Академик РАН Владимир Фортов при каждой возможности поднимает вопрос о необходимости создания в России мощных суперкомпьютеров. Кому-то подобная активность может показаться навязчивой, другие заметят, что достаточного количества задач для сверхмощных ЭВМ в России пока нет, а возможностей потратить силы и средства на насущные проблемы – более чем достаточно. Однако Фортов утверждает, что без использования новейших суперкомпьютеров наша страна никогда не сможет войти в пятёрку ведущих мировых научных держав.
Портал profiok.com рассказывает о российских суперкомпьютерах, о спектре задач, которые предстоит решать с их использованием, и о том, почему академик Фортов утверждает, что инвестиции в инфраструктуру должны быть упреждающими.
Что такое суперкомпьютер?
Производительность компьютера измеряется количеством арифметических операций, которые он может выполнять в единицу времени. В середине прошлого века «продвинутые» ЭВМ выполняли десятки или сотни операций в секунду. Сегодня, как рассказал Владимир Фортов в интервью порталу «Будущее России. Национальные проекты», в обыкновенной стиральной машине процессор выполняет около миллиарда операций в секунду. Эта мощность называется гигафлопс.
Несложно догадаться, что для решения современных научных задач процессора из стиральной машины уже недостаточно. Особенно если учесть, что, согласно закону Мура, производительность компьютеров каждые два года удваивается, а каждые 10 лет мы переходим фактически в новую технологическую эпоху.
Мощные современные машины описываются в категориях петафлопс (десять в пятнадцатой степени операций в секунду, то есть миллион стиральных машин) и экзафлопс (десять в восемнадцатой степени операций в секунду, то есть миллиард стиральных машин или тысяча петафлопс). Впрочем, экзафлопсный компьютер ещё не создан, но соответствующие разработки ведутся в целом ряде стран.
Для чего нужны мощные ЭВМ?
Во-первых, человечество накапливает колоссальный объём данных, которые нужно как-то обрабатывать. Данные очень разные – потоковые, то есть никак не структурированные, частично структурированные по каким-то признакам и так далее. Таким образом, требуются ресурсы как для хранения этих разноформатных данных, так и для их анализа и поиска корреляций.
Ещё больших ресурсов требуют экспериментальные установки. Как рассказывал пару лет назад Владимир Фортов, NASA или министерство энергетики США попросту запрещают своим учёным выходить к натурным испытаниям «в железе», если не было проведено и учтено в проекте полноценное трёхмерное моделирование.
Вообще ценность применения математических методов с годами существенно возрастает. Совершенно разные явления – от физических и химических до социальных – описываются математическими моделями. Более того, численный эксперимент даёт возможность получать информацию в разы быстрее, чем в ходе традиционного научного эксперимента.
До недавнего времени наша страна оставалась в числе технологических лидеров, проигрывая конкурентам в компьютерных мощностях, но заметно опережая их по уровню и качеству софта, то есть программного обеспечения. Скажем, исходные уравнения, описывающие взаимоотношения массы, импульса и энергии, универсальны для всех процессов. Но чтобы проводить вычисления, связанные с плавлением, ионизацией, передачей давления и так далее, нужны совсем другие модели, в которых учитываются свойства материала, например, его прочность и теплопроводность. Как уверяет академик Фортов, если не использовать правильные модели состояния и разрушения материала, то совершенствованием численных алгоритмов решения разностных и дифференциальных уравнений добиться ничего нельзя. Как, впрочем, и наращиванием вычислительных мощностей. В сфере моделирования у нашей страны пока есть конкурентные преимущества благодаря сильной школе прикладной математики, созданной в советские годы. Но ситуация постепенно меняется, и вычислительные мощности нужно «подтягивать» под новый класс задач.
Владимир Фортов не согласен, что под петафлопсные машины придётся искусственно придумывать задачи. По его мнению, таких задач предостаточно, просто новый класс вычислительной техники даст возможность подступиться к задачам, которые до сих пор были недоступны.
К числу таких задач Фортов относит, например, задачи, учитывающие квантовые эффекты. Дело в том, что используемые для расчётов уравнения Эйлера и Навье-Стокса не учитывают квантовые эффекты. Но мы живём в квантовом мире, и классическое столкновение шаров – пример из квантовой механики. При этом квантовые эффекты не локальны и охватывают всю область расчётов, а значит, требуют при моделировании значительных ресурсов.
