Модернизация машиностроения на основе суперкомпьютерных технологий

Модернизация машиностроения

на основе суперкомпьютерных технологий

Е.В. Попова

к. э. н, член-корреспондент РАЕН, помощник руководителя

Администрации президента РФ

Стратегические компьютерные технологии и программное обеспечение определены в числе основных направлений деятельности Комиссии при Президенте Российской Федерации по модернизации и технологическому развитию экономики России, которой утвержден перечень проектов по направлению «Развитие суперкомпьютеров и гридтехнологий».

В своем Послании Федеральному Собранию Российской Федерации 12 ноября 2009 г. Президент Российской Федерации Д.А. Медведев отметил, что «в России должен быть в полном объеме задействован потенциал суперкомпьютеров, суперкомпьютер-ных систем, которые объединены высокоскоростными каналами передачи данных. С их помощью уже в пятилетней перспективе станет возможным проектирование новейших самолетов и космических аппаратов, автомобилей и ядерных реакторов. Ведь сложная техника, не прошедшая суперкомпьютерного моделирования, через несколько лет просто не будет востребована рынком».

Решение поставленной Президентом Российской Федерации задачи требует расширения мер поддержки и стимулирования внедрения суперкомпью-терных технологий, как важнейшей составной части модернизации и инновационного развития высокотехнологичных отраслей промышленности. Поэтому тема Форума особенно актуальна.

Создание и освоение в массовом производстве микропроцессоров в конце 70 — начале 80-х годов 20 века кардинально расширило масштабы применения информационных технологий: применение микропроцессоров сделало возможным массовое производство персональных ЭВМ, не требующих от пользователя специальной профессиональной подготовки в области вычислительной техники и программирования. Тем самым были созданы необходимые условия для тотального использования массовых информационных технологий на всех этапах единого процесса проектирования, конструирования, подготовки и функционирования производства, сопровождения новых изделий. Результатом этого стало существенное сокращение стоимости и сроков разработки новых изделий, а также сроков выхода на рынок.

По данным Совета по конкурентоспособности экономики США, массовые информационные технологии за последние 20 лет сократили сроки разработки новых моделей автомобилей в два раза с 5 лет в 80-х годах до 2,5 лет в настоящее время. Аналогичный процесс идет и в авиационной промышленности.

Одним из наиболее важных итогов тотального использования массовых информационных технологий в промышленности и торговле является формирование крупных компаний, которые по таким показателям, как контролируемая доля мирового рынка, годовой оборот и численность персонала, фактически соответствуют уровню отрасли. В США, Европе, Юго-Восточной Азии крупнейшие компании фактически являются основой ведущих отраслей и в целом экономики этих стран.

Стремительный рост технико-экономических характеристик супер-ЭВМ терафлопного класса сделал для основной массы инженеров и ученых возможным повседневное применение таких моделей и расчетных схем в проектировании новых изделий и в научных исследованиях, которые ранее для этой цели использовать было экономически нецелесообразно или практически невозможно.

Например, большое значение имеет использование суперкомпьютерных технологий в современном материаловедении, в нанотехнологиях.

Другим примером использования суперкомпью-терных технологий в процессе разработки новых изделий машиностроения является создание перспективного пассажирского лайнера Боинг-787. В апреле 2004 г. руководством корпорации Боинг было принято решение о создании этого лайнера по уплотненному четырехлетнему графику: завершение проектирования и подготовки производства 2006 г.; первый полет серийного образца лайнера — 2007 г.; первые поставки заказчикам — 2008 г. В процессе проектирования лайнера затраты на высокопроизводительную обработку данных были эквивалентны непрерывной трехсменной работе более 50 супер-ЭВМ в течение двух лет.

Все субподрядчики и поставщики, использовали для конструирования поставляемых узлов и подготовки документации один и тот же набор программного обеспечения и одни и те же форматы данных, заранее выбранных Боингом. Это позволило Боингу

ИННОВАЦИИ № 4 (138), 2010

ИННОВАЦИИ № 4 (138), 2010

В 2006 г. успешно провести виртуальное (компьютерное) изготовление и сборку Боинг-787.

