Суперкомпьютерный престиж: какое место занимает Россия в вычислительной гонке

Опубликован новый рейтинг Top500 самых мощных суперкомпьютеров мира. На этот раз американская машина взяла первое место, подвинув китайского "коллегу". Компания IBM запустила самый мощный суперкомпьютер Summit, который был создан по заказу Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США. Производительность его системы оценивалась в 200 петафлопс (200 квадриллионов операций в секунду). Пока Китай и США борются за "медали", российские машины довольствуются лишь местом в восьмом десятке. Илья Плеханов рассказывает о вычислительной гонке и о новых возможностях крупнейших стран мира с их мощными машинами. 

После стандартного теста Linpack, который фиксирует рабочую производительность суперкомпьютера, реальный показатель американского Summit составил 122,3 петафлопс, а производительность бывшего чемпиона, китайского Sunway TaihuLight - 93 петафлопс. Так СШA вернули себе пальму первенства в самых производительных суперкомпьютерах, которую уступили Китаю в 2013 году.

Новый американский Summit состоит из 4 608 двухпроцессорных серверов IBM AC922 на базе 22-ядерных процессоров IBM Power9, в каждом из которых работает 6 графических процессоров NVIDIA Tesla V100. Для внутренних соединений используется сеть Mellanox dual-rail EDR InfiniBand с пропускной способностью 200 Гбит/с на каждый сервер. Суперкомпьютер работает под управлением операционной системы Red Hat Enterprise Linux 7.4. Издание MIT Technology Review сообщает, что Summit весит больше, чем пассажирский авиалайнер, и занимает помещение площадью в 2 теннисных корта.

Еще до окончательного завершения создания системы исследователи запустили вычисления по сравнению геномов, в ходе которых зафиксировали производительность Summit в 1,88 эксафлопс. По словам Томаса Захарии, директора Национальной лаборатории Ок-Ридж, это первый случай в истории, когда был преодолен барьер в 1 эксафлопс. Зимой Китай грозился к концу этого года запустить компьютер с производительностью в 1 эксафлопс, то есть квинтильон (10 в 18-й степени) операций в секунду, а в США ранее было выделено $258 млн на создание суперкомпьютера с производительностью более 1 эксафлопс к 2021 году. Разработку, как было заявлено в 2017 году, ведут шесть американских компаний — Hewlett-Packard, IBM, Intel, NVIDIA, Cray и AMD.

Звук работающего суперкомпьютера

Символ мощи страны

Появление очередного суперкомпьютера — это своего рода престижная веха и показатель того, что может страна, есть ли у нее ресурсы и умение, бюджет от сотен миллионов долларов до свыше миллиарда на создание суперкомпьютера, есть ли энергетические мощности для питания, инженерные решения для отвода тепла, есть ли свои процессоры, квалифицированные кадры и так далее. Министр энергетики США Рик Перри так прокомментировал появление Summit:

Сегодняшний запуск суперкомпьютера Summit демонстрирует американское лидерство в области научных инноваций и развития технологий. Это будет иметь огромное влияние на исследования в сфере энергетики, научные открытия, экономическую конкурентоспособность и национальную безопасность.

Именно вопрос национальной безопасности можно считать ключевым, так как в США в крайней мере обеспокоены намерением Китая стать лидером в области искусственного интеллекта. Это ведь означает применение ИИ и в военной сфере.

Ушедший на второе место китайский Sunway TaihuLight был прорывом для Китая в создании собственной вычислительной и элементной базы. Процессоры Sunway TaihuLight базируются на архитектуре локальной ShenWei, созданной в государственном Шанхайском центре разработки высокопроизводительных интегральных схем (Shanghai High Performance IC Design Center). Система межпроцессорного соединения узлов, известная под названием Sunway Network, также была разработана в Китае. Кроме того, Sunway TaihuLight имеет собственную реализацию программного стандарта для параллельного программирования — операционную систему SunWay Raise OS 2.0.5 на базе Linux. То есть Китай смог преодолеть зависимость от американских элементов и введенные ограничения на поставки высокотехнологичной продукции с 2015 года.

В России в 2009 году в МГУ установили суперкомпьютер "Ломоносов", который содержит 6 654 вычислительных узла, более 94 000 процессорных ядер, обладает пиковой производительностью 1,37 Пфлопс. Реальная производительность системы на тесте Linpack равна 674 Тфлопс, что позволило ему занять в июне 2011 года 13–е место в списке Top500 самых производительных компьютеров мира.

