Суперкомпьютеры сегодня – это кластерные серверы с несколькими десятками, сотнями и даже тысячами процессоров, работа которых строится на одновременном выполнении задач, специально разделенных между собой в общей структуре исполнения программ, поскольку именно это необходимо для повышения быстродействия.
По мнению Стива Павловского, генерального директора по технологиям и научного руководителя Intel Digital Enterprise Group, появления компьютеров с производительностью в секстиллион операций в секунду (это тысячи петафлопс) можно ожидать уже к 2029 году.
Не так давно высокопроизводительные вычисления преодолели планку производительности в один петафлопс (квадриллион, или 1015 операций с плавающей запятой в секунду). Представляем состояние дел с суперкомпьютерами в России.
Вычислительная мощь настольных ПК отстает от производительности суперкомпьютеров примерно на 12 лет. Иными словами, по уровню производительности сегодняшние профессиональные ПК практически полностью соответствуют суперкомпьютерам 12-летней давности. Поэтому положение дел с высокопроизводительными вычислениями (High Performance Computing, HPC) определяет ситуацию на рынке пресональных систем в следующем десятилетии.
В последнее десятилетие произошли заметные сдвиги в организации научного процесса: вследствие широкого внедрения вычислительной техники заметно усилилось направление компьютерного моделирования и численного эксперимента, что позволяет значительно повысить эффективность процессов научного и технологического поиска. Стало возможным моделировать сложные биологические структуры, имитировать взаимодействия систем, состоящих из колоссального количества микро-, нанообъектов, молекул и атомов, анализировать возможные способы их взаимодействия и результаты таковых, пронозировать глобальные атмосферные явления и т.д.
Суперкомпьютеры сегодня – это кластерные серверы с несколькими десятками, сотнями и даже тысячами процессоров, работа которых строится на одновременном выполнении задач, специально разделенных между собой в общей структуре исполнения программ, поскольку именно это необходимо для повышения быстродействия при получении итогового результата. Такой способ организации называется параллельными вычислениями. Эта отрасль программирования подразумевает разделение задач (распараллеливание) на множество потоков. Сегодня они актуальны для суперкомпьютеров из списка ТОР500, но уже в недалеком будущем станут рядовым делом для пользователей настольных компьютеров. В последние годы Правительство России уделяет большое внимание наукоемким технологиям и резервирует значительные средства на развитие нанотехнологий, однако это возможно лишь при максимально широком использовании суперкомпьютеров. В этой связи Россия стремится следовать в русле общих мировых тенденций, наращивая свои ресурсы высокопроизводительных вычислений.
Я с такой уверенностью говорю о том, что без использования НРС в нанотехнологиях не обойтись, потому что сама корпорация Intel по сути дела занимается нанотехнологиями – изготовлением процессоров, детали транзисторов в которых имеют размеры несколько нанометров, а число этих транзисторов в некоторых моделях превышает миллиард штук.
До последнего времени поиск подходящего лекарственного препарата выглядел как экспериментальный отбор (методом проб и ошибок) пригодных соединений из огромного количества синтезированных молекул, которые, как планировали исследователи, должны обладать терапевтическим эффектом. Однако если сократить это количество производимых в пробирке веществ хотя бы в несколько раз, можно сэкономить огромные средства. Именно это и позволяют делать суперкомпьютеры. Моделирование дает возможность отбраковать те структуры, которые теоретически заведомо не подходит для обеспечения нужных химических превращений, причем еще до начала экспериментальных испытаний.
Другой важной областью использования петафлопных вычислений является исследование изменения погоды и климата. Для этого требуется моделировать взаимосвязанное поведения атмосферы, воды океанов, льдов с учетом всевозможных процессов тепло и массо обмена. Очевидно, что чем более полны эти модели – тем более точны прогнозы, полученные на их основании. Однако из-за слишком большой сложности учесть все процессы просто невозможно и приходилось отбрасывать детали, которые, как казалось ранее, могут и не являться существенными для формирования моделей картины атмосферных явлений.
После того, как станут ясны электрофизические характеристики самого транзистора, возникает следующая задача - моделирование поведения самого процессора. Напомним, что сегодня он состоит из миллиардов логических элементов, причем каждый полевой транзистор моделируется эквивалентной схемой (около 20 элементов). Таким образом, для описания электрических процессов, протекающих при работе чипа, нам придется учитывать работу 20 млрд. таких элементов, а это невозможно реализовать без использования мощных параллельных вычислительных систем.
Столь же сложные задачи возникают и при размещении различных элементов процессора на кристалле при оптимизации их соединений и анализе всевозможных внешних воздействий, начиная от электростатических полей и кончая естественным радиационным фоном.
Промышленность все активнее пользуется НРС. Практически все авиастроительные компании проводят комплексное моделирование аэродинамических характеристик планеров, сокращая время и ресурсы, которые требуются для натурных испытаний в аэродинамических трубах. Точно также поступают и все автогиганты при анализе ародинамичских характеристик новых моделей. Многие автомобильные компании сегодня делают существенно меньше натурных «крэш-тестов» (связанных с разрушением автомашин при их столкновении с препятствиями), поскольку эти ситуации моделируется на компьютерах.
