На пути к зеттафлопсу: в НЦФМ осваивают новые технологии для создания суперкомпьютеров

Всего четверть века назад суперкомпьютеры обладали производительностью современного смартфона. Как сейчас развиваются вычислительные машины, какие технологии нужны для повышения их мощности и каким может быть их будущее в России, рассказывает Владимир Воеводин, член-корреспондент РАН, директор филиала «МГУ Саров», директор Научно-­исследовательского вычислительного центра МГУ, сопредседатель направления «Математическое моделирование на суперЭВМ экса- и зеттафлопсной производительности».

Задачи моделирования

Суперкомпьютеры считают быстрее всех остальных вычислительных устройств в каждый момент времени с рекордной производительностью. Если сравнивать их с серверами и персональными вычислительными машинами, производительность суперкомпьютеров в 100 тыс. раз выше.

Зачем такая мощность нужна? Чтобы моделировать, прогнозировать или воспроизводить явления и объекты, моделировать работу разных устройств. Развитие математического моделирования, вычислительных и суперкомпьютерных технологий привело к тому, что посчитать, смоделировать и спрогнозировать сегодня можно практически все. Вычислительный эксперимент во многих случаях на порядки дешевле и точнее натурного, физического. И запустить повторно вычислительный эксперимент также во многих случаях легче.

Самый известный эксперимент — ​краш-тесты автомобилей. Разбить машину — ​довольно дорогое удовольствие. А если в эксперименте что-то не учли, захотели повторить, изменив начальные условия, например распределение нагрузки в автомобиле, то придется разбить еще одну машину. Для вычислительного эксперимента нужно просто заново запустить программу расчета. Да, расчеты обладают большой вычислительной сложностью, но суперкомпьютеры с этой нагрузкой прекрасно справляются.

Подобных примеров много. Чтобы провести натурные испытания авиационных двигателей, нужно затратить много ресурсов, но вычислительный эксперимент тоже показывает очень хороший результат, максимально совпадающий с показателями натурного.

Во многих случаях построить физический эксперимент и вовсе нельзя. Чтобы вывести в космос космический аппарат, нужно его создать. А чтобы создать — ​нужно понять как. Натурный эксперимент провести практически невозможно, а вычислительный вполне доступен. Или процессы глобального изменения климата: математическая модель определит сценарий воздействия человека на окружающую среду, который позволяет достичь определенных целевых параметров без сильного потепления, таяния ледников и т. д. Провести физический эксперимент и смоделировать климат на ближайшие 50 лет не представляется возможным. Зато вполне реально это сделать с помощью вычислительного эксперимента.

Предел закона Мура

Долгое время суперкомпьютер МГУ им. Ломоносова был самым мощным в России, вокруг него формировалось национальное вычислительное сообщество. Сегодня ситуация изменилась.

В Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ мы ведем рейтинг 50 самых мощных суперкомпьютеров России. Посмотрев списки на top50.supercomputers.ru, можно сравнить состояние отрасли суперкомпьютеров в России и в мире. Мы все, ученые и ИТ-специалисты, кто так или иначе вовлечен в деятельность с применением возможностей суперкомпьютеров, понимаем, что для повышения их производительности необходимы новые технологии. Современные технологии уже близки к пределу, который определен законом Мура, нужно переходить к иным принципам построения электроники.

Такие варианты в нашем научном сообществе рассматриваются. Например, построение квантового компьютера, который основан на внутреннем параллелизме, двойственной природе квантового мира. Квантовый компьютер имеет огромную степень параллельности, и отдельные алгоритмы будут просчитываться быстро. Но для этого компьютера и алгоритмы должны проектироваться специальным образом, чтобы соответствовать архитектуре.

Фотонные вычислительные машины также имеют свои особенности. Они разрабатываются на основе оптики, процесс вычисления идет благодаря взаимодействию световых импульсов лазерного излучения, которыми представлена информация. Такой специальный вычислитель будет быстро решать задачи определенного класса. В частности, то, что связано с линейной алгеброй, на фотонных устройствах будет считаться очень быстро.

Квантовые и фотонные машины стоит рассматривать как специализированные устройства, которые могут мгновенно решать задачи определенного класса. По всей видимости, даже в будущем они не станут универсальными, как современные пользовательские компьютеры.

Суперконсорциум НЦФМ

Сейчас самые мощные компьютеры в мире имеют эксафлопсную производительность. В 2022 году в Ок-Риджской национальной лаборатории США появилась машина под названием Frontier, выполняющая квинтиллион, 10¹⁸, операций с плавающей точкой в секунду. Это четверть суммарной производительности суперкомпьютеров мирового топа‑500.