В марте 2018 года в МГУ объявили, что закончена разработка и началась опытная эксплуатация нового раздела суперкомпьютера "Ломоносов-2" с пиковой производительностью 1,8 Пфлопс, что в будущем позволит ему подойти вплотную к рубежу в 5 Пфлопс. Новый раздел суперкомпьютера базируется на многоядерных процессорах Intel Skylake и графических процессорах NVidia Pascal P100 с аппаратной поддержкой высокоскоростного интерфейса NVLink.

В марте сотрудники Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна представили новый суперкомпьютер "Говорун", который будет использоваться для обработки данных, получаемых с будущего коллайдера тяжелых ионов NICA. Производительность "Говоруна" составляет 1 петафлопс. Суперкомпьютер построен на базе 72-ядерных процессоров Intel Xeon Phi 7290 и Intel Xeon Gold 6154. 

Суперкомпьютеры в России появляются, но не такой производительности, чтобы попадать в рейтинг Top500. В январе этого года исполняющий тогда обязанности руководителя ЦКП "Сибирский Суперкомпьютерный Центр" ИВМиМГ СО РАН Игорь Черных заявил:

Суперкомпьютеры в России производят несколько компаний, наиболее известные — РСК, "Т-Платформы". Однако наша компонентная база на 99% импортная. Одно из последних мест в мире по производству и поставкам занимает РФ. За рубеж суперкомпьютеры почти не поставляются.

По мнению директора по корпоративным коммуникациям группы компаний РСК Олега Горбачева, ситуация могла бы исправить национальная программа: 

Для развития производства нам как раз и нужна национальная программа. США и Китай львиную долю этих систем в рейтинге имеют именно потому, что у них есть национальная программа, потому что есть государственное понимание, что это нужно, и все это расписано в программах и подкреплено в бюджетах.

Задачи суперкомпьютера

Суперкомпьютер нужен для того, чтобы работать с огромным количеством данных и переменных - с информацией, измеряемой в эксабайтах (10 в 18-й степени байт), и в иоттабайтах (10 в 24-й степени байт). И дело не только в объемах, но и в скорости. Например, вычисления метеорологических условий окажутся бессмысленны, если будут длиться дольше, чем наступление того или иного погодного явления.

Другой вопрос, что трудности возникают не столько с количеством операций в секунду, а с проработкой тех алгоритмов, которые требуют таких скоростей и такого количества процессоров. То есть технические возможности совершенствуются, но им нужны и математические модели, программная начинка — понимание, как и что именно считать.

Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИПМ им. М.В. Келдыша Андрей Кулешов объясняет, в чем специфика использования суперкомпьютерной техники: 

Разработанное для маломощных машин и эффективно на них функционирующее программное обеспечение совершенно не годится для суперкомпьютеров, особенно гибридных архитектур, где вместе с обычными процессорами используются, например, графические ускорители. Без создания специальных алгоритмов, которые предназначены для работы на этих вычислительных архитектурах, возможности суперкомпьютеров реализовать не удастся.

Поэтому российские ученые считают, что отставание России от США и Китая в петафлопсах не так страшно. Ключ к эффективному использованию машин - высокий математический уровень и класс специалистов в области программного обеспечения в России.

Что делают сейчас

Например, испанский суперкомпьютер MareNostrum (так называли Средиземное море древние римляне-язычники) находится в помещении бывшей христианской часовни Торре Жирона и используется для вычислений генной инженерии, астрофизиками, при создании новых лекарств и прогнозировании погоды.

Но не все зациклено только на масштабных научных изысканиях. Бизнес также активно применяет суперкомпьютеры. Например, компания Ford использует мощные машины при выполнении crash-тестов, когда автомобили разбиваются о препятствие и необходимо снимать, замерять и анализировать массу параметров. Использование суперкомпьютера позволяет сокращать количество разбиваемых реальных автомобилей и затраты на тесты на треть, экономя миллионы долларов.

Компания DuPont при помощи суперкомпьютеров синтезировала новый материал - невоспламеняемый, стойкий к коррозии и низкотоксичный. За одну неделю были проведены необходимые расчеты на суперкомпьютере, на которые в общеq сложности потратили около $5 тысяч. Исследование "по старинке" обошлось бы как минимум в $50 тысяч и в три месяца работы.

С 1990 года партнер турнира "Уимблдон" в области технологий - американская компания IBM, которая предоставляет организаторам первенства суперкомпьютер Watson. С его помощью анализируют социальные сети, чтобы выявлять позитивные и негативные настроения болельщиков, выдавать комментаторам любые сравнительные данные из архивов, автоматизировать маркетинг и PR в интернете.

Французская компания Total при нефтеразведке применяет суперкомпьютер для анализа информации о недрах. Моделирование позволяет не прибегать к бурению, когда есть сомнения в наличии нефти. В одном таком случае отказ от бурения сэкономил компании около $80 млн.

