В мировой ТОП-500 входят только два отечественных суперкомпьютера, а мощность всего национального парка супервычислителей держит Россию пока на 18 месте в глобальном зачете. Что нужно: ум, деньги, воля, чтобы принципиально изменить расклад? Этот чувствительный вопрос четко сформулировал на последнем Совете по науке при Президенте РФ ректор МГУ Виктор Садовничий. 

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.

Фото: Владимир Крайнов / ТАСС 
 
 
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).​ 

Автор: Юрий Медведев.

Источники

Почему в ТОП-500 пока входят только два отечественных суперкомпьютера
Российская газета (rg.ru), 02/03/2021
Гонка вычислений. Мировая
Российская газета, 03/03/2021
"Российская газета". Обзор "Гонка вычислений. Мировая"
Научная Россия (scientificrussia.ru), 03/03/2021

Похожие новости

  • 28/12/2020

    Сеть математических центров: успехи и результаты работы

    ​Сеть математических центров объединяет международные математические центры мирового уровня, созданные в рамках нацпроекта «Наука», и региональные научно-образовательные математические центры (НОМЦ), созданные в рамках реализации Концепции развития математического образования в Российской Федерации, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 24 декабря 2013 г.
    523
  • 11/11/2020

    Математика мирового уровня, информационные технологии, подводные роботы, исследования космоса и Байкала

    ​Институт динамики систем и теории управления имени В. М. Матросова СО РАН (Иркутск) — один из самых молодых в плеяде академических учреждений Приангарья. Создание в Иркутске вычислительного центра планировалось еще в 1960-е годы академиком Львом Александровичем Мелентьевым, но по ряду причин его создание началось позже.
    374
  • 15/02/2021

    Экзистенциальный смысл науки в свободе: молодой учёный об исследованиях в Арктике и собственном пути в науку

    На одном из заседаний президиума РАН молодой ученый Александр Осадчиев представил результаты исследования речных стоков в Арктике. Настоящая детективная история в масштабах планеты! Распространение речного стока в Арктике влияет на глобальные климатические процессы.
    335
  • 17/02/2021

    Академик Борис Четверушкин о создании суперкомпьютерной инфраструктуры в России

    На создание сети суперкомпьютерных центров в России нужно потратить около 100 млрд рублей, считает научный руководитель Института прикладной математики им. Келдыша РАН Борис Четверушкин. Об этом он рассказал на заседании президиума Российской академии наук (РАН).
    318
  • 01/03/2021

    Гонка вычислений: почему наши суперкомпьютеры отстают от зарубежных?

    В феврале исполнилось 110 лет со дня рождения академика Мстислава Келдыша — главного теоретика советской космонавтики и выдающегося организатора науки. ​Он руководил работами по созданию ЭВМ для нужд атомной и ракетно-космической отрасли, развивал вычислительную технику и прикладную математику.
    282
  • 09/02/2021

    Иркутские учёные: Для нашей работы важно вдохновение

    8 февраля отмечается День российской науки. Этот праздник впервые стал отмечаться во время празднования 275-летия Российской академии наук в 1999 году. В преддверии Дня науки мы отправились в ближайшую к Иркутску обсерваторию, чтобы еще раз увидеть тех, кто работает на одном из важнейших научных объектов Приангарья.
    256
  • 12/02/2021

    Искусственный интеллект в борьбе с коронавирусом

    Красноярские ученые придумали, как использовать искусственный интеллект для более точного определения площади поражения легкого коронавирусом и даже прогнозировать возможные осложнения. Это позволит врачам быстро назначать больному необходимую терапию и реабилитировать его после перенесенного ковида.
    572
  • 08/02/2021

    Объявлены имена лауреатов премии президента РФ для молодых учёных

    Лауреатов премии президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за 2020 год объявил помощник президента РФ Андрей Фурсенко на пресс-конференции в ТАСС.  Нанокристаллы и выявление подделок Так, одна из премий присуждена заведующему лабораторией Федерального научно-исследовательского центра "Кристаллография и фотоника" РАН Евгению Хайдукову за разработку передовых технологий на платформе антистоксовых нанокристаллов.
    373
  • 11/11/2020

    Город учёных посреди сибирской тайги: фоторепортаж об Академгородке Новосибирска

    Новосибирский Академгородок известен далеко за пределами самого Новосибирска. Основанный в 1957, город ученых собрал на своей территории десятки научно-исследовательских институтов, за что одна из его улиц – проспект Академика Лаврентьева – внесена в Книгу рекордов Гиннеса как «самая умная улица в мире».
    2640
  • 09/02/2021

    Наука для экономики. Чем живёт сфера открытий в Омске

    Омский научный центр создан в регионе чуть больше 30 лет назад. Появление центра стало промежуточным этапом развития омской академической науки. Разработки  омских учёных стартовали много раньше: сначала появились лаборатории и филиалы институтов Новосибирского академгородка.
    330