Мир готовится к очередной технической революции – к появлению эксафлопсного суперкомпьютера, который будет считать со скоростью 1018 операций в секунду. Пока эксперты заключают пари: появится такая машина к 2018 году или все-таки не появится, Борис Четверушкин, директор Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН, предполагает, что она может появиться в России.

Доверять высказыванию профессора Четверушкина есть все основания: уже год в ИПМ РАН успешно работает оригинальный гибридный суперкомпьютер К-100, который может стать прототипом будущего эксафлопсного суперкомпьютера. 

 

- Борис Николаевич, какое место в суперкомпьютерном рейтинге занимает "К-100"?

- Я бы не стал сейчас акцентировать внимание на рейтинге суперкомпьютеров - начинает разговор Борис Николаевич. – Дело в том, что существующий сегодня тип компьютеров, основанный на процессорах общего назначения с небольшим числом ядер, достигает предела производительности порядка одного петафлопса (1015 или один квадриллион операций в секунду). Но за это надо платить запредельным энергопотреблением и соответствующей стоимостью самого компьютера и его обслуживания. Компьютер производительностью 1 петафлопс потребляет электроэнергию мощностью в три мегаватта. Японцы вот-вот запустят в строй суперкомпьютер производительностью 10 петафлопс, это будет самый крупный суперкомпьютер в мире. Но его энергопотребление - 25 мегаватт, а может и больше. Представляете, к этому японскому гиганту надо пристраивать отдельную электростанцию!

- То есть гигантская мощность не всегда оправдана?

- Необходимо понимать, что реальная производительность суперкомпьютера – это комбинация пиковой производительности, энергопотребления, алгоритмов и математического обеспечения.

Гораздо меньшим энергопотреблением и гораздо меньшей стоимостью обладают компьютеры на графических платах. И наш институт, первый в России, пошел «простым» путем – создал гибридный суперкомпьютер. В нем присутствуют и обычные процессоры, выполняющие логические операции, и графические платы, которые перерабатывают большой объем информации.

Мы начали эти работы в 2007 году, создали небольшой макет, все отработали. И когда весной 2010 года президент РАН Юрий Сергеевич Осипов встречался с премьер-министром Владимиром Владимировичем Путиным, у нас уже была полная уверенность, что гибридный компьютер – правильное направление. Мы показали, что выбранное направление работает, и вчерашние критики, а их было достаточно,  стали нашими союзниками. Мы запустили суперкомпьютер в 2010 году и назвали его К-100 – в честь Мстислава Всеволодовича Келдыша, основателя нашего института, 100-летие со дня рождения которого мы отметили в этом году. Пиковая производительность К-100 - 107 терафлопс, энергопотребление – зимой 70 киловатт, летом – 80 киловатт. Сейчас признано, что такой экономичный во всех отношениях подход является одним из перспективных направлений развития вычислительной техники на ближайшие несколько лет.

- С какими проблемами столкнется японский 10-петафлопсный суперкомпьютер?

- Его серьезный недостаток – большие сложности с программированием и потребность в специальных алгоритмах, которые хорошо ложатся на архитектуру систем с массовым параллелизмом. Дублером вот этого японского суперкомпьютера там же строится компьютер на графических платах производительностью один петафлопс, и на котором будет отрабатываться программное обеспечение для этого типа компьютеров.

По сути дела, мы рассматриваем два типа высокопроизводительных компьютеров (когда используется свыше сотни тысяч ядер): либо на обычных процессорах, либо на графических платах. В обеих машинах одинаковые проблемы. Те алгоритмы, которые ложатся на графические платы, идут и на большие системы на основе традиционных процессоров, а те, которые ложатся на процессоры с большим числом ядер, лягут и на графические платы.

Конечно, переписка программ, особенно производственных, - процесс тяжелый. Но это техническая и, я думаю, временная трудность.

Сейчас во всем мире прилагаются большие усилия для создания языков более высокого уровня, которые позволят автоматически писать простые программы для графической платы. Надо придумывать логически простые, но эффективные алгоритмы.

