1 소개
지구과학에는 지질학, 지리학, 대기, 해양 등 많은 학과가 포함되어 있으며 인간과 자연의 관계에 직접 직면하는 자연과학의 일부이다. 지구과학은 지구의 고체, 액체, 기체의 각 층과 인간과의 관계를 이해하는 통로일 뿐만 아니라 광산탐사, 기상예보, 수문학, 측량, 지진 등 학과의 과학 기술 실천 활동을 통해 자원, 에너지, 환경, 방재 완화 등의 사회 경제에 직접 서비스를 제공한다.
위성 통신 기술, 네트워크 기술 및 컴퓨터 기술은 전통적인 지구 과학 연구 모델을 변화시켰다. 원격 감지, 정보기술, 각종 실시간 관측 분석 기술이 발달하면서 지구과학은 전 세계를 포괄하고 동그라미를 가로지르는 새로운 단계, 즉 지구시스템 과학에 진입하여 국부 현상에 대한 묘사에서 행성 메커니즘에 대한 탐구에 이르기까지 글로벌하고 체계적인 정보를 얻었다.
응용 방면에서 지구과학의 역할은 채취업, 공업, 농업에서 건축 계획, 관광, 군사에 이르기까지 거의 어디에나 있다. 그리고 사회가 발전함에 따라 환경 악화와 자연재해의 결과가 심해지면서, 원래 자원 지향적이었던 지구과학이 환경과 재해 예방 방향으로 발전하여 지구과학이 사회를 위해 봉사하는 분야를 넓혔다.
현대 탐지 수단과 정보 기술의 응용으로 인해 PB/TB 수준의 지형 공간 데이터가 생성되는데, 이 데이터는 슈퍼컴퓨터가 수조 건이 넘는 처리, 해석, 액세스 및 활용을 해야 합니다. 한편, 디지털 정보 및 전파 환경의 발전은 전통적인 기초학과 연구의 수단과 방법을 변화시켰다. 다학과 연구팀은 대규모 과학 연구와 공사 실현을 완성하는 중요한 보증이다. 고급 수퍼컴퓨터와 그리드 컴퓨팅 기술은 기초 학제 간 연구를 위한 다학과 플랫폼을 제공합니다. 2002 년 이후 미국, 영국, 일본, 호주, 유럽연합은 6543.8+ 억 달러에서 6543.8+ 억 달러에 이르는' 전자연구' 또는' 전자과학' 프로젝트를 시작했다. 그 목적은 그리드 기술과 미들웨어 기술을 이용하여 국가 또는 지역 고교 또는 연구실의 수퍼컴퓨터를 연결하여 다학과 자원 협업을 위한 가상 플랫폼을 형성하는 것입니다. 한편 선진국들은 지구과학을 핵심으로 하는 다학과 자원 공유 플랫폼을 구축하고 있다.
슈퍼컴퓨터
무어의 법칙에서 알 수 있듯이, 컴퓨터의 작동 속도는 빠르게 증가하고 있으며 (18 개월마다 두 배로 증가), 제조 비용은 급격히 감소하고 있으며 수퍼컴퓨팅 비용은 합리적인 경향이 있습니다. 현재 국내 대부분의 대학들은 수조 대의 컴퓨팅 능력을 갖춘 슈퍼컴퓨터를 살 수 있다. 최신 수퍼컴퓨터 성능 통계에 따르면 TOP500 은 (65438+2004 년 2 월 현재) 2004 년에는 358 대, 2003 년에는 95 대를 신설했다. 표 1 과 같이 세계에서 가장 빠른 500 대의 컴퓨터 중 90% 이상을 차지합니다. 컴퓨터 속도 향상은 기술적인 문제가 아니라 소프트웨어 시스템 개발이 관건이며, 이것이 우리의 약한 고리이다.
