СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ: РОССИЯ В МЕЖСТРАНОВОМ СОПОСТАВЛЕНИИ

За полтора десятилетия покорен рубеж, еще в середине 1990-х гг. казавшийся довольно отдаленной перспективой. В начале 2008 г. даже рядовой суперкомпьютер, занимающий последнюю строчку в рейтинге 500 наиболее быстрых в мире, демонстрировал вычислительную мощь, в 5 с лишним раз превышающую всю суммарную мощь, которой обладали 500 суперЭВМ планеты в 1993 г. Если же брать совокупную мощь нынешних 500 самых высокопроизводительных суперкомпьютеров мира, то она в 6200 раз больше аналогичного показателя пятнадцатилетней давности и достигла в реальном исчислении 6966, 2 терафлоп/с, т.е. вошла в пета-диапазон (1015).

При сохранении набранных темпов можно ожидать, что уже в течении ближайшего десятилетия появятся единичные суперЭВМ с производительностью на уровне петафлоп/с. Пока открытым остается вопрос, каким будет физический принцип действия будущих суперкомпьютеров - квантовый, квантово-молекулярный, квантово-лазерный или же достаточным окажется наноразмерный процессор. Но вне всякого сомнения скорое наступление пета-эры в области сверхбыстрых вычислительных комплексов, приближаемое бурным прогрессом фундаментальных, прикладных, технологических и приборных исследований и разработок.

В пользу данной тенденции говорят также другие, весьма многозначительные факторы, которые вынуждают форсировать переход к более высокому порядку скоростей. По сути, гонка в области сверхбыстродействующего вычислительного потенциала есть лишь один из аспектов комплексной гонки вооружений, поскольку суперкомпьютеры являются ни чем иным, как насущно необходимым подклассом средств разработки и создания современных стратегических вооружений: от ядерных до генно-инженерных. И притом - подклассом главного и приоритетного эшелона, так как в нем сконцентрированы центры проработки, оценки и принятия стратегических решений по всем направлениям функционирования экономики и государства. Фактически, у кого господство в скорости и мощностях вычислительного потенциала, у того также господство по сбору, обработке и передаче информации, контролю за сетевыми потоками, ситуационному и имитационному анализу, оценке статистических, аудио-, визуальных, геофизических, генных, биологических, картографических и прочих данных.

В современном мире без суперкомпьютеров немыслимы ни экономические, ни бюджетно-финансовые, ни научно-технические, ни оборонные, ни инфраструктурные общегосударственные решения. Остаться без суперкомпьютеров или же с техникой низшего диапазона скоростей - значит обезоружить общегосударственную систему принятия и исполнения стратегических решений, критически ослабить и экономику, и государство.

Исходя из сказанного, положение России в 1993 г. не могло не вызывать обеспокоенности: страна вообще не была представлена в мировом рейтинге ведущих суперкомпьютеров. Причина ясна: реформаторы, вооруженные антигосударственной в сущности политикой уступок командных высот требованиям "Вашингтонского консенсуса", разоружали государство по всем стратегическим направлениям, начиная с экономического базиса и собственности и завершая идеологией и культурой. На преодоление политики "безучастного государства" ушли годы, наполненные драматической борьбой между силами реакции и силами прогресса. И хотя либерал-капитализм уже к 2000 г. потерпел полное поражение, последствия его сказываются до сих пор, а в ряде сфер вообще еще не изжиты до конца.

Тем не менее нынешний период деятельности небезучастного государства стал приносить свои плоды на уровне и общегосударственных представлений, и политических решений. Отметим важнейшие из них.

Во-первых, государственное руководство сумело провести определенную переоценку ценностей, по-новому, без реформаторских иллюзий и догм, переосмыслить внешние и внутренние условия жизни России. Во-вторых, сделан упор на максимальную мобилизацию собственных источников, возможностей и ресурсов социально-экономического подъема. В-третьих, осознана жизненная необходимость высокотехнологической модернизации производительных сил России и ее Вооруженных Сил. В-четвертых, принята установка о замещении сырьевого роста инновационным типом развития всего народного хозяйства. В-пятых, серьезно изменено отношение к государственному сектору экономики, который все больше рассматривается теперь в качестве главной движущей силы нашей социально-экономической модернизации.