Сейчас идет поиск таких алгоритмов. И могу сказать, что российская математическая школа позволяет решать такие проблемы, находить нетривиальные решения, многие из которых мы уже нашли и которые нам позволили запустить К-100. Этот суперкомпьютер уже год используется для решения разных интересных задач.

Когда я говорю о российской математической школе, имею в виду, в первую очередь, Физтех. Я сам выпускник и профессор МФТИ, большинство ведущих сотрудников нашего института – выпускники Физтеха.

- Какие задачи решает К-100?

- У нас хорошо считаются задачи переноса излучений, неразрушающего контроля конструкций, газовой и гидродинамики, связанные с авиацией, ракетной техникой, молекулярной динамики. Правда, последнюю задачу решают коллеги из Института высоких температур РАН, они тоже в большинстве - выпускники Физтеха.

Словом, круг задач огромен и он расширяется. Важно отметить, что эти задачи уже связаны определенными контрактами, договорами. Здесь же добавлю, что наш институт сейчас активно развивает программу вычислений, связанную с моделированием добычи углеводородного сырья. Это тоже очень интересная задача.

 - А создание Вселенной и устройство головного мозга суперкомпьютер сможет разгадать?

- Разгадка возникновения Вселенной – это задача астрофизики. И она действительно до конца не решена. У нас в институте очень сильная группа астрофизиков. Кстати, ее лидером является известный во всем мире профессор Чечёткин Валерий Михайлович, выпускник МФТИ. В астрофизике есть задачи для суперкомпьютера: это задачи гидро- и газовой динамики, переноса излучения, космической турбулентности. Там как раз нужны огромные вычислительные мощности, и, конечно, наши астрофизики уже приступают к использованию супермашины для решения своих задач. А вот насчет неизученного до сих пор устройства мозга, мне труднее говорить. Во-первых, это не моя специальность. Во-вторых, мне бы очень не хотелось конструировать мозг и пытаться распознать его механизм. Какая-то нерадостная перспектива.

- Что может нести угрозу суперкомпьютерам? Супервирусы?

- Машина может загрязниться, особенно если среди ее пользователей много удаленных, которые работают в общих сетях. Мы не можем их полностью контролировать. Естественно, создан защитный барьер: чтобы сотрудники из других организаций-партнеров получили допуск к «К-100», они пишут специальные письма.

Два года назад Совет безопасности России принял программу о перевооружении основных отраслей промышленности суперкомпьютерными технологиями. Это свидетельствует о том, что суперкомпьютерные технологии являются элементом национальной безопасности. Не только и не столько потому, что они могут использоваться для создания нового вооружения, но, в первую очередь, потому, что они быстро и качественно решают технологические задачи, скажем, в нефтедобыче. Рост добычи нефти даже на несколько процентов окупит науку. Конечно, супермашины - это стратегический потенциал.

 На самом деле проблема заключается не в том, что этого не понимают, а в том, что остается открытым вопрос: как рационально использовать суперкомпьютеры? Несмотря на то, что в мире уже около десяти суперкомпьютеров с производительностью свыше одного петафлопса, задач, для решения которых требуется мощность всего 100 терафлопс (это одна десятая петафлопса) на вариант, очень мало. Обычно терафлопсные супермашины решают одновременно по 100-150 небольших задач. Это хорошо и экономично. Но если поставить 10-терафлопсный суперкомпьютер, то можно считать с его помощью эти мелкие задачи. Крупные задачи есть, но тут, опять же, возникают принципиальные трудности овладения алгоритмами, которые могут быть адаптированы на архитектуру с таким большим числом процессоров или ядер. Не случайно единственным конкурсом, объявленным в рамках грандиозной программы «Фундаментальные исследовании стран G8», был конкурс по эксафлопной инициативе, то есть конкурс по созданию алгоритмов и матобеспечения для дальнейшего движения к эксафлопсу. Предполагается, что первая такая машина появится к 2018 - 2019 годам.

- Есть прогнозы, в какой стране это произойдет?

- Это может произойти в России. Но для этого надо создать промежуточный вариант – разработать суперкомпьютер производительностью порядка 10 петафлопс. Мы готовы к этому. Цена вопроса создания такой машины –  2,5-3 миллиарда рублей при энергопотреблении около 4 мегаватт. И за полтора года такую машину наш институт может создать. И как ее использовать мы знаем, мегазадачи есть! Но методы нужны, матобеспечение нужно, языки программирования нужны.

