Процессор эволюции: как увеличить производительность суперкомпьютеров

Чем квантовые и фотонные процессоры отличаются от кремниевых и зачем нужна общенациональная суперкомпьютерная инфраструктура, рассказывает академик РАН сопредседатель направлений «Национальный центр исследования архитектур суперкомпьютеров» и «Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах» Национального центра физики и математики Игорь Каляев.

— Какие основные задачи решают ученые НЦФМ в исследовании архитектур суперкомпьютеров?

— До последнего времени рост производительности суперкомпьютеров обеспечивался в основном за счет эмпирического закона Мура, гласящего, что количество транзисторов в компьютерном чипе увеличивается вдвое каждые 24 месяца, а его производительность возрастает вдвое каждые 18 месяцев за счет увеличения числа транзисторов и тактовой частоты. Однако в последнее время закон Мура начал замедляться, поскольку технологические нормы производства классических кремниевых микросхем подошли к своему физическому пределу. Уже сегодня за рубежом создаются микросхемы с технологическими нормами 3–5 нм, в то время как расстояние между атомами кремния составляет 0,6 нм. Это и есть тот физический предел, который невозможно преодолеть даже теоретически. И чем ближе мы к этому пределу, тем сильнее замедление закона Мура. Это порождает актуальную проблему поиска альтернативных путей создания компьютерных систем, в том числе основанных на иных физических принципах, на что, собственно говоря, и направлена деятельность Национального центра исследования архитектур суперкомпьютеров.

— В мире большие надежды возлагают на квантовые компьютеры.

— Да, однако, несмотря на более чем 20‑летние исследования, в области квантовых компьютеров прогресс не столь впечатляющий. Основная их проблема — ​невысокая точность вычислений. Поэтому создания квантовых суперкомпьютеров, конкурентоспособных по сравнению с классическими, ожидать в ближайшие 10 лет, с моей точки зрения, не стоит. Тем не менее сегодня возможно создание так называемых квантовых симуляторов, которые можно использовать для решения задач, не требующих высокой точности вычислений. Такие исследования тоже проводятся в НЦФМ.

Существуют и другие перспективные подходы, которые могут обеспечить существенное повышение производительности суперкомпьютерных вычислений. Например, технология создания реконфигурируемых вычислительных систем, РВС. Они обеспечивают возможности адаптации архитектуры вычислителя под структуру решаемой задачи, за счет чего достигается его высокая реальная производительность при малых габаритных размерах и потребляемой мощности. Основой для создания РВС являются программируемые логические интегральные схемы, внутренняя структура которых может программироваться пользователем. Работы в данном направлении также проводятся в рамках научной программы НЦФМ, и уже в ближайшее время планируется установка такой РВС, которая обеспечит существенный прорыв в решении задач ускоренного машинного обу­чения.

— Что еще мало исследовано в области архитектур суперкомпьютеров?

— С моей точки зрения, необходимо уделить большее внимание развитию методов повышения реальной производительности гетерогенных суперкомпьютерных платформ на основе применения технологий ИИ. Современные суперкомпьютерные системы представляют собой, как правило, гетерогенные среды, включающие вычислительные ресурсы различных типов: многоядерные процессоры общего назначения, графические ускорители GPU со многими сотнями и даже тысячами ядер, а также другие виды сопроцессоров — ​ускорителей вычислений: FPGA, фотонные, квантовые. Каждый такой ресурс показывает различную эффективность при решении тех или иных вычислительных задач. Поэтому с практической точки зрения важной является задача оптимального распределения, или диспетчирования, всех этих разнородных ресурсов при решении прикладных заданий в гетерогенной суперкомпьютерной среде. Здесь могут помочь методы ИИ, в том числе машинного обучения и мультиагентного диспетчирования, с которыми можно будет, с одной стороны, оценивать эффективность имеющихся ресурсов при решении той или иной задачи или ее части, а с другой — ​осуществлять оптимальное распределение задач.

Такой подход в дальнейшем можно распространить и на все суперкомпьютеры в нашей стране: все суперкомпьютерные центры объединить в общую национальную инфраструктуру с помощью скоростных каналов связи и оснастить ее интеллектуальным мультиагентным диспетчером, который бы распределял задачи на те или иные суперкомпьютерные ресурсы в зависимости от их эффективности, загруженности и т. д. Такая концепция уже реализуется в Китае.

— Как будет организована лаборатория фотонных вычислительных устройств НЦФМ, какие проекты в ней будут реализованы для создания фотонного вычислительного центра?

— Идея в том, чтобы заменить кремниевые двоичные элементы современных компьютеров двоичными элементами на оптоэлектронных принципах. Тактовая частота фотонных элементов может быть повышена на два-три порядка относительно кремниевых, что, в свою очередь, позволяет существенно повысить и общую производительность компьютера. Создание фотонных элементов и компьютеров на их основе требует большого комплекса научных и технологических исследований, которые и будут осуществляться в лаборатории. Первые прототипы цифровых фотонных процессоров мы планируем получить через пять-шесть лет. Но уже сейчас можно создавать аналоговые фотонные ускорители, которые могут дать существенный эффект при решении многих прикладных задач — в частности, машинного обучения. Предварительные исследования показывают, что фотонный ускоритель будет иметь производительность на три порядка выше, чем классический кремниевый процессор, при решении задач перемножения матриц, что открывает хорошую перспективу их использования для ускоренного машинного обучения и решения задач ИИ. Именно поэтому созданию фотонных ускорителей будет уделено первостепенное внимание в программе деятельности лаборатории фотонных вычислительных устройств.

— Планируете ли вы привлекать к созданию лаборатории и к ее работам молодых специалистов?

— Решение перечисленных задач требует высококвалифицированных специалистов. И важно уже на начальном этапе ее деятельности активно привлекать к исследованиям молодых ученых, которые в дальнейшем самостоятельно развивали бы эту тематику.

Большие надежды мы возлагаем на I Всероссийскую школу-семинар для студентов и молодых ученых «Центр исследования архитектур суперкомпьютеров», которая будет проходить в Сарове 21–25 августа. Мы планируем, с одной стороны, познакомить молодых ученых с деятельностью лаборатории, с другой — ​отобрать будущих сотрудников. Подписан договор о сотрудничестве между Южным федеральным университетом и РФЯЦ-ВНИИЭФ, в том числе в части подготовки кадров, и мы планируем привезти для участия в школе большую группу ребят из Таганрога, которые будут привлекаться к научно-исследовательским работам в НЦФМ.