Что такое суперкомпьютер и что он умеет. Объясняем простыми словами

Суперкомпьютер — сверхмощная вычислительная система, способная производить более квинтиллиона (миллиарда миллиардов) операций в секунду. Состоит из тысяч или даже миллионов процессоров, работающих параллельно.

Суперкомпьютеры помогают учёным и инженерам моделировать всё — от взрывов звёзд до поведения вирусов, и делают это с невероятной точностью и скоростью.

Эксперт статьи:

лексей Зотов руководитель направления ИТ-инфраструктуры компании «К2Тех»

Проще говоря, суперкомпьютер — это гигантский мозг, который может думать в миллионы раз быстрее, чем обычный компьютер.

Представьте, что вам нужно решить сложнейшую математическую задачу, требующую миллиардов вычислений. Обычному компьютеру потребуются дни или даже недели, чтобы справиться с этим, а суперкомпьютер решит её за считаные минуты.

Суперкомпьютеры могут занимать сотни квадратных метров и весить десятки тонн. Чаще всего они выглядят как множество серверных стоек в специальном помещении (дата-центре).

Как работают суперкомпьютеры

Суперкомпьютеры разбивают сложные задачи на множество мелких частей и обрабатывают их одновременно с помощью тысяч или даже миллионов процессоров. Каждый из них выполняет свою часть задачи, а затем результаты объединяются в единое решение.

Важный элемент суперкомпьютеров — высокоскоростные соединения (интерконнекты), которые позволяют процессорам быстро обмениваться данными. Это важно, так как для решения сложных задач процессоры должны постоянно синхронизироваться и делиться промежуточными результатами.

Для управления всей этой мощью требуется специальная программа, которая помогает распределять задачи между процессорами и координировать их работу.

Наконец, суперкомпьютеры оснащены эффективными системами охлаждения. Ведь тысячи процессоров, работающих одновременно, выделяют огромное количество тепла. Вентиляторов иногда не хватает, поэтому иногда тепло отводят с помощью жидкости — совсем как из моторов автомобилей. Некоторые суперкомпьютеры даже обогревают этим теплом соседние здания.

Зачем нужны суперкомпьютеры

Суперкомпьютеры применяют там, где требуется обработка огромных объёмов данных или выполнение сложных вычислений.

В науке они:

моделируют климатические изменения, прогнозируют погоду и помогают предсказывать природные катастрофы, такие как ураганы и наводнения;
используются для моделирования галактик, звёзд и чёрных дыр, помогая учёным лучше понимать устройство Вселенной;
анализируют генетические данные, ускоряя разработку лекарств и персонализированных методов лечения.

Например, они сыграли ключевую роль в исследованиях COVID-19, анализируя тысячи соединений для поиска эффективных препаратов.

В промышленности:

моделируют аэродинамику, тестируют прочность материалов и оптимизируют конструкции самолётов и автомобилей, делая их более безопасными и энергоэффективными;
помогают в разработке новых источников энергии, включая моделирование ядерных реакций и оптимизацию добычи нефти и газа;
используются для обучения сложных нейронных сетей.

Boeing сократил затраты на разработку крыла самолёта в 7 раз, заменив физические испытания прототипов на симуляции в суперкомпьютере.

Кроме того, суперкомпьютеры применяют в сфере финансов и бизнеса. Там они анализируют рыночные тренды, оптимизируют инвестиционные стратегии и помогают в борьбе с киберугрозами.

Кто и как производит суперкомпьютеры

Суперкомпьютеры создают крупные технологические компании и исследовательские институты

Кто производит суперкомпьютеры

Другие компании: Dell, Nvidia и китайская Dawning также играют важную роль в производстве суперкомпьютеров.

Примеры мощных суперкомпьютеров и их особенности:

Frontier (HP). Это первый в мире суперкомпьютер, достигший производительности такого уровня, что обрабатывает более квинтиллиона (1 000 000 000 000 000 000) операций в секунду. Он установлен в Национальной лаборатории Ок-Риджа в США и состоит из 74 шкафов, каждый из которых весит около 3,6 тонны. Frontier решает задачи, которые потребовали бы более четырёх лет для выполнения всеми людьми на планете вместе взятыми.
Fugaku (Fujitsu). Производительность: 442 квадриллиона (442 000 000 000 000 000) операций в секунду. Находится в Японии. Название связано с горой Фудзи, что подчёркивает его мощь.

