Публикуем лекцию директора Института программных систем имени А. К. Айламазяна, члена-корреспондента РАН Сергея Абрамова.

Суперкомпьютерная киберинфраструктура США, стран Евросоюза, России, Китая и Японии на ноябрь 2018 года. На графике (вверху — количество машин, внизу — их производительность) зелёным цветом отмечены машины, которые используются в индустрии, красным — в науке и академических исследованиях, синим — для государственных и военных нужд. Верхний слой пирамидок — высший уровнь суперкомпьютеров (Top1–20, 20 систем), второй слой — высокий уровень (Top21–100, 80 систем), третий слой — средний уровень (Top101–250, 150 систем), четвёртый — начальный уровень (Top251–500, 250 систем).

Отношения сумм производительности всех суперкомпьютеров США, стран Евросоюза, России, Китая и Японии, где за 100% принято лучшее значение для этих стран.

Доля России в совокупной мировой вычислительной производительности суперкомпьютеров по годам.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Что такое суперкомпьютер? Это очень мощный компьютер с тысячами процессоров, который многократно ускоряет сложные расчёты и обрабатывает петабайты данных. В суперкомпьютере отдельные машины связаны высокоскоростной сетью (интерконнект). Множество предприятий России заняты разработкой и созданием таких машин. На вопрос о важности этой отрасли ещё в 2004 году ответила Дебора Винс-Смит, президент Совета по конкурентоспособности США: «Технологии, таланты и деньги сейчас можно найти во всём мире, США сталкивается с беспрецедентной иностранной экономической конкуренцией. Страна, желающая победить в конкуренции, должна победить в вычислениях!»¹ («With technology, talent and capital now available globally, the US is facing unprecedented economic competition from abroad. The country that wants to out compete must out-computе»). Эти слова сказал не программист, не учёный, а чиновник.

Нельзя говорить о цифровой экономике, если не построен её базис, где суперкомпьютерам отводится ключевое место. В передовых странах о разработке суперкомпьютерной киберинфраструктуры заботится государство. На создание новых суперкомпьютеров, стоимость которых может равняться 200 миллионам долларов США, выделяют деньги на федеральном, региональном и даже городском уровнях. По такой схеме были построены самые производительные суперкомпьютеры США и Китая.

К сожалению, у нас на уровне власти пока этого понимания нет.

Для строительства экономики, основанной на знаниях, должна быть создана государственная система из мощных национальных суперкомпьютерных центров, объединённых сверхбыстрыми каналами связи в грид-систему.

Хочу обратить ваше внимание, что если дать нормальное определение суперкомпьютеру, то окажется, что в России их очень мало. Так что такое суперкомпьютер? Это система, имеющая производительность, которая соответствует производительностям машин, включённых в соответствующую данному времени редакцию списка Top500.

Top500 (www.top500.org) — свободно доступный массив данных или международный рейтинг суперкомпьютеров, который обновляется каждые полгода с 1993 года. За 25 лет вышло 50 редакций этого списка. По этому достоверному, многоплановому, ретроспективному описанию суперкомпьютеров можно изучать параметры машин, следить за изменениями и судить о состоянии отрасли в мире. Для этого можно использовать, например, комплекс программ, которые я разрабатываю более шести лет².

Cуперкомпьютеры, которые входят в Top500, отличаются по техническим характеристикам, а значит, и по инженерным решениям. Поэтому сравнивают их по производительности³, при этом на реальных задачах.

Машины для самых сложных задач значительно превосходят по производительности и другим техническим параметрам большинство существующих компьютеров и совершают много операций в секунду, отличаются большой памятью и высокими скоростями внутренних обменов данными.

Суперкомпьютерная отрасль в мире развивалась быстрыми темпами. Согласно закону Мура, производительность машин удваивалась каждые полтора года или в тысячу раз за одиннадцать лет по экспоненциальному закону. С помощью Top500 Analyzer я посчитал скорость роста производительности машин и обнаружил, что с определённого момента она начала падать. Перелом произошёл примерно в 2008 году — экспоненциальный характер роста производительности сохранился, но уменьшилось основание экспоненты. До 2008 года производительность самой мощной системы в мире увеличивалась в 1000 раз за 11 лет: 1 Mflops (10⁶flops) в 1975-м, 1 Gflops (10⁹flops) в 1986-м, 1 Тflops (10¹²flops) в 1997-м, 1 Pflops (10¹⁵ flops) в 2008 году. Ожидалось, что в 2019 году производительность вырастет до 1 Eflops (10¹⁸flops), но, очевидно, это произойдёт с «опозданием» на три-четыре года (в 2022—2023 годах). После переломного года производительность увеличивается в 1000 раз уже не за 11 лет, а за больший срок. Например, в 2016—2017 годах производительность увеличивалась в 1000 раз за 17—19 лет. Очевидно, в период 2008—2017 годов суперкомпьютерная отрасль во всём мире столкнулась с научно-техническими сложностями, поэтому прогнозы достижения новых рубежей производительности таковы: 1 Eflops (10¹⁸flops) — примерно в 2022-м, а 1 Zflops (10²¹flops) — приблизительно в 2039 году.

