Сделано в Сарове

Еще недавно казалось, что суперкомпьютеры — это нечто экзотическое, необходимое для решения исключительных задач. Но времена меняются, и вот они уже используются в самых разных отраслях промышленности и экономики. С помощью суперкомпьютеров проектируются автомобили, самолеты, атомные реакторы. И не просто проектируются, но даже подвергаются разнообразным виртуальным испытаниям, позволяющим отказываться от натурных. Многочисленные цифровые двойники живут своей параллельной жизнью, облегчая уже не только производство, но и эксплуатацию самых разнообразных изделий.

С 2009 года в Российском федеральном ядерном центре в Сарове, том самом, где многие десятилетия создавалось ядерное оружие, занимаются развитием суперкомпьютеров и созданием инженерного программного обеспечения в интересах российской промышленности. Доктор физико-математических наук, первый заместитель директора Института теоретической и математической физики (ИТМФ) федерального государственного унитарного предприятия «Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ) Рашит Шагалиев — один из руководителей этих работ.

Мы встретились с Рашитом Мирзагалиевичем, чтобы узнать, какие результаты достигнуты и каковы перспективы суперкомпьютинга в России.

— В 2009 году была принята программа развития суперкомпьютерных технологий, которая уже закончилась. Ваш институт принимал в ее реализации активное участие. Можно ли подвести итоги? Что удалось сделать и пришла ли на смену новая программа?

— Я сразу внесу небольшое дополнение. Решение о проведении работ по данному направлению через проект «Развитие суперкомпьютеров и грид-технологий» было принято в 2009 году в ходе визита в Российский федеральный ядерный центр в Саров Дмитрия Анатольевича Медведева, в то время президента Российской Федерации. РФЯЦ-ВНИИЭФ был определен головной организацией.

Этот проект был принципиально важным и позволил в весьма короткие сроки решить стратегическую задачу — создать базовые компоненты отечественных суперкомпьютерных технологий.

За последние пятнадцать лет производительность суперЭВМ выросла более чем в десять тысяч раз. В условиях динамичного роста производительности вычислительных систем возникают качественно новые возможности применения высокопроизводительных вычислений при создании сложных технических систем, когда многие вопросы могут быть решены с помощью моделирования. По сути, это новые технологии создания сложных технических систем. Для реализации таких технологий требуется оснащение отраслей базой, прежде всего вычислительными ресурсами и прикладным программным обеспечением. При этом приоритетно создание конкурентоспособных отечественных компонентов, доведенных до предсказательного уровня.

— А что означает «предсказательного»?

— Уровень предсказательного моделирования предполагает высокую достоверность и адекватность результатов моделирования работы сложных технических систем, например летательного аппарата или автомобиля, и конкретных режимов его функционирования в нормальных или в аварийных условиях. Если физические модели, заложенные в программу, и собственно программы прошли необходимые стадии адаптации и валидации, то есть доведены до уровня, когда они с требуемой достоверностью описывают моделирование режимов функционирования, то такие программы становятся мощным инструментом при создании изделий.

— Это то, что сейчас называют цифровым двойником?

— Да, это технологии на основе цифровых «суперкомпьютерных двойников». Создание таких технологий невозможно без выполнения комплекса работ — уже упомянутого создания базовых компонентов, баз данных по свойствам материалов, баз данных для верификации и валидации и многого другого. Все эти работы должны быть выполнены с учетом особенностей протекания процессов при функционировании изделий. Созданием технологий моделирования такого уровня мы начали заниматься уже в ходе реализации упомянутого ранее проекта. Именно тогда были созданы пилотные версии виртуальных суперкомпьютерных моделей: «Виртуальный самолет (двигатель)», «Виртуальная корабельная ЯЭУ», «Виртуальная АЭС с ВВЭР», «Виртуальный автомобиль», Виртуальные модели изделий РКТ».