기초학과 연구 분야에서 지구과학은 슈퍼컴퓨터를 가장 많이 사용하는 분야다. TOP500 의 최신 통계 (2004 년 2 월 기준 65438 대+대) 에 따르면 표 2 에서 볼 수 있듯이 성능이 가장 뛰어난 500 대 슈퍼컴퓨터 중 지구물리학은 5 1 을 차지하며 전체 10% 이상을 차지한다 날씨와 기상 연구, 일기 예보 등. 게다가 지구과학이 차지하는 슈퍼컴퓨터의 비율은 더욱 커졌다.
표 1
표 2
현재, 국내 많은 대학과 연구기관들도 Linux 운영 체제 기반 클러스터 컴퓨터 아키텍처와 같은 수퍼컴퓨팅 아키텍처 연구를 실시하고 있습니다. 이 아키텍처는 대형 컴퓨터와 수퍼컴퓨터는 비용이 많이 들지만 더 큰 컴퓨팅 요구 사항을 충족하지 못할 경우 수퍼컴퓨팅 작업에 적합한 솔루션을 제공합니다. 주요 문제는 성능 비율 저하, 신뢰성 저하, 유지 관리의 어려움, 확장성 저하, 보안 저하입니다. 과학 연구원들이 시스템 건설에 너무 많은 정력을 쏟았다고 해서 원가도 반드시 낮은 것은 아니다.
2003 년 미국 과학원원사,' 시대' 주간지 표지 인물 진세청 박사가 귀국해 선전 쉘응성사에서 슈퍼블레이드 컴퓨터를 발명했다. 진세청 박사도 세계적으로 유명한 CRAY-MP 와 Y-MP 슈퍼컴퓨터 개발의 리더이다.
슈퍼 블레이드 컴퓨터의 블레이드 설계 이념은 제트 엔진의 터빈 블레이드와 비슷하다. 이 "블레이드" 는 언제든지 제거하고 교체할 수 있으며, 함께 비틀면 강력한 동력이 생길 수 있습니다. 슈퍼블레이드 컴퓨터는 이런 디자인 이념을 최대한 활용하고 간결하고 소박하며 새로운 기술을 채택했다. 연산 노드 업그레이드에는 "블레이드" 만 추가하면 되고, 케이블 연결 및 구성은 필요하지 않습니다. 이 컴퓨터는 "블레이드" 로 가득 찬 엔진과 같습니다. 각 "블레이드" 는 이론적으로 무한히 확장 가능하며 가동 중지 시간 없이 언제든지 추가하고 교체할 수 있습니다. 슈퍼블레이드 컴퓨터는 새로운 디자인 이념과 시스템 아키텍처를 채택하여 초당 50 조 부동 소수점 숫자를 넘어 미국 일본 등 선진국의 슈퍼컴퓨터 수준에 이를 수 있다. 슈퍼블레이드 컴퓨터는 오래 지속되는 생명력, 보안성, 합리적인 가격 대비 성능, 실시간 공동 작업 모델을 갖추고 있습니다.
지구 과학 연구의 세 가지 슈퍼 컴퓨팅 문제
지구과학 연구의 수퍼컴퓨팅 문제는 지진 데이터 처리와 해석, 원격 감지 정보 처리 및 해석, 대규모 지리 정보 시스템, 지형 공간 데이터 처리 및 시각화, 지구, 대기, 해양 등 다양한 자연 현상의 동적 시뮬레이션 (예: 지진, 홍수, 황사, 공학 지질 구조 시뮬레이션, 물질 분자 역학 시뮬레이션 등) 입니다. 게다가, 지구과학 연구에서 많은 수퍼컴퓨팅은 다학과 학제 간 문제를 다루고 있다. 일부 문제는 실시간 협업 워크 플로우 모드입니다.
4 고성능 네트워크를 기반으로 한 슈퍼 컴퓨팅
컴퓨터와 정보기술의 발전과 응용, 특히 고속 네트워크 및 관련 장비의 건설과 응용으로 과학 연구 방법에 큰 영향을 미치고 연구 수단을 바꾸며 e-Research 와 e-Science 개념의 출현을 초래했다.
