На пределе изощрений. Как не проиграть суперкомпьютерную гонку? - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

На пределе изощрений. Как не проиграть суперкомпьютерную гонку?

Главной темой заседания Президиума РАН, приуроченного к 110-летию со дня рождения математика Мстислава Келдыша, возглавлявшего Академию наук СССР в 1961-1975 годах, стали высокопроизводительные вычисления, предсказательное моделирование и современные технологии.

Как отметил президент РАН Александр Сергеев, Келдыш внес значительный вклад в развитие различных отраслей науки, стоял у истоков современных направлений вычислительной и прикладной математики.

“Человек становится великим, когда он вносит огромный вклад в развитие страны, но и страна становится великой, потому что появляются такие люди. К Мстиславу Келдышу это точно относится”, – сказал Александр Михайлович.

Президент РАН подчеркнул, что при Келдыше в науке произошел качественный переход: вычислительный эксперимент стал постановочным этапом к лабораторному моделированию.
О жизни, работах Келдыша и его роли в становлении отечественной вычислительной математики и техники рассказал директор Института прикладной математики им М.В.Келдыша РАН член-корреспондент РАН Александр Аптекарев. Он, в частности, процитировал справку 1966 года для председателя Совета министров СССР Алексея Косыгина, в которой Келдыш указывал: «У нас еще имеется отставание в техническом уровне и количестве электронных вычислительных машин, что сдерживает широкое использование вычислительной техники в народном хозяйстве. Основные усилия Министерства радиопромышленности СССР должны быть сосредоточены на создании нового комплекса высоконадежных ЭВМ на интегральных схемах с широким диапазоном по быстродействию, совместимых по программированию, оснащенных современными внешними устройствами, а также развитой системой математического обеспечения».

Дальнейший разговор на президиуме пошел вовсе не в праздничной тональности и показал, что государство сегодня остро нуждается в экспертном мнении ученых.

Ученик Келдыша, научный руководитель Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН академик Борис Четверушкин, представив коллегам самые мощные вычислительные машины в мире: японскую Fugaku, запущенную в Стране восходящего солнца в 2020 году, с пиковой производительностью 537 петафлопс (PFLOPS), американские системы Summit, Sierra и Selene (200, 125, 79 PFLOPS соответственно), китайский суперкомпьютер Sunway (125 PFLOPS), саудовскую машину DAMMAM-7 (55 PFLOPS) и другие, удрученно констатировал, что самая мощная российская система «Кристофари» (Сбербанк) «прожевывает» всего 8 с небольшим PFLOPS. А суперкомпьютер МГУ им. М.В.Ломоносова «Ломоносов-2» имеет мощность 5,7 PFLOPS и уже полностью загружен всевозможными задачами.

Напомним, один PFLOPS – это один квадриллион операций с плавающей точкой в секунду (1015). Такие вычисления используют для решения уравнений в таких областях, как магнитная газовая динамика, астрофизика, квантовая химия, аэростроение и т. п. Сегодня в мире анонсировано создание сразу трех машин уже на эксафлопс (1018), а в целом мировая тенденция модернизации суперкомпьютеров предполагает переход от 5-10 PFLOPS к 25-50 PFLOPS.

Чем мощнее суперкомпьютер, тем больше вводных он может рассчитать, тем точнее в состоянии описать нюансы процесса, тем меньше времени у него на это уйдет. Расчеты одного процесса могут занимать от нескольких дней до месяца. По словам академика, сегодня решение оптимизационных логистических задач с 1000 самолетов и вертолетов различных типов занимает 5-7 дней при использовании 0,15 PFLOPS, а учет сопутствующих других видов транспорта требует уже на порядок более мощных систем. При расчетах виртуальных катастроф для получения достаточного количества вариантов необходимо использование систем производительностью 10 PFLOPS. Столько же нужно для ежегодного расчета оптимального питания для населения России.

“Не скажу, что мы совсем ничего не делаем, это не так. Мы изощряемся на существующей технике: за счет работы с партнерами, более простых моделей, разнообразия методов. Но мы подходим к пределу этих изощрений. Нужны машины”, – резюмировал Четверушкин.

