Неперсональный компьютер Как работает суперкомпьютер «Говорун»

Когда-то все компьютеры были в некотором роде «супер». Их было немного, любой из них занимал пару больших комнат, требовал целой команды специалистов и решал только самые важные задачи. Сегодня ситуация с этим классом устройств принципиально изменилась в одном: они перестали быть редкостью. Только в России их больше полусотни, а в мировом масштабе речь может идти о десятках тысяч, точное количество никем не подсчитано.

Что касается размеров и прилагающегося штата, тут могут быть варианты. Самые масштабные системы вроде «Червоненкиса» у «Яндекса» или «Ломоносова» в МГУ по-прежнему требуют больших площадей. Суперкомпьютеру имени Н. Н. Говоруна, который работает в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ), хватает четырех шкафов в общем машинном зале. Неизменным у всех осталось главное свойство: задачи на них решаются по-прежнему важные.

Молчаливый «Говорун»

Названный в честь пионера советской информатики Николая Говоруна, суперкомпьютер был построен производителем особо мощных вычислительных систем, компанией РСК. И хотя принципы его работы ​общие для таких устройств, разработчики нашли массу собственных инновационных решений. Например, тепло от него отводит невероятно экономичная водяная система, работающая без фреона и чиллеров (специальных аппаратов для охлаждения жидкости). Поэтому отношение всей потребляемой системой энергии к количеству, которое уходит напрямую к вычислительному оборудованию (Power Utilization Efficiency, PUE), у «Говоруна» составляет лишь 1,06: для охлаждения ему достаточно лишь 6 % общей потребляемой мощности. Для сравнения: у «типичного» суперкомпьютера этот показатель равен примерно 1,5.

Благодаря жидкостному охлаждению система работает еще и очень тихо. Правда, оценить это достоинство в полной мере не получается. В зале все равно шумно: работающие по соседству серверы тоже не простаивают, вращая свои вентиляторы. Постоянный гул заглушает голоса, поэтому беседовать с сотрудниками Лаборатории информационных технологий ОИЯИ Игорем Пелеванюком и Максимом Зуевым мы отправляемся в конференц-холл. Пока идем по коридорам, увешанным фотографиями из славного институтского прошлого, обсуждаем области применения суперкомпьютеров. Наука, прикладные исследования, космос — ​это понятно. Но что еще?

Виртуальные крылья

«Климатические модели — самый яркий пример, — ​отзывается Игорь. — ​На обычном компьютере невозможно сделать прогноз даже на три дня вперед: вычисления будут идти дольше этого времени. Далее ​гидро- и аэродинамика. Там теория позволяет создать модель аэродинамической трубы внутри компьютера, поместить в нее виртуальный фюзеляж самолета или крыло, а затем испытывать его любыми нужными способами. При необходимости мы вносим в проект изменения прямо „на лету“. А вот если бы испытания шли в реальном мире, то пришлось бы каждый раз изготавливать новый макет. Вообще, многое из того, что раньше долго делали руками, теперь можно быстро воплотить на суперкомпьютере в виртуальном пространстве. Это невероятно сокращает цикл разработки самолетов и других сложных машин».

Впрочем, «Говорун» — ​система прежде всего научная, созданная под нужды ядерной физики. Вместо погоды он прогнозирует, например, поведение кварк-глюонной плазмы — ​экзотического состояния вещества, в котором оно существовало сразу после Большого взрыва. В скором будущем ученые намерены получать такую плазму на коллайдере NICA, который вот-вот запустят в Дубне. Гигантский научный инструмент будет ускорять и сталкивать частицы, а чтобы лучше регистрировать и интерпретировать результаты таких событий, их заранее моделируют на суперкомпьютере. Какая же мощность для этого требуется?

Небоскребы и пригороды

Производительность вычислительных систем принято измерять во флопсах — количестве операций, которые она способна выполнять в секунду. Но если сравнивать ее у разных устройств «в лоб», мы не всегда корректно оценим их эффективность при выполнении реальных вычислений выполнении реальных вычислений. Одни машины позволяют быстро решать сложные, ресурсоемкие задачи, используя до сотен тысяч вычислительных ядер параллельно. Это называется высокопроизводительными вычислениями (High-Performance Computing, HPC). Суперкомпьютеры, показывающие рекордное число операций в секунду, ​как раз такие. Именно они обеспечивают расчеты аэродинамических моделей, погоды, используются в разработке вакцин.

Скрыть текст

Производительность некоторых вычислительных систем

Другой класс систем ориентируется на высокопоточные вычисления (High-Throughput Computing, HTC), которые могут идти параллельно друг другу, занимая часы, дни, а иногда даже недели и месяцы. Такие системы подходят для задач, которые можно разделить на множество отдельных, независимых от порядка выполнения процессов. Это позволяет обрабатывать огромное количество данных — напри­мер, миллиарды событий, зарегистрированных на Большом адронном коллайдере и других ускорителях частиц. Игорь Пелеванюк объясняет: «Задачи HPC можно сравнить с возведением небоскреба — работа над каждым следующим этажом начинается только после того, как будет готов предыдущий. Задачи HTC напоминают строительство субурбии. Здесь каждый дом возводится отдельно, и чем больше рабочих мы наймем, тем быстрее закончим дело».

