Cуперкомпьютерные технологии зародились в нашей стране очень давно, практически одновременно с появлением этой отрасли в мире. А произошло это в Институте кибернетики им. В.М.Глушкова.
И хотя времена для развития науки в Украине сейчас непростые, это учреждение продолжает развивать направление суперкомпьютерных вычислений. В инфраструктуре Института кибернетики развернут крупнейший отечественный вычислительный кластер, чья мощность используется украинской наукой и частными предприятиями уже на протяжении нескольких лет. О перспективах развития суперкомпьютерных вычислений в Украине редакции PCWeek/UE рассказал академик НАНУ директор Института кибернетики им. В.М. Глушкова Иван Васильевич Сергиенко.
PCWeek/UE: С чего началось развитие суперкомпьютерных технологий в Украине?
И. В. Сергиенко: Большинство научно‑исследовательских организаций в бывшем СССР развивали одно из двух направлений — разрабатывали математическое обеспечение вычислительных машин и исследовали сложные процессы управления либо проектировали собственно компьютеры различной мощности, в том числе и специализированные. Киевский Институт кибернетики занимался более универсальными разработками, причем значительное внимание уделялось фундаментальной математике, которая лежит в основе информатики. В данном контексте под информатикой я подразумеваю не только управление живыми и искусственными организмами, но, прежде всего, разработку компьютерных технологий в интересах экономики, биологии, медицины, космических исследований и пр. С самого начала большое внимание уделялось развитию математических методов, в частности, методов оптимизации.
И сегодня мы продолжаем работу над математическим обеспечением во всех его проявлениях для компьютеров разных классов, а также занимаемся разработкой самих компьютеров, в том числе и машин для ресурсоемких вычислений.
К нашей гордости, именно труды киевского Института кибернетики во многом способствовали началу работ по созданию суперкомпьютеров и кластеров в Советском Союзе. В начале 80‑х были спроектированы компьютеры, которые предполагали реализацию параллельных вычислений. До этого информатика в целом развивалась с расчетом на моновычисления: решение задачи представлялось в виде цепочки, которую и обрабатывал последовательно один компьютер (процессор). «Параллельные» же компьютеры решают задачу, разбивая соответствующий ей алгоритм на несколько одновременно выполняющихся цепочек вычислений. Но для этого необходимо научиться строить модели, позволяющие использовать это распараллеливание. Ведь далеко не каждый алгоритм готов к этому изначально.
Именно в начале 1980‑х годов сотрудники Института кибернетики совместно с московскими учеными выполнили целый комплекс работ по созданию кластера. Он предназначался для использования в авиации — с помощью такого суперкомпьютера продуктивность разработок в этой отрасли можно было увеличить на порядок.
PCWeek/UE: И этот кластер был запущен в эксплуатацию?
И. В. С.: Да, но, увы, в единственном экземпляре. Начался распад СССР, и добиться серийной промышленной реализации кластера не удалось. Зато наши математики и конструкторы «набили руку» на разработке такого рода решений. Первую монографию на тему параллельных вычислителей мы издали в Военно‑воздушной инженерной академии им. Н. Е. Жуковского в Москве, и, хотя монография носила закрытый характер, она оказала большое влияние на дальнейшее развитие этого направления. В начале 90‑х годов коллектив Института кибернетики продолжил работы над созданием суперкомпьютеров.
PCWeek/UE: На базе Института кибернетики развернут крупнейший в Украине суперкомпьютер. Каково его практическое применение?
И.В.С.: За последние годы мы действительно создали несколько суперкомпьютеров. В них использована современная элементная база, главным образом — архитектура Intel Xeon. Эти машины отнюдь нельзя назвать полностью сторонней разработкой — многое в этом решении реализовано по проектам сотрудников института. Кроме того, им принадлежит авторство большой части программ, задействованных для вычислений в экономическом моделировании, для решения задач расшифровки кода генома, молекулярной биологии и пр. За последние десятилетия наши ученые тщательно исследовали проблематику суперкомпьютинга. Первый созданный нами компьютер состоял всего из 48 процессоров, второй — из 64, третий — из 300. Три эти компьютера и еще один — небольшой мощности — мы объединили в grid‑систему, которая в настоящее время функционирует в Институте кибернетики. Более 400 процессоров — это уже значительная мощность! Кроме того, мы применили быстрый тип памяти и интерконнекта. Большие наработки в области вычислительного ПО дают нам возможность задействовать grid‑систему на практике в разных областях науки. Кластерные вычисления находят применение и во многих государственных учреждениях.
