CC BY
10
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
УДК 004.9
DOI: 10.25559/SITITO.16.202003.633-642
Оригинальная статья
Разработка виртуальной исследовательской среды для моделирования на платформе НуЬгШТ физических процессов в системах, основанных на джозефсоновских переходах
Ю. А. Бутенко1, Д. М. Маров1,2, А. В. Нечаевский1*, О. И. Стрельцова1,2, И. Р. Рахмонов1,3, М. В. Башашин1,2
1 Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна, Российская Федерация 141980, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6 * nechav@jinr.ru
2 ГБОУ ВО МО «Университет «Дубна», г. Дубна, Российская Федерация
141982, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19
3 Физико-технический институт имени С.У Умарова Национальной академии наук Таджикистана, г. Душанбе, Республика Таджикистан
734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр. Айни, д. 299/1 Аннотация
В статье описывается разработка виртуальной исследовательской среды (ВИС) для решения задач математического моделирования сверхпроводниковой электроники и спинтроники, которые являются интенсивно развивающимися областями физики конденсированных сред. Несмотря на широкие возможности существующих пакетов прикладных программ для численного моделирования физических и технических систем, включающих построение моделей и визуализацию результатов расчетов, не всегда возможно исследовать конкретную физическую задачу, в силу того, что многие системы еще не представлены в пакетах программ, а также многие задачи требует специализированных алгоритмов их решения. Таким примером является спектр задач, связанных с исследованием систем, основанных на джозефсоновских переходах. Предлагаемая в статье виртуальная исследовательская среда сочетает в себе удобные инструменты на базе web-технологий для создание моделей, интерфейса для проведения расчетов на гетерогенной вычислительной платформе НуЬгШТ, визуализации результатов расчетов и предоставляет различным исследовательским группам среду для организации совместных исследований, обмена моделями и результатами расчетов.
Ключевые слова: виртуальная исследовательская среда, моделирование физических процессов, визуализация, вычислительная платформа, web-технологии.
Финансирование: исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 20-37-70056 «Виртуальная исследовательская среда для моделирования физических процессов в гибридных наноструктурах состоящих из сверхпроводников и магнетиков».
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Для цитирования: Бутенко, Ю. А. Разработка виртуальной исследовательской среды для моделирования на платформе НуЬгШТ физических процессов в системах, основанных на джозефсоновских переходах / Ю. А. Бутенко, Д. М. Маров, А. В. Нечаевский, О. И. Стрельцова, И. Р. Рахмонов, М. В. Башашин. - DOI 10.25559^ГПТ0.16.202003.633-642 // Современные информационные технологии и ИТ-образование. - 2020. - Т. 16, № 3. - С. 633-642.
© Бутенко Ю. А., Маров Д. М., Нечаевский А. В., Стрельцова О. И., Рахмонов И. Р., Башашин М. В., 2020
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Vol. 16, No. 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
Modern Information Technologies and IT-Education
RESEARCH AND DEVELOPMENT IN THE FIELD OF NEW IT AND THEIR APPLICATIONS
Development of a Virtual Research Environment for Modeling Physical Processes on the HybriLIT Platform in Systems Based on Josephson Junctions
Yu. A. Butenkoa, D. M. Marovab, A. V. Nechaevskiya*, O. I. Streltsovaab, I. R. Rahmonovac, M. V. Bashashina,b
a Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russian Federation 6 Joliot-Curie St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation * nechav@jinr.ru
b Dubna State University, Dubna, Russian Federation
19 Universitetskaya St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation
c S.U. Umarov Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Tajikistan, Dushanbe, Republic of Tajikistan
299/1 Aini Ave., Dushanbe 734063, Republic of Tajikistan
The article describes the development of a virtual research environment for solving the tasks of mathematical modeling of superconducting electronics and spintronics, which are intensively developing areas of condensed matter physics. Despite the ample capacities of existing software packages for numerical modeling of physical and technical systems, including the construction of models and visualization of calculation results, it is not always possible to study a specific physical problem, since many systems are not yet included in the packages, and many problems require specialized algorithms to solve them. The range of problems related to the study of systems based on Josephson junctions can serve as an example. The proposed virtual research environment combines convenient tools based on web technologies for building models and an interface, performing calculations on the ^briLIT heterogeneous computing platform and visualizing calculation results, as well as provides different research groups with an environment for organizing joint studies, exchanging models and calculation results.
Keywords: virtual research environment, physical processes simulation, visualization, computing platform, web technologies.
Funding: This paper is based on research carried out with the financial support of the grant of the Russian Scientific Foundation (project No. 20-37-70056).
The authors declare no conflict of interest.
