Догнать и перегнать. О гонке суперкомпьютеров в мире – академик И.А. Каляев

Что такое суперкомпьютер и можно ли с его помощью создать полномасштабную модель человеческого мозга? Почему Россия отстает от остальных стран в суперкомпьютерной гонке и какие отрасли остро нуждаются в компьютеризации? Эти и многие другие темы мы обсудили с известным ученым, академиком РАН Игорем КАЛЯЕВЫМ.

СПРАВКА. Игорь Анатольевич Каляев ─ академик РАН, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии РФ, премий Правительства РФ и РАН, доктор технических наук, руководитель научного направления ЮФУ, руководитель Совета по приоритету научно-технологического развития России «Переход к цифровым интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создания систем обработки больших данных, машинного обучения и искусственного интеллекта».

─ Правда ли, что в науке до сих пор нет точного определения термина «суперкомпьютер»?

─ Да, однозначного определения, к сожалению, нет. Существуют, например, такие курьезные  определения, как «суперкомпьютер ─ это компьютер, который весит больше тонны, или вычислительная система, которая стоит больше миллиона долларов». А если серьезно, то  к суперкомпьютерам, по-видимому, следует в первую очередь относить  машины, входящие в так называемый список ТОП-500 наиболее производительных вычислительных систем всего мирового сообщества. Этот рейтинг обновляется два раза в год. Жаль, но сегодня в этом списке находятся всего лишь два российских суперкомпьютера.

─ А какими характеристиками должна обладать машина, чтобы ее можно было назвать суперкомпьютером?

─ С технической точки зрения никаких принципиальных отличий суперкомпьютеров от обычных компьютеров  нет. Все компьютеры в той или иной мере используют принципы обработки информации, заложенные еще в середине XX века математиком Джоном фон Нейманом и подразумевающие наличие  некоторого обрабатывающего узла (процессора) и памяти, в которой хранятся данные и программа их обработки.   Просто современные суперкомпьютеры содержат огромное количество (десятки и даже сотни тысяч) таких процессоров, которые могут обрабатывать информацию параллельно (одновременно), за счет чего и достигается их огромное быстродействие. Кроме того, до сих пор продолжает действовать так называемый закон Мура, согласно которому каждые два года число транзисторов на кристалле увеличивается приблизительно в два раза, что в некоторой  степени пропорционально увеличению  производительности самих процессоров. Все это обеспечивает в том числе и стремительный рост производительности суперкомпьютеров.

Приведу пример. В 2018 году самым мощным суперкомпьютером в мире был китайский Sunway ─ 125 петафлопс (т.е. 125x10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду), в 2019 году – американский Summit 200 петафлопс (то есть 200 тыс. трлн. операций в секунду), а уже в 2020 – японский «Фугаку» c мощностью в 537 петафлопс. То есть практически каждый год мы наблюдаем увеличение производительности суперкомпьютеров в два раза. При этом производительность самого мощного российского суперкомпьютера Christofari составляет сегодня всего лишь около 9 петафлопс.

─ Достаточно сильный разрыв…

─ Да, и это отставание, к сожалению, продолжает нарастать. Для сравнения, еще в нулевые годы мы не так сильно отставали от других стран, и в список ТОП-500 одновременно входило  до 12-и суперкомпьютеров, которые работали на территории России. Причем в 2009 году суперкомпьютер «Ломоносов», установленный в МГУ,  занимал 12-е место в этом списке. Но с 2018 года количество отечественных компьютеров в этом списке не превышает трех.  Суперкомпьютерный мир не стоит на месте, технологии развиваются бешеными темпами,  вследствие чего российские суперкомпьютеры, которые ранее входили в список ТОП-500,  уже давно устарели  и вылетели  из него, а новых мы не создаем.

Сегодня во всем мире идет  гонка суперкомпьютеров. Безусловно, здесь есть и некоторый имиджевый момент, вопрос государственного престижа: каждая уважающая себя страна пытается попасть в список ТОП-500. В последнем списке  представлено 212 систем из КНР, 113 из США, 34 из Японии ─ и только две из России (они занимают 40 и 156 место в рейтинге). Нас опережают такие страны, как Бразилия, Саудовская Аравия; и даже в Марокко недавно ввели в строй суперкомпьютер с производительностью 5 Петафлопс. А по производительности суперкомпьютеров на одного исследователя мы в 30-40 раз отстаем от ведущих стран мира. 

