На втором дыхании. Уральский суперкомпьютер начинает новую жизнь.
Инфосфера
№ 26(2017)

30.06.2017

В конце минувшего года в Институте математики и механики им. Н.Н.Красовского УрО РАН впервые после пятилетнего перерыва прошла модернизация суперкомпьютера “Уран”, который в последнее время из-за отсутствия финансирования стремительно деградировал: производительность его падала, он выбыл из Топ-500 самых мощных компьютеров мира. Финансовая поддержка в размере 40 миллионов рублей, оказанная ФАНО России, позволила остановить этот процесс и повысить производительность “Урана” с 240 до 260 терафлопс. Сейчас наблюдается всплеск интереса уральских ученых, как академических, так и вузовских, к суперкомпьютеру, количество его пользователей растет. Он загружен полностью, днем и ночью, в выходные и праздники. В Топ-50 суперкомпьютеров СНГ “Уран” занимает 14-е место, остается самым мощным кластером в Екатеринбурге и одним из самых мощных на территории восточнее Москвы. Однако специалисты убеждены: для полноценного функционирования суперкомпьютера разовых вливаний недостаточно, нужно стабильное финансирование.

Модернизация как условие выживания 
Суперкомпьютерный центр коллективного пользования в ИММ УрО РАН был организован в 2010 году. Это стало возможным благодаря развитию технологий параллельных вычислений, инициированному в 1990-е годы академиками В.Левиным (НИИ “Квант”), А.Забродиным (Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН), тогдашним директором ИММ А.Сидоровым и Ю.Осиповым, возглавлявшим в те годы Академию наук. Под патронажем Уральского отделения РАН суперкомпьютерный центр получал регулярное финансирование, что позволяло постоянно наращивать мощность “Урана”. Рекордная сумма - 55 миллионов рублей - была выделена на его модернизацию в 2011 году, и в результате к 2013 году производительность кластера увеличилась на порядок, с 20 до 216 терафлопс. Специалисты суперкомпьютерного центра при выборе программного обеспечения ориентировались прежде всего на задачи, которые решали академические ученые, и число пользователей постоянно росло.
После перехода академических институтов в ведение ФАНО России финансирование суперкомпьютера катастрофически сократилось. Так, за три года, с 2013-го по 2015-й, на модернизацию “Урана” было выделено всего 9 миллионов рублей (в 2014 году). Вроде бы сумма внушительная, но только на непрофессиональный взгляд. Для поддержания суперкомпьютерного кластера на более или менее приличном уровне нужны дорогостоящие запчасти, очень много электроэнергии и система охлаждения, сравнимая по стоимости с самим кластером. Суперкомпьютер состоит из сотен вычислительных узлов, и что-нибудь выходит из строя минимум раз в неделю. Более того, ограничиться просто обслуживанием и текущим ремонтом нельзя, нужно постоянно наращивать производительность суперкомпьютера, менять старые вычислительные модули на более мощные и энергоэффективные. Суперкомпьютерный кластер морально устаревает очень быстро, и отказ от его модернизации по существу означает смерть. Именно это в последние годы угрожало суперкомпьютеру “Уран”.
Однако проблемы суперкомпьютерного центра ИММ УрО РАН связаны не только с отсутствием финансирования. После “отлучения” академических институтов от УрО возник, в частности, вопрос о правомочности совместного использования суперкомпьютера, обслуживаемого за счет бюджетных средств, организациями, никак между собой не связанными. Тем не менее отделению удалось сохранить хрупкую возможность коллективного использования суперкомпьютера сотрудниками уральских академических институтов.
Правда, с 2015 года в жизни суперкомпьютерного центра УрО РАН наметились некоторые положительные сдвиги. Правительство России поручило министерствам и ведомствам разработать механизмы, которые позволили бы студентам получать доступ к новейшему оборудованию, в том числе к суперкомпьютерам Академии наук. В прошлом году комиссия по развитию научной инфраструктуры при ФАНО России объявила конкурс на получение центрами коллективного пользования целевого финансирования, главными критериями которого стали рост числа пользователей, шаговая доступность мощностей, сокращение времени на ожидание просчета задач. Суперкомпьютерному центру средства были выделены. Уже заключены новые договоры с институтами, которые находятся в ведении ФАНО и раньше не имели доступа к суперкомпьютеру. Сейчас готовится договор с Уральским федеральным университетом, который будет участвовать в содержании и развитии суперкомпьютера “Уран”, при этом студенты, магистранты и аспиранты УрФУ получат доступ к его мощностям.
