Магистральный самолет XXI века создан на основе расчетов суперкомпьютера ЮУрГУ

Павел Костенецкий, руководитель лаборатории суперкомпьютерного моделирования, точно знает – квалифицированные кадры и технологические возможности Южно-Уральского государственного университета способны вывести инновационные разработки вуза на международный уровень. И одним из первых в этом списке значится суперкомпьютер. О том, как создается суперкомпьютер, какие на нем производятся расчеты и кто их заказывает – руководитель лаборатории рассказал нашему корреспонденту.

Лаборатория суперкомпьютерного моделирования решает многочисленные научные задачи в области промышленности, инжиниринга, естественных и точных наук, а также наук о человеке. В рамках Проекта 5-100 и становления ЮУрГУ как научно-исследовательского университета лаборатория сумела объединить эти направления в единый комплекс исследований, подкрепленный  расчетами, выполненными на суперкомпьютере.

«В настоящее время никакие современные технологии невозможно создать без суперкомпьютера. Если нужно добиться максимальной производительности, минимального потребления энергии, создать высокоточные инструменты, для всего этого нужен суперкомпьютер. И чем более мощный суперкомпьютер работает над выполнением задачи, тем более точное оборудование можно смоделировать и создать в реальности», – говорит Павел Сергеевич.

Руководитель лаборатории суперкомпьютерного моделирования рассказывает, что представления простых людей о суперкомпьютере иногда оказываются очень забавными:

«Был случай, когда к нам на экскурсию пришел один человек, который не является специалистом в области суперкомпьютинга. Он зашел в лабораторию, посмотрел по сторонам и увидел в центре ноутбук. Это был ноутбук с которого воспроизводилась презентационные слайды. Он посмотрел на него, а потом сказал: “О! Какой маленький суперкомпьютер!” Это было очень смешно, потому что реальный суперкомпьютер находился вокруг него».

На самом деле есть несколько определений суперкомпьютера, но нет одного официального. Это связано с тем, что определение «суперкомпьютер» основано на мощности такой «машины». Прогресс в IT-сфере идет быстрыми темпами и самый мощный суперкомпьютер уже через 10 лет оказывается равным по производительности новому персональному компьютеру.

«Есть такое неофициальное определение: суперкомпьютер – это компьютер, который в тысячи раз мощнее современного ПК. Торнадо ЮУрГУ» с производительностью 473.6 Терафлопс, состоящий из 480 вычислительных узлов и имеющий 29184 ядер занимает 8 место в рейтинге ТОП50 наиболее мощных компьютеров СНГ, – рассказывает Павел Костенецкий. - Суперкомпьютер отличается высокой энергоэффективностью, обеспечиваемой за счет системы прямого жидкостного охлаждения».

Суперкомпьютер ЮУрГУ построен на базе серверных процессоров Intel Xeon и многоядерных ускорителей Intel Xeon Phi. Весь кластер – это совокупность 480 однотипных серверов, которые объединяются высокоскоростной сетью 40 Гигабит InfiniBand. У суперкомпьютера очень сложная коммуникационная сеть с топологией «толстое дерево». Именно за счет такого соединения производительность суперкомпьютера в сотни раз выше, чем при использовании обычной топологии «иерархическая звезда», которая требует для своей работы десятки раз меньше коммутаторов и соединительных кабелей. Благодаря такой коммуникационной сети все сервера могут работать над одной и той же вычислительной задачей, функционируя, как единый супервычислитель.

«Такой мощный суперкомпьютер можно сравнить с человеком. Сначала человек считал на счетах, потом появился калькулятор, компьютер и суперкомпьютер. В настоящее время наш суперкомпьютер «Торнадо ЮУрГУ» за одну секунду выполняет 473 триллиона операций над числами, содержащими по 38 цифр. Если предположить, что хороший математик может выполнять в минуту одну такую операцию, то ему потребуется около 90 000 лет, чтобы выполнить тот же объем вычислений, который делается суперкомпьютером за 1 секунду», – говорит Павел Костенецкий.

Дело в том, что есть два вида вычислительных задач: решаемые аналитически (по формулам) на обычном компьютере и задачи конечно-элементные. Именно последние задачи наиболее подходят для суперкомпьютеров. Например, нужно посчитать движение воздушного потока в турбине авиационного двигателя. Это очень сложная задача, которую невозможно описать аналитически. Для того, чтобы выполнять такие расчеты, ученые научились делить весь объект в памяти суперкомпьютера на десятки миллионов «кусочков», чтобы в каждом из них происходил расчет по десяткам уравнений. И это количество расчетов требуется выполнить для каждой микросекунды моделируемого процесса! А ведь сам процесс работы двигателя занимает огромное количество времени. Чтобы собрать все эти данные воедино и увидеть, как нужно улучшить авиадвигатель, нужны мощности суперкомпьютера. Причем, чем мощнее суперкомпьютер, тем более точные результаты решения задачи будут получены.

«У нас на суперкомпьютере выполнены расчеты двигателей для новейшего российского пассажирского самолета Ирку́т МС 21 («магистральный самолет XXI века»), который буквально на днях совершил свой первый полет. Это первый российский пассажирский самолет, который сделан полностью на отечественных технологиях. Самолетостроение – это только одна из множества сфер, где расчеты на суперкомпьютере не просто важны, они необходимы», – поясняет Павел Сергеевич.

На сегодняшний день Лаборатория суперкомпьютерного моделирования предоставляет вычислительный сервис для государственных и коммерческих проектов. Кроме того, суперкомпьютер активно используется для выполнения научных работ и исследований. Отечественные корпорации только начинают свой путь использования возможностей суперкомпьютеров. Если для зарубежных производственных «гигантов» суперкомпьютер – это настоящее, то для некоторых российских компаний – это будущее:

«С помощью суперкомпьютера разработка новой модели автомобиля за рубежом занимает не более 3 лет. Проектирование нового автомобиля в России пока занимает около 10 лет. Сейчас отечественный автопром тоже начал использовать возможности суперкомпьютеров, не на постоянной основе – экспериментально. Потому в России пока мало квалифицированных кадров, которые смогли бы не только обслуживать суперкомпьютер, но и работать на нем. Благодаря тому, что наш суперкомпьютер – это часть университета, мы сами можем учить кадры, которые работают у нас. Надо сказать, что системные администраторы, которые работают с такой сложной машиной – очень редкие и ценные сотрудники», – объясняет Павел Костенецкий.

Во всех магистерских программах университета, которые относятся к техническим и естественнонаучным направлениям, сотрудники Лаборатории суперкомпьютерного моделирования читают одноименный учебный курс «Суперкомпьютерное моделирование». Это сделано для того, чтобы выпускники ЮУрГУ знали основы работы на суперкомпьютере и могли самостоятельно выполнять высокопроизводительные расчеты, которые требуются в промышленном производстве для создания современной наукоёмкой продукции.