Безусловно, работа была непростой, но у нас были хорошие предпосылки. Во-первых, исторически сложилось так, что работы, проводимые в РФЯЦ-ВНИИЭФ несколько десятилетий, всегда в значительной степени опирались на результаты компьютерного моделирования.

Во-вторых, и это принципиально важный момент, при подготовке проекта были не только четко определены цели, задачи, но и пути их решения и состав соисполнителей. Так сложилась мощная кооперация, в состав которой вошли отраслевые КБ, ведущие университеты, организации Российской академии наук, промышленные предприятия таких высокотехнологичных отраслей промышленности, как авиастроение, ракетно-космическая отрасль, автомобилестроение, атомная энергетика, что, безусловно, имело решающее значение для успешной реализации проекта. Всего к участию в нем было привлечено около сорока предприятий и организаций. Особо отмечу, что важным было включение в состав кооперации разработчиков промышленных предприятий. Тех, кто обладал необходимыми базами данных по свойствам материалов, знал наиболее важные классы задач, для решения которых требовался создаваемый кооперацией продукт — новая суперкомпьютерная технология проектирования.

В музее ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ

РФЯЦ-ВНИИЭФ

— Что дала такая кооперация?

— Кооперация позволила ускорить процесс внедрения новых технологий на предприятиях. Действительно, когда мы начинали, некоторые предприятия были еще недостаточно мотивированы на внедрение новой технологии, а когда мы вместе поработали, показали, какие преимущества она дает, интерес к ней с их стороны сразу возрос! В результате усилиями кооперации за три года реализации проекта были не только созданы базовые компоненты новой суперкомпьютерной технологии проектирования, но и началось ее внедрение в промышленность. Конечно, за три года о широком внедрении говорить не приходится, но уже тогда были получены первые важные практические результаты и появилась уверенность, что задача внедрения новой суперкомпьютерной технологии проектирования в России решаема. Кстати, работавшие в рамках кооперации промышленные предприятия получили определенный стимул для ускорения применения новой технологии, что распространилось и на другие предприятия отраслей. Получили, что называется, мультипликативный эффект! Сейчас, оглядываясь назад, трудно переоценить полученный результат. Я абсолютно уверен, что работы были организованы очень своевременно. Приятно отметить, что после завершения проекта связи с коллегами по кооперации сохранились и развиваются. Со многими мы продолжаем очень плотно работать.

— Как бы вы сформулировали цель, которую ставили перед собой в этом проекте?

— Сейчас весь мир меняет отношение к вычислениям. По существу, можно говорить о создании нового направления, новой отрасли, название которой — суперкомпьютерная индустрия. Индустрия, которая ориентирована на развитие суперкомпьютерных технологий, предназначенных для того, чтобы реализовать в высокотехнологических отраслях возможность создания изделия за более короткие сроки и с лучшим качеством. Именно такая задача была поставлена перед нами. И то, что РФЯЦ-ВНИИЭФ стал в проекте головной организацией, повторю, было обоснованно, поскольку для этого были все предпосылки. В Ядерном центре в течение нескольких десятилетий формировалась крупная научная школа, коллектив, который долгое время работал только в интересах обороны. Но появление проекта позволило часть кадровых ресурсов перевести на гражданские нужды. Общепризнанно, что РФЯЦ-ВНИИЭФ — один из крупнейших научных центров России, обладающий конкурентоспособными технологиями мирового уровня, который может обеспечить решение комплексных задач в интересах России. Но в одиночку РФЯЦ-ВНИИЭФ задачу проекта решить не смог бы. Здесь еще раз подчеркну, что развитие и внедрение отечественных суперкомпьютерных технологий — задача очень масштабная. Создание новой отрасли — это, безусловно, задача межотраслевая.

— Вы разрабатывали какой-то определенный тип суперкомпьютера или ряд суперкомпьютеров разного назначения?

