Почему в ТОП-500 пока входят только два отечественных суперкомпьютера

Как известно, нашу первую атомную бомбу группа математиков под руководством Льва Ландау "считала" на арифмометрах. И первые суперкомпьютеры создавались именно для военных, которые применяли их в разработках ядерного оружия. Поражает, насколько стремительно "умнела" эта техника. Если каких-то тридцать лет назад вычислительный рекордсмен выполнял всего 10 в 9 степени операций в секунду, то нынешний уже 10 в 15 степени. В миллион раз больше. А за полвека мощность увеличилась в 700 миллионов раз! Современный смартфон работает так же быстро, как суперкомпьютерный лидер 1994 года.

Сами создатели называют современные вычислительные монстры "числодробилками" или "молотилками". Суперкомпьютеры сняли погоны и вышли на гражданку, произвели революцию во многих сферах нашей жизни. Сегодня, прежде чем создать реальный автомобиль, самолет, ядерный реактор, лекарство, новый материал, в суперкомпьютере моделируется их цифровой двойник. Его "проигрывают" в разных вариантах, испытывают в разных режимах и выбирают лучший, который и должен стать реальным прототипом будущего изделия.

Скажем, еще недавно, проектируя автомобиль, конструкторы обязательно разбивали его, направляя в стену, чтобы увидеть, как машина держит удар. Сегодня на компьютерной модели машина врезается в виртуальный тупик. Так, по данным компании Ford, если бы реальные автомобили разбивались о бетонку с одновременным замером необходимых параметров съемкой и последующей обработкой результатов, понадобилось бы от 10 до 150 прототипов для каждой новой модели. При этом общие затраты составили бы от 4 до 60 миллионов долларов.

Уже очевидно, что компьютерный способ творения намного дешевле, надежнее и в 2-2,5 раза быстрее традиционного. Современные "числодробилки" работают в статистике, криптографии, биологии, физике. Они ставят диагнозы, разрабатывают новые лекарства, предсказывают погоду и пишут сценарии глобальных изменений климата. Уже появились новые направления на стыке информатики и прикладных наук - вычислительная биология, вычислительная химия, вычислительная лингвистика и многие другие.

Словом, суперкомпьютеры завоевывают мир. Но весь вопрос в том, кто точнее и быстрее считает. Лидирует тот, чьи цифровые двойники более совершенные. Кто отстал в этой гонке, кто долго и туго думает, тот проигрывает. Причем в этом жестком соревновании лидеры периодически меняются.

Сейчас вперед вырвалась японская машина "Фугаку", ее производительность - 537 петафлопс (1 петафлопс - 10 в 15 степени операций в секунду). Она оставила позади две американские системы в 200 и 125 петафлопс, китайскую - 125, а замыкает пятерку самых быстрых вычислителей немецкая - 70 петафлопс. А на очереди новый лидер: в 2023 году ученые США, Евросоюза и Китая готовятся взять новый исторический рубеж в 1 эксафлоп - 10 в 18 степени операций в секунду.

Наш суперкомпьютерный лидер "Кристофари" - это всего 8 петафлопс. Реальность, увы, такова: отечественные вычислители отстают от зарубежных в десятки раз.

Академики на президиуме РАН, который был специально посвящен суперкомпьютерам, были единодушны: в современном мире высоких технологий, где России по праву принадлежат ведущие позиции, необходим парк супермашин.

- Мы вместе с МГУ выиграли конкурс по теме, связанной с сверхзвуковыми летательными аппаратами. В этой работе надо решить сложнейшие задачи, но нашей вычислительной технике они не под силу, - говорит академик Сергей Чернышев, научный руководитель ЦАГИ. - Скажем, мы не можем одновременно рассчитать три параметра - уровень звукового удара, шум и аэродинамику. Упираемся как в стену. Поэтому в проект вынуждены пригласить немцев, чтобы использовать их суперкомпьютер. Словом, они у нас учатся физике, а мы допущены к их машине. Вот такая вынужденная кооперация. Для многих задач мы не можем построить оптимальные компьютерные модели, чтобы на них проиграть варианты конструкций. Поэтому приходится проводить множество дорогостоящих экспериментов.

Современный смартфон работает так же быстро, как суперкомпьютерный лидер 1994 года

Рашит Шагалиев, заместитель директора, заместитель научного руководителя Российского федерального ядерного центра - ВНИИЭФ: "Создание сложных систем авиастроения, ракетостроения, в области вооружения, атомной энергетики невозможно без использования современных суперкомпьютерных моделей. Особенность таких задач в том, что требуется высочайшая точность. Если мы ошибемся в расчетах даже на долю процента, это приведет к качественно неправильным результатам".

По мнению член-корреспондента РАН Василия Лыкосова, сегодня без суперкомпьютеров невозможно ни прогнозирование погоды, ни создание адекватных моделей глобального климата.

По словам научного руководителя Института прикладной математики им. Келдыша РАН Бориса Четверушкина, чтобы решать задачи подобного масштаба и сложности на нынешней технике, нашим специалистам приходится постоянно изощряться. Как говорится, голь на выдумки хитра. "Но мы подходим к пределу этих изощрений. Нужны мощные машины, - резюмировал он. - Надо, наконец, осознать опасность нашего отставания и найти средства, чтобы вступить в гонку вычислений. Ведь конкуренты стремительно уходят все дальше и дальше".

Завершая заседание, президент РАН Александр Сергеев сказал: "Нам здесь всем понятно, что суперкомпьютеры России крайне необходимы. Без них мы обречены на качественное отставание, когда не можем рассчитывать критически важные узлы и понять, полетит или нет, разрушится или нет. Но нам надо убедить в этом тех, кто принимает решения. Доказать, что в цифровую эпоху слишком высокой производительности не бывает".