В результате Боинг-787 — самый успешный самолет в мире по объему предварительных продаж. По состоянию на июнь 2009 г. 56 покупателей уже заказали 850 экземпляров самолета, несмотря на то, что серийное производство еще не начато.

Использование результатов моделирования на супер-ЭВМ поставщиками авиационных двигателей позволило снизить на 20% потребление топлива и объем вредных выбросов двигателей Боинг-787, а также улучшить на 8% их эксплуатационные показатели.

Технологии высокопроизводительной обработки данных в последние годы начинают интенсивно разворачиваться и в Европе.

Тема использования суперкомпьютеров для повышения конкурентоспособности стала в последние годы объектом интенсивных исследований Совета по конкурентоспособности экономики США. Совет является влиятельной некоммерческой организацией, в которую входят директора крупных компаний, профсоюзные лидеры и ректоры ведущих университетов. Основная цель его деятельности — подготовка действий, ведущих и упрочению лидерства США на глобальном рынке.

Недавний отчет Совета, посвященный автомобильной промышленносги, опубликован под девизом «Кто слаб в вычислениях, тот неконкурентоспособен». С целью обеспечения доминирования производителей США на мировом автомобильном рынке в этом отчете исследовалась проблема тотального моделирования и оптимизации конструкции автомобиля.

Исполнительная и законодательная ветви власти и ученые США единодушны во мнении, что в отличие от многих других секторов ИТ рынка суперком-пьютерный сектор должен быть заботой правительства США.

Очевидно, что в условиях рыночной экономики конкурентоспособность промышленной продукции национальных предприятий России, конкурирующих на мировом рынке с такими мировыми лидерами, как BOEING, FORD, General Electric и т. д., напрямую зависит от уровня их «вооруженности» массовыми информационными технологиями. Основным индикатором уровня этой вооруженности является производительность труда.

Если не принять четкой программы развития су-перкомпьютерных технологий в России, то мы можем значительно отстать в этой сфере вследствие уже сформированной за последние 10 лет в США и формируемой в настоящее время в Евросоюзе, Японии и Китае реальной основы внедрения нового поколения массовых информационных технологий суперком-пьютерных технологий в процессы проектирования, производства и сопровождения промышленных изделий. Это новое поколение информационных техноло-

гий базируется на супер-ЭВМ терафлопного и петаф-лопного класса с чрезвычайно высокой динамикой роста показателя производительность/стоимость.

В России, несмотря на имеющийся значительный научнотехнических задел в Российской академии наук, РНЦ «Курчатовский институт», Московском государственном университете, масштабы работ по созданию и использованию суперкомпьютерных технологий явно недостаточны.

По состоянию на август 2009 г. самый мощный компьютер России был установлен в суперкомпью-терном центре РАН и имел пиковую производительность 90 Тфлопс. На втором месте был суперкомпьютер МГУ с пиковой производительностью 60 Тфлопс. В это же время самый мощный компьютер в мире имел пиковую производительность 1375 Тфлопс.

Россия не про изводит собственной элементной базы или собственных вычислительных модулей для супер-ЭВМ и все российские супер-ЭВМ либо куплены у зарубежных производителей (IBM, Hewlett-Packard, SGI), либо собраны из готовых узлов, также купленных за рубежом.

Хотя суммарная вычислительная мощность 50 крупнейших российских супер-ЭВМ в последние годы растет быстрыми темпами, этот рост в основном достигается за счет увеличения мощности супер-ЭВМ, установленных в системах науки и образования, в то время как за последние три года доля российских супер-ЭВМ, установленных в промышленности, упала до 5%.

Для примера: В США доля супер-ЭВМ, используемых в промышленности, в последние годы достигла 50%.

Падение доли российских супер-ЭВМ, используемых в промышленности объяснимо. Растущее в последние годы государственное финансирование инструментов высокопроизводительных вычислений в России предусматривает только затраты на разработку и закупки аппаратуры супер-ЭВМ, а на разработку и закупку прикладного программного обеспечения для российских супер-ЭВМ средства практически не выделяются. Это приводит к тому, что пользователи вновь приобретаемых супер-ЭВМ, либо должны использовать распространяемые программы для суперЭВМ, либо разрабатывать собственные вычислительные программы.

