Суперкомпьютерный престиж и реальный смысл вычислительной гонки

Рубрики: Северная Америка, Россия/СНГ, Азия/Океания, ВПК/Hi-Tech/Оружие Опубликовано: 02-07-2018

Опубликован новый рейтинг Top500 самых мощных суперкомпьютеров мира и на этот раз американская машина взяла первое место, подвинув китайский суперкомпьютер. Недавно компания IBM сообщила о запуске своего нового суперкомпьютера, который назвали Summit и который был создан по заказу Национальной лаборатории Ок-Ридж (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) Министерства энергетики США. Производительность системы Summit оценивается в 200 петафлопс (200 квадриллионов операций в секунду).

Флопс — это FLoating-point Operations Per Second (операции с плавающей запятой в секунду).

После стандартного теста Linpack, который фиксирует рабочую производительность суперкомпьютера, реальный показатель американского Summit составил 122,3 петафлопс, а производительность бывшего чемпиона, китайского Sunway TaihuLight, напомним, составляет 93 петафлопс. Таким образом СШA вернули себе пальму первенства в самых производительных суперкомпьютерах, которую уступили Китаю в 2013 году.

Новый американский Summit состоит из 4608 двухпроцессорных серверов IBM AC922 на базе 22-ядерных процессоров IBM Power9, в каждом из которых работает 6 графических процессоров NVIDIA Tesla V100. Для внутренних соединений используется сеть Mellanox dual-rail EDR InfiniBand с пропускной способностью 200 Гбит/с на каждый сервер. Суперкомпьютер работает под управлением операционной системы Red Hat Enterprise Linux 7.4. Издание MIT Technology Review сообщает, что Summit весит больше, чем пассажирский авиалайнер, и занимает помещение площадью в 2 теннисных корта. 

Пиковая производительность Summit в приложениях глубокого обучения при полном оборудовании всех узлов может составить порядка 3,3 эксафлопс. Еще до окончательного завершения создания системы исследователи запустили на тензорных ядрах GPU вычисления по сравнению геномов, в ходе которых зафиксировали производительность Summit в 1,88 эксафлопс. По словам Томаса Захарии, директора Национальной лаборатории Ок-Ридж, это первый случай в истории, когда был преодолен барьер в 1 эксафлопс.

FST баннер.png

Хотя, надо отметить, что зимой Китай грозился к концу этого года запустить компьютер с производительностью в 1 эксафлопс – то есть квинтильон (10 в 18-й степени) операций в секунду, а в США ранее было выделено 258 млн долларов на создание суперкомпьютера с производительностью более 1 эксафлопс к 2021 году. Разработку, как было заявлено в 2017 году, ведут шесть американских компаний — Hewlett-Packard, IBM, Intel, NVIDIA, Cray и AMD. 

Символ мощи страны

Появление очередного суперкомпьютера — это своего рода престижная веха и показатель того, что может страна. Есть ли у нее ресурсы и умение. Есть ли бюджет от сотен миллионов долларов до свыше миллиарда на создание суперкомпьютера, есть ли энергетические мощности для его питания, есть ли инженерные решения для отвода тепла, есть ли свои процессоры, квалифицированные кадры и так далее. 

Министр энергетики США Рик Перри так прокомментировал появление Summit: «Сегодняшний запуск суперкомпьютера Summit демонстрирует американское лидерство в области научных инноваций и развития технологий. Это будет иметь огромное влияние на исследования в сфере энергетики, научные открытия, экономическую конкурентоспособность и национальную безопасность». 

Именно вопрос национальной безопасности можно считать ключевым, так как в США в крайней мере обеспокоены намерением Китая стать лидером в области искусственного интеллекта, что подразумевает применение ИИ и в военной сфере. 

Необходимо подчеркнуть, что уходящий на второе место китайский Sunway TaihuLight был прорывом для Китая в плане создания своей собственной вычислительной и элементной базы и ухода от применения зарубежных процессоров. Процессоры Sunway TaihuLight базируются на архитектуре локальной разработки ShenWei, созданной в государственном Шанхайском центре разработки высокопроизводительных интегральных схем (Shanghai High Performance IC Design Center). Система межпроцессорного соединения узлов, известная под названием Sunway Network, также была разработана в Китае. Кроме того, Sunway TaihuLight имеет собственную реализацию программного стандарта для параллельного программирования — операционную систему SunWay Raise OS 2.0.5 на базе Linux. Таким образом Китай смог преодолеть зависимость от американских элементов и введенных ограничений на поставки высокотехнологичной продукции с 2015 года.

Что касается России, то в 2009 году в МГУ установили суперкомпьютер «Ломоносов», который содержит 6654 вычислительных узла, более 94000 процессорных ядер, обладает пиковой производительностью 1,37 Пфлоп/с. Реальная производительность системы на тесте Linpack равна 674 Тфлоп/с, что позволило ему занять в июне 2011 года 13–е место в списке Top500 самых производительных компьютеров мира. 

