Еще совсем недавно казалось, что отечественные суперкомпьютеры безнадежно отстали. Сегодня ситуация изменилась: мы вошли в мировые рейтинги и даже минимальная по сравнению с Западом господдержка способна возродить отрасль.

Ноябрьская редакция всемирного рейтинга суперкомпьютеров TOP-500 преподнесла множество сюрпризов. Во-первых, сменился лидер: старичок Earth-Simulator производства японской NEC, занимавший первую строчку более двух лет подряд (срок рекордный), переместился на третье место. Во-вторых, американские компании вернули себе пальму первенства - детища IBM и SGI заняли в общем списке первое и второе места соответственно.

Кроме того, немало интересного произошло и вне тройки лидеров. Важное для нас событие: 98-е место заняла машина СКИФ К-1000, спроектированная и построенная российскими и белорусскими специалистами. После долгого перерыва наш суперкомпьютер снова вошел в сотню самых производительных в мире. Впрочем, производительность не самоцель. В России сегодня множество задач, которые без суперкомпьютера не решить.

От большого к малому

В 50-е годы прошлого века в сфере компьютерных технологий СССР ни в чем не уступал США. В 1951 году была введена в действие МЭСМ (малая электронная счетно-решающая машина), разработанная под руководством академика АН Украинской ССР и на протяжении двух лет остававшаяся самой быстрой в Европе. В 1953-м появилась БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), а через три года - БЭСМ-6, также ставшая одной из самых быстрых в мире. Тогда будущее советских компьютеров представлялось достаточно радужным. Но, как часто бывало в истории техники, идиллию нарушило появление новой технологии. В 60-70-е годы на смену радиолампам и отдельным транзисторам, на которых базировались МЭСМ и БЭСМ, пришли микросхемы и процессоры - плотно размещенные массивы транзисторов, способные выполнять достаточно сложные инструкции. Советская промышленность не успела перестроиться на новые стандарты, и к 80-м годам отставание СССР в области полупроводниковых технологий стало еще заметнее. С перестройкой все усугубилось: началась утечка мозгов, Россию покинули многие ученые и специалисты, которых с радостью приняли на работу ведущие мировые производители как полупроводниковых микросхем, так и компьютеров.

Тем временем само понятие "компьютер" расширялось. Все перечисленные выше ЭВМ были заточены под сугубо вычислительные задачи, предполагали одновременную работу нескольких пользователей и были действительно большими машинами. В конце 70-х-начале 80-х на Западе произошла революция - появились персональные компьютеры, машины, предназначенные для одного пользователя. Очень быстро поменялись и их функции: несмотря на возрастающую мощь они все больше применялись не для математических вычислений, а для игр, организации офисной работы и так далее. От былого предназначения осталось лишь название - compute по-английски значит "считать", "вычислять". Но большие машины не пропали, рынок просто разделился - разработка суперкомпьютеров выделилась в самостоятельное направление индустрии. Cуперкомпьютеры все больше отличались от ПК по архитектуре: если персоналки живут по законам "гонки мегагерц" в единственном процессоре, то суперкомпьютеры базируются на принципах параллелизма, когда одна вычислительная задача разбивается на множество мелких, которые выполняются одновременно разными конвейерами процессора и узлами компьютера.

Как ни странно, точного определения суперкомпьютера не существует до сих пор. Большинство специалистов предлагают считать таковым мощную машину, на момент ввода в строй входящую в список самых быстродействующих. Исходя из этого, участие машины в авторитетном рейтинге TOP-500 уже является основанием для отнесения его к категории суперкомпьютеров. В этот рейтинг входит 500 самых мощных машин мира, для замера производительности используется универсальный тест LINPACK, ориентированный на определение производительности при выполнении реальных задач. Общепринятой единицей измерения производительности является флопс, то есть одна операция с плавающей запятой в секунду. TOP-500 формируется дважды в год германским Университетом Маннгейма, лабораторией инновационных вычислительных технологий при американском Университете Теннесси и Национальным вычислительным центром энергетических исследований США. Как стало известно "Эксперту", сейчас планируется создание рейтинга TOP-50 самых производительных компьютеров СНГ; первая его версия должна выйти уже в декабре.

Суперкомпьютер - изделие штучное. Практически всегда он разрабатывается и собирается для решения каких-то конкретных задач. Серийное производство некоторых типовых моделей под силу лишь крупнейшим мировым вендорам - IBM, HP или Cray. Этим объясняется высокая стоимость таких машин: так, по некоторым оценкам, стоимость NEC Earth-Simulator (включая проектирование) составила более 250 млн долларов. Впрочем, и этой суммой затраты не исчерпываются. В суперкомпьютере есть такое понятие, как совокупная стоимость владения, которая складывается из очень многих составляющих: затраты на потребление энергии, на обслуживание; кроме того, учитывается потенциальная вероятность отказа элементов системы. У разных суперкомпьютеров стоимость обслуживания разная - от сотен до тысяч долларов в день, в зависимости от объема системы.

