Суперкомпьютеры: все просчитать и выиграть

http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=05b4d853-d97e-4772-90d0-ddf44743d718&print=1
© 2024 Российская академия наук

В прошлом году президент России Дмитрий Медведев часто говорил о том, что пора переходить к экономике знаний

Мысль эта достаточно последовательно внедрялась в сознание общества. А вот укоренилась ли — это большой вопрос. Если не брать всю проблему в целом, то, чтобы осознать наше место в мировой иерархии, имеет смысл посмотреть, как обстоят дела в области информационных технологий. Где мы? Понятно, что не первые, но вроде и не позади планеты всей. Но если смотреть на все без иллюзий, то надо признать — бурного развития пока не наблюдается, хотя уже явно просматриваются точки роста.

Конечно, есть финансовые гении, которые виртуозно (и виртуально) манипулируют финансовыми потоками, делая деньги, как говорится из воздуха. Но царь Мидас, как известно, умер голодной смертью, обладая несметным богатством.

Пока люди не научились питаться денежными знаками, нужны будут и хлеб, и машины. А чтобы их делать — опять же нужны машины, но уже суперумные. С другими в третьем тысячелетии делать нечего. И называются они — суперкомпьютеры (СК). Они настолько облегчают инженерам дорогу к производству лучших образцов техники, что без них делать сложнейшие машины просто немыслимо. Сейчас уже никто не проводит реальные ядерные испытания. Все ясно при проведении этих испытаний в виртуальном пространстве. Так же можно тестировать все новые изобретения, не тратя на изготовление прототипов долгие годы и огромные деньги.

И все это в силах сделать суперкомпьютеры, которые уже сегодня сильно различаются по мощности. Если для создания компьютерной модели автомобиля нужен суперкомпьютер мощностью в 100 терафлопс, то для того, чтобы создать виртуальный самолет или вертолет — надо уже СК в миллион терафлопс. Такого пока еще нет, но над этой проблемой усердно трудятся в США.

Недавно выяснилось, что Штаты, давно лидирующие в науке и военно-политическом аспекте, уже в 2010 году вполне способны сделать такой резкий научно-технологический рывок, который окончательно оставит позади все остальные страны. И поможет им в этом первый суперкомпьютер нового типа Cray Baker, созданный в рамках федеральной военной программы США DARPA HPCS с использованием специальных закрытых технологий. Это нечто совсем новое в компьютерной сфере. Такие новые технологии способны развивать производительность на транспетафлопсном уровне, что в сотни и даже тысячи раз превышает возможности наших современных компьютеров. Здесь все новое: архитектура построения, начинка, да и сама работа основана на абсолютно других принципах.

Американцев подстегнула форсировать эту работу Япония, когда весной 2002 года Страна восходящего солнца представила миру многопроцессорный векторный суперкомпьютер на базе NEC SX-6 — Earth Simulator, изготовленный не из готовых компонентов, а по специальным заказным технологиям векторных машин. Этот суперкомпьютер почти в 10 раз превосходил лучшие американские суперкомпьютеры того времени при решении стратегических задач. Штаты эта разработка так задела, что правительство США решило выяснить, что такое суперкомпьютерные технологии и насколько важны они для государства. Ученые после исследований заявили, что происходит смена экономической формации, а экономике, основанной на знаниях, нужна киберинфраструктура — национальные суперкомпьютерные центры, объединенные в грид-систему. И сделать это может только государство. Так, в США быстро стартовала программа DARPA HPCS.

На заре компьютеризации развитие этой отрасли простимулировали военные интересы развитых стран. Потом, по мере совершенствования и развития разных областей науки и техники компьютеры срочно понадобились практически всем. Не прошло и полвека, как они стали всеобщим достоянием. Им по зубам уже и стратегические задачи. Особенно это важно в конфликтных ситуациях, когда нужно быстро просчитать все возможные варианты и принять правильное решения. Военные утверждают, что супербыстрые расчеты крайне важны для работы разведки. Сегодня вся информация передается в зашифрованном виде, и только суперкомпьютер может в реальном масштабе времени взламывать коды и читать тексты. Получив достоверную информацию, можно выиграть, например, в жестком геополитическом противостоянии.