Отмеченные подвижки повлекли за собой кардинальное изменение общегосударственного отношения к высокопроизводительному вычислительному потенциалу: совершенно ненужный реформаторам, он стал теперь одним из заметных приоритетов правительства. И результаты, пусть пока еще весьма скромные, уже видны. Если в 1993 г. мировой рейтинг не включал ни одной российской суперЭВМ, то на начало 2008 г. за Россией значились 7 суперкомпьютеров из 500 (1, 4%).

Первый барьер взят и теперь важно наращивать усилия. Думается, в межстрановом сопоставлении лучше различимо, на каких именно направлениях государству целесообразнее концентрировать силы и средства. Поэтому представим вначале данные ключевых сравнений, а затем сформулируем некоторые выводы и предложения, которые могут оказаться полезными.

В числе обладателей сверхбыстродействующего вычислительного потенциала значатся сейчас 30 стран мира, включая Россию. Оговорим важнейшие характеристики данного потенциала.

Во-первых, существующие суперкомпьютеры имеют кластерную архитектуру, поскольку собираются из множества микропроцессорных ядер. Единичный микропроцессор может включать один, два, четыре и более ядер. Поэтому в рейтинге применительно к количеству микропроцессорных ядер фигурируют данные, приведенные к одноядерной структуре. В кластер же - основу основ суперкомпьютера - могут входить тысячи и сотни тысяч микропроцессорных ядер, связанных друг с другом особыми сетевыми соединениями и работающих под управлением специальной операционной системы.

Во-вторых, различают потенциальное, или пиковое быстродействие суперкомпьютера и реальное. Последнее устанавливается по результатам выполнения ставшего стандартным теста Linpack, который предполагает решение системы линейных уравнений определенной размерности и оценку скорости решения, после чего устанавливается показанное количество операций в секунду. Реальное быстродействие зависит от множества факторов, включая качество прикладного математического и операционного обеспечения, пропускную способность межъядерных соединений, температурный режим и т.д.

В-третьих, отношение реального быстродействия к потенциально достижимому характеризует своеобразный коэффициент полезного действия (КПД) суперкомпьютера и суммарного вычислительного потенциала. Как и для любой применяемой в народном хозяйстве техники, чем выше КПД, тем эффективнее работа суперкомпьютера.

Таким образом, количество микропроцессорных ядер, уровень реального и потенциального быстродействия, а также КПД входят в состав важнейших характеристик суперЭВМ и сверхбыстродействующего вычислительного потенциала в целом.

Как уже сказано, Россия представлена сейчас в мировом рейтинге суперкомпьютеров (табл. 1).

Согласно приведенным данным, российский вычислительный потенциал сверхбыстродействующего уровня насчитывает сейчас 11796 микропроцессорных ядер, развивает реальное быстродействие, суммарно оцениваемое 82, 6 терафлоп/с, и обеспечивает КПД величиной 67%.

Весь этот потенциал сосредоточен на базе 7 суперкомпьютеров, размещенных и пущенных в работу в университетских центрах (Томск, Вятка, Новосибирск, Уфа), а также подразделениях Академии наук. В июне-июле 2008 г. планируется завершить отладку и ввод в действие суперкомпьютера с пиковым быстродействием 27 терафлоп/с в МГУ им. М.В. Ломоносова. Тогда Россия получит 8-ю суперЭВМ и доведет суммарное потенциальное быстродействие до 150 терафлоп/с (против 122, 8 на начало 2008 г.). Кроме того, намечен и ряд других центров, где в настоящее время также ведется работа по оснащению суперкомпьютерами.

Но и остальные страны мира не бездействуют. По количеству суперЭВМ (по 7) наша страна делит 10-12 места со Швейцарией и Швецией (табл. 2). Надо заметить, однако, что при количественно одинаковом парке суммарный вычислительный потенциал суперЭВМ в Швеции по мощи более чем вдвое выше, чем у нас - за счет качества и производительности.

Более точным представляется сравнение по параметру реального быстродействия, подтвержденного стандартным тестовым испытанием. Группировка стран по названному параметру приведена в табл. 3.

Если сравнить табл. 3 с табл. 2, то увидим заметное перемещение. США прочно сохраняют первое место, на второе выходит Германия, оттесняя Великобританию на третье, четвертыми и пятыми остаются Япония и Франция, затем выше Китая поднимаются Индия, Швеция, Испания. Россия же удерживает 11-е место (1, 19%), т.е. располагается в непосредственной близости к первой десятке стран, опережая ряд развитых стран, в том числе из "большой семерки" - Италию и Канаду.

