Суперкомпьютеры в России и мире

Не так давно высокопроизводительные вычисления преодолели планку производительности в один петафлопс (квадриллион, или 10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду).. Вычислительная мощь настольных ПК отстает от производительности суперкомпьютеров примерно на 12 лет. Иными словами, по уровню производительности сегодняшние профессиональные ПК практически полностью соответствуют суперкомпьютерам 12-летней давности. Поэтому положение дел с высокопроизводительными вычислениями (High Performance Computing, HPC) определяет ситуацию на рынке персональных систем в следующем десятилетии

Ведущие страны мира используют и совершенствуют возможности суперкомпьютеров для решения особо сложных задач науки, образования, экономики, для формирования долгосрочных прогнозов, в том числе в области метеорологии и экологии, с целью обеспечения национальной безопасности. Суперкомпьютеры сегодня – это кластерные серверы с несколькими десятками, сотнями и даже тысячами процессоров, работа которых строится на одновременном выполнении задач, специально разделенных между собой в общей структуре исполнения программ, поскольку именно это необходимо для повышения быстродействия при получении итогового результата. Такой способ организации называется параллельными вычислениями. Эта отрасль программирования подразумевает разделение задач (распараллеливание) на множество потоков.

Сегодня они актуальны для суперкомпьютеров из списка ТОР500, но уже в недалеком будущем станут рядовым делом для пользователей настольных компьютеров. В последние годы Правительство России уделяет большое внимание наукоемким технологиям и резервирует значительные средства на развитие нанотехнологий, однако это возможно лишь при максимально широком использовании суперкомпьютеров. В этой связи Россия стремится следовать в русле общих мировых тенденций, наращивая свои ресурсы высокопроизводительных вычислений. В его очередную редакцию TOP500 в июне 2008 года попали восемь российских суперкомпьютеров (напомним, что в ноябре 2006 года в нем присутствовал лишь один, а в июне 2007 года – четыре).

Два года назад весь мир перешел на многоядерные CPU, и это кардинальным образом поменяло ситуацию с НРС – до этого рост производительности суперкомпьютеров происходил почти линейно. Но с появлением четырехядерных процессоров достижение производительности в один терафлоп существенно упростилось: сегодня это можно сделать с помощью одной «корзины» блейд-серверов, что доступно не только крупным, но и средним предприятиям. Однако экономика оказалась не готовой к тому, чтобы эффективно использовать столь высокую вычислительную мощность. К тому же появилась возможность строить системы, обладающие тысячами и десятками тысяч ядер, и возник вопрос о направлении дальнейшего движения, поскольку программное обеспечение (ПО) стало несостоятельным в решении задач распараллеливания вычислений на столь большое количество процессоров

Это одна из главных проблем, возникшая в связи с появлением суперкомпьютеров с производительностью 0,5–1 петафлоп. Упомянутая проблема касается ПО всех уровней. Операционные системы должны уметь работать с десятками тысяч ядер, поэтому встал вопрос об архитектурах суперкомпьютеров – операционные системы просто не успевают адаптироваться к скачку производительности. Возникает сомнения: а следует ли продолжать «гонку за петафлопами» или лучше ограничиться системами среднего размера? Важно отметить, что в России высокопроизводительные вычисления развиваются очень активно. Именно в этой отрасли наша страна может стать одним из мировых лидеров. Но для этого требуются серьезные усилия и финансовые вложения и, прежде всего, участие государства. Ни одна коммерческая структура не способна на координацию столь масштабных действий. Очевидно, активное участие в этом должно принимать научное сообщество, следует разработать специальную программу по коммерциализации результатов НРС.

Активно работавшая в 2007 году государственная программа «Образование» привела к появлению целого ряда установок, расположенных не только в Москве. Среди них суперкомпьютеры в УГАТУ (Уфа), Новосибирске, Красноярске и Томске (первая реализация по программе СКИФ). Важнейшей практической задачей является внедрение суперкомпьютеров в индустрии. В августе 2008 года объявлено, что НПО «Сатурн» завершило проект по созданию суперкомпьютерного центра, где был запущен в эксплуатацию самый высокопроизводительный суперкомпьютер в промышленности России и СНГ мощностью 14,3 терафлопс на базе 1344 четырехъядерных CPU Intel Xeon.