Живыми телами, как это было раньше — в сталинские времена, нам уже ни экономику не поднять, ни врага задавить. Депопуляция — налицо. Россиян все меньше и меньше. Да и речь теперь все чаще идет не о территориальных захватах, а о таком новом виде геополитического противостояния, как «сетевые войны». А с ними можно справиться, только имея в арсенале мощнейшие суперкомпьютеры нового поколения.

Сегодня большинство компьютеров довольно быстро создаются на основе массово доступных компонентов. Они свободно продаются на рынке, и из них собирают очень неплохие компьютеры, но скорость их работы уже давно оставляет желать лучшего. Для домашнего пользования они вполне комфортны, а вот быстро просчитать большие и постоянно усложняющиеся задачи, которые сегодня стоят перед стремительно развивающейся наукой и техникой, они не могут. На это им потребуется такая масса времени, что теряется смысл работы… А американцы давно свято чтят известный постулат — «время — деньги». Сегодня он звучит более чем актуально. Кто не жалеет денег на науку, тот покоряет время — этот всесильный неуловимый фактор, укротить который так мечтает человечество.

Как уверяют специалисты, разница в возможностях кластеров и суперкомпьютеров колоссальная. Если машины, которые увидят свет в США в 2010 году, должны иметь, по требованиям программы DARPA HPCS, эффективность в 64 000 GUPS (Giga-Updates per Second — миллиард операций модификации памяти, выполненных за секунду), то показатель мощнейших кластеров, по данным HPC Challenge Awards Competition, составляет всего 4-8 GUPS.

Самый мощный российский суперкомпьютер, установленный в святая святых науки — Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН, по оценке Linpack, имеет производительность всего 0,107 петафлопс. Большой компьютер «Ломоносов», который недавно так шумно презентовали президенту Медведеву, развивает производительность 0,35 петафлопс. Безусловно, МГУ им вправе гордиться, и для студентов он просто подарок. Но для проведения больших обсчетов — слабоват.

Между тем американские компьютеры Cray, интегрированные в систему принятия решений, дадут уже в этом году США возможность прогнозировать развитие любых событий любого масштаба в любых точках планеты. Глобы могут отдыхать. А вот в нашей стране на «глоб» спрос большой, так как нет у нас такой вычислительной системы, способной просчитать колоссальную массу входящих данных, чтобы увидеть всю проблему в целом и выйти на решение. Мы из-за отсутствия такой мощной машины идем вперед вслепую, опираясь в основном на опыт прошлых лет, который сегодня очень может подвести, так как времена сильно изменились. Зато сладкоголосый Глоба, поглядев на звезды, вещает с экрана федерального ТВ, что уже в 2015 году Россия будет впереди планеты всей. И ему верят. Все успокаиваются…

Между тем, аналитики просчитали, что проблемой создания совершенно нового суперкомпьютера сегодня заняты всего несколько стран. Лидирующие позиции у США. Cray Baker, созданный фирмой Cray в рамках проекта CASCADE, — это лишь начало мощного отрыва Америки в области информационных технологий. Вслед за ним также в этом году в США состоится премьера аналогичной машины фирмы IBM, разработанной в рамках проекта PERCS. Это уже двойная сила. Далее в следующем десятилетии в США появятся новые суперкомпьютеры типа Cray Granite и Cray Marble.

В 2012 году на арену суперкомпьютеров выйдут Япония и Китай. У них тоже подходят к финишу работы по похожим стратегическим машинам. Там работа ведется, начиная с 2006 года в рамках национальных программ, и мощно поддерживается государством.