Тем не менее все подвижно и относительно. В отличие от известных догм либерал-капитализма, возводящих в абсолют так называемую теорию сравнительных преимуществ, в реальной жизни раз навсегда данных преимуществ не бывает. Все зависит от того, как и что производит экономика страны, каким образом поддерживает развитие и стимулы к непрерывному развитию. При развитии удерживаются прежние преимущества и завоевываются новые; напротив, без развития утрачиваются унаследованные преимущества, а новые превращаются в недостижимые. Вот почему проповедями о необходимости придерживаться неизменных преимуществ идеология либерал-капитализма, оформленная под видом "неоклассики" и "экономике", фактически навязывает отказ от развития и закрепление отсталости, дезориентирует экономическое мышление и общегосударственную политику.

В подтверждение приведем весьма показательные примеры. Так, в 1993 г. на долю Японии приходилось 22, 2% мирового парка суперЭВМ (111 единиц), тогда как к началу 2008 г. осталось 4% (20 единиц). Сейчас в списке 30 стран, а в 1993 г. было лишь 23. Пятнадцать лет назад в рейтинге не значились ни Китай, ни Россия, а теперь они занимают 10-11 места.

Еще более значим следующий пример. Если обратиться к тому, как распределялись доли крупнейших изготовителей и поставщиков суперЭВМ в 1993 г. и пятнадцать лет спустя, то выясняется поистине поразительный факт: фирмы IBM в 1993 г. просто не было в рейтинге, между тем как в начале 2008 г. она занимала первую строчку (табл. 4 и 5).

Напротив, знаменитая в 1990-е гг. фирма Cray Inc., на долю производства которой приходилось тогда около 41% совокупного парка сверхбыстродействующих компьютеров мира, довольствуется теперь лишь скромными 2, 8%. Былые ее сравнительные преимущества растаяли. У корпорации же IBM никаких преимуществ в 1993 г. не замечалось, и по ущербной логике "неоклассики" фирме незачем было заниматься производством суперЭВМ, так как Cray Inc. делала это лучше. На практике обернулось иначе, ибо действуют законы развития и относительности.

В действительности все относительно, в том числе и различного рода преимущества. Ничего вечного в истории нет. Есть лишь один абсолют, и это -развитие способа производства, но и оно происходит исключительно путем накопления и разрешения противоречий. Справившись с задачами развития, IBM приобрела относительные преимущества, a Cray Inc., не справившись, утратила. Точно так же и страны: если они решают задачи развития, то прогрессируют, а если не решают - то откатываются назад.

Несомненно лучшее по сравнению с 1993 г., теперешнее положение России остается тем не менее проблемным. Дело не только в количественных, но и в качественных, технологических характеристиках отечественного потенциала сверхбыстродействующих вычислений.

Хотя потенциал числится российским, базируется он на зарубежных микропроцессорных ядрах и операционных системах. Все до единого из установленных микропроцессорных ядер (11796) - производства американских фирм. Конечно, за исключением Японии и Германии, где частью используются микропроцессоры своего изготовления, в схожей ситуации находятся и остальные страны. Но для России использование американской техники и технологии означает не только прекращение развития отечественного производства, но и такую зависимость от США, которая едва ли допустима в условиях, когда Вашингтон открыто добивается мирового господства, не останавливаясь даже перед прямой агрессией, как в Ираке.

Поэтому для России приоритетом первостепенной важности остается проблема микропроцессора. Необходимо приложить максимум общегосударственных усилий, чтобы сфокусировать все имеющиеся научные силы, технические и материальные средства на скорейшем решении этой проблемы. Как представляется, целесообразно выделить в качестве общегосударственного и межведомственного специальный проект "Нанопроцессор" и взяться за его решение так, как решались в свое время проекты создания ракетно-ядерного щита страны.

На примере авиастроения, системы ГЛОНАСС уже ясно, что используемых ныне возможностей кооперации и взаимодействия недостаточно, а потому следует включить такие возможности, которые были в распоряжении И.В. Курчатова и С.П. Королева, когда приходилось буквально с ноля формировать крупные и неоднородные в отраслевом отношении технологические цепочки, выведенные на конечный результат. В какой-то степени это методы мобилизационной экономической системы, но она, что важно подчеркнуть, больше нажимала на стимулы, чем на меры принуждения. Что же касается ответственности и государственной дисциплины, то система поддерживала их благодаря должному отношению государства к труду ученых, специалистов и рабочих, созданию благоприятных жилищных и социальных условий, сочетанию материальных и моральных стимулов.