For citation: Butenko Yu.A., Marov D.M., Nechaevskiy A.V., Streltsova O.I., Rahmonov I.R., Bashashin M.V. Development of a Virtual Research Environment for Modeling Physical Processes on the HybriLIT Platform in Systems Based on Josephson Junctions. Sovremennye informacionnye tehnologii i IT-obrazovanie = Modern Information Technologies and IT-Education. 2020; 16(3):633-642. DOI: https:// doi.org/10.25559/SITITO.16.202003.633-642
Abstract
Современные информационные технологии и ИТ-образование
Том 16, № 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
Yu. A. Butenko, D. M. Marov, research and development in the field of
A * NeChaeVSy O L StreitSOVa- new it and their applications
I. R. Rahmonov, M. V. Bashashin
Введение
Сверхпроводниковая электроника и спинтроника являются интенсивно развивающимися областями физики конденсированных сред. Важное место в этой области занимают исследования джозефсоновских переходов с магнитными системами, исследования возможности изменения состояния массива наномагнитов, связанного с джозефсоновским переходом, при помощи импульса тока через переход, а также различные свойства динамики такой системы. Подобные исследования направлены на изучение возможности контроля динамики магнитного момента и могут помочь в разработке новых устройств микроэлектроники, включая устройства, реализующие квантовые вычисления. При проведении таких исследований возникает необходимость проведения расчетов при большом количестве значений параметров моделей, которые могут быть организованы с применением как технологий параллельного программирования (например, организация MPI-процессов), так и с применением инструментов планировщика SLURM (например, механизма SLURM array), а также использование современных вычислительных систем, программных сред и средств анализа и визуализации данных [22-25].
На сегодняшний день существуют мощные пакеты как для проведения расчетов, так и для построения моделей для исследования физических процессов и инженерных, физических систем, такие как Matlab/Simulink, COMSOL и др. Тем не менее, несмотря на широкие возможности этих пакетов, построение моделей, основанных на джозефсоновских переходах, весьма затруднительно, так как эта предметная область физики не представлена в этих пакетах. Помимо этого, использование этих пакетов имеет ряд ограничений, связанных как с внедрением новых алгоритмов, так и с условиями лицензионных соглашений.
Для проведения описанных выше исследований разрабатывается виртуальная исследовательская среда на базе web-техно-логий, включающая в себя набор инструментов для построения моделей, проведения расчетов (в том числе на платформе HybriLIT (ЛИТ ОИЯИ) [1] и анализа результатов [20, 21]. Следует отметить, что масштабы виртуальных исследовательских сред (ВИС) могут варьироваться в зависимости от задач, которые они призваны решать, и областей, которые они поддерживают. Под термином ВИС в настоящее время понимается набор инструментов и технологий, необходимых для проведения исследований, взаимодействия между исследовательским группами, возможность использования ресурсов и технических инфраструктур, как на местном, так и на национальном уровне1. Функционал разрабатываемой ВИС включает в себя такие возможности как создание моделей, проведения расчетов, в том числе на гибридных вычислительных архитектурах, модули для анализа данных, объединенных на базе web-технологий в единую программно-информационную среду с поддержкой коллективной работы исследовательских групп [2], [14-19].
Разработка архитектуры виртуальной исследовательской среды
При проведении фундаментальных исследований в области гибридных структур типа сверхпроводникjферромагнитj сверхпроводник [3] возникает необходимость численного решения уравнении Ландау-Лифщица-Гильберта совместно с системой нелинейных уравнений для джозефсоновского перехода. Актуальность такой тематики в целом связана с развитием перспективных технологий сверхпроводниковой электроники и спинтроники. Ранее проведенные исследования показывают, что результаты численного решения этих уравнений очень чувствительны к вычислительным параметрам и требуют использования специальных вычислительных схем при их численном решении [3].
Для решения задачи математического моделирования физических явлений в гибридных наноструктурах, состоящих из сверхпроводников и магнетиков, используются ресурсы гетерогенной платформы HybriLIT, в том числе суперкомпьютера «Говорун» [1]. Гетерогенная платформа HybriLIT является частью Многофункционального информационно-вычислительного комплекса (МИВК) Лаборатории информационных технологий ОИЯИ [4], [12], [13]. Гетерогенная платформа состоит из Суперкомпьютера «Говорун» и учебно-тестового полигона HybriLIT (Рис. 1), оснащенного как различными вычислительными компонентами (процессоры Intel Xeon Phi и Intel Xeon, графические ускорители Nvidia), так и развитой экосистемой для задач машинного и глубокого обучения и анализа данных, построенного на базе JupyterLab с JupyterHub. JupyterLab построен на системе расширений, которые позволяют настраивать и улучшать сред под себя. Фактически, вся встроенная функциональность самого JupyterLab (блокноты, терминалы, браузер файлов, система меню и т. д.) обеспечивается набором основных расширений. JupyterHub представляет собой настраиваемую и масштабируемую среду разработки на основе Jupyter Notebook и позволяет пользователям получать доступ к вычислительным средам и ресурсам без необходимости установки и обслуживанию вычислительной инфраструктуры самим пользователем.
Учебно-тестовый полигон «HybriLIT» и супрекомпьютер «Говорун» объединены общим информационно-программным окружением с единой точкой входа, которое включает в себя:
• Единая batch-система SLURM;
• Распределенные файловые системы (HLIT-storage);
• Прикладное программное обеспечение, собранное в виде модулей;
• Мониторинг загрузки всех узлов платформы;
• Экосистема ML/DL/HPC (JupyterHub, Jupyter lab for HPC);
• Централизованная система по управлению идентификацией пользователей FreeIPA;
• Прочие сервисы (GitLab, Indico, VDI).
1 Журавлева, E. Ю. Виртуальная исследовательская среда как элемент научно-исследовательской инфраструктуры / Е. Ю. Журавлева // Сборник научных статей XIX Объединенной конференции «Интернет и современное общество» IMS-2016. - Санкт-Петербург: ИТМО, 2016. — С. 49-60. - URL: https://openbooks. itmo.ru/ru/file/4087/4087.pdf (дата обращения: 12.09.2020). — Рез. англ.