Зеттафлопсная производительность, 10²¹, — ​очередной рубеж, который предстоит преодолеть российским ученым. В Национальном центре физики и математики (НЦФМ) в Сарове работают над увеличением производительности компьютера не за счет повышения тактовой частоты процессора, а на основе новых принципов построения архитектур. Создание суперкомпьютеров такой производительности — ​задача сложная. Здесь нужна новая элементная база. Нужна разработка математического программного обеспечения — ​системного, чтобы «оживить» новое железо, и прикладного. Потенциал у машин заведомо огромный, но его можно будет использовать только в том случае, если все отдельные этапы вычисления будут поддерживать высокую степень параллельности.

Над этим проектом работает большой консорциум: сильная группа специалистов Российского федерального ядерного центра «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (РФЯЦ-ВНИИЭФ), Института прикладной математики им. Келдыша РАН, Института вычислительной математики им. Марчука РАН, Московского государственного университета им. Ломоносова и др. Силы нашего коллектива распределены по трем составляющим: элементная база, системное программное обеспечение и алгоритмы и математическое ПО.

Цифровые кадры

В «МГУ Сарове» из пяти магистерских программ две посвящены вычислительным технологиям. Первая больше соответствует системному уровню, вторая — ​уровню алгоритмов и прикладного математического обеспечения. Они хорошо дополняют друг друга и позволяют понять основные научные и технологические проблемы.

На мой взгляд, темы интересны студентам. Кроме того, мы стараемся их приобщать к решению практических задач, чтобы уже сейчас вовлечь в проблематику освоения машин зеттафлопсной производительности. Конечно, нам и им нужно сначала научиться работать с машинами эксафлопсной производительности. Если уж научился работать с параллелизмом большой степени, то переход дальше будет понятным и более простым.

Сейчас важно активнее привлекать магистрантов и выпускников «МГУ Сарова» и в целом молодых исследователей к конкретным проектам НЦФМ, чтобы они не просто что-то изучали по своей научной тематике, но и участвовали в реализации конкретных задач в рамках научной программы центра.

21–25 августа мы проведем I Всероссийскую школу-семинар «Центр исследования архитектур суперкомпьютеров», а 25–29 сентября — II Всероссийскую школу-семинар в области математического моделирования на суперЭВМ экса- и зеттафлопсной производительности. Обе пройдут в НЦФМ в Сарове при поддержке «Росатома» и Института теоретической и математической физики РФЯЦ-ВНИИЭФ в рамках Десятилетия науки и технологий в России.

Слушателей школы исследования архитектур суперЭВМ мы хотим познакомить не только с вопросами разработки архитектурных и программных решений для создания суперкомпьютеров, но и с деятельностью лаборатории фотонных вычислительных устройств НЦФМ, где как раз будет идти разработка фотонных элементов и компьютеров на их основе. Подача заявок уже закрыта, лекции будут транслироваться в группе НЦФМ во «ВКонтакте».

Школа математического моделирования на суперЭВМ экса- и зеттафлопсной производительности принимает заявки до 30 июня на сайте ncphm.ru. Ребята узнают о новой лаборатории цифровых двойников сложных технических устройств, об исследованиях в интересах создания суперЭВМ, в том числе на новых физических принципах, математических методах и алгоритмах для моделирования высокотехнологичных индустриальных систем, и т. д.

Хочу еще отметить, что каждый год в МГУ в Москве мы проводим конференцию «Суперкомпьютерные дни в России», в ней принимают участие представители практически всех научно-образовательных организаций этого направления. Конференция будет в сентябре, мы ожидаем из Китая большую группу, которая занимается разработкой эксафлопсных компьютеров.

Если говорить о популяризации этого научного направления, то для школьников и всех желающих регулярно проходят экскурсии в Суперкомпьютерном комплексе МГУ — ​парке высокопроизводительных вычислительных систем разной архитектуры с уникальным суперкомпьютером «Ломоносов‑2». Дети очень быстро вникают в тему, проявляют интерес, задают вопросы. Считаю такую работу важной и необходимой для будущего страны в плане подготовки научных кадров и общего развития подрастающего поколения.

СПРАВКА

Гордон Мур в 1960‑е обратил внимание на интересную закономерность. Микросхемы усложняются по экспоненте. Сейчас закон Мура формулируется так: примерно каждые 24 месяца количество транзисторов на кристалле микропроцессора увеличивается вдвое, а производительность возрастает вдвое каждые 18 месяцев. То есть на чипы помещают все больше транзисторов, и технологические нормы производства кремниевых микросхем подошли к физическому пределу.