Широко используются высокопроизводительные вычисления в нефтяной и газовой отрасли, правда там для решения самых разных задач используются кластеры невысокой по нынешним меркам производительности – 2-4 терафлопс (1 терафлопс = 1 триллиону операций в секунду). К сожалению, в России неактивно ведется разведка новых месторождений, а значит и нет острой потребности в более производительных компьютерах. Основная идея использования мощных вычислительных средств в промышленности – это сокращение издержек при добыче ископаемых, поэтому в современных условиях мирового экономического кризиса они могут стать средством выживания. Для НРС есть и еще одна очень интересная сфера применения –нанотехнологии. Для того чтобы завтра можно было создавать и использовать новые материалы и продукты на их основе, сегодня надо все основательно просчитать, для чего просто необходимые мощные вычислительные ресурсы. Кстати, в этой области в мире существует достаточно много моделей и открытого ПО, которое можно с успехом использовать.

Корпорация Intel активно сотрудничает с исследовательскими организациями, которые разрабатывают схемы моделирования наноструктур с заданными свойствами, и этот опыт вполне можно использовать в России. Иной перспективной областью для использования НРС является создание новых лекарственных препаратов. Высокопроизводительные вычисления позволяют заменить обычный скрининг (проверку очередного нового химического соединения на его пригодность для лечения тех или иных заболеваний) целенаправленным моделированием нужных молекул веществ, которые в состоянии оказывать целенаправленное терапевтическое воздействие на болезнь и ее симптомы. И даже более того: HPC ускоряют и облегчают выявление причин человеческих недугов.

Как видим, суперкомпьютеры решают суперзадачи: это не стрельба по воображаемым противникам на домашней персоналке. Поэтому, для поднятия экономики страны, вывода производства на новый качественный уровень оборудование, о котором говорилось выше, крайне необходимо. Конечно, это требует коллосальных капиталовложений и грамотного руководства проектами, но и окупится со временем стократ.

Как же обстоят дела с суперкомпьютерами в России? Международное сообщество отслеживает ситуацию с ЭВМ такого класса. На сайте www.top500.org приводится список стран обладающих такими компьютерами (Рис. 2.25)

Рис. 2.25. Фрагмент списка Top500

Россия на уровне 2008 года с 8 (восемью) суперкомпьютерами занимала отнюдь не последнее место. Загляните на этот сайт и посмотрите обновлённые данные на данный момент.

В 2009 - 2010 годах Россия будет готова построить суперкомпьютер производительностью более одного Петафлопса (10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду). Об этом проинформировал Интернет-издание Cnews.ru в декабре 2008 года Сергей Абрамов, директор Института программных систем РАН и научный руководитель от России российско-белорусской программы «Скиф-Грид».

По его словам, сейчас «разработаны все конструкции 4 семейства суперкомпьютеров «Скиф», способного преодолеть петафлопсный барьер, а на весну 2009 г. Намечен выпуск опытных образцов. У нового поколения кластеров «Скиф» есть все шансы стать первыми суперкомпьютерами, все комплектующие которых (за исключением чипов) будут разработаны и собраны в России.

При продолжении финансирования российско-белорусского суперкомпьютерного проекта, полупетафлопсный кластер может появиться в III квартале 2009 г., через год будет собран петафлопсный компьютер, а к началу 2012 г. – машина производительностью 5 Пфлопс. В ноябрьском мировом рейтинге 2008 года Топ-500 было только два компьютера пиковой производительностью более 1 Пфлопса (через год их, конечно, станет существенно больше).