Но, конечно, участие в суперкомпьютерной гонке ради одного престижа не имеет смысла. И здесь нужно учитывать следующие обстоятельства. Производительность суперкомпьютеров, входящих в список ТОП-500, оценивается и сравнивается  с помощью так называемого теста Linpack. И многие суперкомпьютеры из этого списка показывают высокую производительность только на этом тесте, в то время как при решении множества других практически важных задач их реальная производительность резко снижается. Поэтому  борьба идет, в общем-то, во многом не за то, чтобы суперкомпьютеры хорошо решали те или иные практически важные задачи, а за то, чтобы они показали высокую производительность на упомянутом тесте, что обеспечивает их  высокое место в рейтинге ТОП-500.

Важно подчеркнуть, что вряд ли возможно создать суперкомпьютер, который бы с одинаковой эффективностью решал различные задачи. Каждый суперкомпьютер имеет свои архитектурные особенности, от которых зависит тот класс задач, на котором машина показывает наибольшую производительность. Поэтому для того, чтобы эффективно решать различные прикладные задачи, нужно иметь не один мощный суперкомпьютер, а гетерогенную суперкомпьютерную инфраструктуру, которая бы включала в свой состав суперкомпьютеры различных классов и  различных архитектур.

─ То есть некая единая вычислительная  система?

─ Совершенно верно. Это должна быть единая вычислительная система страны  (по аналогии с Единой энергетической системой страны), или, иначе говоря, национальная суперкомпьютерная инфраструктура, то есть система суперкомпьютерных центров различного уровня и различной специализации, объединенных в единый вычислительный ресурс с помощью высокоскоростных каналов связи. Такая инфраструктура должна  обеспечивать  российскому пользователю, находящемуся в любой точке страны, возможность проведения своих вычислительно трудоемких расчетов на любом из гетерогенных вычислительных ресурсов, входящих в ее состав.  Для этого  она должна быть оснащена специальным интеллектуальным диспетчером, который мог бы определять, на каком из имеющихся суперкомпьютеров данная задача может быть решена наиболее эффективно  и, соответственно, распределять поступающие пользовательские задачи по имеющимся вычислительным ресурсам в зависимости от их специализации, загруженности и т.п. Именно такая идея и была заложена  в Концепцию создания и развития национальной суперкомпьютерной инфраструктуры,  которая была разработана ведущими учеными и специалистами нашей страны, рассмотрена  и одобрена на заседании Совета по приоритетному направлению научно-технологического развития страны под моим председательством еще в мае 2019 года. И с тех пор документ ходит по различным инстанциям без какого-либо толка, в то время как весь мир идет вперед стремительными шагами, пока мы топчемся на месте.  Когда мы начинали разрабатывать данную концепцию в начале 2019 года, самым мощным суперкомпьютером в мире был китайский суперкомпьютер Sunway с производительностью около 100 петафлопс, а сейчас самый мощный в мире, японский суперкомпьютер «Фугаку» имеет уже производительность около 500 петафлопс.

─ А что мешает внедрению ее в практику?

─ В  первую очередь отсутствие  понимания у наших ответственных чиновников роли суперкомпьютерных технологий в современном мире. Для реализации такой  суперкомпьютерной инфраструктуры должна быть сформирована специальная государственная программа, которая, безусловно, требует больших материальных и финансовых вложений.   Однако первый вопрос, который задает чиновник: «А какую прибыль принесет  эта суперкомпьютерная инфраструктура?». Сама по себе, конечно, никакой прямой прибыли она не принесет, но  ее использование позволит российским ученым получать новые научно-технические результаты, в том числе мирового уровня, а отечественным производителям получить конкурентное преимущество за счет снижения времени цикла проектирования своих  изделий, повышения их качественных характеристик и т.п. К сожалению, далеко  не все понимают, что, вкладываясь в создание национальной суперкомпьютерной инфраструктуры, государство создает базу для повышения наукоемкости и конкурентоспособности продукции отечественных предприятий, что в конечном итоге принесет стране большую технологическую, а также финансовую отдачу. 