Директор Института программных систем имени А.К. Айламазяна РАН (ИПС РАН), научный руководитель от России суперкомпьютерных программ «СКИФ» и «СКИФ-ГРИД», член-корреспондент РАН Сергей Абрамов, оценивая Cray Baker и IBM, считает, что России нужны как машины, базирующиеся на кластерных технологиях, так и суперкомпьютеры класса Cray. И что, несмотря на все сложности создания суперкомпьютера, этим надо заниматься очень серьезно.

Грустно констатировать, но ведь Россия практически одновременно с США, еще в 2002 году тоже занялась разработками суперкомпьютеров по специальным закрытым технологиям. Но, как обычно, мы пошли более дешевым и комфортным путем и в качестве приоритета выбрали развитие кластерных технологий. Это неплохая дорога, но скорость на ней не разовьешь. По кластерной технологии компьютеры собираются из имеющихся на рынке компонентов. Наши умельцы иногда делают из них почти чудеса, но перепрыгнуть на транспетафлопсный уровень скорости тут нельзя по определению. Здесь нужна, как говорят специалисты, новая архитектура в создании машины. В суперкомпьютерах все устроено по-другому. Для решения сложных задач характерно использование огромных объемов памяти, доступной через логически единое адресное пространство. А у кластеров общая глобально адресуемая память отсутствует.

Суперкомпьютеры называют High-End Computing (HEC). В России НЕС-компьютеры стали называть суперкомпьютерами стратегического назначения (СКСН). Этих СКСН во всем мире будет немного. Это штучный и очень дорогой товар, но без них будущего у стратегических направлений науки и техники просто нет. И даже в области СКСН выделяется особый подкласс — ультракомпьютеры.

Существуя в единичных экземплярах, они должны превосходить по реальной производительности не менее чем на два порядка любой суперкомпьютер мира, который можно собрать из коммерчески доступных компонентов или просто купить. Разработка таких ультракомпьютеров имеет в США статус федерального закона.

Единственный в России похожий на ультракомпьютеры проект — это проект создания СКСН «Ангара», которым занимается ОАО «Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники» (НИЦЭВТ), входящий в «Концерн радиостроения «ВЕГА». Как уверяют специалисты из ОАО «НИЦЭВТ», исследования и разработки, расчеты производительности позволяют утверждать, что после 2011 года можно будет реально изготовить образцы СКСН «Ангара» с транспетафлопсным уровнем производительности (имеется в виду не пиковая, а производительность на реальных задачах). Причем их характеристики будут близки к характеристикам перспективных американских суперкомпьютеров стратегического назначения. Но для этого надо восстановить инфраструктуру создания суперкомпьютеров.

Если объединить для этой цели российские организации, научные институты и производственные центры, то можно сделать рывок в работе над СКСН. Но для этого нужна воля государства. Между тем реализация этого проекта позволит обеспечить решение задач национальной безопасности (криптоанализ, задачи антитеррора), важнейших военно-технических задач (радиоэлектронной разведки, оптимального проведения боевых операций, научно-технических задач разработки современных вооружений, включая интеллектуальные системы управления боевыми автономными средствами).

Проект обеспечит научно-технологический прорыв, так как имеет двойное назначение. Без СКСН невозможно развитие био- и нанотехнологий. Да и сама система управления государством нуждается в мощных вычислительных машинах. Без суперкомпьютеров невозможно будет на должном научно-техническом уровне решать такие важные задачи, как предсказание климата и землетрясений, ограничение влияния окружающей среды на здоровье людей и их безопасность, изучение физики плазмы, создание термоядерных реакторов, а также развитие современной промышленности, в частности машиностроения. Виртуальное моделирование всей новейшей техники даст многомиллиардную экономию средств уже в ближайшее время, если всерьез заняться этой проблемой сегодня.

Пока же российские суперкомпьютеры делаются в основном на энтузиазме ученых, и на те мизерные средства, которые способны оторвать от себя научно-производственные коллективы. Если этим малым точкам роста государство не создаст нормальных условий для развития, то вряд ли на ниве информационных технологий вырастет мощный российский ультракомпьютер.