Таганрог стал родиной самых компактных в мире суперкомпьютеров

Нынешний Год науки и технологий отмечен для Таганрога знаковым событием. Два местных ученых – академик Игорь Каляев и профессор Илья Левин удостоены высшей государственной награды в области науки и технологий…

The post Таганрог стал родиной самых компактных в мире суперкомпьютеров first appeared on Таганрогская правда.

Нынешний Год науки и технологий отмечен для Таганрога знаковым событием. Два местных ученых – академик Игорь Каляев и профессор Илья Левин удостоены высшей государственной награды в области науки и технологий – Государственной премии Российской Федерации.

Нашим собеседником стал Игорь Анатольевич Каляев ─ академик РАН, профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии РФ в области науки и технологий, дважды лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники, лауреат премии им. А.А. Расплетина РАН, член Совета по науке и образованию при Президенте РФ, член Научно-экспертного совета при Председателе Совета Федерации РФ, председатель 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», руководитель научного направления ЮФУ.

— Игорь Анатольевич, вы являетесь ученым с мировым именем. Расскажете, какими научно-техническими проблемами занимаетесь?

— Наша научно-педагогическая школа, которая была основана еще в 70-х годах прошлого века моим отцом академиком Анатолием Васильевичем Каляевым, развивает научное направление, связанное с разработкой и созданием высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем (суперкомпьютеров) с реконфигурируемой архитектурой. Классический суперкомпьютер имеет «жесткую» архитектуру, закладываемую на этапе его создания. При решении на таком суперкомпьютере прикладных задач возникают большие непродуктивные временные расходы, связанные не с полезными вычислениями, а с организацией взаимодействия множества процессоров, что, в свою очередь, приводит к резкому падению его реальной производительности. Суть идеи, реализуемой в наших суперкомпьютерах, заключается в том, что их архитектура может подстраиваться или, иначе говоря, адаптироваться под структуру решаемой задачи, за счет чего обеспечивается сверхвысокая производительность в малом объеме и малой потребляемой мощности. Нельзя сказать, что эта идея абсолютно нова.

Еще в 50-х годах прошлого века существовали так называемые аналоговые вычислительные машины, в которых вычислитель настраивался на реализацию физического аналога решаемой задачи. Но при этом такая настройка осуществлялась вручную с помощью штекерного поля. В отличие от этого идея, сформулированная А.В. Каляевым, заключалась в том, чтобы осуществлять такую настройку автоматически, более того — в процессе решения задачи. Сегодня много говорят об искусственном интеллекте. Так вот это и есть пример эффективного использования технологий искусственного интеллекта, когда компьютер может сам адаптировать (реконфигурировать) свою архитектуру под задачу, тем самым обеспечивая ее эффективное решение.

Идея, которую выдвинул Анатолий Васильевич еще в 80-х годах прошлого века, опережала свое время, поскольку тогда еще не существовала элементная база, отвечающая таким подходам. В начале 2000-х такая элементная база появилась: это так называемые программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). ПЛИС – полуфабрикат микросхемы, который пользователь может программировать сам. На их основе мы сейчас и создаем реконфигурируемые вычислители, которые могут подстраивать свою архитектуру под решаемую прикладную задачу и тем самым обеспечивать очень высокую реальную производительность при сравнительно малом объеме и низкой потребляемой мощности. Например, суперкомпьютер «Ломоносов», установленный в МГУ и имеющий производительность около 1 Петафлопс (10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду), который еще совсем недавно был самым мощным у нас в стране, потребляет около трех мегаватт электроэнергии в час и занимает зал площадью около пятисот квадратных метров. Наш же суперкомпьютер с аналогичной производительностью потребляет всего около ста киловатт в час и занимает одну стойку.

— А каковы успехи нашей страны в суперкомпьютерной гонке?

— Следует признать, что во времена СССР мы не только не отставали от ведущих зарубежных стран в области суперкомпьютерных технологий, но и по ряду направлений опережали их. К сожалению, после развала СССР было принято недальновидное решение: мы всё будем покупать на Западе за нефтедоллары, в том числе и сами суперкомпьютеры, и их элементную базу, что и привело к нашему отставанию. В начале 2000 годов начало приходить понимание, что при таком подходе наше отставание в суперкомпьютерной гонке будет только нарастать и в ближайшее время станет критическим. Поэтому были предприняты значительные усилия по его сокращению и созданию отечественных суперкомпьютеров. И к концу десятилетия в список топ-500, включающий 500 наиболее производительных суперкомпьютеров мирового сообщества, уже входили 12, которые работали на территории России, причем суперкомпьютер «Ломоносов», установленный в МГУ, занимал 12-е место в этом списке.

