Версия для печати
Вернуться к списку

Посчитали, удивились

О новой разработке отечественных математиков президент РАН Юрий Осипов сообщил на встрече с премьер-министром Владимиром Путиным

Сегодня почти аксиома: лидерство в XXI веке странам обеспечат суперкомпьютеры. Они уже достигли фантастической скорости счета - триллионы операций в секунду (терафлопс), а ученые уже замахиваются на новые рекорды. А пришли эти машины, как и многие виды новой техники, из оборонки. Когда был введен запрет на ядерные испытания, американцы создали суперкомпьютерную программу для виртуальных испытаний оружия.

Но самое главное, что они сразу же направили эти разработки на гражданские цели. Так как поняли, какие открываются удивительные перспективы. Ведь суперкомпьютеры сулят настоящую революцию. Создавая автомобиль, самолет, реактор и другие сложнейшие системы, вам не надо проходить долгую и очень дорогую стадию превращения идеи в опытные образцы, затем проводить многократные испытания, вносить переделки и т.д. Суперкомпьютер во много раз сокращает эту дорогу от идеи до готового изделия, проигрывая на моделях различные варианты. И только доведя его до оптимального, есть смысл приниматься за воплощение в "железе".

Сегодня США безоговорочный лидер в сфере суперкомпьютеров. Включилась в гонку и Европа, здесь уже действуют программы по созданию виртуальных самолетов, вертолетов, электростанций, реактивных двигателей и т.д. Кстати, подсчитано, что для создания виртуального самолета, включая его аэродинамику, нужен суперкомпьютер мощностью в миллион терафлопс. И американцы намерены осуществить виртуальный полет уже в 2025 году. Полетав на таком "самолете", вы затем делаете образец и подтверждаете на испытаниях, насколько верна была модель. Сроки и стоимость такой новой техники сокращаются в разы.

А для создания компьютерной модели автомобиля достаточно "всего" 100 терафлопс. Например, фирма "Ауди" недавно купила 39-терафлопную машину для моделирования столкновения автомобиля с препятствием. А БМВ вместо постройки аэродинамической трубы для испытаний нового болида "Формулы-1" приобрела суперкомпьютер в 12 терафлопс.

Казалось, все это звучит фантастично, но, по мнению специалистов, такое будущее наступит уже завтра. Когда появятся суперкомпьютерные модели тех же самолетов, потребители заявят, что будут покупать эту технику, только если вы предъявите результаты моделирования. У кого их не окажется, будут вытеснены с рынка. То же самое произойдет на рынках автомобилей, ядерных реакторов и т.д. И совсем скоро это станет такой же реальностью, как нынешнее требование к чистоте выхлопа автомобиля.

Недавно включилась в суперкомпьютерную гонку и Россия, объявив о намерении создавать такую технику, а в МГУ уже установлен суперкомпьютер "Ломоносов", который занимает 12-е место среди самых мощных машин мира.

Чем же наша обычная персоналка отличается от "супера"? Конечно, мощностью. Но не только. Суперкомпьютер решает задачи не так, как персоналка, которая напоминает школьника. Он пишет контрольную по математике, двигаясь к ответу последовательно, шаг за шагом. Суперкомпьютер действует иначе. Кстати, его прообраз впервые появился, когда стали считать первую атомную бомбу.

- Задача была столь масштабна, что если ее решать в лоб, шаг за шагом, то потребовались бы годы, - говорит кандидат физико-математических наук, лауреат Государственной премии, заведующий отделом Института прикладной математики им. Келдыша Юрий Смольянов. - Поэтому задачу разбили на части, в зал посадили более сотни девушек с арифмометрами, и каждой выделили свой кусочек. А потом все эти ручейки соединялись, сходясь в единое русло.

То есть бомбу считали не последовательно, а параллельно. Примерно так работают и суперкомпьютеры. Только вместо девушек с калькуляторами работает множество процессоров, аналогичных нашим персоналкам. Скажем, в том же "Ломоносове" около 36 тысяч процессоров.

Казалось бы, путь к компьютерным монстрам открыт. Собирай до кучи, как в детском конструкторе, побольше вычислительных элементов, и лидируй в мире. Но не так все просто. Простые решения - самые дорогие. Соединишь в сеть десятки тысяч процессоров, и цена подскакивает за миллиард долларов. Но этого мало. Компьютерные гиганты пожирают огромное количество энергии. Скажем, мощность того же "Ломоносова" - 1,5 мегаватта! Поэтому ученые ищут, как обойти эти трудности.

- Принцип, в общем, очевиден, - объясняет Смольянов. - Надо и дальше дробить задачу на новые параллельные куски. А в программе пытаются выделить такие части, которые решаются намного быстрей остальных. Для их счета несколько лет назад придуман специальный ускоритель, состоящий из простых арифметических устройств. Подобный подход позволяет намного сократить и время счета, и потребление энергии.

Вроде бы все здорово, и тем не менее, несмотря на все достоинства, в мире такие компьютеры широко не применяются. Слишком сложны алгоритмы вычислений. Но ученые Института прикладной математики им. Келдыша нашли оригинальный выход. В чем суть?

По словам математиков, даже очень быстро считающие тысячи процессоров, установленные в суперкомпьютере, вовсе не гарантируют, что у него самого будет высокая скорость. Процессоры должны еще и быстро перебрасывать другу другу информацию. И вот тут-то, оказывается, самое узкое место современных "супер". Выигрыш в счете частично теряется в соединительной сети. Российские ученые придумали сеть, где информация движется почти с такой же скоростью, как считают процессоры. То есть создан новый тип суперкомпьютера.

И главное, что у него другая математика, новые алгоритмы решения конкретных оборонных задач, в частности, по аэродинамике и гидродинамике, что крайне важно для конструирования новых летальных аппаратов, а также разведки и добычи углеводородов.

- Выигрыш получился колоссальный, - говорит директор института, член-корреспондент РАН Борис Четверушкин. - Давайте сравним. Вот машина на 0,5 терафлопс, у которой 128 процессоров и потребление 20 кВт, а вот наша - на шесть терафлопс, но она куда экономичней. Всего 48 процессоров и 4,5 кВт энергопотребление. В итоге стоимость суперкомпьютера сокращается в десять раз. И самое главное - он теперь справляется с задачами, которые раньше были таким машинам не по зубам. Сейчас на этих же принципах готовы сделать суперкомпьютер на 100 терафлопс, что позволит выйти на принципиально новые задачи.