Создан для инженерного спецназа

Ч тобы добраться до суперкомпьютерного центра, с какой бы стороны вы ни входили на территорию Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, нужно пройти примерно одинаковое расстояние — три-четыре средних квартала. Территория вуза ограничена тремя станциями метро, корпуса расположились в парке. Чуть в сторону с центральной аллеи — и можно собирать малину или грибы. Мы идем от метро «Политехническая». Слева — самые старые корпуса, они помнят Абрама Иоффе и Игоря Курчатова, Николая Семенова и Петра Капицу. Справа, частично в строительных лесах (идет реставрация), — массивное, с портиками, главное здание. На входах звучит классическая музыка. Подбором и сменой композиций заведует Борис Кондин, супруг оперной певицы Ольги Кондиной.

А вот и НИК — научно-исследовательский корпус, где суперкомпьютерная техника занимает целое крыло. В застекленных фасадах отражаются яркие краски осени. У граффити с портретами нобелевских лауреатов Николая Семенова и Петра Капицы, нанесенных на трансформаторную будку вблизи НИКа, кто-то делает групповое селфи.

Внутри — еле уловимый запах не то телевизионной монтажной, не то новенькой техники. И действительно, в центральном фойе выставлены замысловатые агрегаты. Здесь тоже фотографируют, но с акцентом на детали выставленных образцов.

 

Не кносский лабиринт

Чтобы увидеть суперкомпьютер, мы идем за сотрудником СКЦ по одинаковым небольшим коридорам без каких-либо указателей и отличительных знаков. Кто-то считает повороты, кто-то уже сбился. Ясно, что проделать этот путь в одиночку не выйдет. Легчайшие вибрация и звук создают ощущение, что ты находишься внутри почти бесшумно работающего очень мощного механизма. Последняя дверь, напоминающая дверцу гигантского сейфа, — и перед нами чудо техники за стеклянной стеной с логотипами вуза и суперкомпьютерного центра, стильно подсвеченными синим.

Внутри уже нешуточный гул, будто звучат миллионы ульев. За каждой дверцей — яркие идеально уложенные цветные проводки. Прямо сейчас, пока идет экскурсия, суперкомпьютер совершает вычисления, которые сто человек выполнили бы за неделю.

Директор суперкомпьютерного центра «Политехнический» Алексей Лукашин с виду типичный инженер новой формации — сдержанный, внимательный к происходящему, способный держать в поле зрения множество вопросов и легко переключаться с одного на другой. Он рассказал, что энергопотребление центра составляет 600-700 кВт⋅ч, это соответствует, например, энергопотреблению десяти коттеджных поселков по 60 домов, расходующих примерно по 10 кВт⋅ч. Но выделяемое тепло отводят. На крыше установлена система гигантских холодильников.

 

Мощности национального чемпиона

Создать в петербургском Политехе суперкомпьютерный центр правительство РФ решило в 2012 году. Проект назывался «Техническое перевооружение Санкт-Петербургского государственного политехнического университета на основе создания суперкомпьютерного центра», в декабре 2015 года он был завершен.

Работы, требующие суперкомпьютерных вычислений, в вузе ведутся с советских времен. В 1956 году в проблемной лаборатории вычислительных машин была создана цифровая вычислительная машина «Кварц», и 15 мая 1958 года эти машины, обслуживаемые сотрудниками и студентами Ленинградского политехнического института, впервые были использованы для определения параметров траектории третьего искусственного спутника Земли, а 12 апреля 1961-го они обеспечивали полет в космос Юрия Гагарина.

