Гонка суперкомпьютеров: проигрывает ли в ней Россия?

В рейтинге Топ500 суперкомпьютеров мира машина IBM Summit заняла первое место. Лучшая российская ЭВМ "Ломоносов-2" занимает лишь 72 место с разницей в производительности в 50 раз. Почему так и что тут можно исправить? И нужно ли?

На эти вопросы отвечает заместитель директор по науке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) член-корреспондент РАН Игорь Шеремет.

Вопрос: Российский фонд фундаментальных исследований в своё время организовал немало конкурсов, касающихся темы суперкомпьютеров. В силу своего предназначения он, конечно, финансировал прежде всего фундаментальные исследования, научные, а не конструкторские работы. В то же время вполне справедливо назвать РФФИ одним из идеологов суперкомпьютерной техники в России – ведь темы конкурсов определял и объявлял он. Так в чём причины нашего столь явного отставания в суперкомпьютерной гонке – в технологии или, быть может, как раз в идеологии?

Игорь Шеремет: Да, Российский фонд фундаментальных исследований в своей работе немало внимания уделял и сегодня уделяет теме суперкомпьютеров. Практически каждые два года, начиная с 2009 года, РФФИ организует конкурсы ориентированных исследований по фундаментальным вопросам создания и использования суперкомпьютеров. По тематике этих конкурсов можно видеть эволюцию, которую совершила отечественная научная мысль в этом секторе.

Так, в 2009-м году были объявлены 2 конкурса под 18 темам. Один из них именовался "Фундаментальные проблемы использования супер-ЭВМ петафлопного класса для детального предсказательного моделирования в научных инженерных исследованиях". Второй – "развитие фундаментальных основ, алгоритмического обеспечения и вычислительных методов для информационных систем нового поколения".

В исследованиях по этим темам приняли тогда участие виднейшие учёные страны. В результате был разработан целый ряд новых математических моделей, вычислительных алгоритмов и прикладного программного обеспечения для суперкомпьютеров.

Обращу на это отдельное внимание. Надо сказать, что сами по себе характеристики быстродействия очередного чемпиона в классе супер-ЭВМ – это всего лишь основа для реального быстродействия при решении конкретных задач. А главное – сами задачи.

В конкурсе 2009 года рассматривались очень серьёзные темы, относящиеся к расчётам в области микроэлектроники, наноэлектроники и нанотехнологий, ядерной и космической физики, биохимии, биомедицины, фармацевтики, климатологии. Вопросы предсказательного моделирования в задачах материаловедения, моделирования свойств многокомпонентных материалов на основе расчётов их электронной структуры, моделирования наноструктурированных материалов, определения структурных параметров, гарантирующих заданные механические свойства, методов трёхмерного моделирования на супер-ЭВМ тепло-, гидродинамических процессов и цикличной прочности элементов транспортных ядерных реакторов. И так далее.

Как видно, задач было много. Все они относились к детальному моделированию в научных инженерных исследованиях.

При этом надо отметить, что речь идёт об открытой части исследований, так как РФФИ занимается финансированием только гражданской науки. Но известно, что от ядерных испытаний ядерные крупнейшие державы смогли отказаться только потому, что появились супер-компьютеры петафлопной производительности. Это позволило заменить натурные испытания расчётами. То есть с одной стороны, модели стали настолько адекватными, что в сравнении с натурным испытанием никакой значимой погрешности не вносят. С другой стороны, для расчёта этих моделей появились компьютеры с такой производительностью, что в течение достаточно короткого периода времени моделирование на этих компьютерах позволяет получить реальные параметры, связанные с ядерным взрывом.

Поскольку тогда конкурсы объявлялись на два года, то следующий из них фонд провёл в 2011 году. Здесь был сделан уже следующий, очень серьёзный шаг, с которым связан сам термин "многомасштабность". Конкурс назывался "Фундаментальные проблемы разработки и использования супер-ЭВМ для детального моделирования многомасштабных процессов в природных и техногенных системах".

Дело в том, что многомасштабность процессов не позволяет провести прямое моделирование с использованием вычислительных супер-компьютерных систем даже петафлоповой производительности. Присутствие нескольких масштабных уровней, на которых проводится моделирование, диктует необходимость разработки специфической архитектуры уже для экзафлопного супер-вычислителя. Только такой подход позволяет решать задачи разных масштабов с учётом постоянного обмена данными.

Вопрос: Но ведь нет же ещё экзафлопного компьютера? Надо ли понимать это так, что с помощью вычислительных методик мы рассчитываем на петафлопной машине достичь уровня экзафлопной?

