Нет суперкомпьютера — уходи с рынка

Александр Механик
обозреватель журнала «Эксперт»
28 сентября 2009, 00:00

Суперкомпьютеры становятся важнейшим оружием конкуренции на мировых рынках высокотехнологических изделий

Летом этого года состоялось заседание Совета безопасности России, на котором было решено развернуть производство суперкомпьютеров и стимулировать их внедрение в промышленности и науке. Работы по созданию суперкомпьютеров ведутся в мире уже не один десяток лет, особенно интенсивно в США. В России после распада Советского Союза подобные проекты были сосредоточены в основном в институтах РАН, вузах и отдельных отраслевых НИИ. И только летом текущего года руководством страны приняты принципиальные решения о развертывании работ по созданию отечественных суперкомпьютерных технологий в интересах машиностроительных отраслей. Директор Института системных исследований РАН академик РАН Владимир Бетелин, один из главных энтузиастов развития суперкомпьютерных технологий предсказательного моделирования в России, считает, что будущее нашей страны на многие десятилетия в значительной мере зависит от успехов в создании и применении этих технологий в реальном секторе экономики страны.

 

— Если XIX и первая половина XX века в машиностроении — это время «бумажных» информационных технологий и расчетов по формулам вручную или на простейших вычислителях, то вторая половина XX века — это время компьютерных информационных технологий и решения на ЭВМ сложных инженерных задач в области механики сплошной среды. А сейчас создание конкурентоспособных машиностроительных изделий невозможно без проведения расчетов, учитывающих уже и молекулярное взаимодействие. И эти расчеты нельзя провести без суперкомпьютеров, применение которых обеспечивает также возможность реализации совершенно новых подходов к проектированию в самых разных отраслях машиностроения: энергомашиностроении, атомном машиностроении, авиа- и автостроении и других.

Результат — сокращение сроков создания сложных изделий, сведение к нулю или минимизация стендовых испытаний даже таких сложных изделий, как ядерный реактор или самолет. И соответственно, существенное снижение стоимости разработок. Новые компьютерные технологии моделирования становятся мощным оружием в конкурентной борьбе за самые сложные в технологическом отношении рынки.

— Как развивались суперкомпьютерные технологии в других странах?

—Конгрессом США еще в 1981-м была создана комиссия по проблеме развития высокопроизводительных вычислений, которую возглавил известный математик Питер Лакс. Выводы и рекомендации комиссии были восприняты законодателями и претворялись в жизнь в течение многих лет: в 1984 году было создано агентство высокопроизводительных научных вычислений, в 1991 году издан закон о федеральной поддержке высокопроизводительных вычислений, параллельно создана сеть федеральных суперкомпьютерных центров.

В рамках этих работ была принята военная суперкомпьютерная программа ASCI, которая имела ясную и четкую цель: обеспечение боеспособности ядерных арсеналов США в условиях действия международного договора о запрещении натурных испытаний ядерного оружия. Идея состояла в том, чтобы без испытаний рассчитывать долговременные процессы старения существующих ядерных зарядов, проектировать запасные части к ним и даже новые заряды, подтверждая их работоспособность виртуальными испытаниями на супер-ЭВМ, а не натурными испытаниями. Задача была выполнена не быстро, за 12 лет. При этом приходилось решать множество трудных частных вопросов. Например, в конструкции изделий есть тантал, и требовалось изучить процессы его плавления и застывания при высочайших давлениях и температурах, практически недостижимых в лабораторных условиях. Процесс застывания расплавленного тантала был смоделирован на суперкомпьютере. Использовалась классическая модель уравнений взаимодействия атомов, и выяснилось, что для того чтобы получить адекватную картину, надо рассматривать взаимодействие коллектива из 16 миллионов атомов. Моделирование, которое проводилось на супер-ЭВМ Blue Gene/L с производительностью 360 терафлопс, заняло семь часов и позволило получить требуемый результат — параметры структуры застывшего расплава.

