Высокопроизводительные вычисления – основа экономики завтрашнего дня

Автор: А. Семин

Источник: http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=14879

Тематика высокопроизводительных вычислений, или НРС всегда была актуальной, но в последние годы значимость ее растет. НРС становятся более важной проблемой по сравнению с корпоративными вычислениями, поскольку все больше задач моделирования и дизайна в самых разных областях – будь то химические препараты или автомобили, финансовые рынки и многое другое – решается с помощью высокопроизводительных суперкомпьютеров, а не в блокнотах аналитиков.

Например, 20–25 лет назад люди только начинали использовать суперкомпьютеры для анализа аэродинамических свойств автомобилей и самолетов, а сегодня практически все новые автомобили проходят через стадию дизайна и крэш-тесты, которые полностью проводятся на суперкомпьютерах. На суперкомпьютерах сегодня моделируются и многие другие детали конструкции автомобиля – от дизайна салона до системы сгорания топлива. Очень важной сегодня становится и проблема снижения уровня выбросов – здесь тоже могут существенно помочь суперкомпьютеры.

Расчеты на суперкомпьютерах становятся все более популярными, потому что они несут с собой существенную экономическую выгоду: тщательно просчитанная аэродинамика самолета приводит к заметной экономии топлива, и экономический эффект для авиакомпаний может достигать сотен миллионов долларов. Кроме того, повышается надежность перелетов, что немаловажно.

Очень популярна сейчас и тематика нанотехнологий и наноматериалов. Малые размеры структур обуславливают наличие сложных химических взаимодействий на молекулярном уровне, а современные вычислительные мощности сегодня позволяют проводить их моделирование и создавать материалы не методом проб и ошибок, «смешивая реагенты в пробирке», а на основе тщательных расчетов и моделирования протекания сложных реакций.

Я перечислил лишь несколько примеров применения высокопроизводительных вычислений, но этот список значительно больше и постоянно расширяется.

Прогресс НРС основан на нескольких факторах и прежде всего – на уменьшении стоимости самих вычислений. Суперкомпьютер 60-х гг. стоил десятки миллионов долларов и производился в количестве нескольких штук в год. Полвека назад создать и эксплуатировать суперкомпьютер могли себе позволить только правительства развитых стран, а сегодня они становятся доступными все большему числу людей. Стоимость одной вычислительной операции за полвека снизилась в миллиарды, может быть, даже в триллионы раз, именно поэтому НРС становятся доступны все большему числу компаний. И это самоподдерживающийся процесс: чем больше систем продается, тем дешевле они становятся и еще более широкому кругу пользователей становятся доступными, что открывает новые модели использования.

Здесь стоит отметить, что Интел уже много лет является важным игроком на рынке НРС. Чтобы убедиться в этом, достаточно заглянув в список рейтинга Top500 самых мощных суперкомпьютеров планеты. Более трех четвертей систем в этом списке – 378 суперкомпьютеров – сделаны с использованием процессоров Intel. Процессоры Intel используют самые разные производители – от грандов ИТ-рынка IBM и НР до местных компаний. Один из аргументов в пользу процессоров Intel – их экономическая эффективность. Не надо забывать, что еще 10 лет назад число таких систем исчислялось единицами.

Популярность процессоров Intel влечет за собой и высокую ответственность: Intel вкладывает существенные средства в исследования и разработки новых процессоров, создание больших систем и решение проблем, стоящих перед их изготовителями. Intel не только предоставляет изготовителям систем свои процессоры, но и помогает им внедрять и тестировать системы, предоставляет доступ к развитой экосистеме разработки ПО для высокопроизводительных вычислений. В лабораториях Intel, в частности в России, разрабатывается самое разное ПО, в том числе компиляторы, инструменты для отладки и анализа производительности приложений, различные библиотеки, позволяющие гораздо эффективнее использовать имеющиеся вычислительные мощности.