И.Ш.: Нет, я бы так не сказал. Скорее, мы разрабатываем следующее поколение моделей, которые будут затребованы следующим поколением машин. Математики, разрабатывая свои модели, всё более и более адекватные реальным физическим и техническим процессам, тем самым задают задачу специалистам по архитектурам супер-ЭВМ, по процессорам, из которых они состоят. И таким образом получается, что разработчики этих супер-компьютеров работают не вслепую. Благодаря тому, что математики идут впереди и рассчитывают детальные, адекватные модели различных процессов и обеспечивают при помощи этих моделей предсказательное моделирование, - вся линия супер-компьютинга получает совершенно понятный и полезный практический смысл. И если бы не было математиков с их моделями – строго говоря, вообще было бы не очень понятно, а надо ли нам биться над следующими уровнями производительности, не вкладываем ли мы большие деньги не в нечто полезное, а в то, что просто обеспечивает моральное удовлетворение

Так вот, в течение конкурса 2011 года все необходимые разработки, прежде всего, в части математики, были проведены. И в 2013 году новая тема звучала уже так: "Фундаментальные проблемы предсказательного моделирования многомасштабных процессов в природных и технических системах и создание супер-ЭВМ экзафлопного класса".

В частности, исследовались уже фундаментальные технические и технологические ограничения быстродействия и производительности супер-ЭВМ, перспективная элементная база для достижения экзафлопной производительности, коммуникационные среды для таких супер-ЭВМ, перспективные архитектуры и проблемы энергопотребления. Что тоже крайне важно, потому что для экзафлопных вычислителей нужна целая электростанция, которой можно небольшой город запитывать электроэнергией…

Вопрос: Тут злые языки могут спросить: а зачем нам рассчитывать элементную базу, если мы всё равно строим свои супер-компьютеры на американских процессорах?

И.Ш.: Американских процессоров очень много. Одни из них очень дорогие. Другие менее дорогие. Третьи совсем дешёвые. И задача простая и практически объяснимая: нужно из этого многообразия выбрать наименее затратный вариант.

Это одна сторона. Вторая же в том, что есть не только американские, но и, в частности, китайские процессоры. И появляется возможность какие-то наиболее критичные части компьютера собрать из американских элементов, а другие из китайских. Супер-компьютер – это инструмент, строго говоря, весьма и весьма иррегулярный. И можно собрать совершенно неоднородную, из разных процессоров, архитектуру, соединить их определённым образом под нужный класс задач и получить результат вполне пригодный.

Наконец, нельзя и недооценивать и нашу электронную промышленность, которая всё более уверенно чувствует себя на этом рынке. Ведь все эти проблемы, которые возникли у нас с санкциями и последующим импортозамещением, принесли немало и пользы. Потому что они позволили нашим компетентным центрам, которые до этого влачили жалкое существование, проигрывая конкуренцию огромным потокам элементной базы из США, Европы, Юго-Восточной Азии, самим производить необходимые элементы.

Так вот, в 2013 году Фонд открыл, профинансировал конкурс на супер-ЭВМ экзафлопного класса, в котором основными направлениями стали поиск путей преодоления физических ограничений, обусловленных энергопотреблением, надёжностью и конструктивными размерами.

Проблема в том, что, к сожалению, создание суперкомпьютеров идет экстенсивным путем. Если взять более мощный компьютер в сравнении с менее мощным, мы увидим, что, во-первых, он потребляет гораздо больше энергии, во-вторых, он занимает гораздо больший объём. И никуда от этого не денешься. Потому и возникают задачи, о которых я уже говорил. А при выборе оптимальной архитектуры ЭВМ, при сборке этой архитектуры под определённый класс задач может найтись возможность существенного сокращения энергопотребления.

Вот на этом пути основные исследования сейчас и происходят: разработка гетерогенных систем с ориентацией отдельных узлов под решение конкретных задач, разработка специализированных процессоров и так далее.

Кстати, здесь же можно вспомнить нейросети как ещё одно из направлений реализации параллельных вычислений. Это решение менее универсально, потому что любая нейросеть подбирается и синтезируется под совершенно определённый и часто весьма узкий класс задач. Но тем не менее благодаря такому подходу обеспечивается существенно меньшее потребление электроэнергии, существенно меньшие габариты и так далее.

Вообще, нейрокомпьютеры – это одна из основных линий при разработке бортовых систем управления разного рода роботизированными средствами. Да, здесь мы уступаем в универсальности, но зато выигрываем в габаритах и энергопотреблении.

Возвращаясь к конкурсу 2013 года, отмечу, что решали задачи по созданию специализированных процессоров для экзафлопных суперкомпьютеров, исследовались вопросы создания всё более совершенных коммуникационных средств передачи данных между процессорами.