Другой пример – релятивистские задачи, описывающие столкновение тяжёлых ядер, где время столкновения составляет десять в минус четвёртой степени секунды (одна десятая миллисекунды). Понятно, что физически что-то измерить в этом случае невозможно, а смоделировать и сделать физические выводы можно вполне, и в США уже появились такие разработки.
Словом, в современном мире задачи, требующие математического моделирования и проведения «цифрового» эксперимента, появляются буквально во всех областях знаний от ядерной физики до наук о Земле или обществе. Кроме того, есть широкий спектр задач, решаемых российскими оборонщиками при создании новейших вооружений. Например, задачи, связанные с гиперзвуком.
«Если не будем держать перед собой цель – экзафлопсную, 10 экзафлопс и так далее, мы отстанем навсегда», – резюмирует Владимир Фортов.
Есть ли в России ЭВМ такого класса?
Как уже было сказано выше, экзафлопсные компьютеры – дело ближайшего будущего, не считая прототипов, созданных в США и Китае. Российские учёные пока используют машины попроще.
Например, для Объединённого института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН), научным руководителем которого является академик Фортов, Ростех недавно запустил суперкомпьютер «Фишер» с пиковой производительностью 13,5 терафлопс. Он дополнит уже работающий в ОИВТ РАН суперкомпьютер DESMOS мощностью 52,24 терафлопс.
Самые мощные российские суперкомпьютеры на сегодня – это «Ломоносов» и «Ломоносов 2», установленные в МГУ имени М.В. Ломоносова. Линейная производительность первого – 900 терафлопс, второго – 2,5 петафлопс. Есть машины подобного класса в Гидрометцентре и в Сбербанке.
Во время посещения Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне слушателям спецкурса ИНЭС для руководства и кадрового резерва предприятий ОПК продемонстрировали запущенный в ОИЯИ суперкомпьютер «Говорун». Он разработан российской компанией РСК и назван в честь учёного Николая Говоруна, много лет руководившего Лабораторией информационных технологий ОИЯИ.
Мощная машина кардинально ускорит комплексные теоретические и экспериментальные исследования в области ядерной физики и физики конденсированных сред, проводимые в ОИЯИ. Кроме того, на нём обрабатываются данные коллайдера NICA, запущенного в 2019 году.
Представители ОИЯИ тогда объяснили оборонщикам, что для решения всех этих задач, возможно, можно было бы обойтись и более простым решением. Однако учёные привыкли ориентироваться на будущее, а в будущем потоки данных и задач по их обработке неминуемо будут нарастать.
Стоит сказать, что пользоваться всеми этими суперкомпьютерами могут и другие организации, поскольку современные технологии вполне допускают распределённые вычисления. Но, как утверждает Владимир Фортов, эти машины всё время перегружены, и учёным РАН и других университетов приходится месяцами ждать свободного машинного времени.
Десять миллиардов за лидерство
По мнению Фортова, создать суперкомпьютер именно в РАН очень важно, чтобы на базе Академии объединить учёных разных специальностей.
«Сегодня мы задыхаемся без современных и мощных ЭВМ петафлопсного диапазона и экзафлопсного диапазона», – заявил Фортов в ходе совместного заседания президиума Госсовета и Совета по науке и образованию 6 февраля 2020 года. По словам академика, этот мегапроект также имел бы большое значение для учёных из регионов, которые могли бы получить возможность участвовать в распределённых вычислениях.
Как заявил Фортов порталу «Будущее России. Национальные проекты», «инфраструктура всегда должна обгонять потребности». Академик пояснил, что если, к примеру, число аэродромов в стране будет в точности соответствовать объёму пассажиропотока, то когда пассажиропоток вырастет, а он неминуемо вырастет, наступит коллапс, потому что построить новые аэродромы мы не успеем. Помимо этого, стоит задуматься и о разработке принципиально нового программного обеспечения, и алгоритмов, которые будут работать на новой архитектуре, а также о подготовке специалистов, способных ставить задачи сверхмощным машинам и интерпретировать полученные результаты.
По расчётам Владимира Фортова, на создание такой машины потребуется два-три года и 10 миллиардов рублей. По правде говоря, это не так уж и много для страны, стремящейся прочно обосноваться в пятёрке стран, лидирующих в области высоких технологий.