Анализ основных этапов становления и развития отечественных суперкомпьютеров

Первая электронная вычислительная машина ENIAC (Electronics Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 году в США сразу после окончания второй мировой войны. Она весила 27 тонн, потребляла 174 киловатта электроэнергии для своего функционирования, содержала в себе 17468 электронных ламп, работала со скоростью 5000 операций в секунду. В группу разработчиков этой ЭВМ входил один из выдающихся ученых ХХ века Джон фон Нейман, который сформулировал основные принципы построения и функционирования универсальных программируемых вычислительных машин.

Одновременно над проектами электронных вычислительных машин работали в Англии, где первая универсальная ЭВМ EDCAK появилась в 1949 году, а также в СССР, когда 4 декабря 1948 года двое ученых-изобретателей – Башир Рамеев и Исаак Брук – подали патент и зарегистрировали проект первой в СССР цифровой вычислительной машины, говоря современным языком, – компьютера.

Термин «суперкомпьютер» был использован в начале 60-х годов, когда группа специалистов Иллинойского университета (США) под руководством доктора Дэниела Слот-ника (1931–1985), математика и компьютерного гения, предложила идею реализации первой в мире параллельной вычислительной системы. Проект, получивший название SOLOMON, базировался на принципе векторной обработки данных, который был сформулирован Джоном фон Нейманом еще в начале 50-х годов [1]. В общепринятый лексикон термин «суперкомпьютер» вошел благодаря распространенности компьютерных

Вестник Российского нового университета

Серия «Сложные системы: модели, анализ и управление», выпуск 1 за 2025 год систем Сеймура Крея [2], таких как Cray-1, Cray-2. Первый суперкомпьютер Крея, например CDC6600, созданный в 1963 году, имел только один центральный процессор, а следующий в истории суперкомпьютер – CDC8600 – проектировался для использования четырех процессоров с общей памятью. Однако CDC8600 так никогда и не был выпущен. Его разработка была прекращена в 1972 году, и лишь в 1983 году удалось создать работающий суперкомпьютер – CRAY X-MP, в котором использовалось два центральных процессора с общей памятью.

Развитие компьютерной техники в СССР и современной России

Эпоха развития наших вычислительных технологий началась с появления МЭСМ – Малой Электронной Счетной Машины – проекта, который был создан в 1948 году Сергеем Алексеевичем Лебедевым, великим ученым нашей современности, основоположником информационных технологий и вычислительной техники в СССР [3].

В 1951 году под руководством Б. Рамеева и И. Брука была сконструирована ЭВМ М-1, которая по вычислительной мощности уступала МЭСМ С.А. Лебедева1. Однако машины уже второго поколения ЭВМ серии «М» – М-2 – стали самыми лучшими «компьютерами» в Советском Союзе по соотношению цены, качества и производительности [4].

В 1953 году коллективом под руководством академика С.А. Лебедева была разработана Большая Электронная Счетная Машина первого поколения БЭСМ-1, которая стала самой производительной ЭВМ в Европе. В 1958 году после очередной модернизации БЭСМ-1 в серийное производство была запущена БЭСМ-2 [3].

Первой массовой советской ЭВМ стала легендарная «Стрела», разработанная примерно в тот же период коллективом СКБ под руководством главного конструктора Ю.Я. Базилевского [5]. Создатели «Стрелы» в 1954 году получили государственные премии I, II и III степени, а Ю.Я. Базилевскому было присвоено почетное звание Героя Социалистического Труда. Чуть позже С.А. Лебедевым была представлена следующая разработка – ЭВМ М-20. Этот период производства и эксплуатации ранних ЭВМ в Советском Союзе продолжался 20–30 лет.

В ответ на создание в США суперкомпьютера Сеймура Крея CDC 6600 наша страна ответила разработкой в 1965 году под руководством академика С.А. Лебедева одной из лучших в мире электронных машин БЭСМ-6, которая вывела СССР на мировой уровень производительности и быстродействия ЭВМ [3]. Главной фигурой в этот период развития компьютерной техники снова стал академик С.А. Лебедев, проложивший путь для всех разработок компьютеров в Советском Союзе и России. Его именем назван Московский институт точной механики и вычислительной техники (далее – ИТМиВТ). Сегодня это Московский Центр Спарк Технологий (МЦСТ), в стенах которого Сергеем Алексеевичем была разработана самая производительная в СССР БЭСМ-6, которая по многим параметрам даже превосходила западные аналоги того времени [3].