Vol. 16, No. 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
Modern Information Technologies and IT-Education
636
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИХПРИЛОЖЕНИЙ
Ю. А. Бутенко, Д. М. Маров, А. В. Нечаевский, О. И. Стрельцова, ЕР. Рахмхнов.М. И Иашаш ин
Гетерогенная платформа «НуЬгШТ»
Общее информационно-программное окружение
Учебна-тестовый полигон «Hybril.IT»
о
10 узлов
Суперкомпьютер «Говорун»
О
ТУьнлов
CPU-component
Intel Cascade Lake
21 узел
CPU-cymponent
Intel Jieori f>hE|KNLf
¡ЧЩ
<
Г 1
5 узлов TPU-comronent DGX.-L Volla {S* NVIDIA UesT У1№- uj
C-Q -I
ЕЧш
-с-
qj гн ^J
maT^opMbi HybriLIT [1] F i g. 1. HybriLIT platform scheme [1]
P hc. 2.СхемaaрхнтектурмВнртуa^bноннсс^едовaте^bсконсредмд^flмоде^нровaннfl$нзннескнхпроцессоввгн6рндн^Iхнaноструктурaх F i g. 2. Architecture diagram of the Virtual Research Environment for modeling physical processes in hybrid nanostructures
Счв-еменгые информационные ттхнологии и ИТ-образование
Том 16, № 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
Yu. A. Butenko, D. M. Marov, research and development in the field of
A * NeChaeVSy O L StreitSOVa- new it and their applications
I. R. Rahmonov, M. V. Bashashin
637
Отметим, типичный процесс работы пользователя HPC-плат-форм: посыроеыиеыодеыи,раерпботка и реализациввычис-лительной сжмы проводится на отдельной инфраструктуре пользователя, далее данные передаются на HPC- платформу, на которойосущеслвляетоя запеск прийоженли,а резулмтаеы моделирования копируются обратно на инфраструктуру пользователя, где и проводится их анализ и визуализация. В связи с этлм,становится актиальаым раюраЗоякы сыеци-альной среды на базе web-технологий, которая бы позволяла проводить моделирование в едином информационном пространствп,а еаижи кетсфая ырептстасляла бы различи ым исследовательским группам возможность для организации совместных исследований, обмена моделями и результатами расчетов. Вьб-сеуеазпоыьоляеи иользоеаеелю ызаимоиеае ствовать с рзсуыиами аючисыитезьеий е^л^тПтыи^1:^апускать задачу на выполнение с различными параметрами, получать статус о е е вышoиизнийплизылотaрыc)атoтыaиеаpытмьв. ае-ализация тааогю Юелециьньиывмзмтымac иrпoиьзoьениым клиент-серверной архитектуры веб-сервиса, в которой клиентская честь гфадоставс а серверная часии тыалмзуетвзаии^/^е^с^та^^ с млытформоП. Архитектура сервиса представлена на Рис. 2. Серверная часть ВИС отвечает за реализацию ЛР/-интерфейса взаимодействия клиентской части с компонентами платформы HybriLIT,6e3 непосредственного обращения к ним со стороны клиента. Это позволяет упростить работу с платформой для групие1 иысл е,д,ываоилеи и изoкиpoьиыь °аз.епчоые щеня-рии о зйвисимысимытырав достуаа.
Node.js
Сервпрнтя аac■гьЫИCаезпaбaьыиaeпcя ка Node.js, которая позволяет ревизовать достаточно быстрый, асинхронный, событийно-ориентированный сервер [5]. Node.js также добавляит вигможноить тая JavaScript взаимодействовать с устройствами ввода-вывода, через свой программный интерфейс и подключать другие внешние библиотеки, которые напысавз1 науазныхлзыкав программирования (C/C++, Python, и др.), обеспечивая вызовы к ним из
JavaScript-кода. Преимущественно Nodejs применяется на сер-вере,выполняяроль веб-сервера [6].
Платформа Nodejs обладает следующими достоинствами:
• Неблокирующий ввод/вывод и событийно-ориентированную архитекруру, котярыепо мыксимрму используют ресурсы ядра;
• Возможность горизонтального масштабирования и со-Рыкрйно-ориентированная архитектура позволяют вы-д ерживать больше конкурентных запросов, чем решения, которые базируются на потоках;
• Высокая производительность и надежность;
• Поддержка асинхронного программирования;
• Большое количество встроенных и внешних модулей для всаиморийсксрямис ридликнщмк комеонеетамр(базы данных, файловые системы, устройства ввода-вывода и т.д.).
МргёаОВ
Одним из требований к разрабатываемому АР1-серверу явля-ртст рребовеник по,с,держии взаидодететвдр с иравилищзм метаданных,меалсзоронногенаонновеМДРЫ МапаОМК файловыми хранилищами платформы НуЬгШ1Т и планировщиком SLURM. Пример упрощенной схемы работы АР1-сервера представлен на Рис. 3.
АР1-сервер представляет интерфейсы для:
• Создания моделей;
• щскквления и ибмеыебия мсденкр;
• 1^]^с^вед(^нрнрмч^'^о в]
• Представления результатов расчетов.