Оборудование суперкомпьютерного центра «Политехнический» сегодня представлено тремя суперкомпьютерами: «Политехник — РСК Торнадо» (кластер с пиковой производительностью 1300 Тфлопс), «Политехник — РСК ПетаСтрим» (массивно-параллельный компьютер с ультравысокой многопоточностью; единственная в России система, способная поддержать более 70 тыс. потоков; пиковая производительность — 291 Тфлопс), «Политехник — NUMA» (массивно-параллельная система с кеш-когерентной глобально адресуемой памятью объемом более 12 ТБ, пиковая производительность —30 Тфлопс). Все вычислительные системы работают с общей системой хранения данных, имеют единую систему управления и мониторинга. Для энергоснабжения системы к СКЦ «Политехнический» подведены специальные кабели от разных подстанций «Ленэнерго».

Более 97% его производительности обеспечиваются вычислительными системами, созданными российской компанией — национальным чемпионом «РСК Технологии».

После модернизации суперкомпьютера «Политехник — РСК Торнадо», проведенной в этом году, его пиковая производительность выросла до 1,309 Пфлопс (петафлопс — квадриллион операций с плавающей запятой в секунду, или 1000 терафлопс). Пять лет назад при запуске она составляла 1,1 Пфлопс. В июле 2020 года суперкомпьютер «Политехник — РСК Торнадо» попал на 22-ю позицию в мировом рейтинге IO500 — списке самых высокопроизводительных систем хранения данных.

 

Офлайн ковидных времен

Содержательная часть празднования пятилетия СКЦ проходит в одном из конференц-залов НИКа, построенном по принципу амфитеатра, чтобы с каждого места все было хорошо видно и слышно. Две трети участников — онлайн, в зале несколько десятков человек, включая докладчиков, многие в масках.

«Так совпало, что два разных проекта развития вуза — строительство научно-исследовательского корпуса и создание суперкомпьютерного центра — удалось объединить. Под суперкомпьютеры было перепроектировано одно крыло здания, в другом расположились лаборатории».

В действительности за прошедшие пять лет НИК превратился в самую активную представительскую зону вуза. Здесь почти ежедневно проходят встречи и мероприятия высокого уровня. Зал, где идет заседание, помнит действующих министров и визионеров технологического развития, руководителей госкорпораций и глав государств. И конечно, многие из высоких гостей побывали на экскурсии в суперкомпьютерном центре.

«С момента появления суперкомпьютерного центра в нашем университете многое поменялось. Словосочетание “суперкомпьютерное моделирование” стало устойчивым термином, используемым в названии заявок, подаваемых на конкурсы для выделения грантов на научные исследования, — говорит Виталий Сергеев, проректор по научной работе СПбПУ. — В настоящее время более 500 пользователей используют возможности суперкомпьютерных систем для получения новых результатов при выполнении проектов в рамках грантов РНФ, РФФИ, ФЦП и проектов, реализуемых в интересах развития российской промышленности». По словам проректора, благодаря СКЦ удалось решить задачи, которые практически нерешаемы на обычном оборудовании. Среди них численное моделирование в механике, материаловедении, фундаментальной физике, решение задач в области искусственного интеллекта и машинного обучения, медицины, биологии, геофизики, и многое другое.

Ректор вуза академик РАН Андрей Рудской выступил в онлайн-режиме: «Суперкомпьютерный центр “Политехнический” делает доступным для научно-инженерного сообщества страны и мира накопленный учеными нашего университета и других университетов опыт решения сложных задач численного моделирования в различных естественно-научных областях, прежде всего в гидроаэродинамике, механике, биоинформатике, биоинженерии и других. В частности, в 2019 году с использованием суперкомпьютерного центра “Политехнический” были выполнены расчеты для технического эксперимента на борту МКС по исследованию горения в условиях микрогравитации под руководством профессора А. Ю. Снегирева. В этом году мы завершили очередной апгрейд, вложив более 160 миллионов рублей в развитие центра, который уже стал опорным суперкомпьютерным центром Северо-Западного региона. Мы продолжим работу по его усовершенствованию и постараемся удерживать лидерские позиции в этом направлении».

Алексей Лукашин отметил, что слово «супер» означает всего лишь возможность решить с помощью данного класса техники задачи, которые будут актуальны еще десять-двадцать лет, то есть в довольно длительной перспективе. И позволить себе такой инструмент может только государство, так как речь идет о солидных долгосрочных инвестициях.

