«Алиса», цунами и энергетика: зачем нужны суперкомпьютеры и как японцы опередили весь мир

Что объединяет автомобили, самолеты, лекарства, голосовой помощник "Алису" и прогноз погоды? То, что при их создании используются суперкомпьютеры. Что же такое суперкомпьютер и зачем он нужен? Какой он, японский Fugаku - самый мощный суперкомпьютер в мире? И какие технологии есть у нас в России? Разбирался Александр Семёнов, сотрудник кафедры суперкомпьютеров и квантовой информатики факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М.В. Ломоносова.

В эти дни в американском Сент-Луисе проходит крупнейшая конференция SC по суперкомпьютерным технологиям, на которой объявляют рейтинг 500 самых мощных суперкомпьютеров мира. В этом году лидером списка остался японский суперкомпьютер Fugaku, производительность которого составляет приблизительно 500 Пфлопс, то есть 500*10¹⁵ операций с числами в секунду. Для сравнения: средний современный ноутбук имеет производительность в миллион раз меньшую, а смартфон - в 20 миллионов раз меньшую.

Суперкомпьютер Fugaku (он назван в честь самой высокой горы Японии, вулкана Фудзияма или иначе Фугаку) разработан японской компанией Fujitsu при участии университета Кюсю и RIKEN - наиболее комплексной исследовательской организации Японии. Строительство Fugaku обошлось в 1.2 миллиарда долларов: он занимает 2000 м² площади (то есть приблизительно четыре баскетбольных поля) и потребляет 30 Мегаватт в час электроэнергии (столько же необходимо городу средней величины, например, Ростову Великому).

Сейчас Fugaku используется для разработки новых лекарств, моделирования опасностей землетрясений и цунами, а также для создания и эффективного использования новых энергетических технологий: недорогих топливных элементов с длительным сроком службы, крупных ветряных электростанций на море. Также, например, с помощью Fugaku ученые выяснили, что медицинские маски из нетканого материала лучше защищают от распространения Covid-19, чем сделанные из полиэстера или хлопка.

Если суперкомпьютеры используются для решения таких разнообразных задач, то где же в рейтинге Top500, в котором за первенство соревнуются США, Япония и Китай, находится Россия? Самый мощный российский суперкомпьютер "Червоненкис", установленный в городе Сасово Рязанской области компанией "Яндекс", занял 19 место. Суперкомпьютер назван в честь ученого Алексея Червоненкиса, внесшего вклад в компьютерные науки. На нем работают голосовой помощник "Алиса", поиск "Яндекса" и контекстная реклама. А студентам и преподавателям МГУ знакомы суперкомпьютеры "Ломоносов" и "Ломоносов-2" (они заняли 241 место). На них проводят научные расчеты исследовательские группы физфака, химфака, ВМК, других факультетов и научных организаций. Системы охлаждения этих суперкомпьютеров можно увидеть рядом со вторым учебным корпусом МГУ.

Почему же именно японцы смогли построить суперкомпьютер №1 в мире? Ведь в последнее время технологическим лидером, несомненно, является США, где американские компании Intel и AMD производят процессоры с известной архитектурой x86, NVIDIA производит графические ускорители, так необходимые для искусственного интеллекта и геймеров, и сеть, объединяющую процессоры в суперкомпьютер. Кроме этих ключевых элементов при создании большого суперкомпьютера важны программное обеспечение, охлаждение, надежность и габариты узлов - их разработчики стремятся сделать как можно меньше. Японцы могли пойти по пути, по которому идут почти все страны и компании: купить на рынке процессоры и сеть. Однако для Fugaku эти ключевые элементы разработаны специально. Причем процессоры сделаны на основе архитектуры ARM, которая используется практически во всех смартфонах - как Apple, так и Android. Японцы существенно переработали ARM и реализовали в процессоре для суперкомпьютера. В итоге суперкомпьютер Fugaku опережает почти в три раза второй мощный суперкомпьютер в мире, разработанный американской IBM и установленной в Окриджской национальной лаборатории США.

Долго ли Fugaku продержится на вершине списка самых мощных суперкомпьютеров?

По неофициальной информации, китайские ученые уже преодолели барьер производительности (10¹⁸ операций в секунду), однако не представили свои суперкомпьютеры официально. Вернутся ли в лидеры американцы? Возможно, мы узнаем об этом на следующей европейской конференции ISC в июне 2022 года.