- А разработать их может студент-научный сотрудник?

- Да. И, слава Богу, такие ребята у нас есть. Не в последнюю очередь потому, что есть постоянная кадровая подпитка, в первую очередь за счет Физтеха. И мы с Физтехом активно сотрудничаем по деловым, по родственным, можно сказать, связям. Ведь у нас, повторюсь, большинство ведущих ученых – физтехи.

Кадры есть, система обучения есть, и в этом плане Россия – на передовых рубежах. Я могу, не стесняясь, сказать, что в этой отрасли мы находимся на передовых позициях. 

Не случайно Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша и еще один институт часто ругаемой Академии наук активно участвуют в эксафлопсной инициативе стран G8. Эти два института РАН – единственные представители России в этом проекте. В нем также участвуют Принстонский университет (США), Университет Цукуба (Япония), Юлихский суперкомпьютерный центр (Германия), центры в Кадараше (Франция) и Эдинбурге (Великобритания).

Очень порадовала меня и недавняя октябрьская конференция в Эдинбурге: японцы анонсировали пуск гибридного суперкомпьютера, а мы на точно таком же работаем целый год! Приятно осознавать, что этот путь мы уже прошли.

Но перед всеми нами, русскими, американцами, японцами, учеными других стран, стоит задача: а что дальше? Сейчас проблема с языками программирования. Мы в этом проекте совместно ее решаем. То есть, с одной стороны, мы решаем одну задачу – моделирование международного Токамака, а с другой стороны, совместно разрабатываем методы вычислений и математическое обеспечение.

Для меня все эти конференции ценны не тем, что я что-то принципиально новое узнаю, это не так. Такие встречи - некий камертон, который показывает: правильным курсом мы идем, либо неправильным.

- Вы встречаетесь с коллегами-физтехами, которые представляют интересы других стран?

- Встречаемся, к сожалению. Я глубоко убежден, что российские ученые должны заниматься наукой в России, а не усиливать потенциал наших конкурентов. Я за международное сотрудничество, но работать надо в России. Тем более, сейчас в стране не такая ситуация, какая была в 1990-е годы. Те, кто работает на передовых направлениях, имеют и гранты, и лоты министерства образования и науки. Государственная поддержка есть, причем она целенаправленная и весомая.

- Борис Николаевич, чем Вы сейчас занимаетесь?

-  У меня деятельность весьма активная. Проявляю большой интерес к моделям вычислительных алгоритмов, которые будут ложиться на машины сверхвысокой производительности. В первую очередь, это создание простых и эффективных алгоритмов. Здесь играют большую роль кинетические схемы, которые мы в свое время предложили. Сейчас на Западе разработаны аналогичные схемы, это относительно простые модели, использующие связь между кинетическими и гидродинамическими описаниями сплошной среды, которые известны всем механикам, но в вычислительной практике не применялись из-за большой размерности кинетических уравнений. А сейчас большие машины позволяют недостаток этот убрать. А простота таких схем, их легкая адаптация на архитектуру, становится достоинством.

Конечно, большой интерес и к созданию языков программирования. Сейчас выходит моя (в соавторстве с нашим сотрудником) работа по языку высокого уровня, который позволяет автоматически включить в себя инструментарий CUDA.

И по другим направлениям есть интерес. По сути дела, все они взаимосвязаны. Ну и еще интерес: я продолжаю преподавать – в МФТИ на кафедре «Математическое моделирование» ФУПМ (Борис Николаевич является заведующим кафедрой. – прим. редакции) и в МГУ на кафедре «Вычислительные методы» факультета вычислительной математики и кибернетики.

- Студенты осознают, что они на рубеже технической революции?

