Новый поворот

В июне этого года германский город Гамбург на время станет мировой столицей суперкомпьютерных вычислений – в нем проводится главный форумом отрасли, International Supercomputing Conference, или кратко ISC'12.

По давно уже заведенной традиции, в рамках этой конференции публикуется Top500 – очередной рейтинговый список наиболее мощных компьютерных систем планеты. А на живых примерах из нового «перечня самых-самых» попутно обсуждаются ключевые проблемы и тенденции развития в этой очень горячей области инфотехнологий. Лидирование в ней считается делом престижа среди наиболее развитых индустриальных держав мира.

Конференция нынешняя, однако, помимо традиционных элементов программы, содержит в себе и еще нечто такое, что существенно выделяет ее среди всех предшествовавших мероприятий подобного рода. Несколько преувеличивая – для драматизма картины – значимость происходящего, можно расценивать ISC'12 как своего рода историческую веху, отмечающую начало заката целой технологической эпохи – эпохи кремниевых чипов. По крайней мере, в суперкомпьютерных вычислениях.

Если же сосредоточиться не на исторической важности момента, а на технической сути происходящего, то речь здесь идет вот о чем.

Много новых слов

Никто не знает, почему это так происходило, но на протяжении всей истории полупроводниковых микросхем вычислительная техника развивалась в соответствии с «законом Мура»: каждые полтора года производительность чипов при сохранении их размера удавалось увеличивать примерно вдвое.

Каким-то образом доказать этот эмпирически подмеченный «закон», естественно, невозможно, однако он, несомненно, исправно действует вот уже свыше полувека. Более того, принято считать, что стараниями ученых, инженеров и микропроцессорной индустрии в целом закон Мура будет работать и дальше еще довольно долго (как прикинула корпорация Intel, по меньшей мере, до 2030 г.).

При этом на самых передовых рубежах компьютерной техники – в области высокопроизводительных вычислений – прогресс удается устойчиво обеспечивать даже с некоторым опережением общей закономерности. В течение трех последних десятилетий каждые 10-11 лет стабильно создавались суперкомпьютеры, работавшие в 1000 раз быстрее своих предшественников.

Благодаря столь уверенной поступи прогресса даже бытовой лексикон людей стал регулярно пополняться новыми «суперкомпьютерными» терминами. Если на рубеже 1980-1990-х гг. только-только начали входить в обиход слова с префиксом «гига-» (что обозначает миллиард или 10 ⁹ ) для герц частоты процессора или байтов памяти накопителей, то конструкторы суперкомьютеров уже замышляли покорение следующего рубежа, масштаба триллионов, или кратко «тера-» (10 ¹² ).

Благодаря революционным технологическим прорывам сразу на нескольких направлениях (передовая архитектура для параллелизации вычислений, быстрые процессоры и межсоединения, новые подходы программирования) уже к 1999 г. в США была создана первая в истории компьютерная система ASCI Red, достигшая рекордной производительности в 1 терафлопс (т.е. триллион, или тысяча миллиардов FLOPS – операций с плавающей запятой в секунду).

Затем, развивая уже наработанные успехи, к 2008 г. там же, в Америке, появился первый петафлопсный компьютер – система Roadrunner Лос-Аламосской национальной лаборатории с производительностью чуть более квадриллиона (10 ¹⁵ ) операций в секунду.

Вскоре вслед за США вычисления масштаба «пета-» покорили и другие наиболее развитые индустриальные державы Азии и Западной Европы. После недолгого лидирования в Top500 китайской системы Tianhe (2,56 петафлопс) на вершине рейтингов с большим отрывом воцарился японский супервычислитель под скромным названием «K», обладающий в 2011 г. производительностью 10,5 петафлопс.

Если нынешняя скорость прогресса суперкомпьютеров будет сохраняться, то следующий рубеж производительности в 1 экзафлопс, или квинтиллион (10 ¹⁸ ) операций в секунду, ожидается достичь к 2019 г. А аналитики, заглядывающие в будущее еще чуть дальше, полагают, что компьютер производительностью один зеттафлопс (10 ²¹ , или секстиллион операций) можно будет построить примерно к 2030 г. Более того, заранее припасены термины и для следующих вычислительных рубежей – йоттафлопс (10 ²⁴ ) и ксерафлопс (10 ²⁷ ).

Однако как там все будет развиваться в ближайшем и более отдаленном будущем, никто в действительности пока не знает. А мнения и планы на данный счет имеются самые разные.

