Будем прорываться: российские суперкомпьютеры

Государства, претендующие на технологический суверенитет, в обязательном порядке должны уметь самостоятельно строить суперкомпьютеры. Или на первое время хотя бы покупать у других. Эффективные и чрезвычайно дорогостоящие вычислительные машины являются двигателями прогресса в стране и в мире. В прямом смысле. Среди важнейших предназначений «суперов» выделяется сложное трехмерное моделирование различных процессов. Например, в авиастроительной отрасли вычислительные системы позволяют заметно ускорить аэродинамические расчеты фюзеляжа и других критически важных систем. Суперкомпьютеры попали даже в ряд государственных программ. Например, в 2017 году правительство опубликовало поручение «О разработке высокотехнологичных и перспективных изделий ВВСТ только с применением современных технологий компьютерного проектирования, электронного математического моделирования». Непосредственно для суперкомпьютеров написали пакет программ Логос. Как пишут разработчики, один из модулей софта Логос-ТМП позволяет «рассчитывать течения вязкого сжимаемого и несжимаемого газа с учетом турбулентности с использованием всех современных подходов». Второй модуль – Логос-Прочность «моделирует процессы статического и динамического упругопластического деформирования, газодинамики, разрушения, контактного взаимодействия, теплопроводности, кинематики, анализа частот и форм колебаний». Программный комплекс, в частности, широко применялся для расчетов по теме истребителя пятого поколения Су-57. Из открытых источников известно, что работали над решением задач безопасного отделения авиационных средств поражения от самолета, анализировали ресурс новых конструкционных материалов, оценивали газодинамическое воздействие пушечной установки и рассчитывали распространение огнегасящей смеси в отсеке силовой установки. Виртуальное моделирование позволяет заметно упростить дальнейшие натурные испытания, без которых, естественно, не обойдется ни одна конструкторская работа.

Стратегические технологии

Пример обеспечения высокоточных трехмерных моделей начальными и граничными условиями от функциональных моделей. Источник: А. В. Корнев «Применение отечественных суперкомпьютерных технологий для создания перспективных образцов авиационной техники»

Чтобы понять, какие массивы данных приходится просчитывать суперЭВМ, приведем пример для машины производительностью 1 Пфлоп/с. Для справки – 1 петафлопс означает, что компьютер за секунду способен выполнить один квадрильон операций с плавающей точкой. На такое способны примерно 50 тыс. обычных персональных компьютеров. Петафлопсному суперкомпьютеру доверяют рассчитывать аэродинамические характеристики летательных аппаратов на различных режимах полета. Например, модели истребителя на скоростях до и после преодоления числа Маха. Суперкомпьютер производительностью 1 Пфлоп/с создает модель на каждом режиме не менее 12 месяцев! При этом десятикратное увеличение производительности суперЭВМ не дает соответствующего ускорения – длительность расчета уменьшается до 2–3 месяцев. Применение высокоточных моделей процессов горения и тушения пожара на борту самолета еще более ресурсоемки, на один-два порядка. Из вышесказанного понятно, насколько критично современной России иметь передовые суперкомпьютеры. Особенно с учетом буквально революционного рывка, который должно совершить гражданское авиастроение с ближайшие семь-восемь лет. К 2030 году практически все потребности внутренних перевозок должны быть закрыты отечественными самолетами, а это несколько сотен машин, некоторые из которых еще даже в небо не поднялись.

Результаты расчета распространения огнегасящей смеси в отсеке силовой установки. Источник: А. В. Корнев «Применение отечественных суперкомпьютерных технологий для создания перспективных образцов авиационной техники»

Не менее мощные «суперы» нужны и в автомобилестроении. Особенно с учетом масштабной программы импортозамещения, которую только еще предстоит запустить. Высокопроизводительным ЭВМ, помимо прочего, доверяют расчеты аэродинамики и моделирование виртуальных краш-тестов. В фармакологии широко распространены методы молекулярного моделирования, например, докинг – описание взаимодействия белков-мишеней и низкомолекулярных молекул будущих лекарств, которые блокируют работу этих белков. Суперкомпьютер перебирает тысячи готовых молекул и выбирает из них наиболее перспективные. Дальше экспериментаторам в лабораториях остается только проверить решение супермозга в натурных опытах. Экономится гигантское время и десятки миллионов рублей. Подобными работами занимаются в Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ на 1,7-петафлопсном «Ломоносове». Он, кстати, когда-то входил в пятьсот самых мощных суперкомпьютеров в мире.