Большая часть задач, решаемых при помощи суперкомпьютеров, традиционно относится к ведению государства. Это гидрометеорология, моделирование ядерных реакций, геологические исследования в национальных масштабах и многое другое. Именно поэтому суперкомпьютерная индустрия во всем мире опирается на государственную поддержку. Практически все машины, лидирующие в рейтинге TOP-500, были построены в разных странах по госзаказам, на деньги налогоплательщиков. Как рассказал "Эксперту" научный руководитель и исполнительный директор от России суперкомпьютерной программы СКИФ, и. о. директора Института программных систем РАН, доктор физматнаук Сергей Абрамов, на развитие суперкомпьютеров проекта ASCI США затратили около 6 млрд долларов. Но отдача не заставила себя ждать: передовые технологии, создаваемые для самого-самого суперкомпьютера, быстро начали применяться в более доступных машинах, устанавливаемых в корпоративных вычислительных центрах.

Объединяй и властвуй

В последние несколько лет в суперкомпьютерной отрасли наметилось несколько важных технологических тенденций, оказавших непосредственное влияние на структуру рынка. Во-первых, изменилась господствующая архитектура суперкомпьютеров. После 2002 года на место векторно-конвейерных машин, господствовавших с середины 70-х, пришли кластерные системы. Оба типа суперкомпьютеров могут параллельно выполнять сразу несколько процессов. Но векторно-конвейерные машины оснащены специализированными процессорами, ***оперирующих сразу наборами (векторами) данных. При такой архитектуре самих процессоров в системе немного, но каждый из них обрабатывает достаточно большой поток информации. Кластерные же суперкомпьютеры представляют собой массив отдельных систем - кластеров, соединенных специальной сетью. Распределение задач между кластерами осуществляет управляющий модуль, он же "собирает" результаты вычислений. В отличие от векторных систем в кластерных, как правило, используются обыкновенные процессоры для ПК, а производительность достигается за счет эффективного распараллеливания задач и ускорения ввода-вывода.

Несмотря на относительную сложность разработки ПО для кластерных систем, рынок благосклонно воспринял их - благодаря использованию массовых комплектующих они намного дешевле векторных. А простая архитектура отдельных узлов - по сути, обыкновенных многопроцессорных ПК - позволила разрабатывать высокопроизводительные системы даже не очень крупным фирмам и ужесточила конкуренцию на рынке. Впрочем, создание кластерных машин тоже очень сложное дело. По словам Сергея Абрамова, суперкомпьютер не груда деталей, которую достаточно правильно соединить: разработка, отладка и настройка программно-аппаратного комплекса суперкомпьютера -. это большой труд, а в чем-то даже искусство.

Еще одним важным аргументом в пользу кластеров, особенно для российских разработчиков, стало то, что используемые в них массовые процессоры не подпадают под экспортные ограничения США и Японии. Эти ограничения были введены, чтобы не допустить появления суперкомпьютеров у потенциальных противников этих стран. Действуют такие ограничения и для России - использование кластерных схем позволяет обойти их.

Тем не менее некоторые эксперты все же верят в скорое возвращение векторных систем. Так, член-корреспондент РАН заместитель директора НИВЦ МГУ им. М. В. Ломоносова Владимир Воеводин замечает: "Программировать векторные системы - одно удовольствие. А их удешевление - вопрос времени. Поэтому я ожидаю скорого роста популярности таких систем".

Другая важная тенденция - ввод новых схем управления узлами кластеров с использованием технологии FPGA (Field Programmable Gate-Array, чипов с программируемой логикой). Большая часть сегодняшних микросхем программируется один раз - при разработке, и в дальнейшем логика работы готового чипа не может быть изменена. Использование для управления узлами кластера микросхем FPGA позволяет перепрограммировать само "железо", что, естественно, существенно повышает общую производительность. Создание таких систем планируется и в России, например в рамках проекта СКИФ-ГРИД.

Жизнь в конце рейтинга

Что касается России, то в начале 90-х о столь необходимой суперкомпьютерной отрасли государственной поддержке совсем забыли, много отечественных инженеров уехало "поднимать" западную электронную промышленность. В результате российские суперкомпьютеры надолго исчезли со сцены. До 1997 года их вообще не было в списках TOP-500, а большинство тех, что появлялись позже, были просто закуплены российскими организациями у западных производителей.