- Думаю, не совсем. Иначе как объяснить тот факт, что с 3-го курса они начинают активно подрабатывать! Я всегда говорю: «Учитесь!»  Я не сторонник того, чтобы молодые ученые были бедными. Они и на курорте должны отдыхать, и квартиры покупать. Они ничуть не хуже тех, кто в «Газпроме» работает. Просто у будущих ученых другой, более яркий, интересный, перспективный жизненный путь, надо просто добросовестно учиться, и тогда все будет. Когда мы учились, чтобы стать учеными и пробиться на этой стезе, то о бытовых неурядицах, которые были у всех и гораздо в больших проявлениях, чем сейчас, просто не думали. А сейчас другие стандарты и ценности. Как сделать, чтобы мотивация к учебе была? Это сложная государственная идеологическая задача.

- А модель развития страны можно просчитать на суперкомпьютере?

- Вопрос тут не столько в суперкомпьютере. Главное - должна быть математическая модель. У меня такое ощущение, что для отработки этой модели слишком высокие вычислительные мощности не нужны. Более того, подобные интересные работы уже ведутся в Московском университете. Ими руководит бывший президент Киргизии Аскар Акаев, почетный член нашей Академии наук и профессор МГУ.

Я бы сказал, что в этом вопросе сейчас главное – отработка модели. Конечно, когда модели будут признаны и верифицированы, суперкомпьютеры, учитывающие все многообразие связей, взаимодействий, могут быть активно использованы, но это уже последующий шаг. Надо сначала экономистам и математикам выработать модель, а потом ее можно будет положить на операционные системы. Кстати, использование суперкомпьютера в экономике не менее важно, чем в науке и технике.

Наталья Николаева

 

Из досье «За науку»

Борис Николаевич Четверушкин, директор Института прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук, член-корреспондент РАН (2000 г.).

Автор более 350 научных работ, 4 монографий, одна из которых издана за рубежом.

Область научных интересов: математическое моделирование течений жидкости и газа с учетом кинетических представлений об этих процессах, кинетически согласованные разностные схемы решения задач газовой динамики и динамики разреженного газа, использование многопроцессорных ЭВМ для решения сложных задач математической физики, вопросы параллелизации вычислительных экспериментов.

 

Из досье «За науку»

Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша (ИПМ РАН) создан в 1953 году для решения сложных математических проблем, связанных с государственными программами исследования космического пространства, развития атомной и термоядерной энергетики, на основе создания и широкого использования вычислительной техники и программного обеспечения.

Его организатором и директором (1953–1978 гг.) был академик Мстислав Всеволодович Келдыш, президент Академии наук СССР в1961-1975 гг.

В настоящее время в ИПМ работают 2 академика, 4 члена-корреспондента РАН, 84 доктора и 158 кандидата наук. Среди них есть лауреаты Ленинской и Государственной премий, лауреаты премии Совета Министров СССР.

Организованный в Институте Баллистический центр, начиная с запуска первого искусственного спутника Земли, успешно решал проблемы баллистико-навигационного обеспечения полетов пилотируемых кораблей, долговременных орбитальных станций «Салют» и «Мир», многоразовой космической системы «Энергия-Буран», автоматических аппаратов научного назначения «Луна», «Венера», «Марс» и др., участвует в разработке и реализации международных космических проектов. Мировое признание получили работы по алгоритмическому и программному обеспечению для транспортных средств нового типа — шагающих роботов, автоматизации ручных операций при сборке изделий машиностроения с помощью адаптивных роботов.

В Институте были проведены расчеты уникальных по сложности и объему задач газодинамики взрыва, защиты от проникающих излучений, сверхзвукового обтекания летательных аппаратов, детальный нейтронно-физический расчет ядерного реактора. В начале 60-х годов, задолго до подобных расчетов в США, были проведены численные эксперименты на ЭВМ, открывшие новую область прикладной математики — вычислительную электродинамику.

Институт является родоначальником использования электронно- вычислительной техники в Советском Союзе. В нем была установлена первая серийная отечественная ЭВМ и организовано первое в стране структурное подразделение, выполнившее пионерские работы по созданию программного обеспечения.

Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша определен головной организацией по ряду ведущих направлений прикладной математики. Работы Института получили широкое признание в нашей стране и за рубежом. От него в разное время отпочковались и стали ведущими по своим направлениям такие организации Российской академии наук, как Вычислительный центр, Институт космических исследований, Институт математического моделирования.

Выпуск №12 журнал - ноябрь 2011