Деаимодедствир серверной и клиентской части сервиса происходит посредством POST-запросов, которые на стороне сервера будут обрабатываться при помощи встроенных и внешних модулей платформы Node.js. Все манипуляции с сервисом имеют непосредственное отражение в двух компонентах: база данных и файловая система. База данных хранит конфигурации и объекты доступные для построения моделей.
Создание модели
Отображение модели в БД
Создание каталога для модели в хранилище
Управление моделью
Отражение объектов (элементов) модели в БД
Добавление/удаление / перемещение элементов
Изменение параметров элементов
Проведение расчетов
Моделирование
Выбор компоненты для проведения расчетов
Передача параметров модели для запуска приложения
Результат
Л
Рис.3.УпрощеннаясхемаработыАР1-сервера F i g. 3. Simplified scheme of the API server
2 MariaDB Seл-спЫheoтеnsзurce 1^ыПаЫ^иеи5ыи^^етиз1^ыыа ыесуос]Р/ МаиаОы Fouь2ation: 2020. Сыта гбгащснета:
12.09.2020).
Vol. 16, No. 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
Мойе г п Information Technologies and IT-Education
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ НОВЫХ Ю. А.БУтенкрр Д. М.Мароа,
информационных технологий и их приложений А. В. НеЧаеоскии' а И СтрсельаРоа'
И. Р. Рахмоноо, М. В. Башашин
Взаимодействие API-сервера с системой хранения платформы HybriLIT происходит при помощи встроенного в Node.js модуля fs, предназначенного для работы с файловыми системами. Все действия, отраженные в БД, за время работы пользователя с системой имеют непосредственное отражение на структуру хранилища для разрабатываемого сервиса. Например, если из системы была удалена определенная модель, следовательно тогда удалится связанный с ней каталог и все находящиеся в нем файлы с результатами расчетов. При перезапуске модели на счет произойдет перезапись файлов с результатами, но в системе существует возможность сохранить требуемый результат для дальнейшего анализа.
SLURM
Планировщик SLURM3 реализует доступ к вычислительным мощностям платформы на конкурентных условиях, из-за этих особенностей API-сервер должен отслеживать статус запущенных задач и сохранять актуальное состояние для каждой задачи в базе данных [7]. Типичные статусы для задач в планировщике SLURM: PENDING, RUNNING, SUSPENDED, COMPLETING, и COMPLETED:
• COMPLETED - означает, что расчеты завершены и данные, полученные в их результате расчетов могут быть использованы в дальнейшем анализе и визуализации.
• COMPLETING — означает, что задача завершается и занимаемые ресурсы начинают освобождаться, но файлы с результатами могут еще находиться в состоянии "запись".
• SUSPENDED - задача была приостановлена, из-за, возможно, более приоритетной задачи, для которой требовались занимаемые ресурсы, после задача будет выполнена.
• RUNNING - задача запущена на счет на запрошенных ресурсах.
• PENDING - задача ожидает запуска, так как запрашиваемые ресурсы заняты или недоступны.
FreelPA
Отметим, что ВИС разрабатывается на платформе HybriLIT и для работы в рамках этой среды требуется авторизация, которая реализована через систему FreeIPA.
FreeIPA (Free Identity, Policy and Audit) — открытый проект для создания централизованной системы по управлению авторизацией пользователей и задания политик доступа к ресурсам4. По сути, FreeIPA — комплекс компонентов (Kerberos, LDAP, Web-ин-терфейс), которые и реализуют данный сервис. Разрабатываемый API-сервер ВИС взаимодействует с FreeIPA по протоколу LDAP. Когда пользователь производит вход в систему по паре ключ-пароль, API-сервер проверяет в FreeIPA корректность введенных значений и затем получает из нее всю доступную информацию о пользователе (Имя, Фамилия, e-mail, группы и права доступа). После чего API-сервер генерирует уникальный JWT-то-кен который позволяет пользоваться системой без повторного ввода пароля в течении 24 часов. Затем API-сервер отправляет токен и информацию о пользователе на Web-интерфейс.
Разработка графического модуля для построения моделей
В предложенной архитектуре клиентская часть сервиса отвечает за предоставление пользовательского интерфейса. Для реализации необходимого функционала выбран следующий стек технологий: React.js, Redux, ReduxForm, Cytoscape.js, MaterialUI, Chart.js, HTML, SCSS.
В основе реализации клиентской части использован JavaScript фреймворк -React.js. На данный момент React.js является одной из самых популярных библиотек для создания динамичных и интерактивных пользовательских интерфейсов5. Компонентно-ориентированный подход, использующийся в библиотеке, позволяет с высокой скоростью создавать высоконагружен-ные приложения, а также обеспечивает значительную производительность всего приложения.
Зачастую, при взаимодействии с веб-сервисом, пользователь работает с различными компонентами интерфейса: вызывает события, нажимая на кнопки, заполняет формы и текстовые поля, переходит по страницам. При реализации большого функционала сервиса становится затруднительно управлять состоянием приложения с помощью стандартного менеджера состояний в React.js. Одним из возможных решений данной проблемы является использование библиотеки Redux. Менеджер состояний Redux является реализацией Flux-архитекту-ры — паттерна для организации передачи данных в React-при-ложениях [8].
