Rambler's Top100
Статьи ИКС № 1 2021
Николай НОСОВ  30 ноября 2020

Суперкомпьютеры в России: мощностей не хватает

Многие научные и практические задачи можно решить только с помощью высокопроизводительных вычислений. Отставание в наращивании вычислительных ресурсов снижает конкурентоспособность страны.

В 2014 году в списке 500 самых высокопроизводительных компьютеров мира (Top500) было семь суперкомпьютеров из России, причем три – «Ломоносов», «Ломоносов-2» (разработчик обоих – компания «Т-Платформы») и «PCK Торнадо» (от компании «РСК») – входили в первую сотню. Однако в опубликованном в ноябре 2020 года списке Top500 отечественных только два. К тому же наиболее мощный из них, находящийся ныне на 40-й строчке Christofari, принадлежит коммерческой структуре («Сберу»), да и создавала его не российская компания. А разработчик второго российского суперкомпьютера «Ломоносов-2» (156-й в рейтинге) компания «Т-Платформы» после заключения под стражу в марте 2019 года основателя и генерального директора Всеволода Опанасенко переживает нелегкие времена. Еще год назад в Top500 входили три российских суперкомпьютера, но уже тогда директор Института программных систем им. А.К. Айламазяна РАН Сергей Абрамов отмечал, что отставание России по суммарной производительности суперкомпьютеров от стран, лидирующих в рейтинге, растет.

Между тем суперкомпьютеры можно сравнить с железными дорогами, которые строятся не конкретной компанией для себя, а государством для развития экономики в целом. Работа отметившего пятилетний юбилей суперкомпьютерного центра (СКЦ) «Политехнический» в Санкт-Петербургском Политехническом университете Петра Великого (СПбПУ), эксплуатирующего «PCK Торнадо», служит яркой иллюстрацией этого тезиса.

Пилотируемая космонавтика

Суперкомпьютерные технологии активно используются в СПбПУ, в частности, для высокоточных расчетов турбулентных течений. Например, для расчета потоков, возникающих при обтекании системы аварийного спасения (САС) космического корабля. 

Наличие системы аварийного спасения экипажа отличает пилотируемый космический корабль от непилотируемого. Тонкая игла впереди ракеты – это твердотопливный ракетный двигатель с несколькими соплами и спускаемым аппаратом в верхней конической части. В случае аварии система срабатывает и уносит людей в возвращаемом аппарате с места катастрофы. Известны три случая, когда система спасала экипаж. 

Недостаток САС состоит в том, что во время взлета при обтекании ее сопел возникают завихрения, взаимодействующие с поверхностью возвращаемого аппарата и оказывающие на нее большую динамическую нагрузку, которую надо учитывать при проектировании защиты аппаратов. Расчеты нужно проводить при различных скоростях, на разных высотах, причем каждый расчет требует огромных вычислительных ресурсов. Сотрудник лаборатории «Вычислительная гидроакустика и турбулентность» СПбПУ Андрей Гарбарук рассказал, что даже при использовании 35 узлов СКЦ «Политехнический» для расчета одного варианта требуется месяц.

До конца 2020 года в рамках договора с РКК «Энергия» планируется решить две новые задачи – исследовать акустические воздействия на ракету при старте и рассчитать аэродинамические характеристики ракеты с работающими двигателями первой ступени. Без использования вычислительных ресурсов СКЦ «Политехнический» это невозможно. Более того, крайне желательно эти ресурсы нарастить.

Неисчерпаемый источник энергии

Специалисты СПбПУ и Высшей инженерно-физической школы Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций используют вычислительные мощности СКЦ «Политехнический» и для численного моделирования проектов термоядерных установок.

Управляемый термоядерный синтез – синтез ядер гелия из ядер водорода – неисчерпаемый источник энергии. Кажется, что успех совсем близко, но так кажется еще с советских времен. Пока создать электростанцию на основе тех же реакций, что идут на Солнце, не получается. Но работы продолжаются.

Чтобы удержать плазму с температурой десятки миллионов градусов в промышленной установке, требуются магнитные поля, как в разработанной в СССР тороидальной камере с магнитными катушками (токамаке). Самый современный токамак, создаваемый в рамках проекта ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор), находится в стадии завершения, и уже в декабре 2024 года планируется получить в нем первую плазму. ITER продемонстрирует работоспособность концепции имитации внутренней части Солнца. Следующий шаг – термоядерная установка для генерации электричества. Работы над термоядерными реакторами следующего поколения ведутся в рамках проектов DEMO и CFTR в Китае, на российских лабораторных установках «Глобус М2» в Санкт-Петербурге и Т15-Д в Москве.

Проекты термоядерных установок требуют численного моделирования, решения уравнений переноса заряженных частиц пристеночной плазмы и распределения частиц по скоростям методом Монте-Карло. Для всего этого нужны колоссальные компьютерные ресурсы. Даже при выполнении вычислений на суперкомпьютере «PCK Торнадо» на один расчет уходит от двух недель до двух месяцев – в зависимости от модели токамака и сложности задачи, так что ученые мечтают о повышении его производительности. «Это даст нам больше возможностей для оптимизации термоядерных установок будущего», – констатирует сотрудник СПбПУ Илья Сениченков.