— До распада СССР практически вся страна работала на отечественной вычислительной технике. Но предприятия, проектировавшие или производившие вычислительную технику, размещались в нескольких союзных республиках. Поэтому после распада СССР экономические связи между проектировщиками и производителями вычислительной техники стали распадаться, и отрасль оказалась в  кризисе. В этой ситуации мы приняли амбициозное решение: начнем проектировать и создавать суперкомпьютеры сами. Первая суперЭВМ у нас появилась в 1994 году. C того времени мы проектируем и создаем собственные суперЭВМ. Постепенно вышли на создание всего ряда — от компактных (до пяти терафлопс.) и средней производительности (от десяти до ста терафлопс) до производительности мирового уровня. При этом все суперЭВМ создаются комплексно — разрабатываются не только аппаратные решения и компоненты, но и системное программное обеспечение, и прикладное программное обеспечение. Сегодня РФЯЦ-ВНИИЭФ, вероятно, единственная организация в России, которая свои суперкомпьютеры создает комплексно. Мы создали инфраструктуру, которая позволяет работать в удаленном доступе во вполне комфортных условиях большому количеству организаций. То есть мы активно развиваем у себя и технологии облачных вычислений, в том числе для обработки защищенной информации.

— Вы сформировали свое облако и предоставляете его пользователям ваших машин?

— Да. В 2011 году по решению правительства в ядерном центре была создана мощная суперЭВМ, часть ресурсов которой мы предоставили для удаленного пользования предприятиям — участникам Проекта. К настоящему времени доступ к этим ресурсам предоставлен 68 организациям промышленности, науки и образования. И количество потребителей у нас возрастает. Должен сказать, что интерес к такой технологии расчетов будет только расти, потому что содержание собственных ВЦ обходится дорого. Это связано не только со стоимостью самой суперЭВМ, но и с тем, что обслуживающий персонал должен обладать высокой квалификацией, чтобы обеспечить ее надежную работу. Сейчас у нас еще одна ближайшая задача — ввести новые элементы и создать информационную систему, которая позволила бы работать в комфортных условиях на этой суперЭВМ всем желающим потребителям.

— А с НИИ системных исследований вы как-то сотрудничаете? Его многолетний руководитель академик Бетелин уже много лет агитирует за самое широкое внедрение суперкомпьютеров.

— Владимир Борисович Бетелин и НИИСИ РАН — это наши ближайшие партнеры и коллеги по работе. В 2009 году, когда начинался проект, именно Владимир Борисович инициировал идею о включении в его рамки создание суперЭВМ малого класса, компактных. На правах наших соисполнителей в НИИСИ уже более десяти лет по этому направлению работает отдельный коллектив. Вторая задача, которая решается совместно с НИИСИ, — создание отечественных компонентов суперЭВМ. Любая суперЭВМ содержит систему коммутации, которая объединяет большое число арифметических устройств в единый вычислитель. Коммутатор для наших отечественных суперкомпьютеров разработан нашими совместными усилиями. Здесь, наверное, мы можем похвастаться — система коммутации полностью отечественная!

— То есть вы сделали микросхему?

— Все, начиная с микросхем, заканчивая платами и созданием программного обеспечения. Этот образец прошел необходимые стадии испытаний, и мы выпускаем серийные образцы. В отечественной суперЭВМ, которая сейчас разрабатывается, это будет один из трех основных компонентов. Свои совместные работы в этом направлении мы продолжим. Наша задача — создать систему уже нового поколения. То есть создать коммутаторы большей производительности, с более высокими техническими характеристиками.

Компактный суперкомпьютер ФГУП РФЯЦ – ВНИИЭФ

PereslavlFoto / Wikimedia Commons / CC-BY-SA

— А до сих пор делали на зарубежной элементной базе?