E-Science 는 전 세계 과학자들의 협력과 인터넷 및 관련 기술을 필요로 하는 초대형 과학 연구 인프라의 정의입니다. 이러한 공동 연구의 전형적인 특징 중 하나는 과학자들이 대량의 데이터 세트에 액세스하고, 독특한 과학 연구 시설을 사용하고, 대량의 과학 컴퓨팅 자원을 소비하고, 고성능 분석, 모델링 및 시각화 전시를 해야 한다는 것입니다. 이 초대형 연구의 또 다른 중요한 측면은 과학자와 학제 간 정보 교류와 새로운 개념의 발아를 위한 학제 간 플랫폼을 제공하는 것이다.
E-Research 는 비과학 연구의 행동과 활동을 포함하는 e-Science 의 보다 일반적인 정의와 요약입니다. 예를 들어, 전자 연구에는 인류학과 사회학 연구가 포함됩니다. 전자연구는 함께 일하고 지식을 즐기기 위해 분산 컴퓨팅 자원을 사용하는 특성도 가지고 있다.
그리드 기술은 전자 연구와 전자 과학의 발전에 중요한 역할을 했다. 고객과 기업이 전력 공급을 이용할 수 있는 것처럼 그리드를 통해 연구원과 연구기관은 네트워크에 분산되어 있는 데이터 웨어하우스, 전용 과학 장비, 지식 서비스 및 강력한 컴퓨팅 기능에 어떤 식으로든 액세스할 수 있습니다. 유연하고 안전한 지식 공유를 통해 연구원 개인, 연구 기관 및 자원의 동적 조합에서 과학 연구 문제를 조율할 수 있습니다. 이 방법은 종종 가상 조직이라고도 합니다.
네트워크 인프라는 분산 컴퓨터, 정보 및 통신 기술로 형성된 새로운 가상 과학 및 엔지니어링 지식 환경을 나타냅니다. 다양한 형태의 과학 연구를 위한 효율적인 플랫폼을 제공합니다.
과학자들은 새로운 지식 발굴, 대화식 모델링, 시뮬레이션 도구 사용, 복잡한 과학 및 공학 기술 문제를 해결하기 위해 상호 협력을 통해 인프라 연구 시설의 변화를 초래합니다. 복잡한 과학 및 엔지니어링 문제는 우리의 새로운 기초 과학 연구 시설이 학제 간, 분산 및 통합되어야 한다는 것을 요구합니다. 천문학, 생물학, 지구 과학, 공중 보건 및 나노 물질은 일반적으로 정보 통합, 데이터 분석 및 안전 지식 공유가 필요합니다. 컴퓨터, 디스크 어레이, 기기 등과 같은 물리적 장치에 대한 안전하고 작동 가능하며 지속적인 액세스가 필요합니다. ), 데이터 및 정보 (대용량 데이터 세트, 비즈니스 및 과학 데이터베이스, 정보 및 소프트웨어 라이브러리, 비디오 및 이미지 라이브러리), 특정 전문가 및 학자.
E-Research 미들웨어는 컴퓨팅 인프라 전반에 걸쳐 연구 기관과 개인 간의 애플리케이션 시스템, 컴퓨팅 자원, 지식 관리, 지식 공유 및 작업 협업을 위한 표준 공통 도구 및 서비스를 제공하는 특정 기능을 갖춘 소프트웨어입니다. 전자 연구 컴퓨팅 인프라의 중요한 부분입니다.
미국 영국 유럽 일본 등. 방대한 e-Research 컴퓨팅 인프라 연구 프로그램을 실시하고 있으며, 이 프로그램이 국가의 장기 경제 번영을 증가시키고 인프라가 제공하는 지식 배포 기술을 충분히 발휘할 수 있기를 희망합니다. 많은 연구 프로젝트는 중요한 미들웨어를 개발했으며, 일부는 국가 간 협력 프로젝트 또는 교류 프로젝트, 대륙 간 범용 미들웨어의 개발이다.