Безусловно, здесь есть свои сложности. Например, необходимо уметь программировать на таких компьютерах, учитывая распараллеливание вычислительного процесса.
Скептики утверждали, что систему подобной мощности не удастся загрузить. Такие подозрения не беспочвенны: некоторое время назад в России развернули несколько суперкомпьютеров, которые значительную часть времени простаивали, поэтому их пришлось разобрать на более мелкие вычислители и раздать учреждениям.
Grid‑cуперкомпьютерная система Института кибернетики загружена на 100% круглосуточно: ее мощность в настоящее время используют более 60 организаций. Конечно, для столь ресурсоемких задач, как анализ экономических процессов, расшифровка генома человека, разнообразные задачи ядерной физики и исследования космического пространства, необходимы более мощные компьютеры. Поэтому в декабре к основному кластеру мы добавили еще 52 вычислительных узла. В марте были проведены тестовые испытания обновленного кластера СКИТ‑3. Результатами мы остались довольны: реальная производительность составила 5317 Гфлопс.
Но мы на этом не останавливаемся: по мере надобности суперкомпьютер будет «обрастать» новыми узлами. Мы планируем, что их будет более тысячи. Тогда это будет один из мощнейших компьютеров в Европе, который позволит нам решать сверхсложные задачи, так называемые задачи трансвычислительной сложности.
PCWeek/UE: Существуют ли сегодня в украинском бизнесе практические задачи, требующие столь больших мощностей?
И.В.С.: Конкретный пример: в настоящее время широко ведется строительство жилых домов на берегу Днепра. Предугадать, какую техногенную нагрузку будут нести эти здания и к чему может привести их появление, без расчетов невозможно. Поэтому перед строительством необходимо исследовать место, где будут вестись работы, и учесть различные аспекты и параметры экологического и природного характера. Ведь были случаи, когда подобное строительство заканчивалось плачевно: из‑за того, что не были проведены соответствующие расчеты по анализу геологических пластов и грунтовых вод, дома разрушались.
Давно существуют и продолжают разрабатываться математические модели, описывающие эти сложные процессы. Для построения модели необходимы множественные пробы грунта на глубине и на поверхности по всей площади будущего здания. Чем больше охват территории, тем более точными будут расчеты. Построение такой «сетки» представляет собой сверхсложную задачу, ведь на практике число переменных порой доходит до десятков миллионов, и еще столько же ограничений, которые необходимо учитывать. Работу в этом направлении, в координации с учеными–геологами, успешно ведут несколько научных групп. Так, академик В. М. Шестопалов сформулировал постановку задач, а в группе академика В. С. Дейнеки был разработан целый класс моделей, оптимизированных под архитектуру наших суперкомпьютеров и уже сегодня применяющихся для решения ряда геологических задач.
Сотрудники нашего института участвуют также в изучении генома человека. В частности, они разработали ряд моделей для идентификации различных болезней, что будет помогать в борьбе с некоторыми неизлечимыми недугами.
PCWeek/UE: А кто выступает заказчиком решения подобных задач?
И.В.С.: Сегодня главный заказчик — государство. Если говорить о финансовых задачах, то это Министерство экономики, Министерство финансов. Верховную Раду интересует возможность создавать новый бюджет не вслепую, а на основе математической модели, которая позволила бы «проиграть» несколько вариантов с разными параметрами и условиями (например, при изменении ставки налогообложения и пр.). Необходимо рассчитать, каковы будут последствия в каждом случае, какие законы могут быть нарушены, какие обязательства Украины перед мировыми организациями будут задеты, как это может отразиться на здоровье людей. Анализ результатов поможет принять грамотное и взвешенное решение. Заказчиками решений научных задач в области физики, радиофизики, математики, исследований космического пространства выступают, как правило, институты соответствующих специализаций, Академия наук Украины, Национальное космическое агентство.
Иногда наши интересы совпадают с интересами зарубежных фирм. К нам обращаются за помощью при разработке математических моделей, методов оптимизации, математического обеспечения, интеллектуальных информационных технологий в целом. Нам, в свою очередь, выгодно такое сотрудничество — иностранные организации поддерживают нас посредством различных грантов, которые мы используем для решения как научных, так и более обыденных, «приземленных», можно сказать, житейских задач.
