Наши суперЭВМ
у порога безопасности США
Софтмаркет № 26 (234), 1996
На прошедшей в конце мая выставке "Российские информационные технологии двойного применения" (см. "SM" № 23/1996) демонстрировалась суперЭВМ семейства МВС-100. Эти многопроцессорные вычислительные системы разработаны совместно НИИ "Квант", Институтом прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Институтом математики и механики Уральского научного центра РАН и Федеральным ядерным центром (Арзамас-16).
Несмотря на небольшие габариты и не очень презентабельный внешний вид, больше напоминающий макетные разработки, это мощная вычислительная система, производительность которой можно легко наращивать в очень большом диапазоне - до сотен GFlops. Например, теоретически достижимая пиковая производительность варианта системы МВС-100, показанного на выставке, составляет 100 GFlops. Компьютеры семейства МВС-100 - модульные, причем каждый модуль по производительности на матричных задачах примерно в четыре раза превышает ПК с процессором Pentium-100. В каждой из работающих сейчас машин (а их уже около 20) установлено столько модулей, на сколько у заказчика хватило задач, как, например, в Центре управления полетами, где клавный критерий - обязательное выполнение полного комплекта вычислений, или денег. Самая мощная пока в нашей стране конфигурация МВС-100 утановлена в ИПМ им. Келдыша и содержит четыре стойки с общим числом модулей более 100. Но это далеко не предел наращивания производительности системы.
Машины семейства МВС-100 стоят в среднем $30 - 60 тыс.(включая установку), т.е. в восемь раз дешевле, чем соизмеримые по производительности компьютеры фирмы Convex.
Но эти машины представляют интерес не только с точки зрения традиционно оцениваемого соотношения цена/производительность, хотя в наших условиях на первое место часто выходит именно цена. Они обладают и рядом преимуществ стратегического характера, о которых рассказывает один из ведущих разработчиков МВС-100, главный инженер отделения параллельных систем НИИ "Квант" Андрей Масалович:
- Во-первых, это чисто отечественная разработка, все ее составляющие - элементная база, архитектура, ПО - будут развиваться даже в случае полного прекращения Западом экспорта критических технологий в Россию. Например, сейчас мы используем зарубежные микропроцессоры, но они могут быть воспроизведены в нашей стране, и уже решается вопрос о приобретении лицензии на их производство.
Во-вторых, по нашему мнению, это единственная (другие считают, одна из нескольких) среди отечественных суперЭВМ, которая способна перейти критический порог 10 GFlops, считаемый в США угрожающим их национальной безопасности.
В-третьих, это единственный суперкомпьютер в мире - не боюсь этих слов, "сохраняющий работоспособность при отсутствии финансирования". Иначе говоря, на нем могут работать даже те заказчики, у которых нет денег - в отличие от других отечественных суперЭВМ (например, "Эльбрус", "Базальт"), чтобы получить доступ к которым, нужно иметь средства на их приобретение, освоение и т.д. Специалисты, нуждающиеся в компьютерах сверхвысокой производительности для решения важных для оброноспособности страны задач, но не имеющие денег, могут работать на всех установленных в различных городах страны системах МВС-100 бесплатно. Например, они могут приехать к нам в НИИ "Квант" и работать без всякой оплаты. Кроме того, мы предоставлем доступ к этим машинам по сети Internet. В тех же случаях, когда для решения задач все-таки необходимо установить систему на месте у заказчика, не имеющего денег, мы проводим некоторую многоходовую комбинацию, в результате которой он, не платя денег впрямую, получает суперЭВМ, как бы за счет той части госфинансирования, которая выделена на этот проект.
Работы по созданию суперЭВМ ведут в настоящее время несколько фирм в США, Германии, Великобритании, Японии, причем в плане технологии и конструкции систем достигнуты определенные пороги. Например, ясно, что в ближайшие два-три года не удастся создать более производительный процессор, чем 21164А фирмы Digital с тактовой частотой 500 МГц и пиковой производительностью до 1 GFlops. Борьба между производителями суперЭВМ идет в основном на уровне архитектуры, и пока она никем не выиграна. У каждой из ведущих фирм - Cray, Convex, Parsitec, "родителей" МВС-100 - своя архитектура. Каждая из них обладает определенными достоинствами и недостатками.