Отсутствие в России опережающего финансирования разработок вычислительных программ для супер-ЭВМ приводит к тому, что обеспечиваемый государством рост производительности парка установленных в России супер-ЭВМ тратится на экспериментальные работы, и не используется для увеличения конкурентоспособности российских предприятий на мировом рынке.

Сегодня, в начале XXI века, ни выход на мировые рынки, ни удержание уже захваченных ниш мирового рынка практически немыслимы без использования технологий высокопроизводительных вычислений.

Опыт создания и эксплуатации в России масштабируемых супер-ЭВМ на основе «сборочных» технологий, а также научно-технический задел в области создания 64- и 128-разрядных микропроцессоров, имеющийся в Научно-исследовательском институте системных исследований Р АН, являются достаточной основой для создания в сжатые сроки супер-ЭВМ на отечественной элементной базе производительностью до 100 Тфлопс.

На порядок более трудной задачей представляется создание полного комплекта прикладного программного обеспечения и методики его использования, необходимых для получения «прорывных» результатов в области разработки изделий машиностроения, конкурентоспособных на мировом рынке. Для решения этой задачи потребуется создание коллективов теоретиков, экспериментаторов, конструкторов и технологов, вычислителей и программистов для разработки методов детального предсказательного моделирования.

Принятие в ближайшее время (2009-2010 гг.) закона о государственной поддержке работы в области высокопроизводительной обработки данных и развертывание в те же сроки российского аналога американской программы поддержки высокопроизводительных вычислений (НРСС, 1995) с адекватным объемом финансирования позволило бы к 20142016 гг. обеспечить российским машиностроителям приемлемый паритет в этой области с мировыми лидерами и создать необходимые условия для обеспечения конкурентоспособности российских изделий на мировом рынке.

Необходимо отметить, что в настоящее время ведется активная работа по проектам, утвержденным Комиссией при Президенте Российской Федерации по модернизации и технологическому развитию экономики России:

1) создание базового ряда отечественных суперЭВМ с различными эксплуатационными характеристиками;

2) развитие грид-систем для высокопроизводительных вычислений;

3) разработки базового программного обеспечения для супер-ЭВМ;

4) разработка отечественного программного обеспечения для технологий проектирования и имитационного моделирования на супер-ЭВМ;

5) создание системы подготовки высококвалифицированных кадров в области суперкомпьютерных технологий и специализированного программного обеспечения.

Одним из основных направлений реализации проекта по созданию базового ряда супер-ЭВМ является разработка и производство компактных супер-ЭВМ для вычислительных центров и отраслевых предприятий.

В 2009 году созданы опытные образцы компактных супер-ЭВМ для оснащения организаций высокотехнологичных отраслей промышленности.

Поставлена задача по оснащению в 2010 году 11 организаций высокотехнологичных отраслей промышленности.

В части создания грид-систем для высокопроизводительных вычислений оптимальным считается вариант создания вычислительной среды, сочетающей мощные супер-ЭВМ производительностью более 100 Терафлопс для проведения полномасштабного имитационного моделирования при решении сложных задач и супер-ЭВМ невысокой производительности 1-5 Терафлопс, устанавливаемые на предприятиях.

Особое значение для технологической модернизации имеет разработка отечественного программного обеспечения для технологий проектирования и имитационного моделирования на супер-ЭВМ.

Необходимо к 2012 году создать базовые отечественные пакеты программ для имитационного моделирования на супер-ЭВМ, провести их сертификацию и передать заинтересованным организациям высокотехнологичных отраслей промышленности для внедрения в процессы проектирования и создания новой техники.

В части создания системы подготовки высококвалифицированных кадров в области суперкомпью-терных технологий и специализированного программного обеспечения проходит согласование проект целевой про граммы подготовки и переподготовки высококвалифицированных специалистов в области суперкомпьютерных и грид-технологий. Срок реализации про граммы — до 2012 года.

ИННОВАЦИИ № 4 (138), 2010