О «Скиф-Грид» говорят как о программе, союзный российско-белорусский статус которой имеет вдобавок к политическому еще и прикладной смысл. В советские времена Белорусская ССР имела высокотехнологическую специализацию во всесоюзной системе разделения труда, а благодаря специфике политической жизни в Белоруссии в постсоветское время, ее ИТ-инфрараструктура оказалась практически нетронутой влиянием рынка. В частности, там выжила половина министерства радиопромышленности, которое занималось советской вычислительной техникой вместе с системой подготовки отраслевых кадров.

Сергей Абрамов настаивает, что закупки суперкомпьютеров известных зарубежных вендоров никогда не смогут заменить разработок отечественных кластеров. «Машины, входящие в мировой топ-10, иногда называют суперкомпьютерами класса N. Остальные, как правило, относятся к N-1. Все, что продают нам, это вещи, очень похожие на суперкомпьютеры. Машину уровня N нам не продадут никогда».

Самый производительный компьютер, построенный по программе «Скиф-Грид» компанией «Т-платформы» и принятый 18 декабря 2008 года госкомиссией, установлен в НИВЦ МГУ им. М.В. Ломоносова. По словам Абрамова, этот кластер, которому в МГУ присвоили именное название «Чебышев», на момент создания был «весьма близок к технологическому «уровню N». Его пиковая производительность – 60 Тфлопс (на тесте Linpack он показывает 47,17 Тфлопс), с которой он занимает 54 строку в мировом листинге суперкомпьютеров Топ-500 (в версии от ноября 2008 г.) и 2 место в отечественном списке Топ-50 (обновленном в сентябре 2008 г.).

Не исключено, что, помимо научных задач, «Чебышев» будет заниматься сугубо прикладными расчетами нефтегазовой отрасли. Заместитель директора НИВЦ МГУ Владимир Воеводин, сославшись на тайну переговоров, воздержался от уточнения, какую компанию представляли нефтяники, интересовавшиеся расчетами на суперкомпьютере.

Работает «Чебышев» под управлением ОС ALT Linux 4.1, оптимизированной для кластерных систем. Гендиректор компании ALT Linux Алексей Смирнов рассказал, что в ближайшее время этот дистрибутив должен появиться в открытом доступе, и, как добавил Сергей Абрамов, ALT Linux на момент поставки будет устанавливаться на все последующие машины программы «Скиф-Грид».

В Томском госуниверситете в 2009 году запущен в эксплуатацию первый в российской системе вузов суперкомпьютерный центр мирового уровня: вычислительный комплекс «СКИФ Cyberia» с пиковой производительностью 12 терафлоп является одним из ста мощнейших компьютеров мира. Впрочем, эксперты полагают, что российские суперкомпьютеры вполне могут занять место и в первой десятке мирового рейтинга

В заключение приводим таблицу рейтинга Top500 на ноябрь 2008 года (таблица 2.3.). Для интересующихся современным состоянием проблемы ещё раз советуем посетить соответствующий сайт, чтобы увидеть современное состояние дел в этой области.

 

 

Таблица 2.3 Таблица Top500

Countries Страна	Count Число ЭВМ	Share %	Rmax Sum (GF)	Rpeak Sum (GF)	Processor Sum (Суммарное число процессоров)
Australia		0.20 %
Belgium		0.40 %
Brazil		0.40 %
Bulgaria		0.20 %
Canada		0.40 %
China		3.00 %
Denmark		0.60 %
Finland		0.20 %
France		5.20 %
Germany		5.00 %
India		1.60 %
Ireland		0.20 %
Israel		0.20 %
Italy		2.20 %
Japan		3.40 %
Korea, South		0.20 %
Malaysia		0.20 %
Mexico		0.20 %
Netherlands		0.60 %
New Zealand		0.80 %
Norway		0.40 %
Poland		1.20 %
Russia		1.60 %
Slovenia		0.20 %
South Africa		0.20 %
Spain		1.20 %
Sweden		1.60 %
Switzerland		0.80 %
Taiwan		0.40 %
United Kingdom		9.20 %
United States		58.00 %
Totals		100%	16927325.79	25401883.80