Прожорливый шкаф

Зачем в России создают мощнейшие суперкомпьютеры мира

Фото: Morris MacMatzen / Getty Images

В последние годы Россия уверенно держится в первой сотне топ-500 самых мощных суперкомпьютеров мира. Не в последнюю очередь это заслуга МГУ, ведь на территории университета находится мощнейший суперкомпьютер СНГ — «Ломоносов-2», разработанный компанией «Т-платформа». «Лента.ру» побеседовала о ситуации с российскими суперкомпьютерами и перспективах отрасли с заместителем директора НИВЦ (Научно-исследовательского вычислительного центра), профессором факультета вычислительной математики МГУ Владимиром Воеводиным.

Принципиально суперкомпьютеры от обычных ПК ничем не отличаются: в них есть процессоры, видеокарты, оперативная память и прочее. Но всего больше — больше ядер, больше гигабайт и больше мощности. Однако простое суммирование тысяч персональных компьютеров еще не даст в итоге суперкомпьютер: нужно обеспечить очень быструю связь процессоров между собой и установить специальное ПО, которое поддерживает работу подобного монстра как единого компьютера.

Со снижением стоимости оборудования суперкомпьютеры все чаще применяются для решения задач бизнеса. К примеру, автопроизводители с помощью суперкомпьютеров проводят виртуальные краш-тесты автомобилей, что выходит значительно дешевле и быстрее реальных испытаний. Но основным применением суперкомпьютеров было и остается решение сложных вычислительных задач из различных областей науки.

Великое наследие

«История развития суперкомпьютеров в нашей стране берет начало примерно в середине XX века. Появлявшиеся тогда компьютеры (а слова «суперкомпьютер» тогда еще не было — любой компьютер был по масштабам сходен с нынешними суперкомпьютерами) умели выполнять тысячи операций в секунду — не сравнить с квадриллионами операций в секунду для самых мощных современных систем», — рассказывает Воеводин.

Первым советским суперкомпьютером считается БЭСМ-6 (Большая электронно-счетная машина), серийно выпускавшаяся с 1968 по 1987 год. Это первая советская ЭВМ, в которой был реализован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). БЭСМ-6 могла выполнять до одного миллиона одноадресных команд в секунду, имел рабочую частоту в 10 мегагерц и занимал площадь до 200 квадратных метров. Во многом эта машина определила будущее суперкомпьютеров в Советском Союзе, многие особенности БЭСМ-6 можно встретить в том или ином виде в современных суперкомпьютерах.

Сейчас мощнейшим компьютером в России и СНГ является «Ломоносов-2», запущенный в 2014 году. На тот момент он состоял из 1280 узлов на платформе процессоров Xeon E5 v3 с 37 тысячами ядер и ускорителей Nvidia K40M. Его пиковая производительность составляла 2,58 петафлопс при энергопотреблении около 0,65 мегаватт.

К текущему моменту «Ломоносов-2» несколько раз модернизировали, и теперь его производительность составляет 4,9 петафлопс. Основа новых узлов — процессоры NVIDIA P100. К разделам с прежними узлами добавили новые, и сейчас все работает как единый суперкомпьютерный комплекс. Для охлаждения суперкомпьютера используется «горячая вода» (до +44 градусов по Цельсию) — это позволяет даже летом охлаждать систему обычным атмосферным воздухом, что значительно снижает энергопотребление. Для связи процессоров между собой использована уникальная топология Flattened Butterfly, которая позволяет найти оптимальный баланс между стоимостью коммуникационного оборудования и эксплуатационными характеристиками сети.