Но с тех пор внимание к данным технологиям в нашей стране начало ослабевать, вследствие чего отставание опять стало нарастать, и с 2018 года количество отечественных компьютеров в списке топ-500 не превышает трех. Суперкомпьютерный мир не стоит на месте, технологии развиваются бешеными темпами, и российские суперкомпьютеры, которые ранее входили в список топ-500, давно устарели и «вылетели» из него, а новых мы не создаем. Впереди нас уже и Бразилия, и Саудовская Аравия, даже Марокко обладает суперкомпьютером, превышающим по мощности любой российский.

Хотя буквально недавно произошел определенный прорыв – Яндекс объявил о создании на территории нашей страны трех суперкомпьютеров, занимающих достаточно высокие места в последнем списке топ-500, а именно: 19-е, 36-е и 40-е. Однако основное их предназначение – это ЦОДы (центры обработки данных) для сервисов Яндекса, и поэтому для решения каких-либо научных и производственных задач они вряд ли будут эффективно использоваться.

— Но если мы элементную базу закупаем еще с прошлого века, почему же в начале 2000-х мы и наши суперкомпьютеры были в лидерах, а потом стали отставать?

— Что значит «наши»? Принадлежащие нашему государству, расположенные и работающие на территории России. А их элементная база не наша, а зарубежная, покупная. В России, грубо говоря, проходила в основном их отверточная сборка. В настоящее время у нас в стране отсутствует микроэлектронное производство, способное производить элементную базу для современных суперкомпьютеров. Поэтому, к сожалению, в настоящее время элементную базу для суперкомпьютеров мы вынуждены закупать или производить за рубежом, что в условиях санкций и резкого роста курса доллара становится всё более и более проблематичным.

— Так и наши, таганрогские, суперкомпьютеры, на самом деле не наши?

— Да, основную элементную базу и мы вынуждены закупать за рубежом. Но всё остальное отечественное: и разработка, и платы, и сборка. Целый ряд заводов Ростовской области закрывает все механические части.

Но вернусь к вашему вопросу о причинах нашего отставания. Суперкомпьютер – очень дорогая вещь. Обычно средства в создание суперкомпьютеров топ-класса вкладывает государство, поскольку понимает, что научно-техническое развитие страны без их наличия невозможно. Это общемировая практика. В то же время за рубежом большая часть суперкомпьютеров среднего класса используется в промышленности. К сожалению, наша российская промышленность очень слабо заинтересована во внедрении суперкомпьютерных технологий, и поэтому то количество суперкомпьютеров, которое работает в нашей стране, отражает ее реальные потребности. Для того, чтобы гнать за рубеж нефть и газ, никакой суперкомпьютер не нужен…

— Само понятие «суперкомпьютер» условное?

— Да, однозначного определения суперкомпьютера нет. Существуют, например, такие курьезные определения, как: суперкомпьютер — это компьютер, который весит больше тонны, или это вычислительная система, которая стоит больше миллиона долларов. А если серьезно, то к суперкомпьютерам, по-видимому, следует в первую очередь относить машины, входящие в список топ-500 наиболее производительных вычислительных систем всего мирового сообщества, который обновляется дважды в год.

Сам термин «супервычисления» впервые появился еще в 1920 году. Тогда в газете New York World была опубликована статья, повествовавшая о механическом табуляторе IBM, созданном по заказу Колумбийского университета, который был назван суперкомпьютером. Первый суперкомпьютер общего назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) на электронных лампах создан в 1946 году в США.

Этот по тем временам суперкомпьютер отличался следующими характеристиками: весил 35 тонн и имел производительность 5∙10³ операций в секунду. Развитие суперкомпьютерных технологий идет во всем мире семимильными шагами. При этом те машины, которые еще совсем недавно относились к классу суперкомпьютеров, достаточно быстро перестают считаться таковыми. Так, например, в 1980-е компьютер «Крэй» со ста миллионами операций в секунду считался суперкомпьютером. А сейчас мобильный телефон имеет производительность на порядок выше.

— Но все суперкомпьютеры – это многопроцессорные вычислительные системы?

— Современные – да. Хотя первые суперкомпьютеры в 50-60-х годах прошлого века строились по классической однопроцессорной архитектуре.

— А чем многопроцессорная вычислительная система отличается от классического компьютера?

— Тем, что в классическом компьютере, принципы которого были сформулированы еще в середине XX века математиком Джоном фон Нейманом, — один процессор, который обращается в память, считывает оттуда программу, берет данные, обрабатывает их и возвращает обратно в память. А в современных суперкомпьютерах — миллионы процессоров, которые работают параллельно. И основная проблема при этом — как обеспечить их согласованную работу при решении прикладной задачи. При «жесткой» архитектуре суперкомпьютера, как я уже сказал раньше, сделать это крайне сложно, а при реконфигурируемой архитектуре — значительно проще.