─ Что нужно сделать, чтобы минимизировать наше отставание?

К огромному сожалению, следует признать, что в настоящее время мы не можем создать полностью отечественный суперкомпьютер. Это вызвано, в первую очередь, отсутствием в стране технологических линеек по производству современной микроэлектронной элементной базы на уровне зарубежной. Сейчас у нас в стране наиболее продвинутые технологические линейки ЭКБ имеют технологические нормы 90-65 нанометров, а за рубежом уже работают производственные линейки с технологическими нормами 10-7 нанометроа ( «Фугаку» создан на базе именно таких микросхем). К сожалению, после развала СССР было принято недальновидное решение, что мы все будем покупать на Западе, в том числе и микросхемы, за нефтедоллары. В результате была загублена отечественная микроэлектронная промышленность, которая является основой всех компьютерных технологий. Поэтому теперь элементную базу для суперкомпьютеров нам приходится закупать (или производить) за рубежом, что в условиях санкций и резкого роста курса доллара становится все более проблематично. В то же время у нас сохранились сильные  научно-инженерные школы, которые способны разрабатывать и создавать суперкомпьютеры, не уступающие по своим характеристикам зарубежным. И таким примером являются, в частности, суперкомпьютеры «Ломоносов», созданные российской компанией «Т-платформы» и уже много лет успешно работающие в МГУ им. Ломоносова.

Суперкомпьютеры нужны везде

─ В каких областях науки чаще всего используются суперкомпьютеры?

─ Сегодня суперкомпьютеры используются везде. Во-первых, сама современная наука во многом стала вычислительной, то есть открытия совершаются не на кончике пера, как раньше, а на экране суперкомпьютера ─ после обработки огромных массивов данных, поиска каких-то закономерностей в этих массивах и так далее. Человек, в отличие от суперкомпьютера, просто  физически не может справиться с обработкой таких объемов информации.

Во-вторых, это, конечно, промышленность.  Около половины суперкомпьютеров из списка ТОП-500 используются именно в промышленности (правда, в зарубежной), что дает большой практический эффект. У нас в стране тоже есть хорошие примеры использования суперкомпьютеров в промышленности.  Например, на прошедшей в Москве в декабре 2020 года выставке «Вузпромэкспо» СПбПУ Петра Великого представил автомобиль «Кама-1», полностью созданный по технологии «цифровых двойников» на основе суперкомпьютерного проектирования.  Благодаря использованию суперкомпьютера  время проектирования этого автомобиля составило всего около полутора лет.  Сейчас суперкомпьютеры активно используются специалистами ЦАГИ при проектировании нового российского гражданского самолета МС-21. Специалисты Росатома используют суперкомпьютеры для конструирования новых, в том числе радиационно стойких материалов.  И таких примеров можно привести множество. По оценкам специалистов, более 700 задач проектирования и конструирования,  которые уже сейчас стоят перед отечественной  промышленностью, требуют в той или иной мере использования суперкомпьютерных расчётов.

Приведу еще один пример эффективного применения суперкомпьютеров  из, казалось бы, не очень серьезной области ─ из мультипликации. Англо-американский мультфильм «Книга джунглей» (2016 год) был создан с помощью компьютерной графики, которая была реализована на базе суперкомпьютера. Так вот, стоимость создания этого мультфильма составила около 175 млн. долларов, а в прокате он принес почти миллиард долларов! То есть один только этот мультфильм окупил все затраты на создание и содержание высокопроизводительного и достаточно дорогостоящего суперкомпьютера на десяток лет вперед. 

Еще один очень важный пример. Сегодня в условиях пандемии, как вы знаете, во всем мире  идет гонка в области фармакологии. И в этой гонке побеждает тот, кто быстрее сможет осуществлять так называемый молекулярный докинг, составляющий основу проектирования новых лекарственных препаратов.  А чтобы реализовать этот процесс, нужно провести огромное количество переборов разных вариантов и справиться с этим под силу только суперкомпьютеру. И, конечно, кто будет обладать наиболее быстрым инструментом (суперкомпьютером) для реализации молекулярного докинга, тот и победит в мировой гонке. Поэтому прикладная составляющая суперкомпьютеров может быть очень разнообразной, в том числе очень прибыльной с финансовой точки зрения.