«Кроме суперкомпьютеров МГУ "Ломоносов" и "Ломоносов-2" среди самых мощных российских систем можно упомянуть суперкомпьютеры "Политехник — РСК Торнадо" (Санкт-Петербургский политехнический университет), "МВС-10П" (Межведомственный суперкомпьютерный центр РАН), суперкомпьютеры в НИЦ "Курчатовский институт", "Лобачевский" в Нижегородском государственном университете имени Лобачевского, "РСК Торнадо ЮУрГУ" в Южно-Уральском государственном университете и другие. Недавно в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) был установлен суперкомпьютер, названный в честь выдающегося российского ученого Н.Н. Говоруна», — перечисляет Воеводин.

Нарасхват

«Мы не нефтедобывающая компания, где результатом является освоение месторождения. Мы не авиационный КБ, где результатом является создание двигателя нового поколения. Но проекты, ведущиеся с использованием суперкомпьютерного комплекса Московского университета, закладывают ту необходимую основу, без которой немыслимо ни освоение месторождений, ни создание авиадвигателей, ни получение практических результатов в других областях», — объясняет Воеводин.

Суперкомпьютерный центр МГУ (СКЦ) работает в режиме 24/7 — из-за высокой востребованности суперкомпьютерных ресурсов, и в очереди обычно стоят 100-200 заданий, ожидающих освобождения нужного числа процессоров. В настоящее время в центре работает около 2500 пользователей, выполняется 800 проектов, ведущихся учеными из 20 подразделений МГУ, 200 институтов РАН и российских университетов.

Среди исследований, проводимых в СКЦ, есть исследование механизма образования тромбов в крови, моделирование посадки спускаемой капсулы космического аппарата, разработка алгоритмов сейсморазведки, моделирование турбулентных течений жидкости и газа, моделирование энергоблоков атомных электростанций, проектирование ультразвуковых томографов для раннего выявления раковых образований, исследование молекулярной природы болезни Альцгеймера и многое, многие другие.

«На основе работ пользователей мы подготовили и выпустили уже семь научно-популярных альманахов "Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности", каждый содержит описание 25-30 задач, решаемых с помощью суперкомпьютерных систем», — рассказал собеседник.

Красивые цифры

Согласно рейтингу суперкомпьютеров TOP500, «Ломоносов-2» занимает 63 место, он один из трех российских суперкомпьютеров, которые вообще представлены в списке. По мнению Воеводина, у России есть все шансы занять позицию выше, однако сделать это невозможно из-за недостаточного финансирования. Более того, в МГУ своими силами уже создали инженерную инфраструктуру, позволяющую увеличить мощность суперкомпьютерного комплекса до 100 петафлопс и выше, но подходящего «железа» еще нет.

«Наши суперкомпьютеры технологически ничем не уступают конкурентам. Основной вопрос — это внимание государства к данной области и, как следствие, выделяемое финансирование. Во всех индустриально развитых странах сформированы и реализуются государственные программы по развитию суперкомпьютерных вычислений — в первую очередь в Китае, США, Японии, Евросоюзе, Индии. При достаточном финансировании можно создать очень мощные системы и у нас в стране, причем силами отечественных компаний», — рассказал Воеводин.

В тестах вроде Graph500 (оценка системы по скорости поиска ширины в большом ненаправленном графе) на суперкомпьютере «Ломоносов» был получен результат, позволивший ему оказаться на третьем месте в рейтинге по масштабам решаемой задачи, значительно опережая все суперкомпьютеры мира по скорости решения.

В ближайшем будущем планируется сдать в эксплуатацию новый комплекс, построенный на основе процессоров IBM Power8 и процессоров NVIDIA P100, с приоритетной ориентацией на поддержку учебного процесса. При этом сохраняется возможность дальнейшей модернизации «Ломоносова-2» и создания новых суперкомпьютеров с использованием новой зарубежной или отечественной элементной базы.

«Посчитать, смоделировать, предсказать сегодня можно практический все, но чтобы это сделать — необходимы высококвалифицированные специалисты самого разного профиля, подготовка которых налажена в Московском университете», — заключил Воеводин.

Марс наш

Россияне полетели на Красную планету, но их сгубила водка: Surviving Mars