Стоит отметить, что использование связки React+Redux является довольно популярным решением при реализации высокопроизводительных веб-приложений. В связи с этим, реализовано большое количество библиотек для удобства использования такого стека технологий. Одной из них является Redux Form. Работа с формами является неотъемлемой частью приложений, в которых пользователю необходимо заполнять, изменять и сохранять какие-либо данные. Очевидно, что некорректное заполнение формы может нарушить работу всего приложения. Библиотека Redux Form позволяет интегрировать состояние форм с другим состоянием, которым управляет Redux, а также предоставляет возможность отслеживать состояние формы, задавать начальные значения и производить ва-лидацию данных. На рисунках 4 и 5 показаны реализованные формы с помощью Redux Form.
Моделирование физических структур непосредственно в браузере подразумевает под собой специальную форму для построения конфигурации. При этом должна присутствовать возможность расположения элементов модели на этой форме и связи их между собой. Для реализации подобного функционала была использована библиотека Cytoscape.js, которая представляет собой удобный инструмент для визуализации данных. Данная библиотека позволяет не только произвести отрисовку элементов на форме, но и задать специальные events (события), которые будут применены к элементам, например, при нажатии или передвижении. Для создания конфигурации модели необходи-
3 Overview [Электронный ресурс] // Slurm Workload Manager. 2020. URL: https://slurm.schedmd.com/overview.html (дата обращения: 12.09.2020).
4 FreeIPA- integrated Identity and Authentication solution for Linux/UNIX networked environments [Электронный ресурс]. 2020. URL: https://www.freeipa.org/ page/Main_Page (дата обращения: 12.09.2020).
5 React is a JavaScript library for building user interfaces [Электронный ресурс]. 2020. URL: https://reactjs.org (дата обращения: 12.09.2020).
Современные информационные технологии и ИТ-образование
Том 16, № 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
Yu. A. Butenko, D. M. Marov, A. V. Nechaevskiy, O. I. Streltsova, I. R. Rahmonov, M. V. Bashashin
research and development in the field of new it and their applications
мо расположить нужныйэлемент на форме. Список элементов для конфигурации модели реализован в видехтннимыхвбазе данных ^(Ж-о^еттов. тура объекта сверхпроводннк/фетрамагнетик/сверхрраво-дник (SFS) включает в себя: идентификатор, имя, непосредственное положение на схеме, расположение скрипта для запкскс воа-б1е-сисоеме РШВМ,оаромевры влссасчета.акоир отметить, что для объекта SFS в данной системе имеется два набора параметров для вычисления временной и параметрической засисимости [9В, [10]. повозо-вателя происходит запуск соответствующих алгоритмов для выполнения расчетов на платформе НуЬгШТ. Од ним из треСсванийк ааскабатыкаемомуснраксу яолслась возможность построения графиков для анализа полученных расчетов в зависимости от построенной конфигурации модели и введенных параметров. Данная функция была реализована с помощью библиотеки Chart.js. Chart.js— это популярный инструмент, который предназначен дм создания графиков и диаграмм. Помимо этого, в неё встроены средства работы с анимацией, чта посволнит эффеитнавлноизтенялагтафиела зависимости от новых данных, а также применять различные цветовые схемы к элементам графиков.
Разработка интер фейсов иХ/Ш
Разсвбатонаемыр ннтерфейс еклжел быть инкесактесным, понятным и удобным для пользователя. Для разработки UI
(UserlnSerfaсе)компонентовсервисаиспользовалась библиотека Material UI— набор компонентов React, которые реализу-юь сонцеп^ю МаОепв! Design от Google, а также препроцессор SCbO. Соммощью этииюнструмеосов был созлпм оОщвйюизайн веб-сервиса и выполнена верстка элементов на странице. Общая схема взаимодействия пользователя с элементами серви-юа пиедстьвлеьс на Рис.Л.
Опишем взаимодействие пользователя с системой подробнее. В начале работы пользователю предоставляется возможность мыбр атьмхомув ывислан ии вта биювю^иВо ссюдаьс ноьую (пункт 1, Рис. 4). После этого пользователю становится доступна форма для построения вычислительного эксперимен-иа. Ввынююеобходиловыдравв гдлып эиемеир и расположить его на форме (пункт 2, Рис. 4). По нажатию на элемент, открывается форма для ввода параметров данного элемента в зависимости от выбранного алгоритма (пункт 3, Рис. 4). После заполнения всех параметров, можно запустить задачу на счет, нажав кнопку «RUN CONFIG». В результате, в качестве ответа от сервера придет ID задачи и статус ее выполнения: Pending/ RbnoiBB, РЮтлЛ1е0(вундт4,0ис. 4). Длм уиоЬьтва нолдзовотеля реализована возможность просматривать данные файлов с результатами в виде графиков (пункт 5, Рис. 4). Для постро-иния глафикаполюзоьотельвыблрастфайл во всплывающем модальном окне и тип графика (пункт 6, Рис. 4). На Рис. 5 представлен пример графика, который демонстрирует влияние па-бвльтро ооноюевля джогефсвньвсоой энергии к сагюеоноь на переворот магнитного момента6 [3].