─ Мы говорили о том, что суперкомпьютерные технологии стремительно развиваются, а меняется ли сам математический аппарат?

─ Вопрос действительно актуальный, ведь суперкомпьютеры ─ это многопроцессорные вычислительные машины, а чем больше процессоров одновременно будут задействованы в вычислениях, тем труднее организовать их совместную слаженную работу. Часто при решении прикладных задач на суперкомпьютере наблюдается следующий эффект: до определенного количества используемых процессоров производительность машины при решении данной  задачи растет, а потом, наоборот, начинает снижаться из-за того, что на организацию совместной работы такого количества процессоров тратится больше времени, чем на полезные вычисления. Поэтому важнейшая проблема современных суперкомпьютеров, которые включают сотни тысяч параллельно работающих  процессоров, как раз и заключается в том, как организовать слаженную эффективную работу такого огромного количества процессоров при решении общей задачи. Решение проблемы требует создания специальных математических подходов. Следует отметить, что  наша страна в этом плане занимает очень сильные позиции в мире. Например,  под руководством  академика Бориса Четверушкина развиваются оригинальные методы распараллеливания вычислительных процессов, которые позволяют эффективно задействовать одновременно большое количество процессорных узлов. К счастью, в том, что касается математического аппарата, мы не отстаем от других стран, чего не скажешь о программном обеспечении суперкомпьютеров, которое в большинстве случаев используется нока что зарубежное.

─ Насколько затратно содержать суперкомпьютер?

─ Действительно, содержание отдельного суперкомпьютера, а тем более разветвленной суперкомпьютерной инфраструктуры – дело очень затратное. Только потребление электроэнергии у самых мощных суперкомпьютеров составляет десятки мегаватт. Сейчас идет борьба за так называемые «зеленые» вычисления: снижение энергозатрат на вычислительную операцию, производимую на суперкомпьютере. Сегодня самые продвинутые в этом плане суперкомпьютеры обеспечивают до 20 терафлопс на ватт потребляемой энергии.  Конечно, технологии идут вперед быстрыми шагами, и я думаю, что в недалеком будущем экзафлопсный суперкомпьютер будет потреблять не более нескольких десятков мегаватт. Но все равно это очень много.

Спорт и наука

Игорь Каляев занимается не только наукой, но и альпинизмом, а также катанием на горных лыжах (этому хобби ученого более 50 лет). За последние десять лет академик побывал на вершинах Килиманджаро, Арарата, Тубкаля (высшая точка Атласских гор), Мунку-Сардыка (высшая точки Саян) и т.п.

«Безусловно, спортивная форма ─ залог для активной научно-технической деятельности. Без нее нельзя, это как допинг. Я стараюсь поддерживать свою физическую форму и несколько раз в год выезжаю на различные горнолыжные курорты», ─ говорит ученый.

Первый раз Игорь Каляев встал на лыжи в 1972 году. В 1980 году закончил Школу инструкторов по горным лыжам (это был первый подобный сбор в СССР). В течение ряда лет, зимой в отпуске, он работал инструктором по горным лыжам на Северном Кавказе.

Миниатюризация устройств

─ Исторически мы наблюдаем тенденцию к миниатюризации всех устройств. Наши обычные персональные компьютеры, телефоны когда-то были намного больше, чем сейчас. Можно ли ожидать, что когда-нибудь габариты суперкомпьютеров значительно уменьшатся?

