НИВЦ МГУ: от "Стрелы" до "Ломоносова-2"

Вычислительный центр Московского государственного университета был основан в 1955 году на базе отдела вычислительных машин механико-математического факультета. Он стал первым вычислительным центром в системе вузов и одним из первых в нашей стране. Государство нуждалось в подготовке большого числа высококвалифицированных специалистов в области вычислительных наук, специалистов, умеющих решать сложные научные и народно-хозяйственные задачи с помощью самой современной вычислительной техники. Главным организатором, идеологом и первым директором Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ стал Иван Семенович Березин. Именно Иван Семенович на долгие годы определил стиль работы Центра и его традиции. В сентябре 2020 года НИВЦ отмечает сразу два юбилея — 65-летие Центра и 100- летие первого директора Березина. В преддверии праздничных мероприятий мы побеседовали с директором НИВЦ МГУ Владимиром Валентиновичем Воеводиным. 

"Появление электронных вычислительных машин совершило переворот в применении математики для решения важнейших проблем физики, механики, астрономии, химии и других наук".

Академик С.А. Лебедев

— В этом году можно поздравить вас и ваших коллег сразу с двумя юбилейными датами: с 65-летием Центра и столетним юбилеем первого директора НИВЦ Ивана Семеновича Березина. Расскажите об истории Центра. С чего все начиналось? Какова была главная цель его создания?

— Да, вы абсолютно правы. В этом году мы отмечаем два больших юбилея. Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ был образован в 1955 году. В это же время появляется первая компьютерная техника. При этом, как ее использовать в то время было не совсем понятно. Однако у истоков вычислительного дела стояли поистине великие люди, которые сходу поняли, что у математического моделирования и вычислительных технологий большое будущее: С.Л. Соболев, А.Н. Тихонов, И.Г. Петровский. Они понимали необходимость создания специального подразделения в Московском университете. Благодаря их усилиям появился Вычислительный центр МГУ, который стал структурным подразделением на кафедре вычислительной математики механико-математического факультета. Примечательно то, что в вычислительном центре практически сразу появилась первая большая вычислительная машина «Стрела».

В то время еще не существовало понятия «суперкомпьютер». Но если вспомнить шутливое определение: суперкомпьютер —это машина, которая всегда занимает большой зал, то «Стрелу» точно можно назвать суперкомпьютером. Помимо этого, «Стрела», очевидно, стоила очень дорого. И, конечно, потребляла огромное количество электроэнергии — около 150 кВт. Но если вспомнить о производительности, то «Стрела» выполняла две тысячи операций в секунду. Это величина, которую сегодня сложно сравнивать с возможностями современной вычислительной техники. Любой калькулятор, любые наручные электронные часы могут выполнять на порядок больше, чем тот «огромный монстр», который, кстати, стоял здесь, как раз в здании НИВЦ МГУ. Несмотря на эту абсолютно скромную производительность, «Стрела» решала задачи действительно государственного значения. Речь идет о первом полете человека в космос и расчете точной траектории спутников, о задачах оборонного назначения.

Конечно, «парк» вычислительных машин в Центре менялся очень быстро, создавая целое разнообразие вычислительной техники. Тогда компьютерный мир только начинал формироваться, стандартов было не так много, и поэтому разнообразие техники было исключительно велико. Кстати сказать, многие машины разработали специалисты советской школы вычислительной техники. В НИВЦ стояли четыре машины «БЭСМ-6». Сотрудники центра работали и с различными модификациями «БЭСМ-4», и с «МИРом», и с «МИНСКом», и со многими машинами серии «ЕС». В стенах вычислительного центра была спроектирована уникальная система — компьютер «Сетунь». В отличие от всей вычислительной техники, которая существует в мире, эта машина работает не на двоичной системе счисления, а на троичной системе, используя цифры 0, 1 и -1. За счет троичной системы счисления компьютер «Сетунь» получил абсолютно нетривиальные, но совершенно замечательные свойства, в частности, машина была устойчива к ошибкам округления.

За эти годы мы добились многого. Сотрудники центра провели ряд важных исследований, улучшили существующие технологии. Благодаря непрерывному развитию сегодня НИВЦ МГУ — это основной суперкомпьютерный центр России. Когда говорят о суперкомпьютерных технологиях в России, прежде всего, возникает ассоциация с Московским университетом и с Научно-исследовательским вычислительным центром.  Ведь последние 20 лет мы были в самой гуще суперкомпьютерных событий. Пользовательское сообщество, которое воспитывалось в НИВЦ МГУ с конца 50-х гг. сменило несколько поколений, как специалистов, так и машин. Менялись люди, менялись технологии, но тем не менее навыки и математические модели развивались, сохраняя преемственность в организации вычислительного дела.