— В России использование зарубежных компонентов пока основной подход при создании суперЭВМ. Однако есть несколько фирм, занятых разработкой отечественных компонентов. Например, компания МЦСТ — разработчик микропроцессоров «Эльбрус». С ней мы сотрудничаем. В советское время эта фирма (которая тогда имела другое название) была основным разработчиком и поставщиком отечественных вычислительных машин. Фирма сумела сохранить свою школу, свои кадры в достаточно хорошем состоянии. В настоящее время процессоры получают дальнейшее развитие. Три года назад на базе микропроцессоров «Эльбрус» мы создали первый образец компактной суперЭВМ на отечественных компонентах. Сейчас начали создавать новую модель.

Здесь я несколько подробнее коснусь вопроса о компактных суперЭВМ.

Решение о создании малых машин, которые мы назвали компактными, было неслучайным. В ходе реализации проекта 2010–2012 годов мы увидели, что предприятия очень слабо оснащены вычислительной техникой, да у них не было и опыта работы на суперЭВМ. Поэтому мы по предложению Владимира Борисовича Бетелина сами сформулировали задачу и получили поддержку государства на создание в рамках проекта машин малого класса. По архитектуре, технологии программирования, использованию они ничем не отличаются от мощных и сверхмощных суперкомпьютеров, но гораздо дешевле. Их можно подключить к обычной сети, не нужно строить специальные инженерные системы. И в этом смысле появляется реальная возможность оснащения больших предприятий такими суперкомпьютерами для работы группы пользователей из пяти-шести человек. Эти суперЭВМ могут использоваться для самых разных расчетов и очень удобны для того, чтобы пройти первые этапы освоения суперЭВМ и научиться на качественно более высоком уровне считать свои производственные задачи. Сейчас мне приятно отметить, что порядка 140 таких машин уже поставлены на предприятия и в организации России.

Производительность компактных суперЭВМ составляет от одного до пяти терафлопс. Есть организации, которые на этой базе создают более мощные кластерные решения — десятки терафлопс. Одновременно по заказам мы создаем машины среднего класса, уже более мощного (от десяти до ста терафлопс).

— Я несколько раз брал интервью у руководителей Dassault Systèmes и спрашивал их, способны ли мы, на их взгляд, разработать программное обеспечение во всем объеме, который они представляют. На что они все уверенно отвечали, что с учетом произведенного ими объема затрат, в том числе человеко-часов, в разумные сроки и при разумном количестве людей это невозможно. У них пятнадцать тысяч человек тридцать лет работают.

— Что я могу сказать? Dassault Systèmes — очень уважаемая компания, признанная во всем мире и имеющая продукт, входящий в число двух лидеров в этой отрасли. Поэтому их авторитетное мнение учитывать надо. Но я хочу обратить внимание, что мы начинали не с нуля. Школа разработки современного прикладного программного обеспечения (о чем говорят коллеги из Dassault Systèmes) у нас сформировалась с момента возникновения трудового коллектива, появившегося в рамках атомного проекта СССР в 1948 году. В атомном проекте, в его реализации, без математических расчетов, без вычислительной математики обойтись было невозможно. Поэтому в ядерном центре работает крупнейший в России коллектив математиков, который вычислительными расчетами занимается десятки лет. Должен напомнить, что советская школа в области вычислительной математики, создания программ, развития моделей и методов была признана во всем мире. И сейчас эти традиции сохранились.

— Я беседовал с крупнейшим немецким ученым математиком Доном Загиром, и он сказал, что советская математическая школа была не просто первой, а с большим отрывом первой.

— Традиции сохраняются и сейчас. Но в настоящее время механико-математические факультеты университетов испытывают сложности — учиться там тяжело, высокие требования, сложные дисциплины, а после завершения учебы востребованность выпускников невысокая. Тогда как тех, кто занимаются в области ВМК, сразу разбирают, с первого курса. Поэтому подбором кадров приходится заниматься и нам — ядерному центру. Мы активно работаем с университетами с хорошими математическими традициями — Казанским, Нижегородским. Москва сама поглощает всех своих выпускников МГУ, но к нам, например, едут (правда, немного) выпускники Санкт-Петербургского университета. Работаем мы и с сибирскими университетами. И еще мы начали создавать коллективы на сетевой основе, когда не только наши специалисты, но и специалисты небольшого ряда крупных научных центров совместно работают над решением одной большой задачи.