Как представляется, использование лучшего из ценнейшего опыта И.В. Курчатова и С.П. Королева едва ли окажется менее эффективным и результативным, чем отказ от него. В США, отметим, не только востребован, но и до сих пор активно развивается опыт Р. Оппенгеймера и фон Брауна: и в IBM, и в General Electric, и в Boeing - во всех крупнейших вертикально интегрированных корпорациях. Там этот опыт закреплен институционально, самой организационной структурой корпоративного типа.

У нас же прежний опыт межотраслевого и межведомственного взаимодействия держался на масштабных фигурах, а после первой волны децентрализации (1960-е гг.) оказался отброшен. Взамен ничего более действенного не создано до сих пор. Более того, дело дошло до разрыва во взаимодействии между добывающей и обрабатывающей промышленностью, между наукой и производством. А без их взаимодействия невозможно решение каких-либо задач народнохозяйственного масштаба. Проблема же микропроцессора из разряда именно народнохозяйственных, вследствие чего разрешима только на основе межотраслевого и межведомственного взаимодействия.

Потому-то особый общегосударственный проект по нанопроцессору и нужен как проект организации масштабного взаимодействия, с концентрацией сил и средств всех отраслей экономики, всех подразделений фундаментальной и прикладной науки, всех профильных ученых, специалистов и рабочих. Иного способа добиться действенного и работоспособного взаимодействия, гарантирующего должный конечный результат, сейчас просто не существует.

С другой стороны, успешная реализация проекта такого масштаба будет знаменовать не только стратегически важное достижение, восстанавливающее технологическую независимость России, но и коренной переворот во всем способе производства страны. Мы получим основы ключевых системных новаций: системы вертикальной интеграции, системы "точно вовремя", системы почасовой оплаты труда, системы участия работников интеллектуального труда в эффекте НИР и НИОКР, системы государственно-корпоративного планирования и регулирования экономики и т.д. Пройдя через трудное и масштабное дело, сформируется костяк нового поколения специалистов и управленцев, с общегосударственным кругозором и конкретным опытом. Тем самым появится сочетание объективного и субъективного факторов, благоприятное для дальнейшего социально-экономического развития России.

Пока позиции США кажутся монопольными и неприступными: на долю их производства приходится около 93% мирового парка суперЭВМ. Но в микропроцессорную гонку уже активно включены Япония, Германия, Франция, Китай, Индия. Страна, которая первой выйдет на пета-диапазон, разом обесценит нынешние преимущества и в корне изменит расстановку сил. Поэтому соревнование идет не только в области науки и технологий, но и в области максимально плотной концентрации ресурсов, интеллектуального и физического труда, более действенных форм организации и стимулов. Это те самые области, в которых именно отечественный опыт дал в послевоенное время всемирно признанные результаты.

Таким образом, в пользу общегосударственного проекта по нанопроцессору говорят как складывающиеся обстоятельства, так и наличные возможности. Против высказывается только проповедуемая "неоклассикой" догма о сравнительных преимуществах, но мы уже видели, как она отбрасывается самой жизнью. Добьемся формирования крупномасштабной межотраслевой и межведомственной технологической цепочки, сфокусированной на конечный результат, появятся и новые возможности, и новые преимущества.

Дело не в тех преимуществах, каких и сегодня нет, а в тех, какие достижимы объективно и субъективно, при должном сочетании всех необходимых условий и факторов. В такой плоскости стоит сейчас вопрос.

Наряду с проблемой нанопроцессора нельзя не затронуть проблему оптимального, а главное - планового размещения парка суперЭВМ. В настоящее время по понятным причинам процесс осуществляется по точечному принципу. Единого общегосударственного плана - перспективного и на ближайшее пятилетие - у России пока нет. Но такой план нужен. Уже сейчас отчетливо видна потребность в нем. Пока счет установленных и действующих суперкомпьютеров идет на единицы, но нетрудно предвидеть, что вскоре они будут исчисляться десятками, а значит неминуемо потребуется их увязка в единую, централизованную, общероссийскую сеть сверхбыстродействующих вычислений, с интеграцией математического и программного обеспечения, баз данных, сетевых форматов и протоколов, аналитического инструментария и т.д.

Чтобы представить некоторые исходные ориентиры, полезным представляется индикатор реального вычислительного потенциала суперЭВМ в расчете на душу населения. Подобного индикатора в нынешних мировых рейтингах нет, но его значение, довольно информативное, можно легко рассчитать. По данному показателю на первом месте оказываются Швеция и Люксембург, США занимают 3-ю строку, а Россия - 21-ю (см. диаграмму).

