В первых числах марта текущего года компания Nvidia объявила, что Нижегородский государственный университет (ННГУ) им. Н. И. Лобачевского первым в России и СНГ получает статус Исследовательского центра CUDA (программно-аппаратной архитектуры, позволяющей использовать графические процессоры для вычислений общего назначения).

Данное сообщение было сделано в рамках прошедшей в ННГУ конференции “Применение гибридных высокопроизводительных вычислительных систем для решения научных и инженерных задач”, на которой представители университета объявили о намерении установить суперкомпьютер, использующий вычислительные системы на базе процессоров Nvidia Tesla.

Родина ВМК

Чтобы понять, почему вышеупомянутого статуса первым удостоился именно ННГУ, стоит коротко рассмотреть некоторые аспекты его истории. Основанный в 1916 г., это был первый вуз Нижнего Новгорода, созданный к тому же не по указу государя, а на народные средства.

Как любит говорить ректор ННГУ Евгений Чупрунов, когда у него возникает необходимость провести презентацию своего университета, он вообще очень часто употребляет слово “первый”. В контексте высоких технологий имеет значение то, что в 1945 г. в ННГУ появился первый в СССР радиофизический факультет (стране нужна была радиолокация), а в 1963 г. — первый факультет вычислительной техники и математики (на 8 лет раньше, чем в МГУ им. М. В. Ломоносова). По словам нынешнего декана ВМК ННГУ Виктора Гергеля, при первом наборе на 50 бюджетных мест было подано 1500 заявлений.

Обращаясь к новейшей истории, нетрудно заметить, что ННГУ на сегодняшний день является одним из самых прогрессивных и престижных вузов страны (показатель трудоустройства выпускников в пять раз выше, чем в среднем по области). Как отмечает г-н Чупрунов, за последние пять лет университет участвовал во всех крупных государственных конкурсах и выиграл все, что только можно было выиграть. Так в 2006 г. он в первой волне оказался одним из 17 финалистов конкурса инновационных образовательных программ, проводимом в рамках нацпроекта “Образование”. Потом была победа в конкурсе проектов по созданию центров нанотехнологий. Далее, в 2009 г. ННГУ опять же в первой волне получил статус Национального исследовательского университета. А в прошлом году выиграл все гранты по трем постановлениям Правительства РФ № 218, 219 и 220 — создание структуры инноваций, приглашение выдающихся ученых из-за рубежа (всего их сорок по России, двое из них — в ННГУ), финансирование совместных с бизнесом разработок и внедрение в промышленность результатов научной деятельности.

Что касается непосредственно суперкомпьютерных технологий, то они, по уверению г-на Гергеля, являются одним из приоритетных направлений в ННГУ, и анонсированная выше покупка кластера будет осуществлена в рамках развития Национального исследовательского университета.

Суперкомпьютерные реалии

Как сообщил на конференции г-н Гергель, в этом году в университете будет поставлена гибридная вычислительная система на графических процессорах с пиковой производительностью 100 Тфлопс. В следующем году ее планируется нарастить до 500 Тфлопс, что, по мнению г-на Гергеля, не только является знаковым показателем для нашей страны, но и станет заметным явлением в мире в целом.

Как можно было понять со слов декана ВМК, аспекты позиционирования играют для ННГУ далеко не последнюю роль — установка столь мощного кластера позволит восстановить “законные” позиции университета в отечественной суперкомпьютерной области. Однако на первом месте — разумеется, высочайшая потребность ННГУ в массовых вычислениях.

Г-н Гергель считает, что в вопросах приобретения оборудования Нижегородский университет отличается разумным и взвешенным подходом. Вспоминая конкурс нацпроекта “Образование” он отмечает, что не было практически ни одного вуза-финалиста, который бы не приобрел тогда суперкомпьютер. Началось все с Томского государственного университета, установившего кластер пиковой производительностью порядка 20 Тфлопс. И дальше все старались его переплюнуть, приобретая более мощные системы (дошло до того, что негласно существовала единица измерений “1 томский университет”, не дотянуть до которой ректоры зачастую считали ниже своего достоинства).

ННГУ в этой гонке участвовать не стал. По словам г-на Гергеля, несмотря на то, что после победы в конкурсе в 2006 г. деньги можно было особо не считать, в университете был проведен детальный анализ используемых мощностей, после чего было принято решение об увеличении их в десять раз (фантастически большая цифра) — ННГУ приобрел систему производительностью 3 Тфлопса.

Сегодняшние аппетиты университета, по словам г-на Гергеля, объясняются тем, что уже через два года после установки предыдущего кластера все мощности оказались задействованы, а время ожидания для пользователей составило порядка недели.

Кроме того в настоящий момент для ННГУ одним из актуальных направлений развития является изучение живых систем (не только фундаментальные исследования, но и реализация практических приложений в биоинформатике и медицине). Проведение работ в этой области предполагает активное математическое моделирование и существенные вычислительные эксперименты. Оценки специалистов показали, что для того, чтобы получать результаты расчетов за приемлемое время (когда исследователь еще соглашается подождать), система должна обладать производительностью порядка 1 Пфлопс минимум. Так что, по уверению г-на Гергеля, даже при намеченных темпах развития материальной вычислительной базы ННГУ, университет все равно несколько отстает от реалий времени.