미국 국립자연과학재단 (NSF) 의 지원을 받아 미국은 현재 매년 6543.8+0 억 달러를 추가로 투자하여 선진 네트워크 인프라 프로그램을 구축하고 개발하는 것을 고려하고 있으며, 그 중 3 분의 1 (약 3 억 9500 만 달러) 은 미들웨어 기술 연구와 그에 상응하는 개발 활동에 투자할 예정이다. 표 3 에는 몇 가지 중요한 전자 연구 인프라 R&D 계획과 미들웨어 R&D 에 투자하는 자금이 나와 있습니다. .....
표 3
중국은 인터넷 인프라 건설에 일정 수준의 연구자금을 투입했지만, 이를 효과적으로 활용해 연구자원을 확보하는 것은 비효율적이고 시간이 많이 걸리며 더 많은 인력이 필요하다는 연구결과가 나왔다. 사용자는 신뢰할 수 없는 수동 방법을 사용하여 적절한 자원을 찾아야 합니다. 때때로 자원 소유자와 협의할 필요가 있다. 비효율적이고, 시간이 많이 걸리고, 값비싼 수단으로 이러한 자원을 사용해야 하는 경우도 있습니다. 때로는 대륙을 건너야 할 때도 있습니다. 고속 온라인 리소스, 장비, 서비스 및 데이터 액세스에 대한 충분한 이해가 부족하여 많은 기회가 상실됩니다. 또한 사용자는 시스템 보안에 많은 불확실성을 야기하며 무단 사용자가 리소스를 침입하는 것을 방지해야 합니다. 표준화, 시스템 지원 및 유지 보수, 사용자 인터페이스의 미비로 인해 연구원들은 소프트웨어 지원 및 유지 관리에 더 많은 시간과 노력을 투자해야 합니다.
지구과학은 소프트웨어 서비스를 지원하는 미들웨어가 이를 달성할 수 있는 상호 신뢰, 협력, 상호 작용 및 고속 네트워크 기반 자원 환경이 필요합니다. 중국 ICT (정보 및 컴퓨터 기술) 연구원들이 미들웨어의 많은 핵심 기술 및 서비스에 대해 많은 연구를 했지만, 대부분 단일학과 연구팀과 기업으로 중앙조화와 전문 응용의 추진이 부족하다. 따라서 중국 미들웨어 연구 프로젝트 내부 및 국제 미들웨어 연구 프로젝트와의 조정 메커니즘이 더 많이 수립되어야 합니다. 현재 중국은 미들웨어 인프라 연구에 대한 지원이 제한적이고 분산되어 일부 프로젝트의 중복과 비효율성을 초래하고 있다.
중국은 이러한 연구 활동의 통합과 전반적인 조정을 보장하고, 기존의 기존 미들웨어를 국제 표준에 맞는 OMP(Open middleware program) 아키텍처로 확장 및 개조하며, 특수 응용 분야에 서비스를 제공하는 개방형 미들웨어 프로그램이 필요합니다. 미들웨어 연구 프로그램은 또한 국제 미들웨어 연구 기술과의 차이점을 식별하고 보완하며 현재 연구 프로젝트의 소프트웨어를 e-Research Research 기관이 적용할 수 있는 소프트웨어로 업데이트합니다.
현재의 그리드 서비스 미들웨어 (ID 관리, 액세스 제어, 공급 관리, 예약 서비스, 알림 서비스) 는 기존 컴퓨팅 인프라에서 매우 취약하고 신뢰할 수 없습니다. 그리드 서비스 구성 요소는 보다 견고하고 신뢰할 수 있도록 엔지니어링해야 합니다. 사용자는 그리드가 누리는 장치, 컴퓨팅 및 데이터 리소스에 완전히 투명하게 액세스할 수 있습니다. 우리는 그리드 서비스 미들웨어에 대한 연구와 투자를 확대하여 표준화, 견고성 및 가용성을 높여야 합니다.
