Парад кремниевых войск: к чему приведет мировая гонка суперкомпьютеров

Между тем, они являются не единственной сферой применения полупроводников. В историческом масштабе важнее развитие высокопроизводительных вычислений (high performance computing – HPC) на суперкомпьютерах. Причем здесь тоже разворачивается своеобразная гонка с геополитическим подтекстом.

«Профиль» рассказывает о трендах в мире суперкомпьютеров и перспективах традиционной кремниевой электроники в контексте развития квантовых вычислений.

Железные супергерои

Суперкомпьютерам требуются особые микросхемы. Так, месяц назад компания Cerebras представила самый мощный в мире процессор WSE-2, изготовленный по техпроцессу 7 нм из цельной кремниевой пластины диаметром 30 см (площадь готового изделия – 21х21 см). 2,6 трлн транзисторов и 850 тыс. ядер позволяют чипу-чемпиону моделировать физические явления (например, ядерную реакцию) быстрее, чем они протекают в реальности. Стоимость WSE-2 пока не объявлена, у предыдущей модели WSE-1 она составляет порядка $2 млн.

Технологии таких чипов тоже совершенствуются, причем решающим параметром является уже не техпроцесс, а размер кремниевой пластины. К примеру, тайваньская компания TSMC (именно она делает чипы для Cerebras) планирует в ближайшие годы перейти от 30-сантиметровых пластин к 45-сантиметровым, построив для этого четыре крупных завода. Но это лишь один из способов усовершенствования суперкомпьютеров. Каждый из них сам занимает территорию, сравнимую с заводской, и состоит из сотен или тысяч процессоров, ускорителей и сопроцессоров. Решающее значение приобретает архитектура вычислений: оптимальная организация работы «железа», логический порядок передачи и обработки данных.

«Если в гонке техпроцессов есть физический лимит, связанный с тем, что нельзя разрезать атом пополам, то в вопросе архитектур потолок не просматривается – всегда можно реализовать вычисления хитрее, изысканнее, – рассказывает «Профилю» председатель Лиги независимых ИТ-экспертов Сергей Карелов. – Бить рекорды по нанометрам суперкомпьютерам необязательно: большинство успешно работает на чипах 10-12 нм. Что касается международной конкуренции, то уменьшение техпроцесса – простая механическая задача, хоть для нее и нужна высокая культура производства, свойственная азиатским странам. Создание же суперкомпьютеров – настоящее инженерное искусство. Пока здесь лидируют американские компании: Intel, NVIDIA, AMD. Но соперничество будет обостряться. Ведь суперкомпьютеры стоят у основ цивилизации, без них невозможны фундаментальные прорывы. В том числе от них зависит сама индустрия чипов: новые техпроцессы проектируются с помощью high performance computing».

Вычисляй и властвуй: как разработка микросхем приобрела геополитическое значение

Детальные метеопрогнозы и предсказание стихийных бедствий, обработка данных со спутников и радиотелескопов, исследования в области нейробиологии и генной инженерии, разработка материалов и лекарств – таково поле деятельности суперкомпьютеров. В эпоху пандемии они также участвуют в создании вакцин от коронавируса и анализируют пути распространения инфекции. Штутгартский центр высокопроизводительных вычислений, например, разработал программу, позволяющую моделировать загруженность коек в больницах Германии.

Отдельный фронт работы связан с искусственным интеллектом. Тренировка нейросетей требует постоянного роста вычислительных мощностей. Сложность нейросетевых моделей измеряется числом параметров (чем больше, тем «умнее» ИИ). В 2019 году вышла модель GPT-2, заточенная на имитацию человеческого общения, с 1,5 млрд параметров. Спустя год появилась GPT-3 со 175 млрд параметров. А в последней версии модели рекомендаций Facebook (DLRM-2021), благодаря которой соцсеть «понимает» предпочтения пользователей, содержится уже 1 трлн параметров.

«С обучением таких моделей связаны самые «тяжелые» расчеты, – комментирует Карелов. – Пока мы даже не приблизились к задаче полного моделирования человеческого мозга. Предполагается, что для этого необходимы модели минимум со 100 трлн параметров. Будем ждать, когда появится соответствующее «железо». Сами глубинные нейронные сети были описаны британским ученым Джеффри Хинтоном еще в 1986 году. Потребовалась четверть века, чтобы появилась техника, на которой стало возможным реализовать его теорию».

В этих условиях рынок суперкомпьютеров переживает инвестиционный бум. По данным Hyperion Research, каждый доллар, вложенный в HPC, приносит $44 прибыли. Ежегодно рынок растет на 9%, к 2024 году его объем составит $21 млрд. Главные игроки – Hewlett Packard Enterprise (37,2% в 2019 году), Dell (22%), Inspur (6,6%), Lenovo (6,6%) и IBM (3,6%).

Курс доллара к петафлопсу

Быстродействие суперкомпьютеров измеряют в петафлопсах: 1 Пфлопс равен квадриллиону операций в секунду. Сейчас в топ-500 суперкомпьютеров мира значатся 214 китайских, 113 американских и 34 японских, еще 82 работают в странах ЕС (рейтинг доступен на сайте top500.org, очередное обновление ожидается в июне). Пятерка мощнейших выглядит так:

1. Fugaku (Япония) – 537 Пфлопс
2. Summit (США) – 201 Пфлопс
3. Sierra (США) – 126 Пфлопс
4. Sunway (Китай) – 125 Пфлопс
5. Selene (США) – 79 Пфлопс

В 2010 году чемпионом стал китайский Tianhe-1A с показателем 4,7 петафлопс, то есть за десятилетие производительность выросла примерно в 100 раз. Эти гиганты быстро устаревают: еще в 2012-м американский Titan возглавлял рейтинг, а год назад был сдан в утиль (демонтаж 195 тонн оборудования занял почти месяц).

