Экзафлопсы и суперкомпьютеры: мировая гонка вычислений

В ТАСС прошла конференция «Экзафлопсы и суперкомпьютеры: место России в мировой гонке вычислений», в которой приняли участие президент Российской академии наук Александр Сергеев, научный руководитель Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, академик Борис Четверушкин, научный руководитель направления Южного Федерального университета, академик Игорь Каляев.

Ученые и эксперты рассказали о развитии сферы вычислений, отечественных суперкомпьютерах и развитии наиболее перспективных технологий.

Два раза в год специалисты из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Университета Теннесси публикуют Top-500, в котором предлагают список самых производительных суперкомпьютеров мира. В качестве ключевого критерия в этом рейтинге используется характеристика, которая уже давно считается одной из наиболее объективных в оценке мощности суперкомпьютеров – флопс, или число операций с плавающей точкой в секунду.

Для сравнения: ЭНИАК, первый компьютер в истории, обладал мощностью в 500 флопс; сейчас средний персональный компьютер имеет мощность в сотни гигафлопс (миллиардов флопс), iPhone 6 обладает производительностью приблизительно в 172 гигафлопса, а игровая приставка PS4 – в 1,84 терафлопса (триллиона флопс). А на очереди новый лидер: в 2023 году ученые США, Евросоюза и Китая готовятся взять новый исторический рубеж в 1 эксафлоп — 10 в 18 степени операций в секунду.

На сегодняшний день лидерами в разработке суперкомпьютеров являются Япония, Китай и США. Японская машина «Фугаку», ее производительность — 537 петафлопс (1 петафлопс — 10 в 15 степени операций в секунду). Она оставила позади две американские системы в 200 и 125 петафлопс, китайскую — 125, а замыкает пятерку самых быстрых вычислителей немецкая — 70 петафлопс.

По суммарной производительности США занимают первое место с показателем 644 петафлопса. Суммарная производительность китайских суперкомпьютеров равна 565 петафлопсам, японских — 530. В опубликованном в июне 2020 года рейтинге суперкомпьютеров Top500 остались две российские системы — «Кристофари», созданный Сбербанком, а также «Ломоносов-2» производства компании «Т-платформы», установленный в МГУ.

Александр Сергеев отметил, что суперкомпьютеры используются для выполнения сложных калькуляций, таких как исследование климата, расчеты морских течений или вычисления для тех или иных производств. «Речь идет о компьютерах очень высокой производительности, высокой скорости вычислений». В последние 10 лет скорость вычислений стремительно возрастает: за 1 год происходит удвоение скорости суперкомпьютера.

Развитие суперкомпьютеров происходит в цифровую эпоху. Это означает, что вычисления нужны уже не только ученым, но и обществу, и индустрии. Какие новые задачи решаются сегодня с помощью вычислений?

Например, в науке используется понятие «цифровые двойники» – цифровая копия физического объекта или процесса, помогающая оптимизировать эффективность эксперимента, то есть научный эксперимент моделируется на компьютере, а потом уже в реальных лабораторных условиях. Например, в России был запущен «Цифровой двойник Байкала». Проект, который объединил на одной цифровой платформе данные об экологии озера от всех исследовательских институтов, работающих с этой тематикой. Причем, это не просто портал, а система, живущая по правилам нейронной сети, которая в зависимости от поступающих данных, способна сама выносить анализировать данные и давать результат.

Помимо научной сферы применения суперкомпьютера, он также очень эффективен и полезен в развитии тех или иных промышленных производств. Сегодня, прежде чем создать реальный автомобиль, самолет, ядерный реактор, лекарство, новый материал, все моделируется в суперкомпьютере, что сильно снижает затраты на производство в 2-2,5 раза. Создание сложных систем авиастроения, ракетостроения, в области вооружения, атомной энергетики невозможно без использования современных суперкомпьютерных моделей. Особенность таких задач в том, что требуется высочайшая точность.

