Значительная часть докладов VI Московского суперкомпьютерного форума посвящена элементно-конструкторской базе высокопроизводительных ИТ-систем.
29-30 октября издательство «Открытые системы» провело ежегодный Московский суперкомпьютерный форум. Основную тематику форума нынешнего года составило обсуждение разработок отечественных научно-исследовательских и промышленных коллективов, создающих элементно-конструкторскую базу экзамасштабных высокопроизводительных систем и программные средства решения задач в параллельных средах. Эти вопросы особенно актуальны в период санкций и геополитического противостояния, когда все большее внимание уделяется импортозамещению в области ИТ как способу решения задач технологической независимости и национальной безопасности страны. Вместе с тем развитие отечественной суперкомпьютерной отрасли невозможно представить без широкого международного научно-технического сотрудничества, что также продемонстрировал форум.
Высокопроизводительные решения
Одна из наиболее серьезных задач отечественной отрасли ИТ – создание собственной элементной базы. Несмотря на ставшие общим местом заявления об отставании нашей страны, Россия тем не менее одна из немногих стран, обладающих собственными современными высокопроизводительными микропроцессорными решениями. Эти решения и обсуждались в докладах форума.
К таким решениям относится программно-аппаратная платформа «Эльбрус»; в ИНЭУМ им. И. С. Брука ее подают как платформу технологической независимости страны в области ИТ. Архитектура «Эльбрус», подчеркивают разработчики, отличается глубокой интеграцией аппаратных и программных средств, основанной на «широком» командном слове и распараллеливании программ с помощью оптимизирующего компилятора.
Микропроцессоры «Эльбрус-8С», серийный выпуск которых ожидается в 2016 году, разработаны на основе нормы проектирования 28 нм. Они будут содержать восемь ядер, работать на тактовой частоте 1,3 ГГц и обладать производительностью 250 GFLOPS при выполнении операций с одинарной точностью. Тогда же должен начаться серийный выпуск и 40-нанометровых «Эльбрусов-1С+» с тактовой частотой 1 ГГц, снабженных, кроме вычислительного, также графическими 2D- и 3D-ядрами.
На 2018 год запланированы 8-ядерные процессоры «Эльбрус 8СВ» производительностью 512 GFLOPS, а также 2-гигагерцевые восьмиядерные чипы «МЦСТ-R2000» на основе микроархитектуры SPARC V9 производительностью 64 GFLOPS.
В состав изделий, серийно выпускаемых на основе чипов «Эльбрус», входят размещаемые в стойках серверы формфактора 1U и 2U с четырьмя процессорами «Эльбрус-4С» и памятью DDR3 до 96 Гбайт.
В 2015 году проведены государственные испытания вычислительного кластера c воздушным охлаждением, который размещается в стандартной стойке высотой 47U. В нем устанавливается до 256 процессоров «Эльбрус-4С», до 12 Тбайт оперативной памяти и до 64 Тбайт дисковой емкости. Максимальная производительность кластера оценивается почти в 14 TFLOPS, потребляемая мощность составляет 20 кВт. Этот кластер является прототипом полностью российского суперкомпьютерного узла.
Группа компаний РСК, использующая в своих разработках коммерчески доступные зарубежные компоненты и систему жидкостного охлаждения собственной разработки, представила новое поколение кластера «РСК Торнадо». Его основные отличия, как считают разработчики, – более 150 вычислительных узлов в стандартном шкафу, «плотность» производительности более 200 TFLOPS на кубический метр, стабильная работа при температуре хладоносителя до 65.
Одна из наиболее серьезных проблем современных суперкомпьютеров – огромные энергозатраты. Новые возможности для создания энергоэффективных вычислителей с высочайшей производительностью открывает развитие технологий сверхпроводниковой квантовой электроники. В настоящее время в этой области происходит переход от экспериментальных исследований кубитов (квантовых объектов, способных поддерживать суперпозицию двух состояний) к разработке квантовых суперкомпьютеров.
Учеными Института физика твердого тела РАН в Черноголовке разработана уникальная технология, позволяющая строить кубиты на джозефсоновских структурах на основе сверхпроводников и ферромагнетика, а также на так называемых пи-контактах. Такие кубиты могут работать без внешнего магнитного поля, существенно повышая эффективность будущих суперкомпьютеров.
В области традиционных суперкомпьютерных технологий серьезное внимание по-прежнему уделяется созданию средств взаимодействия вычислительных узлов. В исследовательском центре НИЦЭВТ разработана специализированная СБИС для высокоскоростной коммуникационной сети «Ангара» с топологией 4D-тор, а также сетевое оборудование на ее основе. Эта сеть, считают ее авторы, соизмерима по характеристикам с коммуникационными сетями современных суперкомпьютеров.