Россия в силу логики научно-технического прогресса, своего геополитического положения обязана резко увеличить производительность своего вычислительного парка. Средства на развитие вычислительной техники и отечественной элементной базы нужно найти, уверен академик. Необходимо создание линейки вычислительных центров в РФ. Один из них должен быть в РАН – в качестве экспериментальной площадки для развития высокопроизводительных и информационных технологий цифровой экономики. Б.Четверушкин назвал его «своеобразным экспериментальным реактором».

Сергеев спросил докладчика, что нужнее стране: несколько очень мощных суперкомпьютеров или большее количество с меньшей мощностью?

“Линеечку надо делать, не идти на рекорды по производительности, – ответил Четверушкин. – Это будет стоить порядка 100 миллиардов рублей. Россия обязана увеличить производительность своих суперкомпьютеров хотя бы до уровня Германии, где имеется с десяток суперкомпьютерных центров с машинами на 25-30-50 PFLOPS. Подобные центры должны появляться и в регионах на базе университетов, институтов РАН. Пытаться создать самую производительную машину в мире не нужно. Но иметь 5-10 машин в 30 PFLOPS необходимо, иначе мы обречены на технологическое отставание”.

Кроме того, пока очевидна зависимость от зарубежной элементной базы. И эта проблема также требует решения, отметил академик.

– Еще вопрос про загруженность машин, – продолжил спрашивать глава РАН. – Общаясь в верхних эшелонах власти, я часто слышу, что задач для суперкомпьютеров нет. Повторяют, как мантру. Откуда это идет?

– От некомпетентности и лукавства, – ответил докладчик.

– Чтобы не было от лукавого, мы и сами не должны давать повод для разговоров о том, что машины не загружены, – заключил Сергеев. – Надо просвещать народ и власть, объясняя, что мы имеем качественное отставание в этой области.

Дискуссия продолжилась обсуждением таких проблем, как отсутствие в стране собственных комплектующих и системных программных продуктов, а также соответствующих отраслей промышленности. Выступавшие склонялись к тому, что стоит наращивать суперкомпьютерную мощь России поэтапно, комплектуя ее собственными продуктами.

По словам директора Института системного программирования им. В.П.Иванникова академика Арутюна Аветисяна, сегодня ребром встают вопросы надежности и масштабируемости оборудования. Наблюдается экспоненциальный рост требований к вычислительным ресурсам для обучения современных алгоритмов искусственного интеллекта. Как считает А.Аветисян, системное ПО Россия способна «импортозаместить».

Академик Владимир Бетелин уделил внимание сотрудничеству научного сообщества, в том числе РАН с промышленностью, которая «является носителем задач». «Главное – это практические задачи. С ними и нужно соотносить потребность в суперкомпьютерах. «Отставание в микроэлектронике влечет за собой отставание в сфере вычислительных технологий», – подчеркнул Владимир Борисович.

Потребностям промышленно-сти посвятил свое выступление научный руководитель Центрального аэрогидродинамического института им. профессора Н.Е.Жуковского академик Сергей Чернышев. Говоря о суперкомпьютерном моделировании в аэрокосмической отрасли, он также признал, что с существующей техникой и вычислительными мощностями давать результаты мирового уровня сегодня невозможно.

“В последние 10 лет в развитии вычислительных методов происходит переход от решений в рамках отдельных дисциплин к многодисциплинарным, – сказал Чернышев. – Применяемые модели постоянно усложняются. Все это требует колоссальных вычислительных ресурсов, которые сегодня в значительной степени ограничены мощностью ЭВМ в несколько сотен терафлопс”.

Задачи в аэрокосмической области – в числе самых ресурсозависимых. Внедрение суперкомпьютерных технологий в авиастроении позволяет перейти на новую систему проектирования и поддержания жизненного цикла летательных аппаратов, исключить доработку самолета в будущем, снизить технические риски, повысить информативность решения инженерных задач, обеспечить возможность создания обширной базы знаний для развития на перспективу.