Само понятие тоже не новое. Ведь чем же тогда, по словам нашего собеседника, были советские компьютеры с помощью которых управлялись космические корабли или крупные телескопы? «Это тоже были суперкомпьютеры своего времени, и к ним был допущен, как и сейчас, ограниченный круг лиц, только гораздо более ограниченный, чем круг, имеющий доступ к современным суперкомпьютерам», — заметил г-н Лукашин.

 

Aurus и все-все-все

Алексей Лукашин подтвердил наше предположение, что суперкомпьютеры СКЦ «Политехнический» причастны к открытию новой страницы отечественного автомобилестроения. Они использовались при работе над проектом «Кортеж», в рамках которого был спроектирован кузов президентского автомобиля и автомобилей сопровождения на единой модульной платформе. Иметь президентский автомобиль собственной разработки — один из вопросов престижа государства. Эдвард Кеннеди причислял к ним успешную работу в космосе, спортивные достижения и лимузин для главы государства. Впервые автомобиль проекта «Кортеж» Владимир Путин опробовал во время своей инаугурации 7 мая 2017 года, тогда же было обнародовано название марки президентского авто — Aurus, что расшифровывается как «Российское золото».

Представители научно-исследовательских коллективов и коммерческих структур выступили с докладами о других примерах практического использования суперкомпьютерных расчетов, проводимых в СКЦ «Политехнический», для решения промышленных задач. Центр содействует реализации проектов, связанных с обнаружением новых запасов нефти и газа (совместно с ООО «Петротрейс»), поиском источников энергии, турбомашиностроением, авиационной промышленностью, разработкой газотурбинных двигателей, аэрокосмической индустрией и множеством других вопросов. По словам Алексея Лукашина, каждый год их более ста: половина — научно-исследовательского характера, половина — промышленного.

Илья Сениченков, доцент Высшей инженерно-физической школы Института физики нанотехнологий и телекоммуникаций СПбПУ, рассказал о проблемах термоядерной энергетики будущего. Вопрос, бросающий вызов всему человечеству, связан с созданием электростанций на основе тех же реакций, которые протекают на Солнце и возможны только в плазме с температурой порядка 100 млн градусов Кельвина. «Для удержания такой плазмы в лаборатории требуется установка токамак, разработанная в Советском Союзе в конце 50-х годов двадцатого века, — подчеркнул исследователь. — К настоящему времени международный проект ИТЭР, в основе которого лежит концепция установки токамак, находится в стадии завершения. В декабре 2025 года планируется получение первой плазмы в этой экспериментальной установке, работа над которой велась с применением ресурсов СКЦ “Политехнический”».

Как отметил доцент Высшей школы прикладной математики и вычислительной физики Института прикладной математики и механики СПбПУ Александр Смирновский, ресурсы СКЦ активно используются также в области гидроаэродинамики, горения и теплообмена. При этом с применением возможностей центра решаются не только исследовательские, но и практические задачи, в частности задачи турбомашиностроения. Одно из актуальных направлений работы, требующих использования суперкомпьютерных технологий, —задачи оптимизации. В частности, для обеспечения аэродинамической устойчивости лопаток паровых турбин необходимо проводить многовариантные расчеты с изменением как геометрических характеристик лопаток, так и прочностных характеристик материала, из которого они изготовлены. Таким образом, потребность в привлечении ресурсов СКЦ постоянно растет.

Лаборатория вычислительной гидроаэроакустики и турбулентности СПбПУ занимается созданием и применением высокоточных методов расчета турбулентных течений. Эти методы требуют больших вычислительных ресурсов, предоставляемых СКЦ. Андрей Гарбарук, старший научный сотрудник лаборатории, отметил, что эти методы необходимы для решения прикладных задач, одна из которых связана с аэрокосмической промышленностью. В частности, с использованием ресурсов суперкомпьютерного центра ведутся расчеты воздействия потока, создаваемого при обтекании системы аварийного спасения, на космический корабль.