По словам научного руководителя Института прикладной математики им. Келдыша РАН Бориса Четверушкина, чтобы решать задачи подобного масштаба и сложности на нынешней технике, нашим специалистам приходится постоянно изощряться. Как говорится, голь на выдумки хитра. «Но мы подходим к пределу этих изощрений. Нужны мощные машины, — резюмировал он. — Надо, наконец, осознать опасность нашего отставания и найти средства, чтобы вступить в гонку вычислений. Ведь конкуренты стремительно уходят все дальше и дальше». Ученый также отметил, что суперкомпьютер решает не только экономические задачи, но и социальные. Например, уже упомянутый лидер «Фугаку», запущенный на год раньше в связи с пандемией. Одной из первых задач, поставленных специалистами перед "Фугаку", стало моделирование распространения коронавирусной инфекции не только при чихании, но и обычном разговоре. Согласно материалам RIKEN, при вычислениях была рассмотрена эффективность различных типов масок и лицевых щитков, а также особенности распространение вируса в таких местах как офисы, классные комнаты, рестораны, театры и общественный транспорт, включая такси и самолёты.

В частности, "Фугаку" представил детальную визуализацию, как "большое количество капель и аэрозолей с вирусными частицами распространяется изо рта и носа не только при чихании или кашле, но и при обычном разговоре (20 минут разговора примерно эквивалентны одному эпизоду чихания)". Таким образом специалисты постарались доказать, что "советы, которые исходят из здравого смысла", полностью соответствуют детальному компьютерному моделированию: "необходимо носить маски и проветривать помещения". Другим крупным проектом, запущенным с использованием мощностей суперкомпьютера "Фугаку", стало выявление медикаментов с потенциально высокой эффективностью в борьбе с COVID-19. Это исследование специалисты RIKEN провели совместно с экспертами из Университета Киото под руководством профессора Ясуси Окуно. Системе задали параметры более 2,1 тысячи уже известных лекарственных препаратов, в том числе, противовирусных и противоопухолевых, после чего "Фугаку" выстроил модель воздействия каждого из них на белки, уникальные для вируса SARS-CoV-2. В результате исследований выяснилось, что около 30 препаратов имеют потенциальную эффективность в борьбе с коронавирусом. Среди них - 12 лекарств, уже проходящих клинические испытания за пределами Японии, в том числе препарат Niclosamide для лечения паразитарных инфекций. Мощности суперкомпьютера также задействовали для моделирования экономического эффекта в условиях месячного локдауна Токио из-за COVID-19 при помощи анализа цепочек поставок между различными префектурами Японии. Группа ученых под руководством Хироясу Иноуэ из Университета Хёго взяли за основу расчетов агентную модель потребительского поведения и применили ее к 1,6 миллиона компаний в стране. Все вычисления заняли у суперкомпьютера "Фугаку" лишь десять дней при том, что у его предшественника - суперкомпьютера K - для завершения этих же операций ушло бы не менее года.

Сложно спорить с эффективностью и пользой суперкомпьютеров для каждой страны. Президент РАН Александр Сергеев отметил: «Нам здесь всем понятно, что суперкомпьютеры России крайне необходимы. Без них мы обречены на качественное отставание, когда не можем рассчитывать критически важные узлы и понять, полетит или нет, разрушится или нет. Но нам надо убедить в этом тех, кто принимает решения. Доказать, что в цифровую эпоху слишком высокой производительности не бывает».

Конечно, создание суперкомпьютера – это создание целой системы, состоящей из школ, научных институтов, специалистов и ученых и на это необходимы немалые средства. Академик Четверушкин считает, что для начала надо построить 10 машин по 10 петафлопс каждая, а лучше сразу по 30 петафлопс. Если закупить зарубежную элементную базу, то общая стоимость составит около 100 миллиардов рублей. Уже через год Россия сможет сделать рывок и стать достойным членом суперкомпьютерного клуба. Если же начинать с создания собственной элементной базы, как предлагают некоторое специалисты, то нам потребуется годы. И отставание станет бесконечным.

Читайте другие материалы журнала «Международная жизнь» на нашем канале Яндекс.Дзен.

Подписывайтесь на наш Telegram – канал: https://t.me/interaffairs