Большинство научных задач давно уже не решаются, а считаются. Инструмент счёта — компьютеры. Учёные с радостью перекладывают свою профессиональную ношу на их «железные плечи». В современной отечественной науке есть что «поднимать», да вот с «подъёмниками» туго. Осилить супертяжёлые исследовательские задачи в состоянии только суперкомпьютер.

Почти год назад в Научно-исследовательском вычислительном центре (НИВЦ) МГУ им. М.В. Ломоносова был запущен суперкомпьютер «СКИФ-МГУ». Правда, по старой доброй университетской традиции присваивать имена собственные уникальным технологическим изделиям его тут же окрестили «Чебышевым» — в честь знаменитого математика и профессора МГУ Пафнутия Чебышева.
Александр Тихонравов: «Поражает энергопотребление “Чебышева”: номинальное — 320 киловатт-часов, реальное подаётся с большим запасом — 720 киловатт-часов. Это энергообеспечение небольшого города!»

Присутствовавший на открытии супервычислителя председатель Госдумы РФ Борис Грызлов отметил: «Создание в России сети центров суперЭВМ является одной из приоритетных задач построения инновационной экономики, основанной на знаниях. Без высокопроизводительных вычислений мы сегодня не в состоянии ни решать проблемы развития наукоёмких технологий, ни создавать высокотехнологичные и конкурентоспособные производства».

Несмотря на использование Intel’овских процессоров, сборка супервычислителя была отечественной. С этой задачей справились специалисты Института программных систем им. А.К. Айламазяна РАН и компании «Т-Платформы».

«Комплектующие “Чебышева” — это последние достижения в мире компьютерных технологий, — подчеркнул директор Научно-исследовательского вычислительного центра (НИВЦ) МГУ им. М.В. Ломоносова Александр Тихонравов. — Например, мировой дебют четырёхъядерных процессоров состоялся именно в нашем супервычислителе. Компания Intel настолько заинтересовалась проектом, что предоставила свою последнюю разработку в первую очередь Московскому университету, и только сейчас внедряет аналогичные процессоры на своих рабочих станциях. Связь между процессорами в нашем вычислителе осуществляется посредством наисовременнейшей компьютерной сети — DDR InfiniBand. Поражает энергопотребление суперкомпьютера: номинальное — 320 киловатт-часов реальное же подаётся с большим запасом — 720 киловатт-час. А это энергообеспечение небольшого города! От перегрева систему сдерживает трёхступенчатая система охлаждения. На случай пожара предусмотрена специальная система, которая заполняет помещение инертным газом, не причиняя вреда ни технике, ни персоналу. Сейчас “Чебышев” вышел на пиковую производительность в 50 терафлопс — это очень хороший результат. Загруженность почти стопроцентная, число заявок в два раза превышает число возможных пользователей».
Мировой дебют четырёхъядерных Intel’овских процессоров состоялся именно в супервычислителе «Чебышев». Компания настолько заинтересовалась проектом, что предоставила эту разработку в первую очередь МГУ, и только сейчас внедряет аналогичные процессоры на своих рабочих станциях
Виктор Садовничий: «В 2009 году МГУ, возможно, станет первым университетом в мире, обладающим вычислителем мощностью 0,5 петафлопс. А следующий рубеж — 1,5 петафлопс»

Благодаря такой производительности «Чебышев» занимает 54-е место в последней версии рейтинга топ-500 суперкомпьютеров планеты (в предпоследней, напомним, он занимал 36-ую позицию). Подобными «учебными калькуляторами» сейчас могут похвастаться не более девяти университетов мира.

На «Чебышеве» университет не остановился. И буквально через полгода после его запуска в стенах факультета вычислительной математики и кибернетики (ВМК) загудел всеми своими двумя тысячами процессоров IBM’овский суперкомпьютер Blue Gene/P. Его расчётная мощность почти вдвое меньше, чем у «Чебышева», — 27,8 терафлопс, нынешняя пиковая составляет 23,5 терафлопс. Имеющий многолетний водительский опыт академик Виктор Садовничий назвал Blue Gene/P «суперкомпьютером гольф-класса». В отличие от уникального по своей архитектуре «Чебышева», Blue Gene/P — более промышленный вариант.

Но и этот суперкомпьютер в МГУ будет не последним. На торжественной церемонии открытия Blue Gene/P Виктор Садовничий, в частности, объявил: «Наше правительство приняло решение купить суперкомпьютер мощностью 0,5 петафлопс. Не так давно я закончил совещание с ведущими учёными нашей страны по поводу этого изделия. И уже в 2009 году такой вычислитель будет стоять именно в МГУ. Возможно, мы станем первым университетом в мире, обладающим столь мощным вычислителем. А следующий шаг — компьютер производительностью 1,5 петафлопс…».
Доступно даже студентам

Рассказывает выпускник, а ныне аспирант ВМК Павел Гаврилушкин, проходящий свою научную практику на «Чебышеве»: «Моя задача как программиста — оптимизировать программу, написанную для решения той или иной научной задачи, под архитектуру суперкомпьютера. Чтобы написать программу, нужен лишь ноутбук и редактор текста. Но это не значит, что написанная программа будет быстро и хорошо работать. Более того, как только мы переходим от одного процессора к нескольким тысячам, от обычного компьютера к суперкомпьютеру, сразу возникают коммуникационные проблемы, проблемы синхронизации между запущенными в разных узлах программами. Из области последовательного программирования мы переходим в область программирования параллельного, где гораздо больше возможностей, но точных алгоритмов не существует, только приближенные. И пока что каждую новую задачу приходится решать индивидуально».