Какие технологические тренды станут ориентиром для бизнеса в 2021 году

Скоро на смену петафлопсам придет новый порядок чисел – экзафлопсы. Первенцем должен стать компьютер Frontier с мощностью 1,5 Эфлопс. В конце текущего года он заработает в Национальной лаборатории Ок-Ридж (США) и будет изучать поведение галактик. Также в США создаются суперкомпьютеры El Capitan (2 Эфлопс, 2023 год) и Aurora (1 Эфлопс, был запланирован на 2021-й, но отложен из-за проблем Intel с техпроцессом 7 нм).

В Китае еще в прошлом году планировали запустить экзафлопсные компьютеры от компаний Sunway и Phytium, но санкции США помешали этому плану. В частности, Phytium, создававшая систему Tianhe-3 для предприятий китайского ВПК, лишилась возможности закупать чипы 7 нм у тайваньской TSMC.

В Европе пока ограничились компьютером LUMI на 550 Пфлопс: его запустят этим летом в Финляндии. Были также планы создания экзафлопсной машины. Но год назад выяснилось, что у ЕС на это не хватает денег.

А денег требуется много. Создание американских Aurora и Frontier оценено в $500 млн и $600 млн соответственно. Япония потратила на действующего рекордсмена Fugaku $1 млрд. А Китай планирует установить на космодроме Вэньчан вычислитель стоимостью $3 млрд.

Что касается России, то в 2010 году в рейтинге топ-500 присутствовали 12 отечественных суперкомпьютеров. Сейчас представительство РФ сократилось до двух машин: «Кристофари» (8 Пфлопс, принадлежит «Сберу») и «Ломоносов-2» (5 Пфлопс, МГУ).

Квантовая запутанность

Параллельно разворачивается еще более захватывающий сюжет – разработка квантовых компьютеров. Это что-то вроде Святого Грааля информационной науки. Производительность квантовых вычислителей настолько выше, чем кремниевых, что даже сравнивать неловко. Так, в прошлом году квантовый компьютер Шанхайского университета за несколько минут решил задачу по отбору проб гауссовских бозонов: у лучших суперкомпьютеров на нее ушло бы 2,5 миллиарда лет.

Удалось ли Google добиться квантового превосходства

Неудивительно, что квантовыми вычислениями активно интересуются те же действующие лица: ИТ-корпорации (IBM, Intel, Google, Microsoft) и правительства ведущих стран. Национальные программы развития квантовых технологий приняты в США (бюджет – почти $1,8 млрд в 2019-2024 годах), Великобритании (235 млн фунтов на тот же период), Китае (суммарные затраты по разным проектам свыше $10 млрд), России (58,8 млрд руб. согласно дорожной карте до 2024 года), Евросоюзе (1 млрд евро), Тайване ($282 млн на пять лет), Израиле ($362 млн на пять лет) и так далее.

Однако ни одного квантового компьютера, который являлся бы рыночным продуктом, пока не создано. Для этого требуется разрешить целый ряд фундаментальных проблем. По сути, это вызов самой природе – подчинить воле человека квантовые частицы, пребывающие в принципиально неопределимом, «запутанном» состоянии.

Прогресс идет небыстро. Идея квантового компьютера была сформулирована в 1980-х годах, первые лабораторные экземпляры появились в конце 1990-х. Самым прозрачным параметром производительности такого устройства является количество используемых квантовых битов – кубитов. В 2000-х счет кубитам шел на единицы, в 2010-х – на десятки. В этом году ожидается запуск компьютера IBM со 127 кубитами.

«Для практического применения требуются квантовые системы, состоящие из многих тысяч кубитов, – объясняет Сергей Карелов. – Но пока их создать не удается: информационный шум, то есть процент ошибок в вычислениях, растет быстрее, чем отдача от этих вычислений. Понятно, что квантовый компьютер – популярная медийная тема. Но для профессионалов очевидно, что в ближайшие 20-30 лет прорыва здесь не случится. Как минимум до середины века это будет гибридный вычислитель: квантовый чип для решения узкоспециализированной задачи плюс обычный суперкомпьютер, который обсчитывает все остальное».

На наш век хватит кремниевой электроники, подтвердил «Профилю» футуролог Евгений Кузнецов. «Динамика технологического развития человечества описана в одним из основателей Intel Гордоном Муром в 1965 году, – напоминает он. – По его наблюдению количество размещаемых на плате транзисторов увеличивается вдвое каждые 24 месяца. В современном прочтении эта формула выглядит чуть иначе: двукратное падение стоимости вычислений за два года. Но в целом закон Мура действует. Причем, если проанализировать, он действовал еще до цифровой эры, в эпоху механических вычислителей. Все течение мировой истории, экономическое и интеллектуальное развитие человека формируют эту стрелу времени. Уже сегодня у нас в кармане лежит смартфон, превосходящий компьютер, который когда-то отправил человека на Луну. А через 10 лет у каждого будет девайс помощнее сегодняшних суперкомпьютеров».