Со временем стало ясно, что для развития суперкомпьютерных технологий нужны специалисты. Поэтому был создан факультет вычислительной математики и кибернетики, причем в первые годы становления факультета значительную часть учебной работы выполняли именно сотрудники НИВЦ. Кстати говоря, в этом году факультету вычислительной математики и кибернетики исполняется 50 лет. И что приятно, факультет ВМиК — наш партнер, с которым мы всегда работаем в тесной связке.

— Какой этап из описанных выше вы считаете наиболее плодотворным, как в направлении развития вычислительной техники, так и в области достижений в сфере науки и образования?

— Есть ряд значимых точек, о которых я бы хотел сказать. Безусловно, уникальная точка связана с тем, что после образования вычислительного центра здесь появилась первая большая машина, и сразу закипело дело, абсолютно новое для всех. Специалисты буквально на ходу учились обслуживать и сопровождать вычислительную технику, организовывать режим работы большого количества пользователей на одной вычислительной системе. Это было действительно уникальное время.

Другая важная часть истории НИВЦ пришлась на середину 70-х годов, когда здесь располагалось множество разной отечественной вычислительной техники: машины семейств «Минск», «БЭСМ» разных серий, «Мир», «ЕС»  и другие. Это позволило накопить опыт решения задач на разных архитектурах, определить основные преимущества и недостатки, сравнить плюсы и минусы каждого подхода для создания более перспективных алгоритмов.

Это было на этапе становления НИВЦ. Сейчас компьютерный мир изменился и стал полностью параллельным, а первый большой шаг к этому мы сделали в конце 90-х годов, когда поставили здесь, в вычислительном центре, по существу, собранную своими руками, первую параллельную вычислительную систему. Именно она стала центром коллективного пользования. На тот момент только-только развивалась идея Beowulf-кластеров. Подобный кластер состоит из отдельных машин (узлов), доступных на рынке, и объединяющей их сети. Специалисты использовали обычные системные блоки, которые соединялись интерконнектом. Кластер работал на свободном программном обеспечении, как правило, дистрибутиве Linux. Так создавалась простая параллельная система.

Мы закупили 12 двухпроцессорных серверов, поставили их на обычные металлические стеллажи и подключили к дорогой, но быстрой сети. По тем временам созданная нами система воспринималась как некое уникальное творение. За счет быстрой связи у нас получилась действительно эффективная вычислительная система, которую поначалу использовали только три научные группы.

Следующий этап, который тоже можно отметить как заметную точку, связан с появлением действительно больших машин, спроектированных серьезными коммерческими командами. Все-таки большие машины, которые занимают около 1 000 квадратных метров, нужно и проектировать на порядок более аккуратно, и инженерную инфраструктуру строить по-другому. Совсем иной подход должен быть к гарантийному обслуживанию, сервису и поддержке.

Так у нас появились сначала суперкомпьютер «Чебышев» в 2008 году, а затем суперкомпьютеры «Ломоносов» и «Ломоносов-2» — огромные вычислительные установки. Суперкомпьютер сегодня это большой информационный завод, который работает постоянно, и днем, и ночью. Если в самом начале у нас было три научные группы из Московского университета, то сейчас их уже больше сотни. На текущий момент наши суперкомпьютеры используют около 700 человек, а всего за последние годы через суперкомпьютерный комплекс МГУ прошло более 3000 пользователей.

 — Участвует ли НИВЦ в учебном процессе?

— С одной стороны, НИВЦ — это все-таки научный институт. Напомню, что в МГУ есть 41 факультет, каждый из которых является учебным подразделением, и 5 больших научных институтов. НИВЦ — в их числе. Наша основная задача связана с поддержкой суперкомпьютерного комплекса МГУ, разработкой и сопровождением информационных систем Московского университета, выполнением фундаментальных научных исследований. Но образование действительно играет в этой сфере важную роль. Всё, что связано с суперкомпьютерными технологиями, требует очень серьезного отношения к обучению. Речь идет о сложных, зачастую непривычных технологиях. Не говоря о том, что суперкомпьютер — очень дорогая установка. Если к суперкомпьютеру будут подходить люди, которые не умеют с ним обращаться, то про эффективность можно забыть.