Бег на длинную дистанцию
То, что ФАНО России оказало поддержку суперкомпьютерному центру ИММ, - факт отрадный. Однако, как уже говорилось, необходима долгосрочная программа его развития. По мнению директора института члена-корреспондента РАН Николая Лукоянова, она должна включать средства на модернизацию не только непосредственно кластера, но также высокоскоростных коммуникационных каналов и быстродействующей системы хранения данных, учитывать увеличение потребления электроэнергии. Необходимо также предусмотреть достойный уровень заработной платы специалистов, которые обслуживают суперкомпьютер круглосуточно и работа которых связана с повышенной опасностью. Нужно сделать так, чтобы эти высококвалифицированные специалисты оставались в институте.
- Развитие суперкомпьютерных сетей на государственном уровне признано необходимым условием реализации Стратегии научно-технологического развития России, - отмечает Николай Юрьевич. - В свое время обсуждалась идея создания одного сверхмощного суперкомпьютера, на котором можно было бы считать всей страной. Однако это малоперспективно, поскольку задачи разного объема должны решаться на различных по мощности машинах. Для успешного технологического развития такой большой стране, как Россия, нужно иметь разветвленную сеть суперкомпьютеров. В одних регионах кластеры могут быть более мощными, в других - менее, и все они должны быть связаны между собой высокоскоростными телекоммуникационными каналами. Региональные суперкомпьютеры, ориентированные на решение разных задач, могут также различаться по архитектуре. Параллельное программирование требует не просто приобретения дорогостоящих программных пакетов, но их адаптации под конкретные задачи, а для этого в регионах нужны высококвалифицированные специалисты. Ведь создание уникальной архитектуры суперкомпьютерного кластера и инфраструктуры высокопроизводительных вычислений - это своего рода искусство. Еще сложнее научиться в полной мере использовать современные параллельные архитектуры при решении научных и технических задач.
В научных организациях суперкомпьютер должен быть ориентирован прежде всего на исследовательскую деятельность. Важнейшая задача нашего суперкомпьютерного центра - полноценное обеспечение вычислительными ресурсами академических институтов Уральского региона. Стабильное финансирование позволит нам регулярно модернизировать суперкомпьютер, а ученым - планировать, какие задачи они смогут на нем решать.
Много задач, хороших и разных
Сейчас на суперкомпьютере “Уран” работают сотрудники 14 институтов Уральского отделения. Тематика обсчитываемых задач разнообразна - это и материаловедение, и исследование прочностных свойств конструкций без воплощения в металле, и моделирование новых химических соединений, позволяющее просчитывать порции веществ объемом в сотни тысяч молекул, и биологические задачи, например создание моделей генетического распределения различных видов березы на Северном и Приполярном Урале. На суперкомпьютере можно смоделировать 100 миллионов запусков ракет - если какие-то из них и будут неудачными, то лишь в виртуальном пространстве. Использование вычислительного кластера жизненно необходимо ученым, работающим в областях, где натурный эксперимент невозможен. Так, виртуальная модель сердца, которую совместно разрабатывают сотрудники Института иммунологии и физиологии, Института математики и механики и екатеринбургские кардиологи, позволяет проигрывать разные сценарии развития сердечной недостаточности, отрабатывать технологии установки кардиостимуляторов, оценивать эффект лечения и возможные риски, выбирать оптимальные варианты хирургического вмешательства. Такую модель можно обсчитывать только на мощном кластере.
Специалисты отдела системного обеспечения ИММ УрО РАН уделяют большое внимание информационной и методической поддержке пользователей, проводят консультации по электронной почте и через информационный сайт.
...По словам директора ИММ Николая Лукоянова, параллельные вычислительные системы стали не просто основным инструментом моделирования практически во всех областях науки и производства - их использование в корне меняет научную парадигму, позволяя иначе посмотреть на задачи, к которым еще недавно, казалось, невозможно подступиться. Это мировой тренд, и, для того чтобы уральское академическое сообщество могло следовать в его русле, суперкомпьютер “Уран” должен обрести “второе дыхание”.
Елена ПОНИЗОВКИНА
Фото предоставлено ИММ УрО РАН

Вернуться к статье