Исследование данных Тор500 показывает, что передовые страны (США, Китай, страны Евросоюза и Япония) создали гармоничную суперкомпьютерную инфраструктуру. Особенно развернулся Китай, который последние три года соревнуется с США в борьбе за лидерство и даже строит суперкомпьютерные центры в других странах. Евросоюз в настоящее время отстаёт на 50% от США по сумме производительности суперкомпьютеров в этих странах. К сожалению, и российские показатели ухудшаются, а суммарная производительность машин, установленных в России, составляет около 5% производительности американских.

Последние годы мы бьём рекорды в отставании, планомерно укрепляя его и всё больше отдаляясь от США, Китая, Европы и Японии. Были времена, когда мы резко сокращали разрыв, но в последние годы такой тенденции не просматривается.

Что можно сказать о технологическом уровне отечественных машин? Печально, но наши технологии отстали на 8,5 лет, а когда-то отставание было 2,5 года. США, Китай, Япония и Евросоюз вносят весомый вклад в совокупную мировую производительность суперкомпьютеров: Китай — 31,1%, США — 37,64%, Япония — 7,74%, страны Евросоюза — 17,65%. У России максимальный вклад был в 2010 году — 2,5% в мировой ВВП, сейчас он составляет всего 0,32%.

Доли Китая, США, Японии и Евросоюза значительны. Легко оценить устремлённость этих стран к цифровой экономике или индекс цифровизации (насколько экономика насыщена счётом), зная долю страны в мировом ВВП.

В таблице показаны индексы цифровизации экономик различных стран (на ноябрь 2018 года): А — доля страны в суммарной производительности всех суперкомпьютеров мира; B — доля страны в мировом ВВП, отношение A/B — индекс цифровизации экономики.

Как видно из таблицы, Китай, США, Япония, страны Евросоюза реально устремлены к цифровой экономике. Что касается России, то приходится констатировать, что в нашей стране нет никакой сбалансированной суперкомпьютерной инфраструктуры, то есть инфраструктуры, включающей системы из всех четырёх уровней производительности (высшая, высокая, средняя и начальная), используемых во всех отраслях применения (исследования, индустрия, военные и государственные нужды). Доля России в суперкомпьютерном счёте более чем в пять раз меньше её доли в мировом ВВП. По индексу цифровизации экономики положение России хуже в 12 раз, чем у Китая, в 9 раз, чем у США, в 7 раз, чем у Японии, и в 5 раз, чем у стран Евросоюза. Надо добавить, что я не вижу в этом никакой вины учёных: мы продолжаем трудиться, каждый год собираемся на форум, чтобы «сверить часы», и не потеряли готовности разрабатывать новые проекты, создавать отечественные процессоры, ускорители, системы, программное обеспечение.

Я не нагнетаю обстановку, а просто говорю, как оно есть. И эти обстоятельства надо учитывать при формировании государственной политики в области суперкомпьютерной отрасли и цифровых технологий.

Все графики и диаграммы в данной cтатье построены с использованием комплекса Top500 Analyzer.

Комментарии к статье

¹ Debora Wince-Smith, President of the Council on Competitiveness. 4 June 2004, «Supercharging Inno-vation Competitiveness: HPC Conference».

² Абрамов С. М. Top500 Analyzer — программа для анализа данных рейтинга Top500 // Электронный ресурс в сети интернет https://goo.gl/Mr89Ho.

³ В данном материале везде под словом «производительность» понимается максимальная реальная производительность, которую на практике система смогла продемонстрировать, решая систему линейных уравнений (так называемый тест Linpack). Слово «максимальная» связано с тем, что одни размеры систем линейных уравнений могут оказаться «более удобными» для решения, чем другие. Производительность, понимаемую таким образом, принято обозначать «Rmax».

Статьи по теме

• Суперкомпьютеры — в массы!
• Cуперкомпьютер: довести до кипения, чтобы охладить
• СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ: ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА

№1, 2019