В марте 2018 года в МГУ объявили, что закончена разработка и началась опытная эксплуатация нового раздела суперкомпьютера «Ломоносов-2» с пиковой производительностью 1.8 Пфлопс, что в будущем позволит ему подойти вплотную к рубежу в 5 Пфлопс. Новый раздел суперкомпьютера базируется на многоядерных процессорах Intel Skylake и процессорах NVidia Pascal P100 с аппаратной поддержкой высокоскоростного интерфейса NVLink 

В марте этого же года в России сотрудники Объединённого института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна представили новый суперкомпьютер «Говорун», который будет использоваться для обработки данных, получаемых с будущего коллайдера тяжёлых ионов NICA. Производительность «Говоруна» составляет 1 петафлопс. Суперкомпьютер построен на базе 72-ядерных процессоров Intel Xeon Phi 7290 и Intel Xeon Gold 6154. Информация между вычислительными узлами осуществляется с помощью технологии Intel Omni-Path на скорости 100 Гбит в секунду. 

Суперкомпьютеры в России появляются, но не такой производительности, чтобы попадать в рейтинг Top500. 

В январе этого года исполняющий тогда обязанности руководителя ЦКП «Сибирский Суперкомпьютерный Центр» ИВМиМГ СО РАН Игорь Черных говорил: «Суперкомпьютеры в России производят несколько компаний, наиболее известные — РСК, «Т-Платформы». Однако наша компонентная база на 99% импортная. Одно из последних мест в мире по производству и поставкам занимает РФ. За рубеж суперкомпьютеры почти не поставляются». 

По мнению директора по корпоративным коммуникациям группы компаний РСК Олега Горбачева ситуацию может исправить появление Национальной программы: «Для развития производства нам как раз и нужна национальная программа. США и Китай львиную долю этих систем в рейтинге имеют именно потому, что у них есть национальная программа, потому что есть государственное понимание, что это нужно, и все это расписано в программах и подкреплено в бюджетах». 

Какие задачи решает суперкомпьютер

Упрощенно говоря, суперкомпьютер нужен для того, чтобы работать с огромным количеством данных и переменных. Работать с информацией, измеряемой в эксабайтах (10 в 18-й степени байт), и в иоттабайтах (10 в 24-й степени байт). И работать не просто с объемами, но и быстро. Например, вычисления метеорологических условий окажутся бессмысленны, если будут длиться дольше, чем наступление того или иного погодного явления, которые мы пытаемся спрогнозировать.

FST баннер.png

Другой вопрос, что трудности возникают не столько с количеством операций в секунду, а с проработкой тех алгоритмов, которые требуют таких скоростей и такого количества процессоров. То есть, технические возможности совершенствуются, но им нужны и математические модели, программная начинка — понимание, как и что именно считать. 

Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИПМ им. М.В.Келдыша Андрей Кулешов рассказывает, что есть определенная специфика при использовании суперкомпьютерной техники: «Разработанное для маломощных машин и эффективно на них функционирующее программное обеспечение совершенно не годится для суперкомпьютеров, особенно гибридных архитектур, где вместе с обычными процессорами используются, например, графические ускорители. Без создания специальных алгоритмов, которые предназначены для работы на этих вычислительных архитектурах, возможности суперкомпьютеров реализовать не удастся».

В этой связи российские ученые считают, что отставание России от США и Китая в пентафлопах не так страшно в суперкомпьютерной гонке, и что ключом к эффективному использованию машин останется высокий математический уровень и высокий класс специалистов в области программного обеспечению в России. 

Для чего уже сейчас используются суперкомпьютеры? 

Сферы применения разнообразны. Испанский суперкомпьютер MareNostrum (так называли Средиземное море древние римляне-язычники) находится в помещении бывшей христианской часовни Торре Жирона, теперь он используется для вычислений в интересах генной инженерии, астрофизики, в создании новых лекарств и прогнозировании погоды. 

Но не все зациклено только на масштабных научных изысканиях. Бизнес также активно внедряет применение суперкомпьютеров. Например, компания Ford использует суперкомпьютер при выполнении crash-тестов, когда автомобили разбиваются о препятствие и необходимо снимать, замерять и анализировать массу параметров. Использование суперкомпьютера позволяет сокращать количество разбиваемых реальных автомобилей и сокращать затраты на тесты на треть, экономя миллионы долларов.

Компания DuPont при помощи суперкомпьютеров помогла синтезировала новый материал, имеющий такие качества как невоспламеняемость, стойкость к коррозии и низкую токсичность,. За одну неделю были проведены необходимые расчеты на суперкомпьютере с общими затратами около 5 тысяч долларов. Исследование «по старинке» обошлось бы как минимум в 50 тысяч долларов и в три месяца работы. 

С 1990 года партнером турнира «Уимблдон» в области технологий является американская компания IBM, которая предоставляет организаторам турнира суперкомпьютер Watson. В конкурентной борьбе за посещаемость именно этого турнира, за зрителей и фанатов с помощью суперкомпьютера анализируют социальные сети, чтобы выявлять позитивные и негативные настроения болельщиков, выдавать комментаторам любые сравнительные данные из архивов, автоматизировать маркетинг и PR в интернете и социальных сетях. 

