Академик Игорь Каляев: «Мы вновь находимся на задворках суперкомпьютерного мира»

Научный руководитель направления ЮФУ, академик РАН, заслуженный деятель науки РФ Игорь Каляев рассказал о реальном положении России в мировой гонке вычисления и суперкомпьютеров.

- Игорь Анатольевич, каково место России в современном суперкомпьютерном мире?

Во времена СССР наша страна не только не отставала от ведущих стран Запада с области суперкомпьютерных технологий, но и по ряду направлений опережала их. К сожалению, после развала СССР, было принято недальновидное решение, что мы все будем покупать на Западе, в том числе и суперкомпьютеры. В результате была загублена отечественная микроэлектронная промышленность, которая является основой всех компьютерных технологий. Тем не менее несмотря на отсутствие собственной российской электронной компонентной базы, необходимой для создания современных суперкомпьютеров, научные школы в стране сохранились. В нулевые года 21 века начало приходить понимание, что «Запад нам не поможет» и была предпринята попытка догнать «суперкомпьютерный мир», который за это время ушел далеко вперёд. И за достаточно короткий период нам удалось войти в «элиту» суперкомпьютерного мира, так называемый список ТОП 500, который включает 500 наиболее производительных суперкомпьютеров мирового сообщества. К 2010 году более 10 суперкомпьютеров, работающих на территории нашей страны, входили в этот список, а наивысшим достижением было 12 место в этом списке суперкомпьютера «Ломоносов», установленного в МГУ. К сожалению, в последующие 10 лет, вследствие различных событий, представительство России в списке ТОП 500 только уменьшалось, и в настоящее время в него входят всего лишь два российских суперкомпьютера, которые занимают соответственно 35 и 130 место. А по суммарной производительности суперкомпьютеров, находящихся в списке ТОР 500 наша страна занимает лишь 21 место в мире, уступая таким странам как Бразилия и Саудовская Аравия. То есть в настоящее время мы вновь находимся на задворках суперкомпьютерного мира и наше отставание только нарастает.

- В каких областях промышленности, экономики, научных исследованиях необходимы суперкомпьютерные вычисления?

- В настоящее время наука и техника становятся все более вычислительными. Современные научные открытия делаются не как раньше, «на кончике пера», а на экране компьютера, путём обработки больших массивов экспериментальных данных и поиска закономерностей в них. И с этим могут справиться только высокопроизводительные суперкомпьютеры. Например, обработка огромных массивов экспериментальных данных, получаемых с помощью Большого адронного коллайдера, может осуществляться только на мощном суперкомпьютере. Аналогично в промышленности - суперкомпьютеры позволяют существенно сократить сроки разработки и создания новых изделий и, как следствие, повысить их конкурентоспособность за счёт ускоренного проведения масштабных инженерных расчётов, моделирования различных режимов работы сложных изделий, создания так называемых «цифровых двойников» и так далее. И не случайно более 50% суперкомпьютеров, входящих в список ТОП 500, задействованы именно в промышленности. Конкретными примерами эффективного применения суперкомпьютеров в промышленности являются, в частности, проектирование таких сложных наукоёмких изделий как газотурбинные авиационные двигатели, современные самолёты и автомобили, конструирование новых материалов и лекарственных препаратов и тому подобное. Можно привести ещё пример из такой «несерьёзной» области как мультипликация. Производство американского мультфильма «Книга джунглей», который был практически полностью создан с применением суперкомпьютерных технологий графического дизайна, обошлось приблизительно в 135 млн долларов, в то время как его прокат принёс около 1 млрд долларов. То есть один только этот мультфильм окупил все затраты на создание и содержание высокопроизводительного и достаточно дорогостоящего суперкомпьютера на десяток лет вперёд.

- Есть в нашей стране успешные примеры практического применения суперкомпьютерных вычислений?

- Безусловно есть. 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. В настоящее время суперкомпьютеры активно используются специалистами ЦАГИ при проектировании нового российского гражданского самолёта 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 нашей промышленностью, требуют в той или иной мере использования суперкомпьютерных расчётов.

- Почему, по вашему мнению, наша страна «все больше и больше отстаёт от мировых лидеров гонки суперкомпьютерных вычислений»?