PCWeek/UE: Учитывая финансовую мощь иностранной науки, каким образом удается удерживать специалистов в Украине?
И.В.С.: Проблема утечки кадров существует, хотя и не стоит сегодня столь остро, как раньше. Часть наших специалистов действительно работает в США, Канаде, Германии, Англии, Франции. Однако в процентном соотношении этих людей не так много, и переезжали они, главным образом, в начале 90‑х годов. Сегодня Институт кибернетики научился зарабатывать деньги, в том числе выигрывать международные гранты (за последние 10 лет мы выиграли их более 60‑ти). Мы смогли приобрести компьютеры, все необходимое оборудование для ведения научной работы на высочайшем уровне.
Так что сейчас мы располагаем серьезным кадровым потенциалом. Кибцентр — одна из наиболее мощных организаций в мире по развитию компьютерных технологий. В научном отношении он не уступает известным специализирующимся на вычислениях предприятиям, в том числе американским. Конечно, в вопросах развития радиоэлектроники как базы для построения элементов суперкомпьютеров Украина значительно отстает от развитых стран. Но возможность приобрести технику для наших проектов у нас есть, а математическое обеспечение мы развиваем сами и в этом способны на равных конкурировать с зарубежными компаниями.
Сегодня можно говорить о неплохом кадровом росте. Этому способствует тесное сотрудничество Института кибернетики с учебными кафедрами, в частности, в КНУ и «КПИ». Многие годы мы сотрудничаем и с рядом кафедр МФТИ. Студенты, проявившие интерес к науке, получают возможность работать и учиться у нас начиная с третьего курса. Ведущие специалисты Кибцентра читают лекции, а студенты затем выполняют у нас курсовые и дипломные работы. Наиболее талантливые потом поступают в аспирантуру либо продолжают участвовать в наших проектах. Те вузы, которые не могут самостоятельно подготовить бакалавров в области кибернетики, например, в областных центрах, направляют перспективных студентов на соответствующий факультет «КПИ», который затем передает их на нашу кафедру, и мы подготавливаем их к научной деятельности. Мы тесно сотрудничаем не только с названными учебными заведениями, но также с Днепропетровским, Львовским, Донецким, Запорожским, Луцким, Тернопольским и Ужгородским университетами. Такой подход позволил нам сохранить потенциал и ежегодно наращивать его. Только на базе Института кибернетики ежегодно защищаются 7—10 кандидатских и порядка 3 докторских диссертаций.
PCWeek/UE: Ведет ли Институт кибернетики совместно с другими украинскими и зарубежными институтами научные проекты, в которых задействованы суперкомпьютеры?
И.В.С.: Да, у нас налажены тесные связи с институтами Российской Федерации, например, с вычислительным центром имени А.А. Дородницына АН России, с одним из институтов сибирского отделения РАН, с которым мы ведем совместные проекты. Из ближайших соседей хотелось бы отметить белорусских коллег, а из стран далеких — США, где мы сотрудничаем со многими предприятиями. Например, ряд сотрудников Института кибернетики работает в исследовательских лабораториях компании Motorola, довольно тесно мы взаимодействуем с Intel — работы над суперкомпьютером велись при значительной поддержке со стороны этой компании. Кроме того, мы держим связь с некоторыми американскими вузами и разрабатываем с ними общие проекты. Уже третий год подряд на стажировку в Институт кибернетики приезжают американские студенты, которые отбираются на конкурсной основе. Мы поддерживаем прочные связи с рядом британских университетов, совместно с которыми ведутся проекты в области защиты информации и разработки статистических методов анализа данных. Также мы сотрудничаем с Китаем, Францией и Германией. Ученые Германии, Китая и Кореи проявляют интерес к разработанному в Институте кибернетики комплексу анализа внутренних органов человека, который помогает распознать и, соответственно, предупредить сердечно‑сосудистые заболевания на ранних стадиях.
В большинстве случаев средства на реализацию этих работ были получены за счет грантов.
PCWeek/UE: Проявляет ли государство интерес к развитию ресурсоемких вычислений?
И.В.С.: Можно сказать, мы не обижены вниманием со стороны государства. Общаемся и с Президентом, и с премьер‑министром. Мы получаем от государственных органов достаточную поддержку, без нее вряд ли мы бы работали на тех суперкомпьютерах, которые у нас есть сейчас.