О гибридности

Как уже было упомянуто выше, новый кластер ННГУ будет иметь гибридную архитектуру. По мнению г-на Гергеля, когда речь идет о столь серьезных мощностях, она не имеет альтернативы с точки зрения энергетических и финансовых затрат. Кроме того анализ задач, которые потребуется решать в рамках проблематики исследования живых систем, показал, что необходимые вычисления крайне эффективно могут быть выполнены на системах именно гибридной архитектуры.

С точки зрения г-на Гергеля, подобные системы с использованием графических процессоров (созданных изначально для работы с компьютерной графикой) для расчетов общего назначения — это некое новаторство и отчасти пока еще экзотика (несмотря на то, что три из пяти мощнейших вычислителя планеты по версии последней редакции рейтинга Top 500 созданы на основе гибридных технологий). По мнению же специалистов Nvidia (безоговорочного лидера данного сегмента рынка), мы уже имеем дело со своего рода мэйнстримом. По уверению представителя компании Антона Джораева, графические процессоры в суперкомпьютинге — это на сегодняшний день отнюдь не какая-то уникальная тематика, а полноценная экосистема, в состав которой входят и устройства на базе данных решений, и всевозможные программные пакеты — существуют средства разработки, есть поддержка разных ОС и т. д.

При этом г-н Джораев подчеркивает, что графические процессоры и процессоры стандартной архитектуры взаимозаменяемыми отнюдь не являются. Перспективным направлением развития высокопроизводительных вычислений представляется использование гибридных тандемов, в которых есть обычный центральный процессор (ЦП), выполняющий последовательные действия, и графический процессор (ГП), который выполняет задачи, связанные с обработкой больших массивов данных. Грубо говоря, ЦП подготавливает данные, передает их на ГП, тот с ними работает (поскольку он делает это быстрее за счет распараллеливания) и возвращает результат назад.

Проблемы и перспективы

Покупка кластера сама по себе решает лишь часть проблем университетского суперкомпьютинга. Как отмечает г-н Гергель, несмотря на победу в конкурсе в рамках нацпроекта “Образование”, позволившего полностью переоснастить материально-техническую базу ННГУ, приведя ее практически в идеальное состояние, ни копейки из полученных 800 млн. руб. потратить на зарплаты сотрудникам вуз не мог. И бюджет Национального исследовательского университета формируется по тому же принципу.

То есть все поставлено на уровень проектной работы — финансирование появляется под конкретные проекты, в то время как вузу требуются и фундаментальные исследования. Например ННГУ очень гордится успехами в качественных исследованиях дифференциальных уравнений, но заключить по этой тематике какой бы то ни было договор с коммерческим предприятием, мягко говоря, сложновато.

Существуют также и проблемы системного характера. По наблюдению г-на Гергеля, если в увеличении производительности систем закон Мура все также не позволяет усомниться в своей справедливости (удвоение вычислительных мощностей каждые полтора—два года), то в производстве ПО ситуация совершенно иная. В силу множества причин средняя производительность труда программиста не меняется уже много лет и составляет примерно 10 строк кода в день. А когда речь идет о параллельном программировании, то сложность процесса возрастает на порядок. (Кстати усложнение процесса программирования за счет добавления в железо графических процессоров г-н Гергель считает не слишком значительным.)

В целом сегодняшнюю ситуацию в параллельном программировании г-н Гергель считает сходной с той, что была в обычном программировании начала 60-х годов ушедшего века — начало пути; не так уж много новаций и новых подходов, хотя работы активно ведутся.

Говоря о финансовой стороне предстоящей инсталляции, г-н Гергель вспоминает, что когда принималось решение о выделении средств на покупку кластера из бюджета Исследовательского университета, он предоставил ректору отчет обо всех работах, которые были проведены в университете в рамках суперкомпьютерной тематики за последние 15 лет (первый серьезный вычислитель был приобретен ННГУ в 1995 г.). Оказалось, что за это время объем привлеченного финансирования (коммерческие проекты, гранты) полностью покрыл все расходы вуза на развитие суперкомпьютерного хозяйства. То есть в принципе суперкомпьютерные технологии — это не только область бюджетных дотаций; они самодостаточны и самоокупаемы.

Что касается деталей будущего приобретения, о них пока можно говорить лишь теоретически — тендер на поставку еще не объявлен. Со слов г-на Гергеля можно было заключить, что 100-терафлопсный кластер обойдется вузу примерно в 80 млн. руб. Порядка 20% составят средства вуза; остальное планируется восполнить за счет партнеров, с которыми сейчас ведутся переговоры.

Кто станет поставщиком решения, говорить опять же рано. Правда с большой долей вероятности можно предположить, что участие в конкурсе как минимум примет компания “Т-Платформы”. Именно ее (наряду с Nvidia и Intel) г-н Гергель назвал стратегическим партнером ННГУ, который не просто поставляет железо, а полноценно развивает так называемую экосистему высокопроизводительных вычислений. Впрочем тендер пройдет в полном соответствии с положениями федерального закона № 94 (о размещении заказов на поставки товаров, выполнение работ, оказание услуг для государственных и муниципальных нужд), так что ННГУ, естественно, будет рассматривать предложения и других вендоров.