Скрыть текст

Производительность некоторых вычислительных систем

«Говорун» — ​система универсальная. Его архитектура позволяет вести вычисления обоих классов. И пусть он не может тягаться по производительности с самыми мощными HPC-машинами из Top500, зато вряд ли какой-то суперкомпьютер из первой десятки этого списка может похвастаться таким спектром решаемых задач. К тому же есть и другой рейтинг, IO500, который характеризует скорость работы с данными. И вот тут дубнинский суперкомпьютер до сих пор входит в 50 лучших, хотя и был запущен уже пять лет назад — ​весьма приличный для суперкомпьютера срок. Именно отличные способности к параллельным вычислениям позволяют ему моделировать эксперименты на будущем коллайдере. «Нужно одновременно обрабатывать миллионы событий, взаимодействий виртуальных частиц, — ​подчеркивают ученые, — ​и какая-нибудь другая платформа вряд ли с этим справится».

Виртуальные машины

Еще одна необычная особенность архитектуры «Говоруна» — ​ее гибкость. Если сравнить этот компьютер с субурбией, то улицы, дороги и маршруты здесь можно проводить каждый раз по-новому, адаптируя систему под ту или иную задачу. Все компоненты машины, включая процессоры, графические ускорители и дисковое хранилище, связываются друг с другом под определенную задачу. Готовясь работать на суперкомпьютере, пользователь получает эти ресурсы в необходимых ему количествах и через планировщика задач объединяет их в единую вычислительную систему.

Скажем, при обработке экспериментов на коллайдере используются только процессоры. А задачи машинного обучения и расчеты из области квантовой хромодинамики эффективнее всего реализуются на видеокартах. Сделать это и начать работу с суперкомпьютером можно из любой точки планеты, где есть интернет, причем даже с планшета или смартфона. Тут же спрашиваю: «Могу ли я собрать виртуальную машину для игры, чтобы запустить ее на самых максимальных настройках?» «Увы, на наших графических ускорителях нет возможности выводить изображение», — ​разводит руками Максим.

Древние языки

Ориентированность дубнинского суперкомпьютера на физические исследования — ​предмет особой гордости ученых ОИЯИ. «Это сейчас мы не представляем одно без другого, — ​говорит Игорь Пелеванюк. — ​А в 1950-е, например, вообще не было очевидно, имеет ли смысл использовать компьютеры для науки. Николай Николаевич Говорун, в честь которого названа система, был одним из тех, кто придумывал, как именно ученым надо взаимодействовать с компьютерами».

С момента появления «Говоруна» в 2017 году главными его пользователями остаются физики и представители других естественных наук. При этом программы они пишут не только на вечно актуальном языке C++, но и на старом добром фортране, моду на который в советской академической среде ввел еще сам Николай Говорун. С тех пор для многих научных расчетов и моделей на фортране были созданы надежные алгоритмы и библиотеки, которыми удобно пользоваться до сих пор. К тому же сам язык регулярно обновляется и позволяет использовать разработанные в прошлом решения для современных систем.

С прицелом на кубиты

Чтобы «Говорун» справлялся с самыми ресурсоемкими задачами, его постоянно совершенствуют. Последний на сегодня этап модернизации состоялся в ноябре 2022 года, когда суперкомпьютер обзавелся 32 новыми вычислительными узлами. Это дает ему больше ресурсов для таких актуальных сегодня проблем, как глубокое и машинное обучение. Но все-таки главная цель модернизации — ​ускорение сложных расчетов, которые суперкомпьютеру предлагает наука.

Одна из задач — ​симуляция квантовых вычислений. Такой процесс в чем-то напоминает работу с виртуальной аэродинамической трубой. Например, внутри системы моделируется квантовый компьютер на 48 кубитов, который и проводит нужные расчеты. «На обычном суперкомпьютере, без „внутреннего квантового“ это было бы почти невозможно, — ​добавляет Максим Зуев. — ​Ему потребовались бы петабайты памяти, примерно как у 150 тысяч смартфонов или 15 тысяч ноутбуков».

Но что будет с «Говоруном», когда появятся настоящие квантовые компьютеры? Суперкомпьютеры станут не нужны? Игорь Пелеванюк отвечает: «Во-первых, не факт, что квантовые компьютеры подойдут для всех задач, которые мы решаем. Современная теория не дает никакой уверенности в этом. А во‑вторых, если у нас появятся маленькие супермощные квантовые процессоры, это значит, что мы сможем взять их побольше, объединить в единую систему и снова построить суперкомпьютер, ​уже квантовый. Тут нас не ­остановить».