Участники форума проявили также заметный интерес к докладу и экспозиции компании Lenovo, которая готова предложить России высокопроизводительные решения, включая не подпадающие теперь под санкции решения IBM, приобретенные компанией.
Дальнейшее развитие мировой суперкомпьютерной отрасли, считают в Intel, в решающей степени связано с разрабатываемыми корпорацией технологической платформой и архитектурными решениями, обеспечивающими создание экзафлопсных систем.
Процессоры для специальных применений
В Научно-исследовательском институте системных исследований РАН разработали семейство микропроцессоров КОМДИВ, которые применяются в бортовых вычислителях и других специализированных решениях. Эти чипы предназначены для работы в «жестких» условиях окружающей среды, включая повышенные уровни радиации.
Для повышения производительности своих 64-разрядных микросхем в НИИСИ РАН применяют специализированные сопроцессоры, предназначенные для задач определенного класса. Такое решение позволяет преодолеть технологические проблемы, связанные с доступными в нашей стране нормами проектирования, которые приводят к ограничениям тактовой частоты и препятствуют росту количества вычислительных ядер.
К примеру, микропроцессоры 1890ВМ7Я с нормой проектирования 180 нм и тактовой частотой 270 МГц со встроенным SIMD-сопроцессором обладают производительностью 8 GFLOPS при выполнении комплексного преобразования Фурье.
Завершается создание следующего поколения двухъядерных чипов с нормой проектирования 65 нм и тактовой частотой 800 МГц, а также сопроцессоров для них.
Специалисты НТЦ «Модуль» продолжают совершенствовать процессоры обработки сигналов семейства NeuroMatrix. Эти микросхемы, предназначенные для приложений радиолокации, осуществляют обработку в реальном времени потоков данных, обладая, как заявляют в НТЦ, сравнимой с универсальными процессорами производительностью и характерным для встроенных систем энергопотреблением.
Новое процессорное ядро NeuroMatrix снабженно векторными сопроцессорами, работающими под управлением RISC-процессора, и отличается «глубоким» конвейером. Оно рассчитано на рабочие частоты до 500 МГц при норме проектирования 65 нм и до 1 ГГц — при 28 нм.
Создаваемые на основе этого ядра двухъядерные процессоры NM6407, выполняющие операции целочисленной и «плавающей» арифметики, спроектированы на базе 65-нанометровой технологии КМОП и обладают пиковой производительностью 16 GFLOPS при обработке 32–разрядных данных с плавающей запятой.
Что делать дальше
Основные российские производственные мощности для выпуска отечественных микросхем сосредоточены сегодня на предприятиях «Ангстрем» и «Микрон» в Зеленограде, способных выпускать чипы с нормой проектирования не ниже 65 нм. Российские разработчики, к примеру в НИЦЭВТ, прибегают к услугам контрактных производителей, таких как тайваньская компания TSMC. Вряд ли в условиях санкций можно рассчитывать на строительство собственной фабрики, да и инвестиции в создание производства чипов даже не самых последних поколений оцениваются в несколько миллиардов долларов.
Чтобы сократить суперкомпьютерное отставание в военной и других критически важных областях, в НИИ «Квант» предлагают сосредоточиться на отечественных проблемно-ориентированных микропроцессорных интегральных схемах, а также на создании экосистемы их разработки. Последняя мера предусматривает рост числа конструкторских бюро, передача же на фабрики результатов их работы должна осуществляться через опытных посредников-разрабочиков, хорошо знакомых со спецификой серийного производства чипов. По мнению автора предложения, следует максимально ускорить внедрение сверхпроводниковых технологий в такие интегральные схемы.
В работе МСКФ-2015 приняли участие более двух сотен представителей организаций, решающих задачу достижения технологической независимости страны в области построния высокопроизводительных ИТ-систем и повышения их эффективности.
Представленные участниками форума доклады свидетельствуют о возможности создания отечественных систем для интенсивных вычислений и обработки больших массивов данных. В таких системах используются, как компоненты собственной разработки, так и технологические решения корпорации Intel. Работы российских специалистов открывают пути перехода к новым уровням производительности и дальнейшему сотрудничеству с мировым ИТ-сообществом.
«Суперкомпьютерный форум является площадкой для профессионалов, позволяющей выделить те направления роста, в которых Российская Федерация обладает наибольшим технологическим потенциалом», — подчеркнул Илья Чукалин, советник министра связи и массовых коммуникаций РФ.
Форум прошел при поддержке профильных министерств и ведомств, включая Минкосвязь, Минобрнауки, Минэкономразвития, Росатом, Российский фонд фундаментальных исследований, Федеральное агентство научных организаций, Фонд перспективных исследований, корпорацию «Ростех», НИИ РИНКЦЭ. Партнерами форума стали компании Lenovo, РСК, Intel, ProSoft, а также НИИ «Квант» и НИЦЭВТ.