Известны и другие примеры. На суперкомпьютере подобной же рекордной мощности была рассчитана полная трехмерная модель двигателя компании Pratt & Whitney. Этот проект был выполнен Стэнфордским университетом в рамках программы ASCI, в которой законодатели предусмотрели выделение 10 процентов суперкомпьютерных ресурсов на гражданские исследования. Известно о моделировании в лаборатории IBM в Цюрихе взаимодействия двуокиси гафния с другими материалами на атомарном уровне. Именно двуокись гафния является сегодня одним из основных диэлектриков в планарной технологии уровня менее 65 нанометров. Исследовались 50 моделей силикатов гафния, каждая модель — до 600 атомов и 5 тысяч электронов. Вычисления одной модели на суперкомпьютере производительностью 11 терафлопс занимали пять дней. Все исследование потребовало использования суперкомпьютера в течение 250 дней.

— Насколько применимы суперкомпьютеры для моделирования сложных технических устройств?

—По оценкам западных специалистов, чтобы смоделировать автомобиль как комплексную систему, нужно 100 терафлопс. То есть технически это вполне реально уже сегодня. Например, компания Audi, как недавно сообщили, купила 39-терафлопную машину для моделирования столкновений автомобиля с препятствием. А компания BMW вместо постройки аэродинамической трубы для натурных испытаний при разработке нового болида «Формулы-1» закупила суперкомпьютер производительностью 12 терафлопс и программное обеспечение для виртуальных аэродинамических испытаний.

Разумеется, суперкомпьютеры становятся незаменимым орудием не только в промышленности, но и в научных исследованиях. Уже ведется моделирование генома, моделирование химических реакций.

А для моделирования всего самолета, включая аэродинамическое поведение во всех режимах, штатных и аварийных, требуется суперкомпьютер с производительностью 1 миллион терафлопс. Такая производительность, равная 1018 флопс, обозначается 1 экзафлопс. Федеральные программы США, военные и гражданские, предусматривают ввод в эксплуатацию экзафлопных компьютеров в 2018–2020 годах. Накиньте четыре-шесть лет, и вы получите дату, когда в деталях будет смоделирован виртуальный полет. То есть вы все проектируете на компьютере, «летаете» на компьютере, потом делаете образец и подтверждаете на испытаниях то, что уже смоделировали. Для моделирования атомных реакторов требуется тот же самый экзафлопс.

— Как это скажется на конкурентной борьбе на мировых рынках?

— Можно быть уверенным, что, как только такое моделирование станет технически и экономически возможным, основные потребители самолетов включат в условия на их поставку предъявление результатов моделирования. И все те, кто не имеет такой модели, будут выдавлены с рынка самолетов. То же верно и для рынка атомных реакторов и других рынков технически сложных изделий.

И это не футурология. К 2025–2030 годам для производителей это станет такой же реальностью, как требование к чистоте выхлопа автомобилей или к уровню шума самолетов, эксплуатируемых в Европе. Производители смогут выполнять эти требования, поскольку уже сейчас есть возможность создания персональных суперкомпьютеров терафлопного класса, и массовое производство таких суперкомпьютеров сделает возможным в ближайшие годы их применение в повседневной практике разработчиков сложных технических изделий.

Вот почему я считаю, что проблема суперкомпьютеров сейчас центральный вопрос поддержания конкурентоспособности страны на рынках высокотехнологической продукции. А пока Россия далеко позади и США, и Европы. Мы более чем на порядок отстаем от США по производительности самого мощного эксплуатируемого в стране суперкомпьютера. На июнь 2009 года — 97 против 1105 терафлопс. На два порядка отстаем по суммарной пиковой производительности: в России — 215 терафлопс, в США — свыше 21 петафлопс. Но самое страшное — мы в 1000 раз отстаем по применению суперкомпьютеров в промышленности. В США сосредоточено порядка 85 процентов мировой мощности суперкомпьютеров, из них половина используется в промышленности. У нас — менее 0,9 процента мировой мощности, из них пять процентов используется в промышленности. Иными словами, в отечественном машиностроении нет ни технических средств, ни методики решения производственных задач, на которые США тратят половину мощности своего суперкомпьютерного парка.