ARUZ to inaczej Analizator Rzeczywistych Układów Złożonych. Waży 50 ton i ma kształt walca o wysokości 4,5 i średnicy 16 metrów. W łódzkim Bionanoparkuwzniesiony jest dla niego specjalny budynek. Konstrukcja początkowo była kulą. Jednak powstała tuż obok lotniska i ze względu na przelatujące samoloty, nie mógła 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 do pół megawata mocy urządzenie nie może w najmniejszym stopniu zakłócać pracy lotniczego portu.
Dzieje ARUZa
Z ARUZa można korzystać od 2015 roku. Obecnie posługują się nim głównie fizycy i chemicy. Żeby wytłumaczyć do czego jest 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 trzech rozpoczęli żmudną pracę nad opracowaniem koncepcji i założeń konstrukcyjnych przyszłej maszyny. Po 4 latach projekt był na tyle gotowy, żeby go zrealizować. Wtedy też 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 pozwalający na sumulację układów zbudowanych z 216 cząsteczek. W ciągu następnych 3 lat skonstruowano następny model, w którym można już było analizowanć układy złożone z 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 Bionanoparku. Pozyskane przez Bionanopark 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.
Bionanopark jest instytucją, która ma dbać o komercjalizację badań naukowych, szczególnie w zakresie bio- i nanotechnologii. Jej właścicielami są miasto Łódź i województwo łódzkie, ale udziały mają również łódzkie uczelnie. W Bionanoparku 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 przyznała dodatkowe 63 mln zł na zadanie rozszerzające BioNanoPark+ w ramach projektu BioNanoPark. I właśnie w ramach tego rozszerzenia powstała maszyna o nazwie ARUZ będąca najnowszą wersją urządzenia, które postanowiono 15 lat temu zbudować. Ostatecznie koszt jej budowy wyniósł 20 mln zł. Ktoś może się zdziwić, że 20 mln zł wystarczyło 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 Bionanoparku wobec Państwowej Agencji Rozwoju i Przemysłu, termin wykonania ARUZa okazał się niesłychanie krótki. Maszyna musiała 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 organizował on pracę, realizując terminowo wszystkie, zaplanowane wcześniej, etapy budowy. Ericpol był firmą informatyczną działającą od wielu lat na polskim rynku i dlatego nie tylko sprawnie koordynował wykonanie tego przedsięwzięcia, ale też brał 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 jest 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 mikroprocesory. 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 algorytmu 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 może pochłaniać 0,5 MW mocy (w praktyce pobiera 0,1 MW), to jednak w porównaniu np. z jednym z największych obecnie superkomputerów chińskim Tianhe-2 jego energochłonność jest 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!
Zastosowania ARUZa
Jakie korzyści z budowy ARUZa osiągnięto do tej pory i jakie nadzieje pokładane są w tym urządzeniu? 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 24- letnie 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, Architekton, Zakład Mechaniki Precyzyjnej Jakubowski Ludwik i Jakubowski Wojciech, El-Bud Project, Sako, HVAC PRO Paulina Wiśniewska. Udział w budowie miały także polskie firmy spoza województwa łódzkiego jak Fideltronik, Polwat i Volex Polska.
Jednak najbardziej interesujące są dalsze losy ARUZa. Urządzenie będzie wchodziło w skład Laboratorim Symulacji Molekularnych, które powstało w łódzkim Bionanoparku. Może się jednak okazać, że w przyszłości 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
