Академики РАН потребовали средств на создание сверхмощных компьютеров
Заседание президиума РАН состоялось 16 февраля 2021 года в смешанном — очном и дистанционном — режиме. Основная часть заседания была посвящена обсуждению проблем высокопроизводительных вычислений и предсказательного моделирования.
Заседание открыл президент Российской академии наук Александр Сергеев, напомнив, что мероприятие проходит в дни празднования 110 лет со дня рождения академика Мстислава Всеволодовича Келдыша, который внёс неоценимый вклад в качественный переход вычислительной и прикладной математики на новый уровень — уровень науки, которая помогала искать решения в авиации и космонавтике с помощью численного эксперимента.
Сергеев считает, что сейчас мы живем в цифровую эпоху, которая демонстрирует факт, что слишком высокопроизводительных компьютеров не бывает: чем больше их производительность, тем быстрее человечество познаёт мир, тем быстрее развивается экономика.
В своем докладе по основной теме академик Борис Четверушкин, директор Института прикладной математики имени М.В.Келдыша привёл список самых высокопроизводительных компьютеров, сообщив, что США, ЕС и Китай к 2023 году готовы создать супервычислительный компьютер мощностью в 1 эксафлопс (1000 петафлопс), а NASA планирует к 2030 году достигнуть производительности в 30 эксафлопс. При этом самая крупная вычислительная система России — Кристофари «Сбера» имеет мощность всего 8,5 петафлопс.
Отвечая на вопрос, зачем в России нужны сверхмощные компьютеры, академик, в качестве примера, привел расчет скорости поглощения черной дырой вещества галактики, который производился российскими учёными на иностранном оборудовании. Он обратил внимание на то, что, не имея сверхмощных машин, многие задачи фундаментальной науки, проводимые с помощью вычислительного эксперимента, наши ученые могут никогда не обнаружить.
При этом он отметил, что в Институте прикладной математики есть очень большое количество идей и наработок, на дальнейшую разработку которых не хватает вычислительных машин.
Четверушкин также коснулся вопросов экологии, сославшись на опыт Швеции, где мощность компьютеров позволяет оценить безопасность перспектив пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов через моделирование ключевых процессов, определяющих перенос радионуклидов, на 1 млн лет, в то время как в России такое прогнозирование возможно сделать только на 10 тысяч лет.
В своём докладе он сделал акцент натом, что моделирование процессов, связанных с распространением инфекций, стратегическое планирование транспортных потоков, моделирование связанности территорий РФ, оценка настроений населения, оценка вероятности возникновения и рисков непредвиденных ситуаций, техногенных и природных катастроф требуют высковычислительных мощностей.
Академик рассказал о существовании проблем адаптации алгоритмов на архитектуру систем с экстрамассивным параллелизмом — ситуация, когда в вычислениях задействовано много ядер, и они мешают друг другу. Для решения этой проблемы, по мнению академика, нужны простые и эффективные алгоритмы, которые очень сложно найти. Российские ученые находятся в этом вопросе не на последних местах в мире, поэтому наша страна имеет определенные конкурентные преимущества, но для вычислений нужны мощные компьютеры.
В заключении академик сделал следующие выводы:
— наше государство обречено на технологическое отставание по всем линиям, поэтому нужно создавать региональные и университетские вычислительные центры, оснащенные сверхмощными компьютерами, с единым научным центром при Академии наук;
— надо найти средства на развитие вычислительной техники и российской элементной базы: можно купить процессоры иэлементную базуиностранного производства, а наши производители сделают из них сверхвычислительные компьютеры за один год.
Академик РАН Арутюн Аветисян, директор Института системного программирования им. В.П. Иванникова, доложил о потребности института в вычислительных мощностях.
Он также перечислил те исследования, которые необходимо делать в России с помощью мощной вычислительной техники в ближайшее будущее: умные дома, создание биосырья из метана.
Академик напомнил, что основное направление работы института сегодня — это BigData и искусственный интеллект. В рамках этого направления возникает потребность в мощностях компьютеров для анализа ЭКГ, снимков, сделанных с помощью рентгена, функциональной магнито-резонансной томографии для того, чтобы обеспечить соответствие российской медицины медицине будущего.