오픈 미들웨어 프로그램을 구현하는 중요한 목적 중 하나는 OGSA 그리드 서비스, 인터넷 기반 응용 프로그램 수준 미들웨어, 디지털 도서관 및 정보 관리 서비스, 지식 서비스 관리 간의 인터페이스를 해결하고 개선하는 것입니다. 지난 몇 년 동안 GGF (Global Grid Forum) 는 Globus Toolkit 및 OGSA (Open Grid Services Architecture) 와 같은 그리드 인프라 사양을 개발했습니다. 글로벌 그리드 제휴 (Globus Alliance, HP, IBM 포함) 는 WSRF(WS-Resource Frame-work) 형태로 네트워크 서비스를 공동 개발합니다. 이로 인해 그리드 연구 기관이 W3C 와 OASIS 가 개발한 기술과 도구에 영향을 줄 수 있게 되었으며, 현재는 대량의 산업 투자를 끌어들이고 있습니다. WSRF 및 관련 기술 요구 사항은 현재 업계 표준이 아닙니다. OMP 의 기능 중 하나는 이러한 발전을 추적하고 중국 전자 연구 및 그리드 기술의 현황을 반영하고 이해하도록 하는 것입니다.
기존 미들웨어 도구와 서비스를 다시 인식하여 보다 안정적이고 실용적으로 만들어야 합니다.
기존 미들웨어 도구 및 서비스는 더 많은 운영 가능성, 재미 및 사용자 정의가 있어야 하며 더 큰 프레임워크 및 그리드 환경과 통합될 수 있어야 합니다.
따라서 새로운 미들웨어 도구와 서비스를 개발할 필요가 있다. 그리드 보안, 그리드 관리 및 조립, 서비스 적응 품질, 워크플로우 엔진, 협업 도구, 멀티미디어 의미 색인, 지능형 서비스 검색, 의사 결정 지원 및 가정 검증 소프트웨어, 데이터 및 지식 검증 및 수정, 자동 표현 메커니즘, 협업 시각화, 시뮬레이션 및 애플리케이션 시스템 과학자를 위한 설계 등의 기능이 없는 경우 새로운 미들웨어 개발을 고려해야 합니다
특별 과학 데이터 웨어하우스에는 공간 데이터, 시간 데이터, 이미지, 비디오, 오디오, 3D, 스펙트럼, 그래픽, 멀티미디어 등 다양한 이기종 데이터 세트가 있으며, 이러한 데이터 세트는 다른 분야의 정보 자원, 디지털 도서관 (발표된 문장 및 논문) 및 웹 사이트와 액세스, 공유 및 통합될 수 있어야 합니다.
지식 그리드 계층은 지식 관리 서비스와 그리드 관리 간의 인터페이스를 정의하고 지식 그리드 서비스와 그리드 환경을 통합하는 기존 컴퓨팅 및 데이터 그리드에 추가해야 합니다.
연구 작업의 조화를 강화하고 자금 투입을 늘리면 업무의 중복을 방지하고 국제와의 격차를 줄일 수 있다.
5 협업 컴퓨팅 미들웨어
이론적으로 미들웨어는 사용자 간, 응용 시스템 간 또는 복잡한 과학 및 엔지니어링 문제를 해결하는 데 사용되는 자원 사이에 있습니다 (아래 그림 참조). 미들웨어는 연구원과 응용 시스템이 매우 큰 가상 시설인 것처럼 컴퓨팅, 데이터 웨어하우징 및 기타 분산 리소스를 처리할 수 있는 공통 서비스 및 도구 세트를 제공합니다. 미들웨어는 응용 시스템에 필요한 핵심 서비스 세트를 표준 유비쿼터스 컨테이너에 배치합니다. 이 범용 서비스는 애플리케이션 시스템 개발을 단순화하고, 시스템의 견고성과 상호 운용성을 제공하며, 대량의 반복 작업을 줄이고, 모든 측면의 효율성을 높였습니다.