Lumi (совместная разработка десяти европейских стран). Самый мощный суперкомп в Европе, находится в Финляндии. Мощность: 375 квадриллиона (по другим данным, 550) операций в секунду. Он энергоэффективен и экологически чист — охлаждается естественным образом и использует гидроэлектрическую энергию, производя 20% тепла для окрестных зданий.
Sierra от IBM и Nvidia, развернутый в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США). Производительность: 71,6 квадриллиона операций в секунду. Sierra построен на базе процессоров IBM POWER9 и GPU-ускорителей NVIDIA Volta. Основное назначение системы —моделирование ядерных испытаний и физики плазмы.

Суперкомпьютеры в России

В России несколько производителей суперкомпьютеров.

РСК. Создаёт системы с погружным охлаждением: - «Говорун» (ОИЯИ) — для ядерных исследований. - «РСК Торнадо» (МФТИ) — для обучения нейросетей. - «Сергей Годунов» (ИМ СО РАН).
«Яндекс» и «Сбер» — частные гиганты. Их машины («Червоненкис», «Кристофари») входят в мировой топ-500. Эти суперкомпьютеры используют для развития ИИ.
«К2 НейроТех» — специализируется на суперкомпьютерных и ИИ-решениях. Компания развернула суперкомпьютер «Оракул» для Центра НТИ на базе Новосибирского государственного университета. Решение в 10–12 раз ускорило выполнение сложных математических расчётов при разработке новых типов материалов и проектировании изделий для промышленных предприятий.
Т-Платформы — разработала суперкомпьютер «Ломоносов-2» для МГУ. После 2019 года активность фирмы снизилась на фоне ареста гендиректора.

Системы Росатома для ядерных расчётов не публикуются в рейтингах, но считаются самыми мощными в стране. А ещё в Новосибирске есть «Лаврентьев» — первый академический суперкомпьютер за Уралом.

В 2025 году совокупная мощность российских суперкомпьютеров в 4 раза меньше, чем у японского Fugaku. В рейтинге 500 мощнейших машин у России лишь несколько образцов.

Почему так? Сказывается зависимость от импорта: 90% затрат — зарубежные компоненты (процессоры AMD, графические ускорители Nvidia). Плюс санкции блокируют доступ к новым чипам.

Президент Владимир Путин в 2024 году поручил увеличить мощность отечественных суперкомпьютеров в 10 раз, а правительство закрепило планы в нацпроектах «Наука» и «Цифровая экономика».

Чтобы стимулировать компании, государство с 2025 года будет компенсировать часть затрат на электросети через проект «Искусственный интеллект».

Как будут развиваться суперкомпьютеры

В ближайшие годы ожидается появление машин в 20 раз мощнее нынешних лидеров. А к 2036 году суперкомпьютеры должны выполнять секстиллионы (сумма с 21-м нулём: 1 000 000 000 000 000 000 000) операций в секунду.

Это позволит решать задачи, которые сегодня кажутся фантастикой, например моделирование всей Земли в реальном времени или создание точных симуляций человеческого мозга.

Также суперкомпьютеры станут «мозгом» мощных ИИ-систем, способных управлять мегаполисами в реальном времени — от распределения энергии до предотвращения пробок. Например, NVIDIA Selene уже обучает нейросети для беспилотных автомобилей.

Ещё в будущем суперкомпьютеры будут чаще интегрироваться с облачными платформами, что позволит исследователям и компаниям получать доступ к вычислительным ресурсам без необходимости строить собственные системы. Это сделает суперкомпьютеры более доступными для широкого круга пользователей.

Однако разработка новых машин требует огромных инвестиций — например, суперкомпьютер Frontier обошелся в $600 млн, а его ежегодное энергопотребление сравнимо с затратами небольшого города.

Факты из истории суперкомпьютеров

Первые суперкомпьютеры появились в 1960-х годах.
Одной из ключевых фигур в этой области стал американский инженер Сеймур Крей. Он разработал CDC 6600 — первый коммерчески успешный суперкомпьютер, выпущенный в 1964 году.
История суперкомпьютеров в России началась в 1980-е годы.