Другое дело, что возможности наших вычислительных ресурсов сегодня еще не до конца поняты обществом. Следовательно, и используются они не на полную мощность. Например, у нас есть весьма перспективная разработка — аналитическая видеокамера. Применение такого устройства может быть самым разнообразным, начиная с изучения окружающей среды до нужд МВД. Эта камера не только фиксирует происходящее вокруг. Имея, например, фоторобот преступника, она способна распознать этого человека, если он окажется в поле ее «зрения». На основе такой камеры можно также разработать автоматизированный подсчет голосов на выборах, с тем чтобы объявлять предварительные результаты в течение нескольких часов. Однако, чтобы довести эту технологию до логического завершения, необходимо дополнительное финансирование. И это далеко не единственный проект, на который пока не обратили внимания и, соответственно, не профинансировали государственные структуры.
И хотя на новый компьютер, который будет содержать более 1000 процессоров, средства пока не выделены, у нас есть договоренность, что установка кластера начнется сразу, как только они появятся.
Безусловно, Институт кибернетики мог бы перепрофилироваться и заняться решением других задач. Мы имеем возможность заключать договора с мировыми лидерами в области ИТ — Intel, Microsoft и другими компаниями — и работать на их интересы. Однако мы — государственная структура, мы — часть национальной Академии наук. И в первую очередь мы стремимся работать для собственной страны, даже если это сопряжено с трудностями и долгим ожиданием финансовой поддержки.
PCWeek/UE: Как бы вы оценили научный потенциал Украины в сравнении с другими странами?
И.В.С.: На мой взгляд, этот уровень весьма достойный. По ряду направлений достижения отечественной Академии наук высоко ценятся зарубежными компаниями. Это не только кибернетика, но и физика, биология, теоретическая медицина. Так, институт физиологии им. А.А. Богомольца, Институт электросварки им. Е.О. Патона имеют признанные во всем мире научные школы. Совместно с Институтом кибернетики они ведут работу над многими проектами в интересах компаний с мировым именем.
Украинская наука широко известна в мире и высоко ценится. Я мог бы назвать не один десяток отечественных специалистов, которые выполняют свои работы на мировом уровне, за счет чего мы выигрываем международные конкурсы, получаем гранты, тем самым поддерживая своих ученых. Однако проблема недостаточного финансирования науки, в том числе в смысле невысоких зарплат, не может не провоцировать отток высококлассных специалистов из академической науки или выезд их за рубеж.
PCWeek/UE: Какими вы видите перспективы развития института в сфере ресурсоемких вычислений?
И.В.С.: Мы планируем больше внимания уделять фундаментальной математике — основе развития прикладной математики. А именно — созданию новых сложных математических моделей разнообразных процессов, в том числе процессов управления, разработке новых методов в области теории оптимизации, с помощью которых можно было бы успешно решать задачи трансвычислительной сложности. Мы будем разрабатывать и применять средства защиты информации в наших системах, как в суперкомпьютерах, так и в телекоммуникационных сетях, которыми мы связаны со многими организациями не только на территории Украины, но и в мире. Для решения задачи безопасности необходимы и технические, и математические средства.
Безусловно, мы по‑прежнему будем выполнять практические заказы — в первую очередь, решать задачи, поставленные государством в экономике, энергетике, строительстве (в том числе расчет надежности конструкций атомных электростанций), исследовании космического пространства. В состав Кибцентра входит Институт космических исследований, который для решения ряда хозяйственных, метеорологических и исследовательских задач использует спутник. Этот аппарат регулярно передает собранные им данные на антенны нашего института. Если спутник зафиксировал чрезвычайную ситуацию (лесной пожар, наводнение и пр.), информация об этом автоматически передается в соответствующие органы, где принимаются решения. Наша метеослужба интенсивно использует данные спутника для прогнозирования погоды. Мы планируем усовершенствовать применяемые для этих задач методы, в частности, для получения долгосрочных и более точных прогнозов.
Кроме того, намечена автоматизация всех 13 отделений НАНУ, в них будет развернута единая база данных и посредством быстрых компьютеров организован обмен информацией. Если объединить мощности всех структур Кибцентра, организовать доступ к нашим научным библиотекам, это будет выгодно всем. Более того, через сети мы сможем пользоваться информацией из мировых библиотек и баз данных, для чего необходимо применять мощные алгоритмические методы поиска информации. Это даст нам возможность использовать мировое научное наследие, не изобретая велосипед заново.