─ Я уже упоминал закон Мура, согласно которому каждые два  года происходит удвоение числа транзисторов на кристалле.  Это как раз и позволяет создавать  все более компактные вычислительные машины. Но тут возникает другая проблема: невозможно бесконечно повышать плотность элементов на кристалле процессора, потому что он начинает перегреваться. Здесь вступают в силу физические законы, говорящие, что чем больше вычислений в определенном объеме вы производите, то тем больше он нагревается и, соответственно, тем больше вы должны отводить тепла от этого объема. В персональных компьютерах для целей отвода тепла используются обычные  вентиляторы.  Однако в суперкомпьютерах, в которых одновременно должны работать десятки тысяч процессоров, воздушного охлаждения уже недостаточно. До недавнего времени проблему позволяло решать водяное охлаждение, когда отвод тепла осуществляется за счет прогонки воды через специальный контур, покрывающий   микросхемы. Но сейчас уже  и водяного охлаждения суперкомпьютеров становится мало.  Теперь мы переходим на  так называемое погружное охлаждение, когда платы  суперкомпьютера просто погружаются  в специальную жидкость  наподобие трансформаторного масла. Это дает  нам возможность почти на порядок увеличить отвод тепла, что в свою очередь позволяет повысить плотность компоновки элементов на платах и, как следствие, уменьшить габариты машины при сохранении ее производительности. Это очень сложная технология, но без ее использования перспективные  суперкомпьютеры создать в ближайшем будущем уже будет практически невозможно.

Как жить в посткремниевую эру

─ Чем отличаются суперкомпьютер и квантовый компьютер?

─ Для создания классических суперкомпьютеров мы  используем кремневую элементную базу, которая в настоящее время подходит к своему  технологическому и физическому пределу. По оценкам специалистов, минимальные технологически нормы для создания кремниевой элементной базы ─ приблизительно 3 нанометра, а сегодня микросхемы уже создаются по технологическим нормам 7-10 нанометров. То же касается и частоты переключения кремниевых логических элементов. Максимальная частота переключения кремниевого логического элемента –  порядка 11 гигагерц. Уже сейчас современные массовые микропроцессоры работают на частоте 5-6 гигагерц и существует экспериментальная элементная база, которая работает на частоте около 8-9 гигагерц. Поэтому уже сейчас нам необходимо начинать думать о том, как жить в посткремниевой эре.

Здесь есть несколько подходов, которые активно развиваются во всем мире. Во-первых, это квантовые компьютеры, а во-вторых, фотонные (или оптические компьютеры). По поводу квантовых компьютеров у меня пока есть определенный скепсис. Я уверен, что в ближайшие годы мы вряд ли сумеем создать квантовые компьютеры, которые смогут решать реальные практически важные задачи лучше классических компьютеров.  Квантовый компьютер строится на основе так называемых кубитов, которые могут находиться в состоянии  суперпозиции, то есть иметь любое состояние от нуля до единицы, в то время как в обычной кремниевой элементной базе каждый элемент  может находиться лишь в двух состояниях ─ либо в нуле, либо в единице. Квантовые состояния  кубитов нестабильны и поэтому сильно подвержены различным шумам и внешним воздействиям, следствием чего является низкая точность вычислений, производимых с помощью квантового компьютера.

По оценкам специалистов, для решения практически важных задач необходимо, чтобы в состав  квантового компьютера входило не менее 500-1000 таких логических кубитов; причем для того, чтобы получить более-менее достоверный результат вычисления, к каждому такому логическому кубиту нужно добавить еще с десяток, а то и с сотню дополнительных кубитов, которые будут обеспечивать квантовую  коррекцию ошибок (для сравнения, сегодня максимальное количество кубитов в квантовом компьютере – это 72 кубита). И все равно, даже при наличии огромного количества корректирующих кубитов, нет гарантии, что   вы получите точный  результат решения задачи. Понятно, что, например, для решения  задач, связанных с инженерным моделированием и  конструированием  ответственных изделий, квантовые компьютеры вряд ли можно будет использовать в ближайшее время, поскольку в данном случае мы должны иметь гарантированно  точное решение. Однако для моделирования каких-либо процессов, не требующих точного решения, например при исследовании различных  физических или химических процессов, квантовый компьютер может дать определенный эффект. И сейчас направление создания так называемых квантовых симуляторов довольно активно развивается во всем мире.

Проблемам создания квантовых компьютеров в настоявшее время посвящено очень большое число исследований, проводимых во всем мире. У нас в стране также есть сильные группы ученых, работающих в данном направлении, например группы профессора С.П. Кулика в МГУ и  профессора А.В. Андрияша в НИИА им. Духова.