По его мнению, современное импортное программное обеспечение Россия в состоянии заместить своим, отечественным, поэтому необходимо постепенно, в течение десятилетия перейти на отечественную аппаратную базу.
Академик Владимир Бетелин, научный руководитель Научно-исследовательского института системных исследований РАН, вице-президент РНЦ «Курчатовский институт», заметил, что на такие заседания в президиуме РАН нужно приглашать представителей промышленности для того, чтобы они озвучивали практические задачи.
Во время своего выступления он объяснил, что технология моделирования сложных технических процессов основывается на использовании аппроксимаций большой размерности, для этого требуются компьютеры сверхвысокой производительности — например, для расчета гидродинамических вариантов для месторождения нефти. Прогресс в вычислениях такого рода тесно связан с прогрессом в микроэлектронике. Он предложил направить усилия ученых на поиск возможностей уменьшить размеры вычислительных элементов компьютеров, что позволит делать расчеты для поставленных задач на менее дорогих и менее производительных машинах. Учёный сделал вывод что для использования имеющейся на данный момент мощности машин и для получения точного результата, нужно заниматься совершенствованием алгоритмов.
Академик Сергей Чернышов, научный руководитель ЦАГИ заявил, что в аэрокосмической отрасли наблюдается серьёзная потребность в более мощных вычислительных ресурсах для решения определенных задач, например, для того, чтобы «посчитать аэроупругую задачу полной компоновки летательного аппарата».
Он считает, что задачи, которые поставлены перед ЦАГИ, — междисциплинарные и многофакторные, и они должны быть решены на мировом уровне. Это, в частности, задача оптимизации летательного аппарата с одновременным учетом трех параметров — уровня звукового удара, шума и аэродинамики. Здесь ученые упираются в ограниченные вычислительные возможности, и в связи с этим внедрение суперкомпьютеров в решение технологических вопросов — важнейшая государственная задача в существующей цифровой парадигме, когда расчетные методы должны заменить физический эксперимент.
Член-корреспондент РАН Владимир Воеводин, директор НИВЦ МГУ, обратил внимание участников заседания на то, что российские ученые лишены возможности использовать мощные вычислительные системы, по сравнению с теми возможностями, какие имеют исследователи за рубежом. Он считает, что МГУ им. М.В. Ломоносова повезло — в Университете создан мощный суперкомпьютер «Ломоносов-2» исключительно за счет средств самого МГУ. При этом пользователями суперкомпьютерного комплекса МГУ являются тысячи исследователей, сотни организаций, российские университеты и научные центры. Владимир Валентинович Воеводин привел в пример лишь несколько задач, стоящих перед вычислительными машинами комплекса:
начальная стадия разработки лекарств;разработка компьютерных методов моделирования и проектирования ультразвуковых томографов;квантовая фотофизика и фотохимия живых систем;атомистическое моделирование вирусов.
По его мнению, востребованность суперкомпьютерных ресурсов в России огромна, а отставание России от общемировых тенденций приобретает опасный характер.
Член-корреспондент РАН Николай Лукоянов, руководитель Института математики и механики имени Н. Н. Красовского УрО РАН, рассказал об Уральском суперкомпьютерном центре, на базе которого был создан сверхмощный компьютер, занявший 18-е место в ТОП-50 суперкомпьютеров стран СНГ. Вычислительные мощности компьютера заняты 24 часа в сутки. На нём проводятся прикладные научные исследования и решаются задачи гражданской направленности — дистанционное зондирование земной поверхности, математическое обеспечение систем управления движущимися объектами, расчёт новых устойчивых химических соединений с заранее заданными свойствами, исследуются математические модели сердца, анализируется ДНК микроорганизмов. Он уверен, что реализация этих вычислений вряд ли возможна без сильной техники.
Николай Лукоянов уверен, что большинство российских суперкомпьютеров не соответствуют мировому уровню, а ряд вычислителей к сегодняшнему дню морально и физически устарел, поэтому учёные уже на старте выполнения задач вынуждены сужать их масштаб.
Он убеждён, что регионы Российской Федерации нуждаются в новой программе переоснащения суперкомпьютерами мощностью в десятки петафлопс.