БЭСМ-6 – это шедевр компьютеростроения, в котором было реализовано множество революционных решений. С 1968 года начался серийный выпуск БЭСМ-6 на заводе счетно-аналитических машин (САМ) в Москве. Производство шло вплоть до 1987 года, и за это время было выпущено 355 машин. Машина выпускалась более 17 лет и пережила три

Анализ основных этапов становления и развития отечественных суперкомпьютеров поколения вычислительной техники. Последний экземпляр легендарной машины до сих пор работает в Учебном центре Военно-морского флота под Санкт-Петербургом.

В литературных источниках нет информации о дате, когда БЭСМ-6 стали называть «суперкомпьютером». Но именно с этой машины в СССР началась эра высокопроизводительных вычислительных машин, которые неофициально получили такое название.

Одно время существовало мнение, что архитектура БЭСМ-6 в какой-то степени воспроизводила архитектуру систем CDC-1604 и CDC-6600 Сеймура Крэ я, а также английской ЭВМ Atlas [2]. И хотя БЭСМ-6 имела некоторые общие конструктивные особенности с британской и американской машинами, она не являлась их близкой копией. Прямое сравнение спецификаций БЭСМ-6 и CDC-1604 не позволило выявить каких-либо ощутимых сходств в архитектуре машин.

В 1973 году под руководством академика В.А. Мельникова была разработана «аппаратура сопряжения к БЭСМ-6» – модульная система АС-6, позволяющая объединять БЭСМ-6, ЦП АС-6, общие модули памяти, несколько специализированных периферийных машин (ПМ-6) и их периферию в единый комплекс [6].

C 1977 по 1987 гг. АС-6 выпускалась на Московском заводе счетно-аналитических машин (САМ). В 1982 году за разработку АС-6 была присуждена Государственная премия СССР , лауреатами которой стали В.А. Мельников и другие сотрудники ИТМиВТ [7]. Во время совместного полета космических кораблей «Союз» и «Аполлон» эта система использовалась для расчета данных траектории полета [6].

Дальнейшим развитием машин БЭСМ-6 является разработка суперкомпьютеров серии «Эльбрус» под руководством академика В.С. Бурцева [7]. В 1980 году был создан первый отечественный многопроцессорный суперкомпьютер «Эльбрус-1», включающий в свой состав 10 процессоров, а в 1985 году – суперкомпьютер «Эльбрус-2» [8]. До недавнего времени «Эльбрус-2» использовались в отечественных комплексах противоракетной обороны (далее – ПРО). Большинство советских суперкомпьютеров были разработаны и созданы в ИТМиВТ.

Другой разработкой советского периода стал суперкомпьютер ПС-2000, разработанный в Институте проблем управления (ИПУ) Академии наук СССР (Москва) и в Научно-исследовательском институте управляющих вычислительных машин – НИИ УВМ (Северодонецк). Эта работа была выполнена в 1980 году под руководством профессора И.В. Прангишвили [9]. Максимальная конфигурация системы ПС-2000 состояла из пяти стоек, содержащих 64 процессора общей производительностью 1.0 Гигафлопс. Основными сферами применения суперкомпьютера ПС-2000 были геофизика, сейсморазведка, а также он использовался в Центре управления космическими полетами в составе телеметрического вычислительного комплекса ЦУП-М. Суперкомпьютер ПС-2000 выпускался с 1981 по 1988 гг. на Северодонецком приборостроительном заводе [9].

Распад Советского Союза привел к тому, что в течение 10 лет работы в области создания новых суперкомпьютерных систем в стране практически не велись.

Возрождение отечественного суперкомпьютеростроения началось в начале нового века. В 2001 году под руководством академика В.К. Левина в Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН был создан и установлен суперкомпьютер МВС 1000М [10]. Это был первый отечественный суперкомпьютер, перешагнувший символический гигаф-лопсный рубеж (триллион операций с плавающей запятой в секунду). Программные и ап-

Вестник Российского нового университета

Серия «Сложные системы: модели, анализ и управление», выпуск 1 за 2025 год паратные средства МВС 1000М позволяют решать одну задачу с использованием всего вычислительного ресурса.

В начале 2000-х годов стартовала совместная российско-белорусская программа по разработке семейства суперкомпьютеров СКИФ – СуперКомпьютерная Инициатива Феникс. За четыре года два десятка российских и белорусских научных центров, конструкторских бюро, НИИ, вузов и предприятий создали шестнадцать опытных образцов суперкомпьютеров, из которых два на тот момент вошли в мировой рейтинг ТОР-500. В тот же период появилась традиция присваивать суперкомпьютерам имена выдающихся ученых России.