Ещё одно направление – квантовый компьютер, которому РФФИ уделяет самое серьёзное внимание. Но об этом нужно говорить отдельно.

Не менее глубоко исследовались вопросы моделирования процессов в технических и природных системах, управления плазмой со сложной геометрической структурой. Рассматривались многомасштабные процессы в подземной гидродинамике и геофизике, молекулярная динамика с оптимизацией для применения в биологических системах, астрофизика, турбулентность, многомасштабные задачи газодинамики горения и расчёта режимов с обострением. По всем этим вопросам и направлениям исследовалась корректность исходных математических моделей, адекватность их тем процессам, которые необходимо моделировать.

Наконец, в 2015 году был объявлен уже трёхлетний конкурс по фундаментальным проблемам организации определённых облачных вычислений при решении крупномасштабных научных задач.

Облако - это совокупность в том числе и супер-компьютеров, соединённых коммуникационной средой и обеспечивающих надёжное вычисление, хранение огромных массивов данных, то, что мы называем "большими данными", Big Data.

Вопрос: То есть это примерно то же распараллеливание как между процессорами в суперкомпьютере, только здесь уже между компьютерами?

И.Ш.: Да. Ведь облачные технологии позволяют наращивать поле памяти, наращивать процессорные, вычислительные возможности. То есть, по сути, облако – это сеть суперкомпьютеров.

Вопрос: Означает ли это, что тысяча терафлопных компьютеров, заменяют один петафлопный? То есть с помощью этих методик, программных средств, математических изысков мы можем из петафлопса выйти на экзофлопсы? Или это физически невозможно и нам надо гнаться ещё и за физическим быстродействием?

И.Ш.: Да, так оно и происходит. То есть выстраивается архитектура, обеспечивающая живучесть, производительность. И самое главное - наращивание объёмов памяти по мере наращивания объёмов данных, которые необходимо хранить.

Что же до физических возможностей, то всё зависит от того, какие цели перед собой мы ставим. Чего мы в конце концов хотим.

Ну, например. Если я хочу моделировать процесс с точностью до девятого знака после запятой, то мне понадобится экзафлопный компьютер. А если мне достаточно лишь шести знаков, то я просчитаю нужную мне задачу и на петафлопном. И если шести знаков достаточно, то зачем мне переходить на ещё три знака в производительности суперкомпьютера?

Здесь много зависит даже не от математиков, а от механиков, химиков, биологов. Если в результате их совместной кооперативной работы получается, что биологи, например, говорят: нам и четыре знака достаточно – тогда вполне достаточно и того суперкомпьютера, что есть.

Вопрос: И тем не менее, в рейтинге пятисот китайцы с американцами дерутся за первое место, а мы на 70-х в лучшем случае…

И.Ш.: Это не самоцель – занять первое место. Если у кого-то много денег и он ищет, куда их потратить, то пусть он борется за первое место. Мы немножко в иной ситуации. Мы должны идти от конкретных задач.

Почему у нас сложились в своё время космический и ядерный проекты? Если бы мы гнались тогда за каким-то частным направлением, мы никогда бы эти проекты не реализовали. Но на самом деле тогда была создана, отработана, реализована и доказала свою крайнюю эффективность система иерархического целеполагания. Та, при которой ставились конкретные задачи, а далее подзадачи к ним. И так до более или менее понятных и решаемых на том уровне развития техники и технологий.

И выяснялось, что можно весьма дешёвыми элементами и весьма ограниченным их количеством решать ту задачу – ту правильно сформулированную конечную задачу, - которая перед страной стояла в то время.

А потому и сегодня мы в ключевых оборонных приложениях вообще не уступаем никому.

Вопрос: В борьбе с потенциальными партнёрами мы исходим из наших собственных задач, а не из их амбиций?

И.Ш.: Лучше в соревновании, чем в борьбе.

Я покажу это на таком примере. Взять тот же Крымский мост. Или нефтегазопроводы. Даже чемпионат мира. Везде в том или ином виде задействована система программного целевого планирования и управления, которая была отработана в Советском Союзе и которая тогда позволила вывести страну на лидирующие позиции после просто губительной, страшной, разрушительной войны. И эта культура не утеряна.

А если бы мы стали строить мост и обнаружили, что у нас нет таких кирпичей, которые есть в других странах. Что же, давайте соревноваться с ними в кирпичах? И 10 лет ждать, пока достигнем нужных характеристик? Либо у них покупать за огромные деньги? Нет, мы идём другим путём. Мы находим другие архитектуры, другие конструкции, другие подходы к обеспечению надёжности, безопасности, технологичности. И, образно говоря, делаем такие мосты из своих кирпичей…

Пресс-служба РФФИ

Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста, которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.

Помог ли вам материал?
1    0