Проблема усложняется еще и потому, что сама по себе область суперкомпьютерных технологий по определению междисциплинарная. И в химии, и в биологии, и в астрономии — есть свои задачи, определяемые спецификой предметных областей. Но для решения этих задач с помощью суперкомпьютеров специалистам нужно дополнительно знать основы вычислительной математики, структуру алгоритмов, технологии параллельного программирования, архитектуру компьютеров. Новых знаний требуется много, поэтому вопрос суперкомпьютерного образования крайне важен.

В 2009 году для решения образовательных целей мы создали суперкомпьютерный консорциум университетов России. Изначально соглашение о консорциуме подписали четыре университета — Московский, Нижегородский, Томский и Южно-Уральский университеты. Сегодня в этот консорциум входят более 63 организаций. Нам удалось сформировать удобную инфраструктуру для распространения передового опыта с точки зрения учебных программ и методик преподавания. Этот опыт довольно быстро и просто распространяется между университетами. На основе консорциума удалось с 2010 по 2012 гг. выполнить национальный проект «Суперкомпьютерное образование». Благодаря проекту улучшались и дополнялись учебные программы, вносились коррективы в государственные стандарты. Всё это было сделано, чтобы идеи суперкомпьютерной и параллельной обработки данных проникали во всю вертикаль образования, которая сопровождает компьютерные науки и вычислительные технологии.

— Сотрудники НИВЦ часто проводят экскурсии по суперкомпьютерному комплексу, в том числе для школьников. Почему школьникам важно знать о суперкомпьютерных технологиях?

— Как я уже говорил, весь компьютерный мир стал параллельным, а параллельность — это основа любой суперкомпьютерной системы. Как мне кажется, даже школьники, пусть и в общих терминах, должны понимать, куда движется компьютерный мир, и что существуют вычислительные системы, на многие порядки более мощные, чем привычные для них персональные компьютеры и смартфоны.

Первые экскурсии мы провели в 2007 году для учеников Лицея информационных технологий. Со временем к нам приходило всё больше и больше учащихся из Москвы, Подмосковья, городов России и зарубежья — Ижевска, Кирова, Петрозаводска, Самары, Сарова, совместного российско-китайского университета в городе Шэньчжэнь, КНР. За это время было прочитано 100 лекций, и на них присутствовало более 4,5 тысяч слушателей. И в результате ежегодно наш суперкомпьютерный комплекс посещают порядка 500-600 школьников. Они ходят по залу, наблюдают за тем, как все это работает, гудит. Мы стараемся на понятном языке объяснить ребятам, зачем нужны суперкомпьютерные технологии, что такое параллельность. Помимо этого, мы даем возможность сравнить эффективность мобильных устройств, планшетов или смартфонов с эффективностью суперкомпьютера. Специалисты НИВЦ разработали специальное приложение для смартфона, которое выполняет тесты и реально оценивает производительность мобильного устройства. В конце диагностики приложение может выдать результат: «Ваш смартфон в миллион раз медленнее, чем суперкомпьютер «Ломоносов-1». Помимо современных данных мы использовали большой объем исторической информации, поэтому результат может быть и таким: «Ваш смартфон в сто тысяч раз быстрее, чем «БЭСМ-6», которая стояла здесь полвека назад и занимала большой зал».

Именно в этот момент приходит осознание той невероятной скорости, с которой развиваются информационные и компьютерные технологии. Подобные мероприятия, безусловно, важны. Неизвестно, когда и как у молодого человека зажжется огонек, и к чему появится интерес?

Недавно я узнал, что на одну из первых экскурсий приходил школьник, который настолько увлекся этой темой, что поступил на факультет ВМиК, а затем стал аспирантом нашей кафедры суперкомпьютеров и квантовой информатики. Сейчас он подготовил диссертацию и лишь недавно признался, с чего всё началось.

— Современные суперкомпьютерные технологии — это, скорее, элитарное направление или все-таки массовое?

— Смотря с какой стороны посмотреть. Если оценивать с точки зрения специалистов, которые пользуются этими технологиями, то их не так много.

Если рассматривать влияние суперкомпьютерных технологий на человечество, то станет ясно, что практически каждый из нас пользуется плодами суперкомпьютерных технологий. Куда ни взгляни, почти везде, пусть и не явно, присутствуют суперкомпьютерные технологии.