Например, власти Индии, горячо желающие видеть свою державу на вершинах суперкомпьютерного Top500, уже объявили о целевом выделении без малого миллиарда долларов (точнее, около 940 млн.) на создание к 2017 г. самого быстрого в мире индийского суперкомпьютера. При этом задача ставится более чем амбициозная: задуманный правительством компьютер должен достичь производительности 132,8 экзафлопс, т.е. быть примерно в 1000 раз быстрее, чем самые мощные системы 2012 г.

Впрочем, известно и о других, в корне иных мнениях относительно достижимости всех подобных прожектов. Именно об этом имеет смысл рассказать чуть подробнее.

Все не так

Один из главных докладчиков на нынешней конференции ISC'12 в Гамбурге, американский эксперт Томас Стерлинг (Thomas Sterling), известен как соавтор популярной кластерной архитектуры Beowulf и пионер петафлопсных вычислений. Иначе говоря, как авторитетный человек, продуктивно занимающийся суперкомпьютингом свыше 30 лет. Доклад Стерлинга посвящен общему анализу мировых достижений в области высокопроизводительных вычислений за последние 12 месяцев. Наибольший же интерес представляют выводы эксперта, которыми он поделился в интервью отраслевому журналу HPC Wire незадолго до конференции.

По убеждению Стерлинга, ожидаемый вскоре переход к уровню экзафлопсных вычислений в реальности выглядит значительно иначе, нежели два предыдущих (тера- и пета-), происходивших на протяжении последних 30 лет. Причем здесь имеются даже два принципиальных, можно сказать фундаментальных, различия. Одно из них относится к прошлому, другое - к будущему.

Если говорить о прошлом, то в начале 1990-х гг. в компьютерной области происходила революция, одновременно предоставившая конструкторам дешевую DRAM-память, быстрые микропроцессоры, технологии объединения чипов в кластеры и тому подобные новые решения. Стратегия объединения этих прорывов, оказавшаяся в высшей степени успешной, работала несколько десятилетий. Однако та же самая стратегия уже вряд ли способна обеспечить осуществление вычислений экзафлопсного масштаба (кроме, разве что, очень узко специализированных обсчетов для тщательно подготовленных заранее данных).

Не получится это по той причине, поясняет Стерлинг, что средства и методы, прежде работавшие при данном подходе для решения ключевых проблем повышения производительности, более уже не могут считаться адекватными. Решение задач экзафлопсного масштаба подразумевает одновременное применение сотен миллионов процессоров, в которых параллельные вычисления предполагаются по миллиарду с лишним каналов. Если формулировать эту проблему предельно кратко, то эволюционные улучшения здесь уже не работают. Суперкомпьютинг подходит к порогу следующего «фазового перехода» – и в делах программирования высокопроизводительных систем, и проектирования их архитектуры, и общего обеспечения их функционирования.

Не углубляясь в подробности технической аргументации эксперта, достаточно проиллюстрировать масштаб проблемы лишь одним примером – чудовищными энергетическими расходами. По самым грубым прикидкам, на 10 петафлопс производительности ныне затрачивается около 10 МВт электроэнергии. Этого количества достаточно для питания, к примеру, 100 тыс. 100-Вт электролампочек или четырех-пяти огромных торговых центров вроде тех, что ныне строят в пригородах мегаполисов.

При типичных тарифах на электроэнергию около 10 центов за 1 кВт это составляет 1000 долл. в час или без малого 10 млн. долл. в год (не считая стоимости охлаждения и обслуживания). Хуже того, если будущая система экзафлопсного масштаба будет создаваться примерно на тех же конструктивных принципах, что и нынешние «петафлопсники», то она будет потреблять уже порядка 2 ГВт электричества. Для справки, данное количество примерно соответствует энергии, вырабатываемой ядерной электростанцией среднего размера. Понятно, что признать такую перспективу приемлемой чрезвычайно сложно...

Возвращаясь к выводам Томаса Стерлинга, осталось упомянуть и его второе «отличие момента», относящееся к будущему. Экзафлопсный рубеж, полагает эксперт, выглядит в корне иначе еще и потому, что он же, похоже, и последний, ибо крайне маловероятно, что после него мы продвинемся в будущем к еще одному, зеттафлопсному.

Прекрасно понимая, сколь опасно давать на будущее столь впечатляющие прогнозы, Стерлинг тут же уточняет свои слова: «Выражаясь более осторожно, мы никогда не достигнем рубежа зеттафлопсов с помощью традиционных дискретных операций с плавающей запятой». Конечно же, он признает, что далее человечество вполне способно разработать нечто совершенно новое. Возможно, это будет что-то типа квантовых компьютеров, или метафорических компьютеров, или же биологических компьютеров.

Но чем бы это ни было, это будет не тем, чем занимались создатели компьютеров последние семьдесят лет.