«Червоненкис» и другие

Последний раз топ-500 самых мощных компьютеров мира обновлялся в ноябре прошлого года, и ознаменовался он появлением первого эктафлопсного аппарата. Это машина Frontier из Национальной лаборатории Ок-Ридж в Соединенных Штатах. Его точная максимальная мощность – 1 102 Пфлоп/с или 1,102 Эфлоп/с. Это в тысячу раз мощнее упоминаемой выше суперЭВМ для расчетов аэродинамических характеристик самолета. Вероятнее всего, аналогичные модели для истребителей «Су» Frontier построит за считанные дни. Пиковая мощность американского изделия может достигать 1,685 Эфлоп/с. При этом энергии он потребляет как несколько многоэтажек зимним морозным вечером – до 21 100 кВт. До ноября 2022 года на первом месте находился японский суперкомпьютер Fugaku производительностью в 442 Пфлоп/с, при этом он потреблял заметно больше энергии – почти 30 тыс. кВт. Налицо два тренда – повышение мощности суперЭВМ с одновременным снижением энергопотребления. Где же в топ-500 российские машины? На 25-м месте стоит «супер» от «Яндекса» – «Червоненкис» производительностью 21,53 Пфлоп/с, используемый компанией преимущественно для нужд нейронных сетей. Аппарат назван в честь Алексея Червоненкиса, одного из крупнейших теоретиков машинного обучения. Само собой, вся начинка импортная – графические процессоры NVIDIA A100 на пару с AMD EPYC 7702. На момент своего появления в 2021 году суперкомпьютер занимал 19 место в мировом рейтинге. Также в мировом рейтинге еще две машины от «Яндекса» – 16-петафлопсный «Галушкин» (44 место) и 12,8-петафлопсный «Ляпунов» (47-й в рейтинге). Первый назван в честь Александра Галушкина, одного из главных исследователей нейронных сетей, второй – в честь Алексей Ляпунова, автора работ, лежащих в основе компьютерных наук. Все машины появились сравнительно недавно и поэтому не успели критично устареть. Еще есть суперкомпьютеры у Сбера – например, Christofari и Christofari Neo, построенные соответственно в 2019 и 2021 году. Neo – 50-й в мировом рейтинге, а его старший брат – на 87 месте. О том, сколько стоит постройка таких агрегатов, можно судить по затратам на суперЭВМ «Ломоносов-2», на который к 2009 году потратили почти 2 млрд рублей. Упоминаемый выше Fugaku обошелся в млрд долларов. Суперкомпьютеры – это дорогостоящие, но чрезвычайно востребованные игрушки. На данный момент мировыми лидерами, как по мощности, так и по количеству машин, являются Китай (около 170 машин) и США (почти 150), далее с немалым отставанием Япония, Германия, Франция и Нидерланды. До ноября прошлого года в топ-500 входил упоминаемый выше «Ломоносов-2» с 1,3 Пфлоп/с, но теперь он вне элитного клуба. А вот «Гром» от МТС производительностью 2,26 Пфлоп/с в ноябре прошлого года остановил падение на 352-м месте. Рейтинг самых производительных вычислительных машин в мире строится на добровольном принципе – есть у заявителя желание выделиться, то параметры суперкомпьютера вносятся в топ-500. Немалая часть мощных ЭВМ проходит мимо, так как используется в интересах национальной безопасности. В России, конечно, самый известный и самый мощный из подобных – «супер» Национального центра управления обороной. Открытой информации об этой машине немного, но утверждается, что производительность составляет около 16 Пфлоп/с. Если это правда, то ЭВМ входит в пятьдесят самых мощных в мире. Вычислительный потенциал машины на Фрунзенской набережной более чем в три раза превышает возможности аналогичного суперкомпьютера в Пентагоне. Одним из предназначений суперкомпьютера российского Министерства обороны является моделирование и прогнозирование развития военных конфликтов. Утверждается, что алгоритмы машины сообщили о правительственном кризисе в Венесуэле за несколько недель. Остается только гадать, какие прогнозы дает 16-петафлопсная ЭВМ по поводу исхода спецоперации на Украине. И какие модели она генерировала перед 24 февраля 2022 года. Несмотря на всю кажущуюся позитивность картины, у России в ближайшее время появятся определенные сложности с созданием новых суперкомпьютеров. Как видно из материала, зависимость от иностранных компонентов приближается к абсолютной – в России нет производственной базы для графических процессоров, на базе которых и строят «суперы». Именно поэтому еще прошлой осенью американцы запретили ввозить чипы Nvidia в Россию, а заодно и в Китай. В первую очередь изделия серии А100 и Н100, на которых и стоит вся суперкомпьютерная отрасль. Если все оставить как есть, то уже через пять-шесть лет отставание России в вычислительных мощностях от стран Запада может стать критическим. Это, конечно, не вызовет сиюминутный и тотальный коллапс, но замедлит многие конструкторские и технологические процессы. Во вражеских странах, наоборот, процессы разработки и принятия в серии ускорятся.

Графический ускоритель NVIDIA A100 – основа большинства российских коммерческих «суперов». Ожидаемо попал под западные ограничения. Источник: i2hard.ru

Работы в импортозамещении начинки суперкомпьютеров, безусловно, ведутся. Выделяются деньги на разработку отечественного фотолитографа, основного компонента в производственной цепочке микроэлектроники. Это теоретически позволит выпускать графические чипы уже к 2030 году. Конечно, не мирового уровня, но вполне свои. Дело в том, что ключевой параметр современной разработки «суперов» – это энергоэффективность. Напомним, самый мощный в мире Frontier потребляет около 21 100 кВт, а менее мощный Fugaku почти 30 000 кВт. Для России, положа руку на сердце, этот параметр не столь критичен. Мало того, наша страна лучше всех в мире подходит как раз для организации супервычислений. Во-первых, у нас очень недорогая электроэнергия, а во-вторых, холодный климат, заметно упрощающий охлаждение горячих суперЭВМ. Поэтому какое-то время наращивать мощность действующих машин и строить новые можно и на откровенно устаревших графических процессорах. Просто занимать места и выделять тепла такие гиганты будут больше. Если совсем утрировать, то на каждый вычислительный центр придется отряжать небольшую электростанцию. Что поделать, технологический суверенитет дешевым никогда не был.