От солнечного ветра до рождения галактик

С помощью суперкомпьютера ученые СПбПУ также изучают космические объекты. Например, скопления галактик, которые, сливаясь между собой, формируют области нового звездообразования, где потом зажгутся новые звезды и возникнут новые планеты. Моделируют поведение остатков сверхновых звезд, когда из возникшей нейтронной звезды со световой скоростью истекает электрон-позитронная плазма. Звезда теряет свою оболочку и за минуту выделяется энергия 1020 солнц.

Еще один объект изучения – солнечный ветер, поток ионизированных частиц из солнечной короны. Он оказывает непосредственное влияние на жизнь людей: мощные солнечные вспышки способны прервать работу электроники на Земле. Такие вспышки уже случались, и сегодня прикладываются большие усилия к тому, чтобы научиться их прогнозировать и минимизировать последствия.

Ученые СПбПУ смоделировали глобальную магнитосферу Земли и ее обтекание солнечным ветром – создавали полную кинетическую модель с учетом ускоренных частиц и длин волн. С помощью метода Монте-Карло моделировали спектры космических лучей. На основе кинетических моделей исследовали микроструктуру ударных волн в скоплениях галактик.

Общие свойства изучаемых объектов – огромные масштабы и мощная энергетика. Моделируемые объекты «накрывали» сеткой из десятков миллионов ячеек, в которых находились миллиарды частиц. Это потребовало сотен гигабайт оперативной памяти и миллиардов итераций – работы в течении месяцев на десятках узлов суперкомпьютерного центра.

«За компьютерным моделированием – будущее науки. Моделируемые нами объекты занимают парсеки. Длины волн – сотни километров. Пиковая ресурсоемкость таких моделей ничем не ограничена. Чем больше мы сможем получить, тем точнее будет модель», – объяснила младший научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН Юлия Кропотина.

Аэродинамика и сейсморазведка

Высокопроизводительные вычисления служат не только науке, но и бизнесу.

Так, по заказу компании «Силовые машины» Политехнический институт выполнил работу по выявлению наиболее опасных колебаний лопаток паровых турбин, вызывающих их разрушение. Путем моделирования на суперкомпьютере была проанализирована аэродинамическая устойчивость конструкции. При этом создавалась расчетная сетка из 18 млн узлов, один оборот колеса разбивался на тысячу шагов. Полноценный расчет занимал около 10 суток.

Постоянно растет использование ресурсов СКЦ внешними организациями. В частности, компания «ПетроТрейс» задействовала вычислительные мощности суперкомпьютера для обработки данных сейсморазведки при поиске нефти и газа. После волнового моделирования и интерпретации результатов был сделан прогноз газового месторождения, который подтвердился при бурении.


Хорошо, но мало

Ресурсы СКЦ «Политехнический» остро востребованы, более того, ощущается потребность в их увеличении. Нельзя сказать, что государство совсем не помогает, или что вычислительные мощности не растут. В 2020 году проведена модернизация оборудования за счет инвестиций СПбПУ в рамках ЦНТИ и субсидий Министерства науки и высшего образования РФ. 

Прироста вычислительной мощности удалось достичь благодаря установке нового вычислительного сегмента, состоящего из 64 вычислительных узлов на базе серверных процессоров Intel Xeon Scalable 2-го поколения. Согласно индустриальному тесту LINPACK, максимальная производительность (Rmax) системы высокопроизводительных вычислений «Политехник – РСК Торнадо» увеличилась до 910,31 терафлопс (1 трлн операций с плавающей запятой в секунду). Суммарная пиковая (Rpeak) производительность вычислительных ресурсов суперкомпьютерного центра СПбПУ в 2020 году выросла на 23% и теперь составляет 1,6 петафлопс. 

Но даже увеличенные мощности все равно меньше, чем у китайского суперкомпьютера Т FF1 (Rmax – 1 316,8 терафлопс, Rpeak – 2 393,6 терафлопс), замыкающего список Top500. Так что несмотря на модернизацию «Политехник – РСК Торнадо», суперкомпьютеров в стране осталось два. Причем лучший из них – Christofari (Rmax – 6,669 петафлопс) – в четыре раза уступает в производительности занимающему первую строчку рейтинга японскому суперкомпьютеру Fugaku (442 петафлопс). 

Отметим, что планка достижений в суперкомпьютерной отрасли все время повышается: постоянно вступают в строй новые, более мощные компьютеры, которые обгоняют запущенные ранее. Например, год назад тот же Christofari находился на 29-м месте рейтинга, в июне текущего года опустился на 35-е, а теперь – на 40-е. Не вкладывая средств в увеличение вычислительных мощностей, мы отстаем не только в рейтингах, но и в конкурентной борьбе в науке и бизнесе.
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!