Сектор высокопроизводительных вычислений можно разделить на два сегмента. Первый – это high-end, высокопроизводительные системы, входящие в число ведущих суперкомпьютеров мира; уникальные и зачастую очень дорогие системы, созданные при значительной поддержке государства, и ориентированные на решение задач, по своему масштабу недоступных индивидуальным компаниям. Действительно, инвестиции в десятки и даже сотни миллионов долларов трудно осуществить без поддержки государства. Большая часть вычислительного времени таких систем используется для решения задач государственной важности или бесплатно выдается университетам и научно-исследовательским институтам для решения современных научных проблем.

В России есть несколько программ такого рода, есть несколько ведущих центров. Прежде всего это межведомственный суперкомпьютерный центр (МСЦ) Академии наук, которые предоставляет вычислительные сервисы для академических учреждений и работает в сфере НРС уже более 10 лет; этот центр обладает самым передовым на сегодня суперкомпьютером в России с производительностью около 95 TFLOPS.

В некоторых научно-исследовательских институтах, например в Курчатовском научном центре, есть мощные вычислительные системы, которые необходимы им для решения собственных научных и производственных задач.

Более того, есть специальные государственные программы, например, программа СКИФ союзного государства России и Белоруссии, которая направлена на развитие национальной экосистемы высокопроизводительных вычислений и технологической экспертизы российских производителей суперкомпьютеров. В последние годы в России складывается положительная тенденция: так, в 2003 г. в список Top500 входила всего одна российская система, А сегодня их уже восемь, причем этот рост достигнут за счет появления суперкомпьютеров в университетах – Московском, Кировском, Уфимском и других. За этими суперкомпьютерами стоят конкретные задачи и реальные применения, и есть планы их развития: например, Московский государственный университет принял решение создать у себя систему в 2009 г. мощностью до 500 TFLOPS.

Сейчас все популярнее становится тема вычислений в "облаке", но мало кто задумывается, что высокопроизводительные вычисления уже давно эксплуатируют такие технологии в применении к потребностям малого и среднего бизнеса. По сути дела, облачные вычисления – это одна из форм продажи НРС, конкретная бизнес-модель предоставления вычислительных мощностей широкому кругу пользователей, не заинтересованных в том, чтобы иметь собственный суперкомпьютер. На этом рынке сегодня есть большой спрос, поэтому он развивается, и будет развиваться еще активнее. Ведущими компаниями на этом рынке сегодня являются Amazon и Google; интересный пример высокопроизводительных вычислений в облаке — недавно запущенный проект Wolfram Alpha. Россия пока отстает, но есть надежда, что в ближайшее время начнут создаваться центры высокопроизводительных вычислений коллективного пользования, ориентированные на промышленные предприятия и исследовательские разработки.

Отдельный вопрос – кому и зачем нужны суперкомпьютеры, и зачем тратить большие средства на строительство еще более быстрых систем? Можно рассмотреть, например, использование высокопроизводительных вычислений в разработке новых лекарств. Пока рекордсмен по мощности – это система с производительностью около 1 PFLOPS. На данной системе можно, например, рассчитать воздействия лекарств на некоторые части человеческих клеток, проводя при этом огромное количество виртуальных медицинских экспериментов, что позволит более правильно подобрать формулу лекарства. Для моделирования взаимодействия с целой клеткой может понадобиться система в тысячу раз более мощная (с производительностью около 1 EFLOPS). Тогда станет, например, ясно, как будет реагировать на лекарство клетка целиком, что значительно повысит качество разрабатываемого лекарства и снизит побочные эффекты. Можно будет моделировать и изучать развитие раковых опухолей или распространение вируса в организме. Моделирование более сложных структур потребует еще большей вычислительной мощности, а в итоге можно с уверенностью говорить, что если ученым дать еще более мощный инструмент для вычислений – они найдут ему достойное применение.

Можно посчитать и экономический эффект от НРС. Когда врачи и фармацевты смогут тестировать свои лекарства виртуально, это не только удешевит и ускорит процесс разработки, но и позволит создавать лекарства индивидуально, с учетом специфики пациентов. Генно-специфические лекарства – это одно из применений НРС в будущем, но уже вполне обозримом. Кроме того, можно будет подумать и о методах лечения тяжелых наследственных болезней, и о многом другом.