컴퓨팅 인프라의 주요 구성 요소 다이어그램
미들웨어는 세 가지 유형의 서비스와 도구로 나뉘지만 미들웨어의 공간을 나누는 다른 전통적인 방법이 있습니다. 또한 보안, 의미, 소스 등과 같은 구성 요소도 있습니다. ) 실제로 이 세 가지 범주 모두에 걸쳐 있습니다.
그리드 서비스 및 자원 관리 미들웨어: 이 미들웨어에는 그리드 데이터와 컴퓨팅 자원 간 및 이러한 자원을 사용하는 하이엔드 애플리케이션 서비스 간에 액세스, 통신, 보안, 인증, 회계 및 조정 서비스를 제공하는 개방형 그리드 서비스 시설인 OGS (Open Grid Services Infrastructure) 가 포함되어 있습니다. 컴퓨팅 및 데이터 그리드는 그리드 서비스 미들웨어에 의존하므로 리소스 관리 미들웨어라고도 합니다.
지식 관리 미들웨어: 이 미들웨어는 다양한 유형의 대형 데이터 웨어하우스 및 비디오 정보 스토리지 웨어하우스를 인덱싱, 아카이빙, 쿼리, 분석, 통합, 관리 및 나타낼 수 있는 다양한 서비스와 도구를 제공합니다. 이러한 도구는 대화식 분석, 모델링 및 시각화를 위해 여러 분야 데이터 세트의 통합 및 자동 인덱싱을 제공합니다. 도구는 또한 새로운 수준의 지식을 발굴, 획득 및 게시하고 새로운 주석을 즐길 수 있습니다.
협업 미들웨어: 이 미들웨어는 원격 과학자, 연구 기관 또는 자원 (동적이고 확장 가능한 가상 조직) 간에 발생할 수 있는 공식 및 비공식, 실시간 및 비실시간 협업 활동을 지원하는 서비스 및 도구를 제공합니다. 표 4 에는 이러한 미들웨어의 기본 기능이 나열되어 있으며, 이러한 기능은 일반적으로 이 연구 프로젝트에서 통합 및 개발되어야 합니다.
표 4
계속됨
6 결론
지구 시스템 과학의 발전은 경제와 사회의 지속 가능한 발전에 중요한 역할을 한다.
지구 시스템 과학 연구는 PB 및 TB 지질 공간 데이터 세트를 처리하기 위해 대형 과학 기기 및 초대형 컴퓨팅 시설을 적용해야 합니다.
현대 지구 시스템 과학 연구에는 수많은 다학과, 학제 간 문제 해결이 포함되므로 공동 다학과 자원 공유 플랫폼 및 플랫폼 사용에 대한 기술 표준 및 사양이 필요합니다.
지구 시스템 과학의 연구는 고립된 행동이 아니라 세계와 함께 연구해야 하며, 자원 공유 플랫폼은 세계 e-Research 와 Geogrid 그리드 건설에 참여할 수 있다.
우리나라가 지구시스템 과학 기초 연구에 사용하는 슈퍼컴퓨팅 시설이 비교적 열악하며, 특히 고교는 투자를 늘리고 우리의 기초 연구 자원을 통합해야 한다.
지구과학 슈퍼컴퓨팅 및 지리공간 데이터 처리 기초 연구 플랫폼을 구축하다.
지구과학 기초 연구를 목적으로 한 다학과 자원 공유 환경과 지구과학 그리드 컴퓨팅 환경.
슈퍼 병렬 컴퓨팅, 분산 협업 처리 및 다학과 리소스를 갖춘 미들웨어 개발 및 관련 애플리케이션 기초 연구를 수행합니다.
더 큰 국가 및 세계적 수준의 과학 연구 그리드 R&D 에 참여할 수 있는 기반을 마련합니다. .....
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