— То есть это просто люди, удаленно работающие в едином коллективе?

— Да. Такую задачу мы ставим, но она еще пока на стадии решения. Наш первый опыт работы по такой схеме дал положительные результаты, и сейчас мы его расширяем.

Поэтому для создания отечественного программного продукта у нас есть все предпосылки. Больше того, я уверен, что мы сделаем такой продукт. Мы прекрасно понимаем задачи и знаем, что делать. Вопрос, когда мы создадим свой полноценный продукт, — это вопрос времени. При правильной организации работы и государственной поддержке (ведь такие крупные работы без поддержки государства невозможны) срок создания продукта будет короче. Мы идем верным путем, и это подтверждается тем, что в части работ, касающейся аэродинамики и гидродинамики, мы уже вышли на уровень, который не уступает лучшим западным программам. Этот факт подтвержден оценкой наших заказчиков. Мы создаем продукт не для себя, мы изначально поставили задачу разработки пользовательской программы, то есть продукта для специалистов-расчетчиков предприятий. Сейчас многофункциональный пакет программ имитационного моделирования ЛОГОС внедрен и работает более чем на шестидесяти предприятиях. И на некоторых предприятиях при расчетах определенных классов задач уже заместил импортные пакеты программ. Поэтому у меня есть полная уверенность, что в России мы свой программный продукт создать способны.

Кстати, замечу, что у Dassault Systèmes основное направление работ (хотя они занимаются и аэродинамикой) — это прочность, известная программа Abaqus. Если сравнить с ней нашу разработку, то на текущем этапе примерно половину возможностей Abaqus мы уже охватываем. Конечно, мы трезво оцениваем наши возможности. Но работы организованы, и мы имеем конкретное понимание о каждом этапе работы. Будем по мере необходимости (а это мы и сейчас делаем) усиливать нашу команду кадрами с учетом поддержки, которую нам сейчас оказывает руководство страны. Создание отечественного программного продукта — аналога импортных будет решена, я в этом убежден. Больше того, нельзя заниматься только тем, чтобы просто догонять, это недостижимо. Надо смотреть вперед, искать новые решения, мы это делаем и в каких-то направлениях уже успешно реализуем.

— Понятно, что это бесконечная работа, но сколько времени потребуется, чтобы выйти на уровень, когда можно будет сказать, что мы стали третьими в мире: Siemens, Dassault Systèmes и мы? И ставится ли такая задача вообще?

— Министерство промышленности и торговли, его департамент оборонно-промышленного комплекса, перед нами задачи ставит именно так! Нам говорят: не просто развивайте, а покажите, когда по календарным срокам в области моделирования мы выйдем на такой уровень готовности, при котором сможем в каких-то областях иметь опыт размещения и реализации. Должен сказать, что такая программа нами выработана. Мы знаем конкретные доли рынка, классы задач, которые мы сможем перевести на ЛОГОС. Поэтому планируем эту приоритетную задачу в рамках своей программы решить к 2020 году. А далее приступить к решению задачи выхода на внутренний рынок. В этой части мы работаем с «Росатомом», где был проведен анализ продуктов, которые могут быть выведены на рынок, и было решено, что пакет программ ЛОГОС уже подготовлен к такому шагу. Потому и возникла амбициозная задача с 2020 года приступить к выводу программного комплекса ЛОГОС на российский гражданский рынок. Российский рынок — это огромное количество предприятий. Вы знаете, что любой рыночный продукт требует для коммерциализации создания специальных групп, специалисты которых должны обладать опытом и квалификацией в сфере рыночной деятельности. Так вот, в «Росатоме» уже есть такая структура.

