, ale także w innych dziedzinach nauki.
Budowa tego urządzenia już przyczyniła się do większej integracji polskiego środowiska
naukowego zajmującego się różnymi metodami modelowania - mówią dr hab. Piotr
Polanowski i dr inż. Krzysztof Hałagan
ARUZ to przede wszystkim ogromne przedsięwzięcie techniczne. Zawiera 27000 układów
FPGA umieszczonych na 3000 modułów elektronicznych, 75000 kabli sygnałowych, oraz 240
zasilaczy lokalnych. Wszystkie moduły elektroniczne ARUZa zostały zaprojektowane "od
zera", specjalnie po kątem unikatowych potrzeb tego urządzenia - mówi dr inż. Witold
Zatorski
Tak duży zbiór wzajemnie współpracujących układów FPGA to idealny poligon do
opracowywania i weryfikacji zupełnie nowych mechanizmów przetwarzania informacji –
zauważa prof. dr hab. Andrzej Napieralski
Możliwość dynamicznej rekonfiguracji tych układów owocuje olbrzymią elastycznością
całego urządzenia i otwiera nowe możliwości w projektowaniu dedykowanych a jednocześnie
uniwersalnych, samoadaptacyjnych i odpornych na uszkodzenia systemów współbieżnych –
dodaje dr inż. Rafał Kiełbik
Uczestniczymy w czymś wyjątkowym. Prowadzimy bardzo trudny projekt w obszarze
złożonej integracji naukowo-technicznej. Można powiedzieć, że konsumujemy nasze 24letnie doświadczenie, które zebraliśmy uczestnicząc w międzynarodowych projektach
spinając różne obszary wiedzy, metod i technologii w jedną całość. Wierzymy, że sukces tego
przedsięwzięcia otworzy przed nami możliwości uczestniczenia w podobnych – odpowiadają
Adam Włodarczyk i dr Robert Szewczyk, pracownicy Ericpola
Jak widać ARUZ zanim powstał już stanowił obiekt zainteresowania wielu osób i firm
pobudzając ich przedsiębiorczość. Budowa tego urządzenia umożliwiła rozwój takim firmom
z Łodzi i regionu łódzkiego jak: Biuro Projektowe Profesjonalnych Urządzeń Elektronicznych
FOREL, Ericpol, Architekton, Zakład Mechaniki Precyzyjnej Jakubowski Ludwik i
Jakubowski Wojciech, El-Bud Project, Sako, HVAC PRO Paulina Wiśniewska. Udział w
budowie miały także polskie firmy z poza województwa łódzkiego jak Fideltronik, Polwat i
Volex Polska.
Jednak najbardziej interesujące są dalsze losy ARUZa. Urządzenie będzie wchodziło w skład
Laboratorim Symulacji Molekularnych, które niebawem powstanie w łódzkim Technoparku.
Obecnie odbywa się rekrutacja pracowników do tego laboratorium. Muszą być to najwyższej
klasy specjaliści, którzy będą stanowili bardzo kompetentny zespół naukowców i managerów.
Powinni łączyć w sobie zdolności organizacyjne i dysponować odpowiednią wiedzą. Trudne
zadanie stoi przed Technoparkiem, jednak nie pozostał on w osamotnieniu. Pracownicy PŁ
wspomagają Technopark podczas rekrutacji pracowników, a także wskazując, które dziedziny
nauki i przemysłu mogą być najbardziej zainteresowane wykorzystaniem ARUZa do swoich
celów. Najciekawsze pomysły już zostały zakupione w ramach umowy licencyjnej pomiędzy
Technoparkiem a PŁ. Obejmują one pomysły zagadnienia z obszaru badań naukowych takich
jak chemia, inżynieria materiałowa czy biotechnologia. Przekazano również rozwiązania
dotyczące zastosowań algorytmu DLL, szczegółów konstrukcyjnych ARUZa oraz propozycje
zastosowania maszyny w takich gałęziach przemysłu jak chemiczny i farmaceutyczny. Może
się jednak okazać, że z urządzenia będą mogli skorzystać też np. meteorolodzy do
prognozowania pogody, ekonomiści badający mechanizmy rządzące gospodarką,
socjologowie analizujący zachowania wielkich grup społecznych lub badacze sieci
neuronowych.
Historia projektowania i budowy ARUZa jest dowodem na to, że aby móc dołączyć do
światowej czołówki należy mieć odpowiednią wiedzę, oryginalne pomysły i wykazać się
niezłomną determinacją w dążeniu do celu. Na szczęście, tych cech nie zabrakło zespołowi
realizującemu ARUZa. Szkoda tylko, że Prof. Tadeusz Pakuła nie zobaczy namacalnego
efektu swoich badań.
ARUZ w liczbach
50 ton wagi
4,5 metra wysokości
16 metrów średnicy
10 lat badań
12 ton przewodów sygnałowych i zasilających
100 km połączeń elektronicznych
27 000 układów FPGA
0,5 Megawata poboru mocy