В рамках этой программы в 2008 году компанией «Т-платформа» был создан самый мощный на тот момент в России, СНГ и Восточной Европе суперкомпьютер МГУ «Чебышев» [11], который занял 36-е место в мировом рейтинге суперкомпьютеров ТОР-500.

Пиковая производительность суперкомпьютера МГУ «Чебышев», построенного на базе 1250 четырехъядерных процессоров Intel® Xeon® Е5472, составила 60 Терафлопс. Вычислительный комплекс МГУ «Чебышев» был установлен в Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ имени М.В. Ломоносова – НИВЦ МГУ – и использовался для решения различных фундаментальных и прикладных научных задач.

В ноябре 2009 года состоялась презентация нового мощного отечественного суперкомпьютера «Ломоносов», его пиковая производительность составляла 510 Tф2. Это был первый гибридный суперкомпьютер такого класса в России и Восточной Европе. В 2012 году пиковая производительность суперкомпьютера «Ломоносов-2» была повышена до 1,7 петафлопс (Пф), и до настоящего времени суперкомпьютер занимает ведущее место среди всех суперкомпьютеров, работающих на территории России.

Роль и место России в истории системы ТОР-500

Ганс Мейер (Hans Meuer), немецкий ученый в области вычислительной техники, в 1983 году начал вести рейтинг суперкомпьютеров по всему миру, ранжируя их по пиковой производительности, а с 1986 года по результатам суперкомпьютерного семинара в Манхейме (ФРГ) публикует статистику суперкомпьютерного рынка. Первоначально данные статистики с 1986 по 1992 гг. предоставлялись в основном производителями. Для обеспечения новой статистической информацией в 1993 году было решено собирать и поддерживать список 500 наиболее мощных компьютерных систем3. С июня 1993 года список публикуется дважды в год с помощью экспертов по высокопроизводительным компьютерам. В списке TOP-500 места присваиваются согласно производительности систем, определяемой по тесту LINPACK.

К сожалению, наша страна отстает не только в плане развития суперкомпьютерной техники, но и в плане обеспеченности ею. На начальный момент в России был только один мощный компьютер – SuperDome/HyperPlex фирмы Хьюлетт-Паккард с 72 процессорами производительностью 109,1 Гф – 365-е место. Пользователем этой системы был Сбербанк России.

Анализ основных этапов становления и развития отечественных суперкомпьютеров

Рекордное число российских суперкомпьютеров было представлено в редакции ТOP-500 за июнь 2011 года, когда в него вошли 12 отечественных систем. Далее последовал спад: в рейтинге за ноябрь 2011-го осталось всего 5 российских систем. Следующий подъем был зарегистрирован в ноябре 2014-го, когда от России в список вошли девять систем: тогда « Ломоносов-2 » занял 22-ю строчку мирового списка, при этом по количеству систем Россия делила 7–10-е места⁴.

С 2014 года число российских суперкомпьютеров в мировом TOP-500 составляло от трех до пяти систем, пока по результатам июня 2019 года не снизилось всего до двух систем – самый низкий рейтинг страны с ноября 2006 года5.

Сегодня в ТОР-500 входят также некоторые зарубежные системы, созданные российскими компаниями.

По суммарной производительности в последнем рейтинге суперкомпьютеров Россия заняла 8-е место в мире, по суммарной пиковой производительности – 9-е, и по количеству суперкомпьютеров Россия также вышла на 9-е место в мире. У нас одинаковое количество систем с Южной Кореей. Сегодня в России работает семь суперкомпьютеров – на четыре больше, чем годом ранее. Три новые машины были созданы компанией «Яндекс».

Суперкомпьютер «Червоненкис» показал производительность 21,53 Пф. Производительность «Галушкина» составила 16,02 Пф, а «Ляпунова» – 12,81 Пф. Вычислительные узлы систем «Червоненкис» и «Галушкин» были созданы сотрудниками «Яндекса».

Как отмечалось выше, новые суперкомпьютеры «Яндекса» названы в честь советских и российских ученых, которые внесли большой вклад в компьютерную науку. Системы построены на базе процессоров AMD EPYC, а также графических ускорителей Nvidia A100 и используются для обучения нейросетевых моделей с миллиардами параметров.

В ТОР-500 появился и новый суперкомпьютер Сбербанка «Кристофари Нео» с реальной мощностью в 11,95 Пф. Суперкомпьютеры «Ломоносов-2», расположенный в МГУ, и «МТС Гром», принадлежащий МТС, занимают 241-е и 294-е места соответственно с пиковой производительностью 2,478 и 2,258 Пф.