Взять, например, автомобильную промышленность. Любая современная автомобильная компания использует суперкомпьютерные технологии. И речь не только о краш-тестах. Суперкомпьютеры позволяют проектировать двигатели так, чтобы они были максимально экономичными. Или, например, необходимо сделать так, чтобы автомобиль, влетая в лужу, не терял управляемость. Для этого нужно спроектировать протектор у автомобильной покрышки так, чтобы вода аккуратненько выводилась по специальным полостям. Положение этих полостей, разумеется, рассчитывается на суперкомпьютерах.

Всё, что связано с самолетостроением, конечно, считается на суперкомпьютерах. Компания Boeing, например, активно использует суперкомпьютерные технологии, ведь это напрямую влияет на ее конкурентоспособность. Суперкомпьютер позволяет сделать производство дешевым, быстрым и более точным, тем самым быстрее выводить продукт на рынок.

Любой двигатель должен пройти обязательную сертификацию, то есть целый ряд испытаний. К примеру, производитель измеряет прочность лопатки или поведение двигателя после аварийного обрыва лопатки. Это можно сделать на стенде, что предполагает разрушение полностью построенного двигателя, который после испытания уже не подлежит восстановлению. Суперкомпьютерные технологии позволяют сохранить созданный двигатель и реально сэкономить производственные и экономические ресурсы.

При изменении внешних условий достаточно просто поменять входные параметры модели и посчитать заново. Это намного дешевле и быстрее устаревших методов. Современные суперкомпьютерные технологии таковы, что вычислительным экспериментам действительно можно верить. Совпадения между результатами натурного и вычислительного экспериментов — просто удивительные. Суперкомпьютер в производстве позволяет посчитать, спрогнозировать, смоделировать, быстрее вывести на рынок товар или услугу. В этом основное преимущество суперкомпьютерных технологий. Существует список ТОП-500 самых мощных суперкомпьютеров мира, который публикуется два раза в год, в июне и в ноябре. В последней редакции порядка 58% всех самых мощных систем используются в промышленности. То есть там, где люди умеют считать деньги и просто так миллионы долларов никуда не отдадут. Они понимают, что вкладывают в то, что потом окупится сторицей.

— Какие страны можно назвать лидерами в области суперкомпьютерных технологий?

— Конечно, это Соединенные Штаты Америки, Китай, Япония и Евросоюз. В каждой из стран существуют государственные программы, которые поддерживают развитие суперкомпьютерных технологий. Я уже говорил, что производительность современных суперкомпьютеров растет невероятными темпами. Напомню, что производительность компьютеров измеряют в количестве операций, которые они выполняют за секунду. Десять в двенадцатой степени — означает приставку «тера», десять в пятнадцатой — «пета». Сегодня все следят за тем, кто достигнет очередного порога. Десять в восемнадцатой степени — это «экза». У каждого из государств-лидеров есть своя экзафлопсная программа. В некоторых странах подобных программ может быть несколько. Неизвестно наверняка, какое направление «выстрелит» или приведет к более экономичному решению с лучшими характеристиками. Китай поддерживает три экзафлопсных проекта, США поддерживает две программы. Япония недавно всех удивила новейшим суперкомпьютером с производительностью в полэкзафлопса. Это важный шаг на пути к дальнейшему прогрессу.

Но нельзя забывать, что суперкомпьютер — это та машина, производительности которой чуть-чуть не хватает для решения современных задач. То есть какую бы машину ни построили, всегда найдется задача, которая соответствует этому уровню, но как только исследователи осваивают этот инструмент, естественно, появляется желание двигаться дальше, а мощности текущей установки опять не хватает.

Вместе с этим экзафлопсные проекты — это настоящие локомотивы, которые вытягивают огромное количество других технологий. Чтобы построить экзафлопсную машину, необходимо согласованно заставить работать миллионы одновременно работающих ядер. Это потрясающе! Речь идет о разработках элементной базы, об умении строить суперкомпьютеры как таковые, о построении коммуникационных сред, которые связывают между собой каждый элемент сложной системы. После этого начинается проектирование программного обеспечения. Без программ суперкомпьютеры мертвы. Поэтому нужно создавать системную обвязку, разрабатывать масштабируемые алгоритмы, писать приложения для решения реальных задач.