------------------
Производительность компьютеров большой мощности принято измерять в единицах, которые называются MFlops и GFlops и означают соответственно миллион и миллиард операций с плавающей точкой в секунду.
Производительность суперЭВМ принято измерять в единицах, которые называются MTops(миллион теоретических операций в секунду) или GTops (миллиард теоретических операций в секунду) и характеризуют суммарную производительность вычислительного модуля и системы коммутации.
Какой-либо простой зависимости между MFlops (GFlops) и MTops (GTops) не существует.
------------------
С точки зрения архитектуры суперЭВМ семейства МВС-100 представляют собой системы класса MIMD, т.е. системы с множественными потоками команд и данных. Используется виртуальная общая память; физически она не реализована, так как наличие физической общей памяти, хотя и повышает производительность, но значительно удорожает систему, которая к тому же перестает быть полностью масштабируемой. Для удешевления системы выбран также самый простой способ коммутации сообщений - так называемый message passing.
Для МВС-100 написано оригинальное ядро ОС, благодаря чему она оказалась примерно на 15% компактнее, а также более быстродействующей, чем, например, Gelios и подобные ей ОС, используемые в ряде западных суперЭВМ. Кстати, пользователя наличие незнакомой ОС не должно заботить: на терминале он работает в привычной для него среде - MS-DOS, Windows или Unix.
Еще одна особенность этих машин - применение оригинального и эффективного метода устранения тупиковых ситуаций, это результат многолетней работы отечественных специалистов, который сейчас патентуется в США.
Важным преимуществом нашей архитектуры, отмечает Андрей Масалович, является линейная масштабируемость, т.е. число вычислительных модулей в системе можно наращивать до необходимого уровня производительности, начиная с одного модуля и добавляя по одному модулю. Даже если у нашего заказчика есть деньги только на один модуль (стоимость $5 тыс.), он может купить его, установить в обычный ПК и, пользуясь разработанными нами программными средствами, начать писать программы для суперкомпьютера, который планируется приобрести лишь через год-два.
Структура вычислительного модуля МВС-100
История суперЭВМ МВС-100 восходит к 1991 году. Ее разработчики начинали тогда с освоения транспьютерной технологии. Поставленная перед ними задача звучала так: в стране должны быть вычислительные средства - неважно, каким путем полученные - для решения определенного класса задач. Сначала созданные ими устройства были аналогами западных транспьютерных модулей, затем появилась и оригинальная архитектура. Применяемый в настоящее время модуль имеет до 64 Мб оперативной памяти при процессоре-вычислителе, до 8 Мб памяти при коммутационном процессоре и представляет собой полноценную суперЭВМ с пиковой производительностью, равной производительности первого компьютера Cray-1 - 100 MFlops. Благодаря наличию в каждом модуле собственного комутационного узла, их можно соединять между собой без дополнительных компонентов. Используется процессор Intel860XP (пока используется, поскольку дело идет к освоению производства таких процессоров в России), который, несмотря на свой возраст, по-прежнему остается в числе лидеров по производительности на векторно-матричных задачах. Планируется, что он останется на вооружении американской армии до 2000 г., так что это один из немногих примеров, когда нам не приходится догонять Америку - мы идем вровень.
------------------
Пресловутый КОКОМ (Комитет по контролю за экспортом высоких технологий в страны бывшего соцлагеря), как известно, ликвидирован. Но идеи его живы. В США при Стэнфордском университете осталась организация под названием Центр международной безопасности и контроля над вооружениями, которая занимается оценкой критических (с точки зрения безопасности США) технологий. По мнению специалистов этого центра, в настоящее время для сохранения обороноспособности стране необходимо обладать суперЭВМ с производительностью более 4 GTops, а для развития новых видов оружия - более 10 GTops.