Анализируя тенденции развития НРС в мире, можно ожидать системы с производительностью 1 EFLOPS к 2017–18 гг. Таким образом, перед нами очень широкий горизонт развития и востребованности НРС на протяжении долгого времени.

Очень часто суперкомпьютеры сравнивают с болидами "Формулы-1", но, мне кажется, есть одно очень важное отличие: cуперкомпьютеры решают очень широкий спектр актуальных и конкретных задач в самых разных областях человеческой жизни и деятельности. Поэтому НРС – это не только спорт высоких достижений, но и реальная помощь в решении конкретных проблем, стоящих перед человечеством. Именно поэтому вполне естественно выглядит потребность в государственной поддержке для проектов НРС. При этом все время надо помнить, что создание суперкомпьютеров влечет за собой развитие дополнительных высокотехнологичных отраслей, таких как разработка ПО, энергетика и экосистемы пользователей.

Если говорить о развитии сектора НРС в России, то это один из самых динамичных рынков в регионе ЕМЕА (Европа, Ближний Восток и Африка). Многое делается в рамках программы СКИФ. Если провести аналогию с 20–30 гг. прошлого века, когда перед Россией стояла задача создания собственного машиностроения, на базе которого можно было бы создавать и развивать другие сферы экономики, то теперь перед страной встала проблема создания отрасли высокопроизводительных вычислений, на базе которой можно будет развивать нанотехнологии, фармацевтику и другие инновационные направления. Мне кажется, пройден очень важный этап – продемонстрирована востребованность и результативность НРС, и в дальнейшем развитие этого направления пойдет еще активнее. Кстати, в развитых западных странах уже есть специальные центры развития нанотехнологий, и все они оснащены мощными суперкомпьютерами. Я думаю, и в России со временем должны появиться такие же центры.

Корпорация Intel активно способствует продвижению НРС в России. В прошлом году мы провели специальный конкурс среди разработчиков приложений для НРС, чтобы увидеть тех людей, кому нужны суперкомпьютеры для их расчетов. В результате удалось найти большое количество интересных задач и научных коллективов, которым реально нужны суперкомпьютеры мощностью в PFLOPS и выше.

Кроме того, мы работаем с ведущими потребителями суперкомпьютерных систем: у нас есть совместный центр компетенции с Росгидрометом, поскольку, как и во всем мире, прогнозирование погоды – одна из первостепенных задач для высокопроизводительных вычислений. Кстати, Росгидромет несколько лет назад построил большой суперкомпьютер и использует его для ежедневных прогнозов и обмена результатами расчетов с суперкомпьютерными центрами других стран в рамках Всемирной метеорологической организации.

В дальнейшем мы планируем поддерживать в России несколько направлений развития НРС. Первое – это создание собственной инфраструктуры для разработки суперкомпьютерных систем, поскольку уникальные системы нельзя скопировать или пустить в тираж, их надо создавать самостоятельно. Мы уже помогаем нескольким российским разработчикам на этом пути. Второе – мы продолжаем взаимодействовать с разработчиками ПО, развивая программирование для параллельных вычислений, системы тестирования и оптимизации ПО. Эти работы активно ведутся в наших центрах разработки в Нижнем Новгороде, Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, и наши инженеры помогают заказчикам в решении многих проблем. Третье – мы активно общаемся с пользователями НРС-систем и выясняем их пожелания к нашей продукции, чтобы в дальнейшем сделать ее еще более подходящей для их задач.

Если говорить об уровне развития НРС в России, то я бы отметил, что хотя Россия по некоторым показателям отстает от ведущих европейских развитых стран, но она их достаточно успешно догоняет. Россия развивается быстрее и сегодня находится на уровне таких стран, как Испания или Швеция и по мощности суперкомпьютеров, и по уровню получаемых на них результатов.