Французской компании «Тоталь» при нефтеразведке применяет суперкомпьютер для анализа информации о недрах. Моделирование позволяет не прибегать к бурению, когда есть сомнения в наличие нефти. В одном таком случае отказ от бурения сэкономил компании около 80 млн долларов. 

Что касается нового американского суперкомпьютера, то некоторые проекты получат доступ к нему уже в этом году для моделирования взрыва сверхновой на разных масштабах, моделирование субатомного поведения материалов, выявления факторов, вызывающих онкологические заболевания, и изучения взаимодействия белков и клеточных систем.

Основным заказчиком на 2019 год будет министерство энергетики, которое использует его для своих вычислений в области альтернативной энергии. Ожидается, что Summit будет также использоваться в сфере применения искусственного интеллекта в 2019 году. 

Если говорить о конкретных примерах с российским МГУ, то совместной группой мехмата МГУ и Института прикладной математики РАН получены результаты по численному моделированию формирования и развития концевых вихрей на сверхзвуковых режимах, решался ряд задач обработки сейсмических данных, для нужд РКК «Энергия» были проведены расчеты обтекания космического корабля при торможении в атмосфере и посадки на ее поверхность. На «Ломоносове» также была решена задача о массотеплообмене для перспективного ядерного реактора. В апреле ученые физического факультета МГУ исследовали разные типы реакций полимеризации с помощью компьютерного моделирования на суперкомпьютере «Ломоносов-2».

Весной этого года стало известно, что «Росатом» и «Роскосмос» начинают испытывать в виртуальной реальности в рамках моделирования на суперкомпьютере двигатели для новой российской сверхтяжелой ракеты. Проект начался еще в 2014 году и обошелся почти в 270 млн рублей. 30 января 2018 года подписан акт о приемке работ по разработке софта для виртуальных тестов.

Для чего можно использовать суперкомпьютеры в будущем? 

Вариантов множество. Для увеличения точности метеопрогнозов, для медицинского прогнозирования, для выявлении связи между генами и раковыми заболеваниями, для моделирования турбулентности, процессов горения, для разработки новых материалов, новых лекарств, для моделирования работы новой техники, расчета деформаций твердых тел с учетом процессов разрушения, контроля над роями дронов, моделирования применения современных вооружений, для анализа данных, получаемых со спутников и беспилотников, криптографии, моделирования воздействия электромагнитного излучения на композиционные материалы (в частности, на покрытия летательных аппаратов), моделирования работы мозга и так далее. Суперкомпьютеры также будут задействованы для профилирования личности и внедрения систем распознавания лиц, мониторинга активности и социального рейтинга в Китае. А по некоторым прогнозам, суперкомпьютеры смогут точно смоделировать погодную систему Земли целиком после достижения ими производительности, превышающей 1 зетафлопс (1000 эксафлопс), появление которой ожидают к 2030 г. 

Кто имеет доступ 

Важна не только производительность лучшего суперкомпьютера, но и общее количество машин в стране и их доступность. Чем больше вычислительных центров, тем больше организаций и институтов могут получить доступ к ним, и тем больший спектр задач может быть решен в самых разнообразных отраслях, включая военные. 

Если говорить о России, то возможностями только одного суперкомпьютерного комплекса Московского университета сегодня пользуются 2500 специалистов из 20 подразделений МГУ, более 100 институтов Российский академии наук, более 100 университетов России. 

Согласно данным проекта Top500, страной с наибольшим числом сверхмощных вычислительных машин на июнь этого года является Китай — ему принадлежит 206 суперкомпьютеров из рейтинга (шесть месяцев назад была 201 система). В то же время США сократили свою долю в рейтинге с 143 систем до 124. Но можно отметить, что по совокупной производительности всех систем в стране США на этот раз обогнали Китай. Американская общая производительность составляет 38,2% от всей производительности Top500, а китайская — 29,1%.

После Китая и США по количеству суперкомпьютеров в рейтинге идут Япония (36 систем), Великобритания (22 системы), Германия (21 система), Франция (18 систем).

У России четыре суперкомпьютера в рейтинге, на один больше, чем в предыдущем списке шесть месяцев назад. «Ломоносов-2» занял 72-ю позицию в рейтинге, компьютер в Росгидромете занял 172-ю позицию, «Ломоносов» занял 326-ю позицию и суперкомпьютер в Курчатовском институте занял 458-ю позицию.

Что дальше? 

А дальше в июне мы ждем новый рейтинг Top500, а передовые страны будут работать над преодолением физических ограничений существующих суперкомпьютеров. Компании сосредоточатся на создании таких технологий, как кремниевая фотоника, нейроморфные и квантовые вычисления, создание биокомпьютеров и клеточных компьютеров. Например, компанией IBM в 2014 году по первым направлениям были открыты научно-исследовательские программы с объёмом финансирования в 3 млрд долларов. 

Ускорение разработки новых материалов и технологий с помощью суперкомпьютеров по разным направлениям может в итоге дать совокупный гигантский толчок к развитию стран и их технологическом отрыве от конкурентов. Это понимают многие и стремительный рост производительности компьютеров называют даже революцией в развитии цивилизации.

Илья Плеханов

FST баннер.png

Социальные сети