1. Создание и выбор схемы
6. Построение графиков
WM
2. Рабочая область для построения схемы
test scheme
Е
5. Файлы с результатами
Полученные файлы:
ls.timc.dat Signal_time.dat m_time.dat mx_time.dat
my_time.dat
mr.mx.dat
mz_my.dat
mz.time.dat
ph_time.dat
polntc.mz.m1.dat
pointc.mz.my.m1 .dat
pointc_mz.pl .dat
clurm-311118.out
3. Ввод параметров для запуска задачи
Выберите алгоритм: О Временная
Параметрическая зависимость
Form SFS
„„In 1° 1
„„„ 0.6
.мер 0.01
8MÜO I« 1
8..UX 120
¡i
r |o.i 1
Выберите алгоритм:
(•) Временная зависимость
о
Параметрическая зависимость
FoimSFS
й|рЬя
41 4. Статус выполнения задачи |
1
RUN CONFIG
Статус задачи: 0 Расчеты завершены ID задачи: 315215
<
ОБНОВИТЬф 1 РЕЗУЛЬТАТЫ J
Р и с. 4. Схема взаимодействия пользователя с веб-интерфейсом системы F i g. 4. Scheme of user interaction with the system web interface
6 Butenko Yu. Spin orbital pulse [Электронный ресурс]. 2020. URL: https://gitlab-hlitjinr.m/superconductors/spin-orbital-pulse (дата обращения: 12.09.2020).
Vol. 16, No. 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
Modern Information MeBhn6lHg¡eH and IT-Education
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ НОВЫХ Ю.А.Бутенк°, Д. М.Маров,
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИХ ПРИЛОЖЕНИТ А. В. И СтРельаоов'
л И. Р. Рвхмоноо, М. В. Башашин
График
СКАЧАТЬ КАК PNC СКАЧАТЬ КАК PHF СОХРАНИТЬ ДАННЫ£ Ф line Chert
О Scalier
-»1?
Р и с. 5. Графикподаннымфайла mz_time.dat F i g. 5. Graph from file data mz_time.dat
График
СХАЧАТЪКАК РГ№ СКАЧАТЬ КАК POP СОХРАНИТЬ ДАННЫЕ ДОБАВИТЬ ДАННЫЕ ® LinectlATI О ScMMf
Р и с. 6. Построение графика по нескольким файлам F i g. 6. Plotting a graph based on data from multiple files
график
СКАЧАТЬ «Д« PHG СКАЧАТьНАК MtF СОХРАНИТЬ ДАННЫЕ ДОБАВИТЬ ДАННЫЕ
Р и с. 7. График по точкам для параметрической зависимости F i g. 7. Point-by-point graph for parametric dependence
Кроме этого, реализована возможность совмещения данных из разных файлов на одном графике. На Рис. 6 представлены графики, данные для которых получены из трех файлов mz_time.dat, mx_time.dat, my_time.dat. Для демонстрации периодичности интервалов переворота в плоскости (G, а), были произведены расчеты параметрической зависимости. Результаты представлены на графике (Рис. 7).
Заключение
В работе представлены результаты по разработке Виртуальной исследовательской среды для решения задач математического моделирования физических явлений в гибридных наноструктурах, состоящих из сверхпроводников и магнетиков. Разрабатываемая среда позволяет создавать в режиме онлайн модели из заданных элементов, менять параметры, выполнять расчеты на платформе HybriLIT, а также производить анализ результатов по полученным данным. На базе этой Виртуальной исследовательской среды воспроизведены результаты исследования динамики магнитного момента и разности фаз массива наномагнитов связанного с джозефсоновским переходом.
Планируется дальнейшее развитие этой среды, ее наполнения моделями и реализация предоставления доступа различным группам исследователей, работающих в рамках данной тематики.
Разработанные подходы и IT-решения могут применяться для создания виртуальных исследовательских сред для решения прикладных задач в различных областях науки.
References
[1] Adam Gh., et al. IT-ecosystem of the HybriLIT heterogeneous platform for high performance computing and training of IT-specialists. CEUR Workshop Proceedings. Selected Papers of the 8th International Conference "Distributed Computing and Grid-technologies in Science and Education" (GRID 2018). 2018; 2267:638-644. Available at: http:// ceur-ws.org/Vol-2267/638-644-paper-122.pdf (accessed 12.09.2020). (In Eng.)
[2] Candela L., Castelli D., Pagano P. Virtual Research Environments: An Overview and a Research Agenda. Data Science Journal. 2013; 12:GRDI75-GRDI81. (In Eng.) DOI: http:// doi.org/10.2481/dsj.GRDI-013
[3] Atanasova P.Kh., Panayotova S.A., Rahmonov I.R., Shukri-nov Yu.M., Zemlyanaya E.V., Bashashin M.V. Periodicity in the Appearance of Intervals of the Reversal of the Magnetic Moment of a ф0 Josephson Junction. JETP Letters. 2019; 110(11):722-726. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1134/ S0021364019230073
[4] Dolbilov A., Kashunin I., Korenkov V., Kutovskiy N., Mitsyn V., Podgainy D., Stretsova O., Strizh T., Trofimov V., Vorontsov A. Multifunctional Information and Computing Complex of JINR: Status and Perspectives. CEUR Workshop Proceedings. Proceedings of the 27th International Symposium Nuclear Electronics and Computing (NEC'2019). 2019; 2507:16-22. Available at: http://ceur-ws.org/Vol-2507/16-22-paper-3. pdf (accessed 12.09.2020). (In Eng.)