"Тем, кто утверждает, что у нас суперкомпьютерам нечего делать, хорошо бы приехать в наш институт, - сказал Четверушкин. - Мы бы все рассказали и показали. Просветили неверующих. Напомнили, что после войны наша страна была разорена, но ее руководство приняло решение о развитии атомной энергетики и ракетостроения. Так была обеспечена обороноспособность страны и созданы технологии, которыми мы пользуемся до сих пор. Государство должно понимать важность суперкомпьютеров и вкладывать в их создание значительные средства. Иначе отстанем навсегда".

Цена вопроса

Академик Четверушкин считает, что для начала надо построить 10 машин по 10 петафлопс каждая, а лучше сразу по 30 петафлопс. Если закупить зарубежную элементную базу, то общая стоимость составит около 100 миллиардов рублей. Уже через год Россия сможет сделать рывок и стать достойным членом суперкомпьютерного клуба. Если же начинать с создания собственной элементной базы, как предлагают некоторое специалисты, то нам потребуется годы. И отставание станет бесконечным.

Инфографика "РГ" / Антон Переплетчиков / Юрий Медведев

Комментарий

Александр Сергеев, Президент РАН:

Александр Михайлович, суперкомпьютеры стоят огромные деньги. Ученые, судя по всему, пока не смогли в этом никого убедить. Но неужели промышленники-практики молчат?

Александр Сергеев: Здесь все не так однозначно. По сути, это вопрос, что первично, курица или яйцо. И в нашем случае уровень развития промышленности и вычислительной техники не могут существовать одно без другого. Это сегодня аксиома. Яркий пример - работы нашего выдающего ученого Мстислава Всеволодовича Келдыша, который был ведущим ученым и в атомном, и космических проектах, лидером в стране по развитию суперкомпьютеров. Невозможно было решать задачи космоса или атомной промышленности, не имея самых высокопроизводительных на тот момент времени машин. И только благодаря тому, что Келдыш сумел убедить в этом тогдашних руководителей страны, они были созданы, и мы не только достигли паритета, но и вырвались вперед.

А сейчас в области высоких технологий мы отстаем. Как и в сфере суперкомпьютеров. Увы, нынешний уровень нашей промышленности не требует такой мощной техники. Можно обойтись имеющейся. Это боинги считают на супермашинах, а наши самолеты можно и на нынешних рассчитать. Вот такая складывается ситуация.

Но мы живем в эпоху "цифры", все делается через цифровые двойники. И побеждает тот, кто быстрее и более точно сделает двойника самолета, автомобиля, реактора. На нашей технике мы делаем это в сто раз медленней и гораздо менее качественно, чем лидеры. А значит наше отставание в высоких технологиях будет увеличиваться еще больше. Поэтому, если мы хотим догонять лидеров в технологической гонке, должны усвоить урок Келдыша: уровень развития промышленности и вычислительной техники не могут существовать одно без другого.

Что такое суперкомпьютер?

Однозначного определения у науки нет. Считается, что это машины-лидеры, которые по производительности намного оторвались от основной массы. Главная особенность "супера" в самом способе решения. Задача разбивается на части, которые параллельно и одновременно решаются тысячами процессоров. В этом отличие от обычных компьютеров, которые решают всю задачу последовательно. Здесь можно привести такую аналогию. Вы подошли к кассам в супермаркете с полной тележкой и разделили свой товар между несколькими друзьями. Каждый оплатит свою часть отдельно, после чего вы встретитесь у выхода и снова сложите продукты в одну тележку. Чем больше друзей, тем быстрее можно завершить параллельную обработку.

Современные суперкомпьютеры впечатляют. В них перемалывают задачи десятки тысяч, а в самых мощных сотни тысяч процессоров, они занимают целые здания, весят несколько тонн, потребляют мегаватты электроэнергии.

Казалось бы, наращивая число процессоров, можно довести производительность до бесконечности. Но все не так просто. Дело в том, что чем больше "решателей", тем больше они друг другу мешают. Ведь они постоянно общаются, перебрасывают результаты , приступают к новым расчетам. Малейший затор может быстро перекрыть все математическое "движение". Оптимально наладить взаимодействие между тысячами процессоров - сложнейшая задача. Чтобы ее решить, ученые ищут для процессоров наилучшую архитектуру, так разбивают задачу на части, чтобы избежать сбоев в расчетах, и т. д.

Из истории суперкомпьютера

Считается, что первый суперкомпьютер появился уже в 1943 году. Во время Второй мировой войны британцам требовалось расшифровать немецкие сообщения. Тогда и был разработан компьютер "Колоссус", в котором насчитывалось 1500 ламп. Одним из первых суперкомпьютеров в США стал Атанасова-Берри массой в 27 тонн, он выполнял 357 операций умножения или 5 тысяч операций сложения в секунду. В нем было более 17 тысяч ламп.

В 60-х годах прошлого века лидером этого направления стал талантливый американский инженер Сеймур Крей. Созданный им в середине 70-х годов суперкомпьютер "Крей-1" выполнял 240 миллионов операций в секунду. Он на порядки превосходил все аналогичные машины того времени. Производительность первых суперЭВМ начала 70-х годов была, как у современных ПК. Планка в 1 Гигафлопс была преодолена суперкомпьютерами NEC SX-2 в 1983 году. В 1996 году суперкомпьютером ASCI Red взят барьер в Тфлопс. Рубеж 1 Петафлопс перейден в 2008 году суперкомпьютером IBM Roadrunner. Самым мощным суперкомпьютером в 2020 году стал японский "Фугаку". Скорость вычислений составляет 537 петафлопс (10 в 15 степени операций в секунду).