Что касается нового американского суперкомпьютера, некоторые проекты получат доступ к нему уже в этом году для моделирования субатомного поведения материалов, выявления факторов, вызывающих онкологические заболевания, и изучения взаимодействия белков и клеточных систем. Основным заказчиком в 2019 году будет министерство энергетики, которое использует его для своих вычислений в области альтернативной энергии. Summit будет также использоваться в применении искусственного интеллекта в 2019 году.

С помощью российского суперкомпьютера группа мехмата МГУ и Институт прикладной математики РАН получили результаты по численному моделированию формирования и развития концевых вихрей на сверхзвуковых режимах, обрабатывались сейсмические данные, для нужд РКК "Энергия" были проведены расчеты обтекания космического корабля при торможении в атмосфере и посадки на поверхность Земли. На "Ломоносове" также была решена задача о массотеплообмене для перспективного ядерного реактора. В апреле ученые физического факультета МГУ исследовали разные типы реакций полимеризации с помощью компьютерного моделирования на суперкомпьютере "Ломоносов-2".

Весной этого года стало известно, что "Росатом" и "Роскосмос" начинают испытывать в виртуальной реальности в рамках моделирования на суперкомпьютере двигатели для новой российской сверхтяжелой ракеты. Проект начался еще в 2014 году и обошелся почти в 270 млн рублей. 30 января 2018 года подписан акт о приемке работ по разработке софта для виртуальных тестов.

Что могут в будущем

Вариантов много. Суперкомпьютеры могут быть использованы для увеличения точности метеопрогнозов, диагнозов, для выявлении связи между генами и раковыми заболеваниями, для моделирования турбулентности, процессов горения, для разработки новых материалов, новых лекарств, для моделирования работы новой техники, расчета деформаций твердых тел с учетом процессов разрушения, контроля над дронами, моделирования применения современных вооружений, для анализа данных от спутников и беспилотников, криптографии, моделирования воздействия электромагнитного излучения на композиционные материалы (в частности, на покрытия летательных аппаратов), моделирования работы мозга и так далее.

Суперкомпьютеры также будут задействованы при профилировании личности и внедрении систем распознавания лиц, мониторинге активности и социального рейтинга в Китае. По некоторым прогнозам, суперкомпьютеры смогут точно смоделировать погодную систему Земли целиком после достижения ими производительности, превышающей 1 зетафлопс (1000 эксафлопс). Появление таких машин ожидают к 2030 г.

Кто имеет доступ

Важна не только производительность лучшего суперкомпьютера, но и общее количество машин в стране и их доступность. Чем больше вычислительных центров, чем больше организаций и институтов могут получить доступ к ним, тем больший спектр задач может быть решен.

В России возможностями только одного суперкомпьютерного комплекса Московского университета сегодня пользуются 2 500 специалистов из 20 подразделений МГУ, более 100 институтов Российский академии наук, более 100 университетов России.

Согласно данным проекта Top500, страной с наибольшим числом сверхмощных вычислительных машин на июнь этого года является Китай: ему принадлежит 206  суперкомпьютеров из рейтинга (шесть месяцев назад была 201 система). В то же время США сократили свою долю в рейтинге со 143 систем до 124. Но можно отметить, что по совокупной производительности всех систем в стране США на этот раз обогнали Китай. Американская общая производительность составляет 38,2% от всей производительности Top500, а китайская — 29,1%.

После Китая и США по количеству суперкомпьютеров в рейтинге идут Япония (36 систем), Великобритания (22 системы), Германия (21 система), Франция (18 систем).

У России четыре суперкомпьютера в рейтинге - на один больше, чем в предыдущем списке шесть месяцев назад. "Ломоносов-2" занял 72-е место, компьютер в Росгидромете - 172-е, "Ломоносов" - 326-ю позицию, суперкомпьютер в Курчатовском институте - 458-ю строчку рейтинга.  

Что дальше?

А дальше передовые страны будут работать над преодолением физических ограничений существующих суперкомпьютеров. Компании сосредоточатся на создании таких технологий, как кремниевая фотоника, нейроморфные и квантовые вычисления, создание биокомпьютеров и клеточных компьютеров. Например, компанией IBM в 2014 году по первым направлениям были открыты научно-исследовательские программы с объемом финансирования в $3 млрд.

Ускорение разработки новых материалов и технологий с помощью суперкомпьютеров по разным направлениям может в итоге дать совокупный гигантский толчок к развитию стран и их технологическом отрыве от конкурентов. Стремительный рост производительности компьютеров называют даже революцией в развитии цивилизации.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен!
Нажмите "Подписаться на канал", чтобы читать Ruposters в ленте "Яндекса" https://zen.yandex.ru/ruposters.ru