Современные информационные технолоиии и ит-оа>разооание
Тол Иб, № 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
Yu. A. Butenko, D. M. Marov, research and development in the field of
A. * NeChaeVSy O. L streitsova- new it and their applications
I. R. Rahmonov, M. V. Bashashin
[5] Shah H. Node.js Challenges in Implementation. Global Journal of Computer Science and Technology: (E) Network, Web & Security. 2017; 17(2):73-83. Available at: https:// computerresearch.org/index.php/computer/article/ view/1735/1719 (accessed 12.09.2020). (In Eng.)
[6] McCune R.R. Node.js Paradigms and Bench-marks. University of Notre Dame; 2011. (In Eng.)
[7] Iserte S., Prades J., Reano C., Silla F. Increasing the Performance of Data Centers by Combining Remote GPU Virtual-ization with Slurm. In: 2016 16th IEEE/ACM International Symposium on Cluster, Cloud and Grid Computing (CCGrid). Cartagena, Colombia; 2016. p. 98-101. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1109/CCGrid.2016.26
[8] Oliveira D., Duarte J., Abelha A., Machado J. Improving Nursing Practice through Interoperability and Intelligence. In: 2017 5th International Conference on Future Internet of Things and Cloud Workshops (FiCloudW). Prague, Czech Republic; 2017. p. 194-199. (In Eng.) DOI: https://doi. org/10.1109/FiCloudW.2017.92
[9] Buzdin A.I. Proximity effects in superconductor-ferromag-net heterostructures. Reviews of Modern Physics. 2005; 77(3):935-976. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1103/ RevModPhys.77.935
[10] Buzdin A.I. Direct Coupling Between Magnetism and Superconducting Current in the Josephson Junction. Physical Review Letters. 2008; 101(10):107005. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.107005
[11] Wilkins-Diehr N. Special Issue: Science Gateways - Common Community Interfaces to Grid Resources. Concurrency and Computation: Practice and Experience. 2007; 19(6):743-749. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1002/cpe.1098
[12] Baranov A.V., Balashov N.A., Kutovskiy N.A. et al. JINR cloud infrastructure evolution. Physics of Particles and Nuclei Letters. 2016; 13(5):672-675. (In Eng.) DOI: https://doi. org/10.1134/S1547477116050071
[13] Balashov N.A. et al. JINR Member States cloud infrastructure. CEUR Workshop Proceedings. 2017; 2023:202-206. Available at: http://ceur-ws.org/Vol-2023/122-128-pa-per-19.pdf (accessed 12.09.2020). (In Eng.)
[14] Borgman C.L., Darch P.T., Sands A.E., Pasquetto I.V., Golshan M.S., Wallis J.C., Traweek S. Knowledge infrastructures in science: data, diversity, and digital libraries. International Journal on Digital Libraries. 2015; 16(3-4):207-227. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1007/s00799-015-0157-z
[15] Berry D.M. The Social Epistemologies of Software. Social Epistemology. 2012; 26:(3-4):379-398. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1080/02691728.2012.727191
[16] Danding J., Jingtao Z., Ying Z., Enming L. A Virtual Model of Manufacturing System Based on Hybrid Automata. In: Proceedings of the 6th International Conference on Control, Mechatronics and Automation (ICCMA 2018). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA; 2018. p. 139-143. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1145/3284516.3284521
[17] Jiang H., Qin S., Fu J., Zhang J., Ding G. How to model and implement connections between physical and virtual models for digital twin application. Journal of Manufacturing Systems. 2021; 58(B):36-51. (In Eng.) DOI: https://doi. org/10.1016/j.jmsy.2020.05.012
[18] Viswanathan J., Harrison W.S., Tilbury D.M., Gu F. Using hybrid process simulation to evaluate manufacturing system component choices: Integrating a virtual robot with the physical system. In: Proceedings of the 2011 Winter Simulation Conference (WSC). Phoenix, AZ, USA; 2011. p. 2822-2833. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1109/ WSC.2011.6147986
[19] Yin C., Liu J., Jin S. A virtualized data center energy-saving mechanism based on switching operating mode of physical servers and reserving virtual machines. Concurrency and Computation: Practice and Experience. 2020; e5785. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1002/cpe.5785
[20] Korenkov V.V., Podgainy D.V., Streltsova O.I. Educational Program on HPC Technologies Based on the Heterogeneous Cluster HybriLIT (LIT JINR). Sovremennye informacionnye tehnologii i IT-obrazovanie = Modern Information Technologies and IT-Education. 2017; 13(4):141-146. (In Russ., abstract in Eng.) DOI: https://doi.org/10.25559/SITI-TO.2017.4.633
[21] Korenkov V., Dolbilov A., Mitsyn V., Kashunin I., Kutovskiy N., Podgainy D., Streltsova O., Strizh T., Trofimov V., Zrelov P. The JINR distributed computing environment. EPJ Web of Conferences. 2019; 214:03009. (In Eng.) DOI: https://doi. org/10.1051/epjconf/201921403009
[22] Moreno-Vozmediano R., Montero R.S., Llorente I.M. IaaS Cloud Architecture: From Virtualized Datacenters to Federated Cloud Infrastructures. Computer. 2012; 45(12):65-72. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1109/MC.2012.76
[23] Park S.C. A methodology for creating a virtual model for a flexible manufacturing system. Computers in Industry. 2005; 56(7):734-746. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j. compind.2005.04.002
[24] Barker M., et al. The global impact of science gateways, virtual research environments and virtual laboratories. Future Generation Computer Systems. 2019; 95:240-248. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.future.2018.12.026
[25] Buyya R., Yeo C.S., Venugopal S., Broberg J., Brandic I. Cloud computing and emerging IT platforms: Vision, hype, and reality for delivering computing as the 5th utility. Future Generation Computer Systems. 2009; 25(6):599-616. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.future.2008.12.001
Поступила 12.09.2020; одобрена после рецензирования 23.10.2020; принята к публикации 20.11.2020.