Структура вычислительного модуля МВС-100
Как отмечается в одном из отчетов Центра, опубликованном в ноябре прошлого года и посвященном стратегии контроля над экспортом высокопроизводительных ЭВМ в 90-е гг., начиная с 1992 г. реальным потенциалом для создания суперЭВМ в России обладает только названный выше альянс во главе с НИИ "Квант": все другие организации, занимавшиеся ранее разработкой суперЭВМ, уже не располагают достаточными технологическими и интеллектуальными ресурсами. Именно благодаря этому альянсу Россия удержалась, хотя и на грани, в группе стран, способных создавать новое оружие. (Китай, который входил в эту группу до начала 90-х гг., уже выпал из нее, Индия пока держится). Конечно, наши суперЭВМ не смогут догнать по производительности самые мощные американские, нос точки зрения обеспечения обороноспособности страны и возможностей разработки нового оружия это и не обязательно. По мнению американских экспертов, сохранение паритета в этой области возможно и при обладании суперЭВМ с меньшей производительностью, но не более, чем на порядок.
Несмотря на ликвидацию КОКОМ, ограничения на экспорт критических технологий из США по-прежнему существуют. Продажа в другие страны американских суперЭВМ требует обязательного правительственного лицензирования; на суперЭВМ с производительностью более 1 GTops (т.е. приближающейся к названному выше порогу 10 GTops менее чем на порядок) лицензии не выдаются. Например, наша страна не могла бы купить Cray подобной производительности. Но, например, на известные суперЭВМ семейства SP2 фирмы IBM, которые приближаются к этому порогу, лицензии выдаются, поскольку, по мнению американских экспертов, одна такая установка не позволяет решать некоторые задачи, необходимые для создания нового оружия (сейчас одна такая машина в России имеется).
------------------
Еще одно оригинальное решение в типовом модуле МВС-100 - это использование вместо "россыпи" небольших микросхем, как в подобных американских устройствах, программируемой логической матрицы (ПЛМ), что позволяет сократить размеры модуля. Дело в том, что ПЛМ очень капризны, требуют тщательного программирования и соответственно привлечения высококвалифицированных программистов. В США считают, что это очень долго и дорого, у нас же хороших программистов много, а их труд значительно дешевле.
В этом году разработчики МВС-100 сделали очень важный шаг - стали независимыми и от процессора i860XP, и от транспьютера Т805, и от ПЛМ фирмы XILINX.
- Сохраняя неизменной архитектуру и ПО, можно заменить эти компоненты самыми современными, самыми мощными процессорами, - продолжает свой рассказ Андрей Масалович - Напрмер, сигнальным процессором TMS320C40 или CYPRESS RACE WAY, процессором Alpha. Так, в одном из модулей стоит Alpha с частотой 300 МГц. В упомянутом отчете Центра международной безопасности и контроля над вооружением делается также прогноз на ближайшие два года: для нашей системы предсказывают рост производительности примерно на порядок. И мы знаем, как этого достичь. Уже готов проект следующего семейства суперЭВМ МВС-1000 и даже выделены, хотя и с большим скрипом, средства на начальный этап его создания. Но даже при отсутствии бюджетного финансирования мы сможем продолжить работу, используя собственные оборотные средства. Далее, для достижения производительности 1 TeraFlops, т.е. теоретически достижимого к 2000 г. предела, мы идем по пути проблемной специализации, что позволяет повысить быстродействие еще примерно на полпорядка. Например, модуль, ориентированный на обработку сигналов или изображений, можно дополнить заказными сигнальными процессорами. Модули МВС-100 совместимы и с нейроплатами, мы пробовали уже их использовать совместно и на некоторых (правда, очень частных) задачах обработки больших массивов информации достигли увеличения быстродействия в 1000 раз по сравнению с процессором Pentium.
Занимаются разработчики и дальнейшим удешевлением суперЭВМ. Например, для тех заказчиков, которые нуждаются в максимально дешевых системах, устанавливаются стандартные для ПК модули памяти SIMM. При этом организауется асинхронный доступ к памяти, благодаря чему длительность цикла уменьшается пятикратно. Американцы пока это решение не пробовали (может быть, потому, что у их заказчиков хватает денег).
Разработан для МВС-100 и современный дизайн, так что вскоре и внешне это будут компьютеры с узнаваемым "лицом".
Александр Плитман
Масалович Андрей Игоревич
Главный конструктор архитектуры и СПО суперкомпьютера МВС-100.
Кандидат физ.-мат.наук, автор более 100 печатных работ.
Лауреат стипендии РАН "Выдающимся ученым России" за 1993 г.