— Своеобразный маркетинг?

— Да. Они нам помогают и одновременно приоритеты вырабатывают. А мы с помощью коллег из этой группы создаем сейчас свою продуктовую команду. Ее задача — посмотреть на созданный продукт с точки зрения рынка и внести определенные коррективы в программу нашей работы.

— Было сообщение, что у вас создается суперкомпьютер на новой физической основе. О чем идет речь?

— Вы прекрасно знаете, что подход, ориентированный на создание суперЭВМ на кремниевой базе и по кластерному принципу, постепенно вырабатывает свои возможности. Действительно, производительность микропроцессоров растет не так быстро, как раньше. В результате приходится наращивать мощность машин за счет введения большого количества энергетических устройств. К сожалению, на этом пути есть физические пределы производства микропроцессоров (некоторые называют семь, некоторые пять нанометров). Этот предел виден. При приближении к нему стоимость микропроцессоров будет возрастать, а скорость роста производительности будет заметно уменьшаться. Вот почему во всем мире сегодня ищут новые решения, чтобы процесс роста производительности вычислительных систем не был остановлен.

Поэтому в настоящее время внимательно рассматривается еще один путь создания высокопроизводительной вычислительной машины, в основе функционирования которой лежат эффекты взаимодействия когерентных систем световых волн, порождаемых лазерным излучением. Носителями излучения здесь являются фотоны. Отсюда и название будущей машины — фотонный компьютер. В нашем ядерном центре начаты исследования для создания такого компьютера.

Некоторые подходы к решению этих задач группа специалистов нашего коллектива под руководством Сергея Александровича Степаненко уже отработала, теоретически исследовала, есть соответствующий патент. И мы надеемся в ближайшее время начать экспериментальные исследования, после чего это направление перейдет в область практической реализации.

— Что надо сделать для развития суперкомпьютерной индустрии в нашей стране?

— Любое развитие должно опираться на потребности, то есть должны быть заказчики. При создании суперкомпьютерной индустрии (или нового технологического задела) в стране заказчиками становятся высокотехнологические отрасли промышленности в лице конкретных предприятий. Заказчики прежде всего должны признать важность перехода на новые суперкомпьютерные технологии, а затем принять их и внедрить у себя. Но от момента признания необходимости новой технологии до ее непосредственного внедрения дистанция серьезная. На предприятиях, которые создают высокотехнологичную продукцию, нужно не только создать вычислительные центры с суперЭВМ. Нужно также создать коллективы специалистов, часть которых имела бы соответствующие инструменты и могла бы на суперЭВМ проводить производственные расчеты по моделированию выпускаемых образцов сложных технических систем, а часть специалистов — осуществлять техническое обслуживание этих центров. Одновременно надо готовить специалистов в вузах, потому что молодежь более обучаема. Вместе с тем необходимо сделать так, чтобы предприятия, у которых нет возможности создать собственный вычислительный центр, могли проводить удаленные вычисления в отраслевых или региональных вычислительных центрах, сеть которых требуется развернуть. Необходимо развивать нормативную базу, которая позволила бы использовать вычисления как инструмент, сравнимый с реальными испытаниями. Одновременно надо проводить задельные поисковые исследования, чтобы процесс развития суперкомпьютерной индустрии не останавливался. Именно в такой комплексной постановке задача создания суперкомпьютерной индустрии в нашей стране может быть решена. И нам нельзя этот процесс затягивать.

Ядерный центр в этой области работ определен в нашей стране головным, и эту работу мы организуем в рамках решений руководства страны. Работаем мы в тесном сотрудничестве как с Российской академией наук и ее институтами, так и с предприятиями высокотехнологических отраслей промышленности. Я надеюсь, что в ближайшее время эта работа превратится в ряд крупных и важных государственных программ.