Submitted 12.09.2020; approved after reviewing 23.10.2020; accepted for publication 20.11.2020.
|об авторах:|
Бутенко Юрий Александрович, инженер-программист Лаборатории информационных технологий, Объединенный институт ядерных исследований (141980, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6), ORCID: http://orcid.org/0000-0001-6555-2365, ybutenko@jinr.ru Маров Дмитрий Михайлович, инженер-программист Лаборатории информационных технологий, Объединенный институт ядерных исследований (141980, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6); ГБОУ ВО МО «Университет «Дубна» (141982, Российская Федерация,
Vol. 16, No. 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
Modern Information Technologies and IT-Education
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ НОВЫХ Ю. А.БУтенкр, Д. М.Мар0в,
информационных технологий и их приложений А. В. глеоскии' а и Стрельар0а'
И. Р. Рахмоноо, М. В. Башашин
Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19), ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7414-5144 Нечаевский Андрей Васильевич, ведущий программист Лаборатории информационных технологий, Объединенный институт ядерных исследований (141980, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6), ORCID: http://orcid.org/0000-0001-6751-8195, nechav@jinr.ru Стрельцова Оксана Ивановна, старший научный сотрудник Лаборатории информационных технологий, Объединенный институт ядерных исследований (141980, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6); доцент кафедры распределенных информационных вычислительных систем, Институт системного анализа и управления, ГБОУ ВО МО «Университет «Дубна» (141982, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19), директор Международной школы по информационным технологиям «Аналитика больших данных», кандидат физико-математических наук, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-4522-6735, strel@jinr.ru
Рахмонов Илхом Рауфович, старший научный сотрудник Лаборатории теоретической физики им. Н.Н.Боголюбова, Объединенный институт ядерных исследований (141980, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Жо-лио-Кюри, д. 6); Физико-технический институт имени С.У Ума-рова Национальной академии наук Таджикистана (734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр. Айни, д. 299/1), кандидат физико-математических наук, ORCID: http://orcid. org/0000-0002-8014-9029
Башашин Максим Викторович, младший научный сотрудник Лаборатории информационных технологий, Объединенный институт ядерных исследований (141980, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6); старший преподаватель факультета естественных и инженерных наук, ГБОУ ВО МО «Университет «Дубна» (141982, Российская Федерация, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19), ORCID: http://orcid.org/0000-0002-2706-8668, bashashinmv@jinr.ru
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
About the authors:
Yuri A. Butenko, Software Developer of the Laboratory of Information Technologies, Joint Institute for Nuclear Research (6 Joliot-Cu-rie St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation), ORCID: http://orcid.org/0000-0001-6555-2365, ybutenko@jinr.ru Dmitrii M. Marov, Software Developer of the Laboratory of Information Technologies, Joint Institute for Nuclear Research (6 Joliot-Curie St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation), Dubna State University (19 Universitetskaya St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation), ORCID: http://orcid. org/0000-0002-7414-5144
Andrey V. Nechaevskiy, Senior Software Developer of the Laboratory of Information Technologies, Joint Institute for Nuclear Research (6 Joliot-Curie St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation), ORCID: http://orcid.org/0000-0001-6751-8195, nechav@jinr.ru
Oksana I. Streltsova, Senior Researcher of the Laboratory of Information Technologies, Joint Institute for Nuclear Research (6 Jo-liot-Curie St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation); Associate Professor of the Department of Distributed Information Computing Systems of the Institute of System Analysis and Management, Dubna State University (19 Universitetskaya St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation), Director of The International School of Information Technologies "Data Science", Ph.D. (Engineering), ORCID: http://orcid.org/0000-0003-4522-6735, strel@jinr.ru
Ilhom R. Rahmonov, Senior Researcher of the Bogoliubov Laboratory of Theoretical Physics, Joint Institute for Nuclear Research (6 Joliot-Curie St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation); S.U. Umarov Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Tajikistan (299/1 Aini Ave., Dushanbe 734063, Republic of Tajikistan), Ph.D. (Phys.-Math.), ORCID: http://orcid. org/0000-0002-8014-9029
Maxim V. Bashashin, Junior Researcher of the Laboratory of Information Technologies, Joint Institute for Nuclear Research (6 Joliot-Curie St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation); Senior Teacher of the Faculty of Natural and Engineering Science, Dubna State University (19 Universitetskaya St., Dubna 141980, Moscow Region, Russian Federation), ORCID: http://orcid. org/0000-0002-2706-8668, bashashinmv@jinr.ru
All authors have read and approved the final manuscript.
Современные информационные технологии и ИТ-образование
Том 16, № 3. 2020 ISSN 2411-1473 sitito.cs.msu.ru