- Тут можно указать две основные причины. Во-первых, отсутствие собственной российской элементной базы, необходимой для создания современных суперкомпьютеров. К сожалению, в настоящее время элементную базу для суперкомпьютеров нам приходится закупать (или производить) за рубежом, что в условиях санкций и резкого роста курса доллара становится все более и более проблематично. Во-вторых, отсутствие понимания у ответственных российских чиновников роли суперкомпьютерных технологий в современном мире. Первый вопрос, который задает чиновник «А какую прибыль принесёт этот суперкомпьютер?». Сам суперкомпьютер, конечно, никакой прямой прибыли не приносит, но его использование позволит производителям получить конкурентное преимущество за счёт снижения времени цикла проектирования изделия, повышения его качественных характеристик и другое, что в свою очередь принесёт последующую прибыль при продаже данного изделия. К сожалению, далеко не все понимают, что, вкладываясь в создание национальной суперкомпьютерной инфраструктуры, государство создаёт базу для повышения наукоёмкости и конкурентоспособности продукции отечественных предприятий, что в итоге принесёт стране большую технологическую, а также финансовую отдачу.

- Что нужно сделать, чтобы минимизировать это отставание?

- Во-первых, необходимо создание отечественных технологических линеек по производству современной микроэлектронной элементной базы на уровне зарубежной. В настоящее время у нас в стране наиболее «продвинутые» технологические линейки ЭКБ имеет технологические нормы 90 - 65 нм, а за рубежом уже сейчас работают производственные линейки с технологическими нормами -10 -7 нм. Во-вторых, нужно создать национальную суперкомпьютерную инфраструктуру, то есть систему суперкомпьютерных центров различного уровня, 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 трудоёмких расчётов на любом из вычислительных ресурсов, входящих в её состав. Для этого она должна быть оснащена специальным интеллектуальным диспетчером, который мог бы распределять поступающие пользовательские задачи по имеющимся вычислительным ресурсам в зависимости от их специализации, загруженности и тому подобное. В-третьих, нужно обучать пользователей работать на такой суперкомпьютерной инфраструктуре, а также готовить кадры, способные проектировать как сами суперкомпьютеры, так и создавать для них системное и прикладное ПО. Все эти задачи были поставлены в Концепции создания и развития национальной суперкомпьютерной инфраструктуры, которая была разработана ведущими учёными и специалистами нашей страны, рассмотрена и одобрена на заседании Совета по приоритетному направлению научно-технологического развития страны под моим председательством ещё в мае 2019 года. И с тех пор этот документ ходит по различным инстанциям, в то время как весь мир идёт вперёд стремительными шагами. Когда мы начинали разрабатывать данную концепцию в начале 2019 года самым мощным суперкомпьютером в мире был китайский суперкомпьютер Санвэй с производительностью около 100 Пфлопс, а сейчас самый мощный в мире японский суперкомпьютер Фугаку имеет уже производительность около 500 Пфлопс.

- Расскажите, о разработках учёных ЮФУ в области суперкомпьютеров, и насколько эти разработки востребованы в нашей стране и в мире?

- Суперкомпьютерная тематика начала развиваться в Таганрогском радиотехническом институте, который сейчас входит в состав ЮФУ, ещё в начале 60-х годов прошлого века на кафедре вычислительной техники. Тогда под руководством А.В. Каляева была создана первая в мире цифровая интегрирующая машина, содержащая 100 параллельно работающих обрабатывающих узлов (цифровых интеграторов). С целью дальнейшего развития данной тематики в структуре ТРТИ были созданы ОКБ «Миус» и НИИ МВС, которые в 70-е- 80-е годы прошлого века приняли участие в целом ряде государственных программ по разработке и созданию высокопроизводительных вычислительных машин различного назначения. Тогда же А.В. Каляевым была предложена оригинальная, не имеющая зарубежных аналогов концепция создания многопроцессорных вычислительных машин с реконфигурируемой архитектурой. Суть этой концепции заключается в том, что архитектура суперкомпьютера должна адаптироваться под структуру решаемой задачи, вследствие чего минимизируются непродуктивные временные затраты, связанные не с полезными вычислениями, а с организацией вычислительного процесса в суперкомпьютере, в результате чего повышается его реальная производительность при решении прикладных задач. Эта концепция была успешно реализована в жизнь уже в начале нового 21 века специалистами НИИ МВС с использованием так называемых ПЛИС – программируемых логических интегральных схем высокой степени интеграции. В настоящее время суперкомпьютеры с реконфигурируемой архитектурой находят всё более широкое применение на различных предприятиях и организациях нашей страны при решении так называемых потоковых задач, то есть задач, требующих обработки больших массивов (потоков) данных за ограниченный промежуток времени. Примерами подобных задач являются задачи сейсмического зондирования подповерхностного слоя Земли для поиска полезных ископаемых, дистанционного зондирование Земли из космоса, молекулярного моделирование лекарств, моделирования атмосферных явлений, задачи искусственного интеллекта и тому подобное.