Сегодня мы поговорим о высокопроизводительных вычислениях, и, конечно, хотелось бы отдельно упомянуть те достижения, которые есть в Южном федеральном университете, ведь в нашем вузе ведущая школа в области реконфигурируемых вычислительных систем. Что же будет двигать мир технологий? Поговорим об этом с заведующим кафедрой интеллектуальных и многопроцессорных систем Института компьютерных технологий, информационной безопасности ЮФУ Ильей Израилевичем Левиным. Нужно сказать, что Илья Израилевич — один из ведущих экспертов-разработчиков в этой области, последователь школы Анатолия Васильевича Каляева, которого знает весь мир. Анатолий Васильевич как ректор Таганрогского радиотехнического института не только читал лекции по данной теме еще в середине семидесятых годов в Таганроге, Ростове и Москве, но и был приглашён в ведущие университеты мира. Также есть архивные доказательства, что само понятие «суперкомпьютер» возникло здесь, в Южном федеральном университете, в диалоге между Анатолием Васильевичем Каляевым и Виктором Александровичем Коганом, который изучал нейрокибернетику. Тогда впервые прозвучало слово «суперкомпьютер» в значении «устройство, способное давать более высокую производительность и решать самые нетривиальные задачи», которые обычный персональный компьютер решить не может. Первый вопрос, Илья Израилевич, к вам: что такое реконфигурируемые вычислительные системы? Почему их связывают с термином «суперкомпьютер» и при чём здесь семейство?

- Суперкомпьютер — это очень быстрый вычислитель, который работает на пределе технологических возможностей. Сейчас современные компьютеры выполняют десять в восемнадцатой степени операций в секунду. Направление продолжает развиваться, используя интеграции современных процессоров.

Реконфигурируемая вычислительная система — отдельное направление, которое восходит к аналоговой технике. Если переводить на русский язык, то это системы с перестраиваемой структурой или архитектурой, то есть компоненты связи между различными узлами такой системы меняются под конкретную задачу. Благодаря этому мы можем подстроить компьютер к структуре решаемой задачи и добиться характеристик, которых невозможно достичь с традиционными многопроцессорными системами. Первые аналоговые машины тоже были перестраиваемые: создавались поля из конденсаторов, и, собрав схему, эквивалентную системе интегродифференциальных уравнений, подав воздействие, вы мгновенно получали решение задач. Это направление имело своё место в пятидесятых годах, но в шестидесятых годах, в том числе под управлением Анатолия Васильевича Каляева, стали создаваться цифровые интегрирующие машины. В них заменили аналоговое устройство интеграторами. В дальнейшем эта технология стала архитектурой, которая развивалась в восьмидесятые годы прошлого века.

Сейчас мы создаём реконфигурируемые системы, это следующее поколение систем на основе ПЛИС, то есть программируемых логических интегральных схем.

«СЕМЬЯ» суперЭВМ

- Наш июльский выпуск был близок теме программирования: мы разбирали разные языки программирования, говорили о том, что они тоже имеют некоторый «семейственный уклад». Есть ли какие-то параллели, аналогии семье в нашей сегодняшней теме? — уточнила ректор ЮФУ.

-Конечно, это не совсем семья, между техникой и любыми живыми организмами есть разница. Но все же можно найти аналогию: у реконфигурируемых систем, которые мы создаем, есть «главный конструктор», то есть, скажем так, отец. В данном случае я являюсь главным конструктором всех реконфигурируемых вычислительных систем, которые мы создаём с 2000 года. Все они проектируются по единым принципам. Что касается «матери», это Научно-исследовательский центр суперЭВМ и нейрокомпьютеров, ведущая компания в области создания реконфигурируемых систем не только в России, но и в Евразии. Мы создаём самые мощные вычислительные системы. Так вот, «матерью» является наш вычислительный центр, который эти машины серийно производит. В год мы производим до 5 000 плат. Это сотни блоков, из них за год собирается несколько суперЭВМ. А на одном языке говорят представители не только одного семейства, но и разных семейств. Например, я разработал язык высокого уровня COLAMO. Все наши машины общаются между собой на этом языке, но в каждом семействе есть свои подмножества. Это так называемая библиотека макроопераций, которая ориентирована на конкретное семейство. Одна и та же библиотека не может выполняться на представителях различных семейств. Кстати, термин «макрооперации» тоже придумал Анатолий Васильевич Каляев. В их число входят вычисление синуса, быстрое преобразование Фурье и так далее. Они проектируются по-разному для каждой архитектуры или для каждого семейства. Семейство же строится из ПЛИС, но всегда есть общее ядро, так называемая «базовая плата», базовый модуль, на основе которого собираются различные представители семейства.

БУДУЩЕЕ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

- Сейчас в университете есть научные группы, которые работают с вычислительным кластером, мощность которого уже выше, чем мощность суперкомпьютера, купленного в 2018 году для наших химиков и фармакологов. В связи с этим следующий вопрос: что такое поколение суперЭВМ? Как быстро они сменяются? И каковы перспективы развития технологий?

-Думаю, люди постарше помнят поколения процессоров 286, 386, 486 Pentium. И до определенного этапа существовала «гонка функциональности», но затем различия между процессорами почти исчезли. Поколения процессоров существуют и сейчас, но отличаются друг от друга они уже не так сильно. Производительность стандартных ПК давно не растет так быстро, как раньше. С ПЛИС ситуация обстоит по-другому: их производительность растёт от поколения к поколению в два с половиной – три раза. Обычно мы проектируем новую систему три года, то есть каждая наша новая машина в 2,5 раза быстрее и мощнее предыдущего поколения. Поэтому в данной отрасли еще существует некая гонка, которая продлится примерно до 2030 года. Затем микроэлектроника приостановит свое развитие так же, как остановилась гонка персональных компьютеров, ведь, хоть и декларируется многоядерность, по факту в процессорах остались те же 8-16 ядер, как и в 2000 году. Частоты тоже больше не растут. Есть два новых направления, которые могут дать прорывной эффект: это фотонные цифровые машины и квантовые гипотетические машины. Над ними работают многие научные группы, но пока не слишком удачно.  Но кому-то может повезти, и он создаст квантовый компьютер. Правда квантовый компьютер не решает все задачи, все задачи под силу будут только цифровой фотонной машине, на то она и цифровая.

ЦЕЛЬ — МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ

- А где на практике применяются суперЭВМ? – уточнила Инна Константиновна Шевченко.

- Мы поставляем оборудование вузам, которые ведут научные исследования, в Академии наук, в силовые ведомства. На них проводят огромные расчёты, которые необходимо выполнять многократно. Задачи, решаемые с помощью суперЭВМ, — это оценка радиационной обстановки, космической обстановки, моделирование процессов. Не так давно мы делали проект с МЧС — анализировали и моделировали процесс возникновения  лесных пожаров.

- Я благодарю Вас за сегодняшнюю беседу и, конечно, за большую работу, которую Вы ведете. Это гордость для меня, что наш университет может давать такие знания, вести лабораторные работы со студентами на таком уровне и что у нас в стране есть технологии, которые обеспечивают ее конкурентоспособность и, конечно, безопасность, — отметила ректор ЮФУ Инна Шевченко.