В итоге перед вами предстает система с миллионом параллельно работающих ядер. Какую бы задачу вы перед собой ни поставили, вы должны сделать так, чтобы эти миллион параллельно работающих сущностей не мешали друг другу и не дублировали работу друг друга. Как это обеспечить? Необходимо разделить задачу на миллион кусочков. Это невероятно сложно, и именно этому нужно учить.

Проблема суперкомпьютерного образования всегда актуальна. Она напрямую связана с вопросом о том, насколько интенсивно и эффективно используются суперкомпьютерные технологии, скажем, в промышленности или других областях. Важно, чтобы руководители предприятий четко понимали, какой эффект в принципе можно получить от внедрения суперкомпьютерных технологий.

— Много ли в России предприятий, которые могли бы внедрять эти технологии?

— Я не сторонник того, чтобы всегда искать свой собственный путь. Если где-то уже применяются успешные практики, то почему бы ими не воспользоваться? Если во всем мире, как я уже говорил, 58% самых мощных суперкомпьютеров используются в промышленности, то, наверное, существуют определенные причины.

Суперкомпьютеры приносят эффект, а главное, прибыль практически везде. Помимо известных и привычных областей, таких как автомобилестроение, самолетостроение, двигателестроение, нефтегазодобыча, есть масса других, менее очевидных. Например, суперкомпьютерные технологии активно используются в фармацевтике для поиска нужного химического соединения при создании лекарственного препарата.

Нельзя не упомянуть кинематограф или анимацию. В свое время меня поразил фильм «Книга джунглей» по мотивам сборника рассказов английского писателя Редьярда Киплинга. Этот фильм полностью обработан или отрендерен на компьютере. На производство всего фильма было затрачено 30 миллионов процессорочасов. То есть один процессор затратил бы на обработку 30 миллионов часов. Жизни не хватит для работы над подобным фильмом. Создатели прекрасно понимали, на что идут, и использовали суперкомпьютерную систему, которая занималась исключительно рендером фильма.

Напомню, что его бюджет 175 миллионов долларов США. Сумма, на первый взгляд большая. Но в данном случае, кто много тратит, тот много получает. Сборы «Книги джунглей» составили 1 миллиард долларов.

— Чего не хватает России, чтобы выйти в лидеры в области суперкомпьютерных технологий?

— Наверное, не хватает одного: во всем мире суперкомпьютерные технологии — это забота государства. Их можно сравнить с инфраструктурой или дорогами. Когда государство создает качественные дороги, соединяющие разные города, страна развивается, людям становится удобнее перемещаться. Если создавать суперкомпьютерную инфраструктуру, то сообщество пользователей, научных, промышленных, индустриальных, коммерческих, начинает расти, развивая разные отрасли. Государство должно сделать это направление приоритетом.

Интересно и то, что нас словно мотает из стороны в сторону. У всех на слуху сквозные цифровые технологии, большие данные, искусственный интеллект, квантовые вычисления, виртуальная и дополненная реальность, новые производственные технологии и так далее, но нет основы — суперкомпьютерных технологий.

Никто не подумал, что все эти элементы, просто базируются на суперкомпьютерных технологиях.

В России разрабатывают стратегию искусственного интеллекта. Но как обучать нейронные сети, если у нас нет вычислительной инфраструктуры? Для такой задачи требуются колоссальные вычислительные ресурсы.

Я убежден, что суперкомпьютерные технологии однозначно должны стать приоритетом любого высокоразвитого государства, как в Китае, в Америке, в странах Евросоюза, в Японии.

— Вернемся к юбилейным мероприятиям. Как НИВЦ планирует отмечать эти значимые даты?

— Пандемия, разумеется, изменила форматы наших встреч. Традиционно, конференция «Суперкомпьютерные дни в России» объединяла специалистов со всего мира. В этом году мы планировали приобщить к конференции и юбилей центра, проведя нашу встречу в формате конгресса. Конгресс звучит более торжественно, однако это абсолютно верное определение. Речь идет уже не только о заседаниях с участием ведущих ученых, но и о семинарах, тренингах, выставках. Всё это переросло рамки обычной конференции.

Нынешняя ситуация в целом привносит некую гибкость: мы не зависим от географического положения. Все пленарные заседания, семинары будут проводиться онлайн. Ведущие специалисты мира подтвердили своё участие, и теперь вопрос состоит лишь в том, как правильно согласовать разницу во времени, чтобы объединить ученых со всего мира от Японии до США. Но это уже приятные и понятные заботы, придумаем и здесь что-нибудь.