Академик РАН Василий Лыкасов сделал доклад о состоянии суперкомпьютерного климатического моделирования в России, которое необходимо для научно обоснованных прогнозов изменения климата о оценки их последствий для социально-природной среды.
Он сообщил, что, сталкиваясь с большими трудностями с вычислительными ресурсами, в нашей стране разработана модель Земной системы ИВМ РАН, которая и участвует в различных проектах программы CMIP. Но, несмотря на сотрудничество с центрами коллективного пользования (МСЦ РАН, НИВЦ МГУ) и постоянно выделяемых средств на обновления вычислительного кластера, вычислительных ресурсов для реализации российской климатической доктрины не хватает (речь идёт о моделирование климата на сотни и тысячи лет).
Член-корреспондент РАН Сергей Люлин, заместитель министра науки и высшего образования России, рассказал о моделировании полимерных систем с помощью суперкомпьютеров в Институте высокомолекулярных соединений РАН. Он заявил, что учёными синтезируются новые полимеры, которые хотелось бы внедрять в промышленность, тем более, что заказы на такие материалы существуют, но задачи моделирования требуют сверхмощных вычислительных систем.
Он отметил необходимость разработки программы на основе Концепции создания и функционирования национальной суперкомпьютерной инфраструктуры, принятой в августе 2020 года.
Рашит Шагалиев, заместитель директора, заместитель научного руководителя РФЯЦ-ВНИИЭФ, рассказал о двух направлениях использования суперкомпьютеров в ядерной физике:
моделирование процессов, которые протекают в установках ядерного синтеза;исследование свойств материалов при сверхвысоких сжатиях.
Он заметил, что особенность этих задач заключается в том, что нужна сверх точность, а их решение носит комплексный характер, то есть при поиске решений необходимо учитывать различные факторы. Для таких вычислений нужны машины эксафлопного класса, а в настоящее время вычисления проводятся на машинах петафлопного класса.
Перед РФЯЦ-ВНИИЭФ промышленность поставила две задачи — создание отечественного программного продукта уровня мировых передовых разработок и создание современных сложных технических систем (систем авиастроения, ракетостроения, обычного вооружения, атомной энергетики) с помощью суперкомпьютерного моделирования.
Рашит Шагалиев считает, что необходимо развивать сеть суперкомпьютеров из тех компонентов, которые есть сейчас на рынке, но без отечественных компонентов наша страна рискует попасть в очень сложную ситуацию.
Академик РАН Игорь Бычков, директор Иркутского филиала СО РАН, научный руководитель Иркутского научного центра СО РАН, директор Института динамики систем и теории управления имени В.М. Матросова Сибирского отделения РАН сообщил участникам заседания о требованиях к системам суперкомпьютеров: в Новосибирске и Иркутске к 2021 году нужно построить суперкомпьютеры в 1 петафлопс; при этом потребность в мощностях в Новосибирске к концу 2024 года возрастет до 13 петафлопс, а в Иркутске к концу 2022 года — до 3 петафлопс.
В завершении обсуждения основной темы заседания ректор МГУ Виктор Садовничий призвал собравшихся выработать согласованную позицию по решению важнейшего вопроса для нашей страны и выполнить поручение президента РФ — представить предложение по увеличению мощности российских суперкомпьютерных центров. Одним из шагов по реализации поставленных задач, по его мнению, является участие в национальном проекте «Наука» или в проекте «Цифровая экономика», на которое будут выделены соответствующие средства.
Он акцентировал внимание на ещё одной немаловажной задаче — подготовке кадров, то есть специалистов, которые способны понимать и решать сложные задачи.
Подводя итог первой части заседания президиума РАН, Александр Сергеев заявил, что в подготовленный проект решения президиума будут внесены существенные дополнения, сделанные учёными на заседании. Он предложил коллегам «обратиться во власть» с предложением по развитию супервычислительных мощностей и созданию суперкомпьютерной инфраструктуры, объединив Концепцию Министерства науки и высшего образования и Концепцию Совета РАН по приоритетному направлению Стратегии научно-технологического развития России в единый документ.