В последнее десятилетие произошли заметные сдвиги в организации научного процесса: вследствие широкого внедрения вычислительной техники заметно усилилось направление компьютерного моделирования и численного эксперимента, что позволяет значительно повысить эффективность процессов научного и технологического поиска. Стало возможным моделировать сложные биологические структуры, имитировать взаимодействия систем, состоящих из колоссального количества микро-, нанообъектов, молекул и атомов, анализировать возможные способы их взаимодействия и результаты таковых, пронозировать глобальные атмосферные явления и т.д.
Суперкомпьютеры сегодня – это кластерные серверы с несколькими десятками, сотнями и даже тысячами процессоров, работа которых строится на одновременном выполнении задач, специально разделенных между собой в общей структуре исполнения программ, поскольку именно это необходимо для повышения быстродействия при получении итогового результата. Такой способ организации называется параллельными вычислениями. Эта отрасль программирования подразумевает разделение задач (распараллеливание) на множество потоков. Сегодня они актуальны для суперкомпьютеров из списка ТОР500, но уже в недалеком будущем станут рядовым делом для пользователей настольных компьютеров. В последние годы Правительство России уделяет большое внимание наукоемким технологиям и резервирует значительные средства на развитие нанотехнологий, однако это возможно лишь при максимально широком использовании суперкомпьютеров. В этой связи Россия стремится следовать в русле общих мировых тенденций, наращивая свои ресурсы высокопроизводительных вычислений.
Я с такой уверенностью говорю о том, что без использования НРС в нанотехнологиях не обойтись, потому что сама корпорация Intel по сути дела занимается нанотехнологиями – изготовлением процессоров, детали транзисторов в которых имеют размеры несколько нанометров, а число этих транзисторов в некоторых моделях превышает миллиард штук.
До последнего времени поиск подходящего лекарственного препарата выглядел как экспериментальный отбор (методом проб и ошибок) пригодных соединений из огромного количества синтезированных молекул, которые, как планировали исследователи, должны обладать терапевтическим эффектом. Однако если сократить это количество производимых в пробирке веществ хотя бы в несколько раз, можно сэкономить огромные средства. Именно это и позволяют делать суперкомпьютеры. Моделирование дает возможность отбраковать те структуры, которые теоретически заведомо не подходит для обеспечения нужных химических превращений, причем еще до начала экспериментальных испытаний.
Другой важной областью использования петафлопных вычислений является исследование изменения погоды и климата. Для этого требуется моделировать взаимосвязанное поведения атмосферы, воды океанов, льдов с учетом всевозможных процессов тепло и массо обмена. Очевидно, что чем более полны эти модели – тем более точны прогнозы, полученные на их основании. Однако из-за слишком большой сложности учесть все процессы просто невозможно и приходилось отбрасывать детали, которые, как казалось ранее, могут и не являться существенными для формирования моделей картины атмосферных явлений.
После того, как станут ясны электрофизические характеристики самого транзистора, возникает следующая задача - моделирование поведения самого процессора. Напомним, что сегодня он состоит из миллиардов логических элементов, причем каждый полевой транзистор моделируется эквивалентной схемой (около 20 элементов). Таким образом, для описания электрических процессов, протекающих при работе чипа, нам придется учитывать работу 20 млрд. таких элементов, а это невозможно реализовать без использования мощных параллельных вычислительных систем.
Столь же сложные задачи возникают и при размещении различных элементов процессора на кристалле при оптимизации их соединений и анализе всевозможных внешних воздействий, начиная от электростатических полей и кончая естественным радиационным фоном.
Промышленность все активнее пользуется НРС. Практически все авиастроительные компании проводят комплексное моделирование аэродинамических характеристик планеров, сокращая время и ресурсы, которые требуются для натурных испытаний в аэродинамических трубах. Точно также поступают и все автогиганты при анализе ародинамичских характеристик новых моделей. Многие автомобильные компании сегодня делают существенно меньше натурных «крэш-тестов» (связанных с разрушением автомашин при их столкновении с препятствиями), поскольку эти ситуации моделируется на компьютерах.
В НПО «Сатурн», о котором говорил Николай Местер, моделируется процесс работы турбины современного реактивного самолета для выявления последствий того, например, как может повлиять на работу двигателя попадания в него птицы. А ведь минимизировать отрицательные последствия такой ситуации – это спасение жизней членов экипажа, пассажиров и самого воздушного судна. Одна из серьезных проблем, о которой уже упоминалось, - неготовность современного ПО использовать нарастающие возможности НРС. Но проблема еще шире: не только программисты, но и многие ученые и разработчики в промышленности просто не знают, какие возможности предоставляют им современные вычислительные системы, насколько они сейчас доступны, как можно использовать предоставленные ими возможности в конкретных делах.
Корпорация Intel, ведущий мировой производитель инновационных полупроводниковых компонентов, разрабатывает технологии, продукцию и инициативы, направленные на постоянное повышение качества жизни людей и совершенствование методов их работы. Дополнительную информацию о корпорации Intel можно найти на Web-сайте www.intel.com/pressroom, на русскоязычном Web-сервере компании Intel (www.intel.ru), а также на сайте www.intel.ru/blogs.
Intel и логотип Intel являются товарными знаками корпорации Intel в США и других странах.