 

20 000 000 узлочасов

Подводя итоги проделанной центром работы, Алексей Лукашин сообщил: «За пять лет работы СКЦ в режиме центра коллективного пользования стал одним из крупнейших в стране по объему предоставляемых вычислительных ресурсов и по количеству выполняемых проектов на базе центра». Суммарный объем выполненной работы он оценил в 20 млн узлочасов. Узлочас — это работа одного сервера на протяжении часа. Решено 1,3 млн задач. «Мы развиваем компетенции в области суперкомпьютерных технологий, — продолжил директор СКЦ. — Готовим студентов, специалистов, способных применять эти ресурсы. Мы выполняем проекты там, где нужна наша помощь, а также можем разработать программное обеспечение, то есть создать новую платформу, сервис, с помощью которого ученые получат доступ к нашим вычислительным возможностям».

Изначально в архитектуру СКЦ закладывалась возможность развития. Даже после апгрейда остается запас по энергетическим возможностям в размере 40%. А вот сетевые возможности (речь идет о высокоскоростных сетях обмена данными, специалисты обычно обозначают эти сети термином Interconnect) задействованы практически полностью, но и их можно наращивать.

На наши вопросы о смыслах, которые закладывались в создание СКЦ восемь лет назад, когда идея была впервые сформулирована, директор СКЦ ответил, что «идеология предполагала две цели — подготовка специалистов и вооружение инженерного спецназа». Этот термин очень любят ректор вуза Андрей Рудской и проректор по перспективным проектам, гендиректор компании — национального чемпиона CompMechLab, Алексей Боровков, руководивший разработками в рамках проекта «Кортеж» и затем внедривший впервые примененную в России именно в рамках проекта «Кортеж» технологию цифровых двойников для разных отраслей промышленности.

 

В кульманах не измерить

Говоря о проблеме смены технологического уклада и суперкомпьютере как инструменте современного высококвалифицированного инженера, мы предложили посчитать, сколько же кульманов заменил СКЦ «Политехнический» и, если бы его не было, нужно ли было бы ими заставить всю территорию Политеха.

— Суперкомпьютер не делает чертежи. Он выполняет вычисления по какой-то модели, по тому же чертежу, — говорит Алексей Лукашин. — Если пойти со стороны данных, чертеж, который описывает какую-то конструкцию, занимает, условно, 10 килобайт. Суперкомпьютер может хранить триллион таких чертежей.

Но вычисления компьютер и человек ведут по-разному. Компьютер применяет в основном численные методы, слишком трудоемкие для человека, а человек решает аналитические задачи, считает аналитические модели, и этого не может сделать компьютер. Поэтому нет четкой грани. Продуктивность работы суперкомпьютера нельзя измерить в кульманах.

Мы не унимались, пытаясь выяснить у эксперта, есть ли какой-то зазор возможностей между старым и новым технологическими укладами и традициями в решении инженерных задач и в чем он состоит. По мнению Алексея Лукашина, как зазор можно рассматривать тот факт, что мы пытаемся решить многие проблемы численными, приближенными методами, хотя есть аналитический подход.

— Аналитический подход потерял некоторую долю востребованности с развитием вычислительной техники, — говорит он. — Не все задачи можно решить аналитически, но многие можно. Это происходит так: мы выводим зависимости, законы, а потом взяли и написали формулу, в нее подставили параметры и посчитали за один раз. Вычислительный метод позволяет приближенно посчитать с точностью до 10 знаков после запятой, не зная, как задача решается аналитически. И люди засомневались: стоит ли все решать аналитически? Зачем? Возьмем, много раз повторим один и тот же эксперимент, напишем вероятностный процесс и — раз! И все получилось. А было бы аналитическое решение, мы могли бы исследовать какие-то более сложные зависимости. Всегда должен быть компромисс между одним и другим — между численным моделированием и аналитическим решением.