Цифровые двойники летательных аппаратов, виртуальные испытания и сертификация – это все ближайшее будущее и в чем-то даже настоящее. Речь идет о переходе к новой парадигме: вычислительные методы частично должны заменить физический эксперимент, и ядром всей этой деятельности будет суперкомпьютер повышенной мощности, подытожил ученый.
– Голос промышленности тоже должен быть слышен. Важно понять, как это сделать, – заметил глава РАН, выслушав академиков Бетелина и Чернышева.

По словам академика Владимира Воеводина, сегодня нет области, где бы не использовались вычислительные технологии. При этом отечественные ученые лишены возможности работать с передовыми системами в отличие от их коллег на Западе, посетовал директор Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ.

“Нам, Московскому университету, повезло. По инициативе Виктора Садовничего еще в начале 2000-х годов был организован суперкомпьютерный комплекс МГУ, самый мощный в научно-образовательном сообществе России. «Ломоносов-2» был создан исключительно на собственные средства университета. Тысячи исследователей, сотни организаций, все области науки используют суперЭВМ МГУ”, – отметил Воеводин.

Об Уральском суперкомпьютерном центре рассказал директор Института математики и механики им. Н.Н.Красовского УрО РАН член-корреспондент РАН Николай Лукоянов, кратко охарактеризовав ситуацию с оснащением регионов средствами высокопроизводительных вычислений.

Последнее кардинальное обновление вычислителей центра началось в 2010 году. В 2013-м РАН перестала быть распорядителем средств для академических институтов, финансирование программы прекратилось, хотя какие-то деньги поступали. С 2019 года институт участвует в программе обновления приборной базы в рамках федерального проекта «Развитие передовой инфраструктуры для проведения исследований и разработок в Российской Федерации», однако получаемые средства в основном уходят на то, чтобы поддерживать вычислитель в работоспособном состоянии, и о каком-то существенном развитии говорить не приходится, рассказал ученый.

“Сегодня мы имеем суперкомпьютер «Уран» производительностью в районе четверти PFLOPS. Это не бог весть что даже по российским меркам – 18-е место в рейтинге ТОП-50 суперкомпьютеров стран СНГ. Тем не менее «Уран» востребован, он загружен на 100%: круглосуточно семь дней в неделю. Его постоянные пользователи – 17 институтов УрО РАН, а также Уральский федеральный и Удмуртский госуниверситеты. В основном суперкомпьютер используется для проведения фундаментальных научных исследований и решения прикладных задач гражданской тематики”, – доложил Лукоянов.

Ученый выделил две тенденции. С одной стороны, налицо востребованность суперкомпьютеров со стороны академических институтов и университетов, наблюдается оживление интереса промышленности и инновационных компаний к высокопроизводительным вычислениям. Есть кадры, способные развивать и обслуживать суперкомпьютерную технику, наладить ее эффективное использование. И это – позитивный момент. С другой, – имеющихся вычислительных мощностей явно не хватает.

“Большинство российских суперкомпьютеров не соответствует передовому мировому уровню, значительная часть вычислителей, особенно региональных, физически и морально устарела. Ограниченность инструментария уже на старте сужает масштабность планируемых к решению задач. Регионы нуждаются в новой программе переоснащения современными супервычислителями. И говорить, как мне представляется, здесь надо о вычислительных мощностях в десятки PFLOPS”, – заявил Лукоянов.

Главный научный сотрудник Института вычислительной математики им. Г.И.Марчука РАН, член-корреспондент РАН Василий Лыкосов представил численные эксперименты в рамках программы CMIP6 (моделирование изменения климата). Он отметил, что, несмотря на сотрудничество с центрами коллективного пользования МСЦ РАН и НИВЦ МГУ, вычислительных ресурсов для реализации российской климатической доктрины (развитие моделей земной системы и совершенствование технологий прогноза погоды и климата) совершенно недостаточно.