Исключением стала представительница больших машин МВС-1000, (модернизированная версия - МВС-1000М), созданная в ФГУП НИИ "Квант" и установленная в Межведомственном суперкомпьютерном центре. Она была построена по кластерной схеме (из-за отсутствия собственных процессоров и недостаточного финансирования создание векторной машины было бы на порядок сложнее) и используется для проведения самых разных расчетов - ее машинное время распределяется между множеством государственных и образовательных структур.

МВС-1000 успешно дебютировала в TOP-500 в июне 2002 года, заняв 64-ю строчку, и выбыла из списка лишь в ноябре этого года. "Несмотря на все наши академические споры, я не могу относиться к созданию МВС-1000 иначе, как к научному подвигу его разработчиков", - справедливо замечает Сергей Абрамов. Но МВС-1000 уже стара - в июньском рейтинге TOP-500 она заняла лишь 391-е место, а в ноябре и вовсе выбыла из списка.

После прорыва МВС-1000М наступило некоторое затишье, связанное с отсутствием заказов на суперкомпьютеры со стороны российских государственных органов. Невелик был спрос и со стороны бизнеса: машинами, в разное время входившими в TOP-500, в России владели лишь Сбербанк (на базе техники HP) и банк "Национальный кредит" (еще до кризиса 1998 года, на базе машин Sun). У других крупных предприятий не было не столько средств, сколько задач, для которых был бы нужен суперкомпьютер. Если фармацевтической или машиностроительной компании необходимо несколько десятков часов машинного времени в год, наилучшее решение - купить только это время, а не весь суперкомпьютер. Но такое решение потребует кооперации и создания общего вычислительного центра. Как показывает опыт, большинство фирм не в состоянии решить эту задачу самостоятельно, а поэтому инициатива организации таких ВЦ и закупки суперкомпьютеров для них опять же должна принадлежать государству.

Железный СКИФ

Новый крупный проект стартовал пять лет назад. Союзное государство России и Белоруссии начало финансировать программу СКИФ, направленную на развитие суперкомпьютерных технологий. Ее бюджет на пять лет составил лишь около 10 млн долларов, тем не менее на эти скромные средства удалось спроектировать и построить 16 образцов высокопроизводительных компьютеров разной мощности, в том числе и суперкомпьютер СКИФ К-1000, в тесте LINPACK показавший производительность в два терафлопса и занявший, как уже говорилось, 98-е место в TOP-500. "Данный проект мы реализовали за три с половиной месяца, над ним трудилось около 14 человек, стоимость проекта составила около 1,7 миллиона долларов", - сообщил "Эксперту" Всеволод Опанасенко, генеральный директор компании "Т-Платформы", разрабатывавшей и строившей К-1000.

СКИФ К-1000 предполагается использовать для решения задач белорусского гидромета, на ней будут работать научно-исследовательские предприятия Белоруссии, химическая отрасль, промышленные предприятия, такие как БелАЗ, Белорусский тракторный завод, Завод карданных валов. На базе К-1000 и ее предшественницы К-500 будет открыт суперкомпьютерный центр. "Установка очень мощная, и ее возможности покрывают все запросы белорусской стороны. В Белоруссии эту установку очень ждут промышленные предприятия. Я думаю, что главными пользователями станут именно они", - говорит Всеволод Опанасенко.

Следующие суперкомпьютеры в рамках программ СКИФ и СКИФ-ГРИД, возможно, появятся и в России. Может ли в принципе окупиться государственный вычислительный центр, грубо говоря, сдавая в аренду вычислительные мощности и решая задач сторонних пользователей? Пока нет, но вложения в суперкомпьютерную отрасль и суперкомпьютерные центры нельзя считать безвозмездной помощью бизнесу. "Меня часто спрашивают: когда вернешь все, что вложило государство? - рассказывает Сергей Абрамов. - Я всегда отвечаю: сегодня, в наших условиях, напрямую, за счет продажи образцов или машинного времени не может быть возврата. В наших условиях лучше дать возможность предприятиям считать свои изделия, да еще и помогать им в этом. И вот когда суперкомпьютером будут пользоваться предприятия и с его помощью будут разрабатываться более качественные товары, новые лекарства, все это будет продано гораздо дороже, чем сегодня. Вот тогда и вернутся затраты государства - в виде налогов, экспортных пошлин на новые, конкурентоспособные товары и изделия. В виде повышения конкурентоспособности товаров нашей страны".

Дизайн и поддержка: Silicon Taiga

Обратиться по техническим вопросам