Суперкомпьютеры становятся важнейшим оружием конкуренции на мировых рынках высокотехнологических изделий
етом 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.
Александр Механик, обозреватель журнала "Эксперт".