Супервычислители МГУ дополняют друг друга. Если «Чебышев» (вверху) используется в основном в целях науки, то Blue Gene/P доступен и для учащихся

Это могут быть задачи из области тех же нанотехнологий, а также гидро-, газодинамики, живых систем, погодоведения, где множество параметров, изменяющихся со временем и влияющих друг на друга. Смоделировать и посчитать всё это можно только на компьютере. А иногда только на суперкомпьютере. Поэтому приобретению двух супервычислителей университетские учёные были очень рады. Особенно теоретики. Теперь их гипотезы можно проверять в реальном времени и в реальных масштабах, моделируя их на «Чебышеве» или Blue Gene/P. Денежные затраты получаются несравненно меньшие, нежели при проверке теоретических предположений в ходе лабораторных экспериментов.

МГУшные супервычислители дополняют друг друга. Если «Чебышев» используется в основном в целях науки, то Blue Gene/P доступен и для учащихся. На нём, в частности, проводится практикум, в рамках которого студентов обучают основам работы в новой области информатики — параллельного программирования, решая конкретные задачи.

Автором первой дипломной работы, выполненной по данным, полученным с университетского Blue Gene/P, стал студент Георгий Шумкин. Он занимается исследованием в рамках одного из самых перспективных направлений нанотехнологий — создания новых вычислительных систем на базе структур наноуровня. К этим исследованиям он приступил во время своей трёхмесячной стажировки в лаборатории IBM в Цюрихе (Швейцария), где и получил первый опыт работы на таких машинах, как Blue Gene/Р.

«В цюрихской лаборатории был открыт так называемый нанопереключатель, — рассказывает Георгий. — На сканирующем электронном микроскопе учёные обнаружили, что под действием электрического тока молекула нафталоцианина может переключаться из одного состояния в другое, сохраняя свою геометрию — налицо все признаки элементарного логического устройства, но гораздо меньшего и гораздо более шустрого, чем используемые ныне кремниевые аналоги. Открытие это чисто экспериментальное. Теперь черёд теоретических исследований, которыми я и занимался в составе научной группы в Цюрихе и продолжаю заниматься под руководством профессора Александра Попова — на университетском Blue Gene/P. В перспективе, если теория себя оправдает, не за горами новое поколение сверхкомпактных и сверхмощных вычислительных систем. Есть к чему стремиться».
Рассчитывая свою безопасность

Применение суперкомпьютеров сферами науки и образования не ограничивается. Без их помощи ныне не обходится ни одна крупная организация. В частности, любой солидный банк стремится создать свой суперкомпьютер, используя его для контроля всех своих операций и просчитывания рисков. Востребованность такой техники возрастает стремительными темпами. А там где есть спрос, есть и предложение. «В Америке, например, процветает такой бизнес, как аренда суперкомпьютеров, — рассказывает Павел Гаврилушкин. — Огромные грузовики уже разъезжают по хайвэям, перевозя на прицепах суперкомпьютеры от одной фирмы, которой нужны сложные расчёты, к другой. Стоят эти услуги бешеных денег». Да и, собственно, любой новый автомобиль известной марки, прежде чем выйти с конвейера, имеет свой виртуальный аналог, который инженеры совместно с программистами обкатывают на виртуальных дорогах, изучая его аэродинамику в виртуальной аэротрубе. Выполняется всё это, разумеется, на мощных вычислителях.
Рабочая мощность «Чебышева» — 50 терафлопс (теоретическая — 60). В последней версии рейтинга топ-500 суперкомпьютеров планеты он занимает 54-е место. Подобными «учебными калькуляторами» могут похвастаться не более девяти университетов мира

Главное стратегическое сырьё XXI века — информация, поэтому большие перспективы использования суперкомпьютеров предоставляет область, связанная с её обработкой и защитой. Многие страны разрабатывают на основе суперкомпьютеров системы, аналогичные системам ПРО, которые обеспечивают их информационную безопасность, в том числе решают задачи криптографии и мониторинга инфопотоков в сети интернет, телефонных звонков и т.д. Любая конфиденциальная информация, как правило, зашифрована. Код шифра держится на своей вычислительной сложности. Дальше дело техники — у кого мощнее компьютер, тот в перспективе быстрее становится обладателем нужных сведений. А «оповещён — значит защищён». Таким образом, разработка супервычислителей — стратегическая задача любого сильного государства.

Наши лучшие позиции в мировом рейтинге суперкомпьютеров — 35-е место (суперкомпьютер РАН) и 54-е («Чебышев» МГУ) — определённо успех. Но с учётом того, что первые девять мест рейтинга занимают американские вычислители, расположенные в основном в крупных ядерных и военных центрах США (следом после них, что интересно, идут китайцы), есть о чём задуматься…

Даниил Ильченко, STRF.ru

http://www.strf.ru/science.aspx?CatalogId=222&d_no=17989