Мы считаем представленный индикатор информативным по ряду причин. Прежде всего, он более точно ранжирует страны по интегральному уровню развития, и находится в довольно тесной корреляции с другими важнейшими показателями - качеством экономического роста, страновой конкурентоспособностью, эффективностью макроэкономической системы. Не случайно в первой десятке, помимо трех названных стран, мы видим также Швейцарию, Великобританию, Финляндию, Германию, Норвегию, Тайвань, Нидерланды -по динамике и качеству социально-экономического прогресса именно они лидируют в последние годы.

Рассматриваемый индикатор, кроме того, конкретнее указывает на тот уровень, к достижению которого следует стремиться, чтобы не только подняться вверх по скорости и мощи установленного потенциала сверхбыстрых вычислений, но и внести в макроэкономическую систему все необходимые для этого коррективы и усовершенствования.

Сейчас Россия отстает от передового уровня примерно в 30 раз. Чтобы принципиально сократить отставание, нам нужно довести суммарный вычислительный потенциал суперкомпьютеров до 2500 терафлоп/с в реальном выражении. Для этого необходимо увеличить парк суперЭВМ до 100-110 единиц, что эквивалентно прямым капитальным затратам в размере около 30-40 млрд. руб. Уже по этой, весьма общей прикидке видно, что рациональнее действовать по единому, общегосударственному плану размещения и использования суперкомпьютерного потенциала России.

На наш взгляд, целесообразно иметь хотя бы по одной суперЭВМ на регион, с тем чтобы выстроить общероссийскую сеть сверхбыстрых вычислений, выработать стандарты математического и прикладного обеспечения, организовать единые базы данных по критически важным направлениям, исходя в том числе из потребностей оперативного социально-экономического мониторинга, государственной аналитики, народнохозяйственного прогнозирования и структурно-целевого планирования.

На цели формирования указанной общероссийской вычислительной сети можно использовать, с резервированием, 90-95 суперкомпьютеров. Остальное их количество - 15-20 единиц - будет распределено между крупными академическими, университетскими, научно-техническими и промышленными центрами высоких технологий, а также органами государственного управления.В частности, мощный сверхбыстродействующий вычислительный потенциал можно было бы переключить на нужды созданного Аналитического центра при правительстве РФ - при условии, конечно, если он будет работать как координатор всей государственной аналитики в федеральном масштабе и опираться на оптимально централизованную сеть, охватывающую каждый из регионов страны.

Одной из первоочередных задач названного Аналитического центра следовало бы считать, думается, формирование общегосударственной базы социально-экономических и аналитических данных с максимально длинными, а главное - сопоставимыми рядами. Речь идет, прежде всего, о важнейших балансах отчетного, текущего и прогнозного формата: трудовых, межотраслевых, платежных, бюджетных, кредитно-денежных, топливных, энергетических, зерновых и т.п. Еще одна важнейшая задача - переход к недельному формату мониторинга ключевых экономических индикаторов в федеральном и региональном разрезах. Месячный формат, с учетом временного лага по выдаче итоговых данных, на практике превращается в двух-, а нередко и трехмесячный. Это запаздывание, недопустимое для развитой страны, и нужно преодолеть его как можно скорее.

В общегосударственной унификации нуждаются также аналитический инструментарий и соответствующее программное обеспечение, поскольку сейчас многое из наработанного и применяемого принадлежит отдельным центрам и институтам, несводимо и несопоставимо, вследствие чего зачастую генерирует информацию, малопригодную для использования при выработке и принятии государственных решений в области промышленной, финансовой, структурно-инновационной и социальной политики.

Реализация отмеченных задач, а здесь перечислена лишь малая их толика, подразумевает основательную и весьма ответственную аналитическую работу, которая невыполнима без опоры на единую, централизованную в масштабе страны сеть суперЭВМ.

Итак, положительные подвижки несомненны. Россия добилась предпосылок дальнейшего наращивания своего сверхбыстродействующего вычислительного потенциала. Появились новые возможности и новые задачи. Вот почему на повестку дня выходят принципиальные приоритеты: проблема нанопроцессора, разрешимая на основе специального общегосударственного проекта, и общегосударственный план размещения суперЭВМ с целью формирования централизованной сети сверхбыстрых вычислений. При правильном отношении со стороны государства эти приоритеты вполне достижимы.