— Вопрос вам как почетному профессору одного из китайских университетов: как вы считаете, может быть, нам, России, с нашими светлыми головами скооперироваться с Китаем, имеющим и развитую промышленность, и большое и трудолюбивое население?..

— Да, я являюсь почетным профессором Чжэцзянского университета в городе Ханьчжоу. Это четвертый по значимости университет Китая. Правда, я активно сотрудничал с ними достаточно давно – в начале 2000-х годов читал там лекции. С тех пор прошло много времени, и сегодня Китай по многим научно-техническим направлениям опережает не только нас, но и Америку. Конечно, в свое время они позаимствовали многое у нас, например, в космической технике. Но если мы топчемся на месте, то они пошли дальше. Например, создали марсоход, сейчас успешно работающий на поверхности Марса. Хотя пионерами в этом деле были мы.

Еще в 1980-е годы прошлого века я участвовал в советской программе создания интеллектуального робота-марсохода, который мог в автономном режиме передвигаться по поверхности Марса. Уже в те времена нами был разработан и создан прототип такого робота-марсохода, «мозг» которого составляла нейроноподобная вычислительная структура, реализованная специалистами нашего института, а «глаза» — сканирующий лазерный дальномер, созданный нашими коллегами из Ленинградского «Военмеха». Этот робот прошел полномасштабные испытания на специальных полигонах на Камчатке, покрытых пепловыми выбросами от ближайшего вулкана Толбачик и имитирующими поверхность Марса, и в принципе был уже готов к запуску на Марс. Но развал СССР на всем этом поставил крест. А китайцы переняли наши советские разработки и успешно реализовали их в жизнь. Поэтому я не думаю, что сегодня мы очень сильно нужны китайцам.

— Вы занимались и микророботами?

— У нас были чисто теоретические проработки создания «умной пыли» — микророботов, взаимодействующих друг с другом для решения общей задачи: разрабатывали алгоритмы, моделировали на компьютере.

— А практические разработки с роботами у вас были?

— Конечно. Это в первую очередь те работы по созданию робота-марсохода, о которых я сказал выше. А в 2016 году три человека из нашего института, в том числе и я, получили премию Правительства Российской Федерации в области науки и техники за создание интеллектуальных систем управления перегрузкой ядерного топлива на ректорах АЭС. Созданные нами системы управления используются на 17 российских энергоблоках, в частности, на всех четырех энергоблоках Ростовской АЭС, а также на шести зарубежных энергоблоках. Ядерное топливо в реакторе перегружается раз в году в процессе так называемого планово-предупредительного ремонта. Для этого используется специальный робот-манипулятор. Ранее управление этим роботом осуществлялось практически вручную. Благодаря нашим разработкам система управления стала «интеллектуальной», что позволило полностью автоматизировать процесс перегрузки. И, как следствие, почти в два раза сократить его время. А это, в свою очередь, дало большой экономический эффект, поскольку в процессе перегрузки реактор не вырабатывает электроэнергию.

— Сколько всего лауреатов подготовила ваша научная школа?

— В общей сложности среди наших сотрудников пять лауреатов премии Российской академии наук, восемь лауреатов премии Правительства РФ в области науки и техники и два лауреата Государственной премии РФ в области науки и технологий.

— Игорь Анатольевич, насколько я знаю, Государственную премию вы получили совсем недавно.

— Да, в этом году сразу два представителя нашей таганрогской научной школы, я и профессор Илья Израилевич Левин, были удостоены высшей государственной награды в области науки и технологий – Государственной премии Российской Федерации. Мой соавтор Илья Израилевич Левин – известный ученый, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой интеллектуальных и многопроцессорных систем ЮФУ, директор Научно-исследовательского центра суперЭВМ и нейрокомпьютеров.

Это уникальное событие не только для Таганрога, но и для Донского края в целом. Аналогичная Государственная премия у нас в Ростовской области была вручена лишь однажды — 20 лет назад. И хочу отметить, что получил ее коллектив авторов под руководством выпускника нашего ТРТИ Дмитрия Петровича Стороженко, на тот момент директора Ростовского НИИ радиосвязи.

Вручение Государственной премии, безусловно, является высшим государственным признанием научно-технических достижений нашей научной школы и в то же время огромным стимулом для нашей дальнейшей деятельности.

— Игорь Анатольевич, поздравляю вас и профессора И.И. Левина с этой заслуженной наградой.

 Владимир ПРОЗОРОВСКИЙ, фото из архива И. Каляева

The post Таганрог стал родиной самых компактных в мире суперкомпьютеров first appeared on Таганрогская правда.