Проблемы развития и расширения экзафлопсного периода

Компьютерный мир отходит от предыдущего терафлопсного периода, уверенно чувствует себя в петафлопсном периоде и неотвратимо движется к созданию экзафлопсной вычислительной эры [12]. Цели, замыслы и планы создания экзасистем были озвучены в 2010 году в программе UHP агентства DARPA и с тех пор многократно повторяются и развиваются [13; 14].

Для развития и создания компьютерных систем экзафлопсной производительности в отдельных странах был разработан ряд госпрограмм, например:

• •    национальная суперкомпьютерная инициатива (США NSCI )⁶;

• •    национальные программы в Японии, Китае, Индии и Европе [15; 16].

Вестник Российского нового университета

Серия «Сложные системы: модели, анализ и управление», выпуск 1 за 2025 год

В России по планам развития аппаратно-программной платформы «Эльбрус» есть возможность создать в 2025 году отечественную суперЭВМ, которая по реальной производительности будет сравнима с экзасистемами. В качестве базового элемента рассматривается универсальный микропроцессор «Эльбрус-16СВ». Реализуемая в нем версия архитектуры «Эльбрус» предполагает следующие технологические нововведения [17]:

• •    система на одном кристалле, включающая контроллеры периферийных устройств;

• •    аппаратная поддержка виртуализации;

• •    масштабируемая векторизация до 48 флопс за такт;

• •    рост производительности ядра.

Характеристики микропроцессора «Эльбрус-16СВ» на текущий период приведены в Таблице.

Таблица

Характеристики микропроцессора «Эльбрус-16СВ»

Параметры	«Эльбрус-16СВ»
Микроархитектура	«Эльбрус» v6
Тактовая частота, ГГц	2,0
Пиковая производительность, Гф	1500/750
Число ядер	16
Объем кэша, МБ	Более 32
Количество каналов памяти	Более 4
Пропускная способность памяти, ГБ/c	Более 100
Многопроцессорность	До 4
Технологический процесс, нм	16
Потребляемая мощность, Вт	100
Соотношение производительность/мощность, Гф/Вт	7,5

Источник: [18].

Если говорить о потенциале микропроцессоров линии «Эльбрус», то он значительно выше. Рост однопоточной производительности планируется за счет увеличения числа операций, выполняемых за такт, в том числе и векторных, а также за счет оптимизирующего компилятора и библиотек, повышения тактовой частоты и увеличения числа ядер. Все упомянутое позволяет на базе разработанных микропроцессоров «Эльбрус» планировать создание ЭВМ петафлопсной производительности [12].

Современные суперЭВМ базируются на микропроцессорах типа «Эльбрус-16СВ». Первый инженерный образец ВК «Эльбрус-16СВ» был представлен в октябре 2020 года на выставке «Микроэлектроника-2020» [17].

Стопетафлопсный суперкомпьютер на микропроцессорах «Эльбрус-16СВ» сможет на реальных задачах показывать производительность, которая сравнима с суперЭВМ эк-зафлопсного диапазона, построенными с использованием графических и векторных микропроцессоров. При этом показатели энергоэффективности, программируемости и надежности будут обеспечиваться на высоком уровне в силу тех качеств, которые присущи архитектуре «Эльбрус» [17].

Анализ основных этапов становления и развития отечественных суперкомпьютеров

Заключение

Дальнейший вклад в рост производительности суперЭВМ внесет многоядерность, а реальные планы по освоению пиковой экзафлопсной производительности связаны с появлением в 2025 году 32-ядерного микропроцессора «Эльбрус».

Практика создания современных суперкомпьютеров на экзафлопсной основе не дает точного и однозначного ответа о путях их дальнейшего развития. Существуют экспертные мнения, что в ближайшее десятилетие будет наблюдаться миграция архитектуры микропроцессоров в сторону гетерогенных структур, в которых универсальные займут лишь небольшой процент площади кристалла, а всё остальное будет отдано ускорителям.

Оценки, сделанные разработчиками аппаратно-программной платформы «Эльбрус», доказывают возможность использования универсальных микропроцессоров с архитектурой широкого командного слова для построения в будущем суперкомпьютеров экзаф-лопсной производительности. Микропроцессоры «Эльбрус» имеют большой потенциал для наращивания производительности путем совершенствования оптимизирующего компилятора и математических библиотек, а также за счет повышения тактовой частоты.