Заместитель президента РАН член-корреспондент РАН Сергей Люлин представил доклад о молекулярной динамике, методе компьютерного моделирования, основанном на одновременном решении множества уравнений классической физики, подчеркнув, что решение подобных задач на современном уровне становится возможным только при увеличении производительности используемых вычислительных систем не менее, чем на 3 порядка, то есть в ~1000 раз. Ученый также информировал, что в августе 2020 года Минобрнауки утвердило Концепцию создания и обеспечения функционирования национальной суперкомпьютерной инфраструктуры, и призвал РАН разработать программу построения этой инфраструктуры, опираясь на те цели, которые были определены в ходе заседания президиума.

“Сергей Владимирович, вы в своем выступлении оценили отставание РФ от мира в суперкомпьютерном обеспечении в 17 лет. С этой концепцией сразу вперед на 17 лет не прыгнуть. Какие шаги предусматриваются?” – спросил Сергеев.

Люлин представил этапы реализации концепции программы, предполагающие выход к 2025 году России на эксафлопсный уровень.

– Правда, – сказал он, – в 2020 году ничего сделано не было, поэтому отстаем уже на 18 лет.
Первый заместитель директора РФЯЦ ВНИИ экспериментальной физики, доктор физико-математических наук Рашит Шагалиев рассмотрел два класса задач, связанных с трехмерным комплексным моделированием на суперЭВМ. Это задачи лазерного термоядерного синтеза и полномасштабного виртуального моделирования поведения сложных технических систем (аэрокосмические системы и аппараты, реакторные установки и т. п.). Он также дал оценки вычислительных ресурсов суперЭВМ, требуемых для решения вышеуказанных классов многомерных нестационарных задач.

“Работая с предприятиями машиностроения, мы поставили перед собой две амбициозные задачи, – рассказал Шагалиев. – Первая – создание отечественного программного продукта, который был бы на уровне передовых мировых разработок. Его мы поэтапно внедрили бы в работу предприятий (сейчас большинство отечественных производителей «сидит» на зарубежных пакетах программ). Если мы этого не сделаем, будем все время на подхвате. Вторая задача, может быть, даже более важная. Речь идет о создании современных сложных технических систем авиастроения, ракетостроения, в области вооружения, атомной энергетики. Их невозможно разрабатывать без использования современных технологий суперкомпьютерного моделирования, в том числе виртуальных испытаний”.

Работа комплексная, и к ней необходимо привлекать коллег из промышленности, поскольку без хорошей экспериментальной базы, верификации и доведения модели до нужного уровня эта система работать не будет. «Я хочу отметить, что задача междисциплинарная и имеет комплексный характер», – подчеркнул Шагалиев.

Отвечая на вопросы о том, как дальше развиваться, как обосновать формирование сети суперкомпьютеров Академии наук, Шагалиев, в частности, сказал:

“Если наука не будет отталкиваться от поставленных задач, а просто требовать, что нужно столько-то того, столько-то другого, нас не поймут. Говоря о том, какие центры и мощности нужны, надо взять на себя определенные обязательства по результатам. Тогда нас будут поддерживать”.

Научный руководитель Иркутского научного центра СО РАН, директор Института динамики систем и теории управления им. В.М.Матросова СО РАН Игорь Бычков представил коллегам информацию о реализации проектов развития суперкомпьютерных центров Сибирского отделения РАН. Среди них – модернизация мощности существующих суперкомпьютерных центров коллективного пользования в научных и образовательных организациях Новосибирска, Иркутска, Красноярска и Томска на суммарную вычислительную мощность не менее 23 PFLOPS. Еще одна задача – создание системы интеграции суперкомпьютерных ресурсов на основе грид-технологий и высокоскоростных телекоммуникационных соединений между суперкомпьютерными центрами и их ключевыми пользователями к декабрю 2022 года.

“Выступая на Совете по науке при Президенте РФ, я главную часть речи посвятил суперкомпьютерным вычислениям. Хочу поддержать ту наработку, которая была сделана большой группой ученых, так называемую национальную концепцию супервычислений. Президент предписал представить предложения, направленные на увеличение мощности вычислительных ресурсов российских суперкомпьютерных центров”, – напомнил коллегам ректор МГУ Виктор Садовничий.

По итогам заседания будет утверждена резолюция Президиума РАН.

Андрей СУББОТИН

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2