Другим перспективным направлением создания суперкомпьютеров в посткремниевой эре, как сказано выше, являются фотонные компьютеры. Основная идея этого подхода заключается в замене  двоичных кремниевых логических элементов, составляющих основу современной компьютерной техники,  на такие же двоичные логические элементы,  но построенные на других физических принципах, а именно на принципах фотоники и оптоэлектроники. Как показывают исследования, частота переключения такой фотонной элементной базы будет на 2-3 порядка выше, чем у кремниевой, при тех же энергетических затратах. А частота переключения логических элементов напрямую связана с производительностью процессора и, как следствие, суперкомпьютера, построенного на базе таких процессоров. Важным преимуществом такого подхода является и то, что он позволяет использовать для фотонных компьютеров ПО, наработанное ранее для классических кремниевых компьютеров, без каких-либо кардинальных изменений, что невозможно  для квантовых компьютеров.  Поэтому, как мне кажется, фотонные суперкомпьютеры – это более реальная перспектива. Кстати, в области  фотонных компьютеров у нас в стране имеется существенный задел, полученный  группой профессора С.А. Степаненко в Сарове.

Можно ли создать железный аналог человеческого мозга?

─ Наш мозг часто сравнивают с компьютером. Может быть, это грубая аналогия. Тем не менее мозг решает сложнейшие задачи, но потребляет при этом совсем мало энергии, в отличие от суперкомпьютера, который съедает мегаватты. Суперкомпьютер в чем-то копирует принцип работы мозга или же это нечто совершенно иное?

─ Абсолютно нет. Любой компьютер – это обычный автомат, который вовсе не мыслит, а работает по жесткой программе, заложенной в него программистом.  Поэтому никакого соответствия между компьютером и мозгом человека, который в отличие от компьютера  может сам строить алгоритм (программу) решения той или иной задачи, конечно нет.

Теоретически  возможно смоделировать работу мозга человека на компьютере. Действительно, мы знаем, как работает отдельный нейрон мозга, как нейроны связаны между собой и поэтому гипотетически можно создать «железный» аналог человеческого мозга. При этом, по моим оценкам, для  моделирования 100% активности мозга человека в реальном масштабе времени необходим суперкомпьютер с производительностью не менее  10²¹ флопс. То есть для того, чтобы смоделировать человеческий мозг, нам нужно поднять производительность суперкомпьютеров  еще на три-четыре порядка.

Но даже если нам удастся создать суперкомпьютер с требуемой производительностью в 10²¹ флопс, то  при  использовании современных технологий габаритные размеры такого суперкомпьютера будут эквивалентны зданию с размерами в основании 300 на 300 квадратных метров и высотой 50 метров, и потреблять он будет при этом порядка 15 гигаватт электроэнергии, что сопоставимо с тремя Саяно-Шушенскими ГЭС. А как вы правильно сказали, наш мозг при этом занимает всего лишь  0.0015 м³  объема и потребляет  15-20 ватт, что соответствует одной лампочке. Как говорят в Одессе, почувствуйте разницу (смеется). То есть попытка создания аналога мозга человека на базе современных суперкомпьютеров ─ это путь в никуда.

Все достижения искусственного интеллекта, про которые сейчас повсеместно  говорят, связаны вовсе не с тем, что компьютеры становятся умнее, а только с тем, что они просто становятся быстрее, что позволяет им  за ограниченный промежуток времени перебирать большее число вариантов на большее число шагов вперед. Поэтому все, что сейчас называется искусственным интеллектом, с моей точки зрения, никакого отношения к искусственному интеллекту не имеет. Это обычные компьютерные программы, которые созданы человеком, а программы ─ это реализация алгоритма, то есть жесткой последовательности действий.

Поэтому, на мой взгляд, было бы правильно называть это не искусственным интеллектом, а, например, интеллектуальными компьютерными технологиями или псевдоинтеллектуальными компьютерными технологиями. Искусственным интеллектом, с моей точки зрения, будет обладать техническая система, которая сама сможет строить алгоритм решения поставленной перед ней задачи. А когда алгоритм уже кем-то создан и запрограммирован, как это имеет место в современных компьютерах, то  о каком интеллекте  тут можно вести речь?

Удастся ли нам когда-нибудь создать полноценный искусственный интеллект, сопоставимый с мозгом человека? С моей точки зрения, вряд ли. Но время покажет.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.

Беседовала Янина Хужина. Фотографии Килиманджаро и Эвереста предоставлены Игорем Каляевым.