Развитие систем высокопроизводительных вычислений в Европе

Суперкомпьютеры – системы высокопроизводительных вычислений (High-Performance Computing, HPC) играют важную роль в современных исследованиях, благодаря своей высокой производительности и возможностям обработки больших объемов данных за короткое время. Их использование предоставляет исследователям ряд преимуществ, которые помогают ускорить процесс научных открытий и добиться более точных результатов.

Такие прогрессивные технологии, как искусственный интеллект (ИИ), большие данные (Big Data) и облачные сервисы в значительной степени опираются на вычислительные возможности суперкомпьютеров. Поэтому их активное развитие становится ключевой задачей для ведущих стран мира, в том числе России. Так, в январе 2024 президент РФ поручил правительству разработать и реализовать комплекс мер, направленных на увеличение вычислительных мощностей суперкомпьютеров, находящихся в Российской Федерации. В связи с чем, становится интересен опыт развития HPC-систем за рубежом, в том числе в Европе.

В ноябре 2011 года в первую десятку мирового рейтинга производительности* суперкомпьютеров TOP500 LIST входила только одна система НРС из Франции TERA-100 с 1050,0 терафлопс стабильной и 1254,55 терафлопс максимальной производительности.

*Производительность суперкомпьютера определяется количеством арифметических операций с плавающей запятой (FLOP), которые устройство может выполнить за секунду (Flops – «флопс»).

Официально важность суперкомпьютеров для Европы была признана Еврокомиссией в феврале 2012 года в Послании к европейскому парламенту «Высокопроизводительные вычисления: место Европы в глобальной гонке» (High Performance Computing: Europe's place in a Global Race). В документе подчеркивалось, что развернутые мощности систем HPC ЕС с 2008 по 2010 год снизились на 10%, в то время как другие страны за тот же период увеличили свои усилия в этой области. В 2011 году США и Япония имели больше систем HPC, чем все страны ЕС вместе взятые, а Китай – больше, чем любая другая страна-член ЕС. Поэтому Еврокомиссия выделила главную цель – объединение национальных инвестиций в сфере НРС с целью укрепления позиций европейской промышленности и науки в использовании, разработке и производстве передовых вычислительных продуктов, услуг и технологий.

Для её реализации были определены следующие задачи:

• создание европейской инфраструктуры высокопроизводительных вычислений мирового класса, которая будет отвечать интересам широкого круга академических и промышленных пользователей, и особенно малых и средних предприятий, а также формирование рабочей силы, хорошо подготовленной в этой области;
• обеспечение независимого доступа к технологиям, системам и услугам HPC для государств ЕС;
• создание общеевропейской схемы управления сферой высокопроизводительных вычислений для объединения увеличенных ресурсов и повышения эффективности, в том числе за счет стратегического использования совместных и предкоммерческих закупок;
• обеспечение позиции ЕС как глобального игрока.

Кроме того, в Послании также было предусмотрено создание отраслевой некоммерческой ассоциации «Европейская технологическая платформа для высокопроизводительных вычислений» (European Technology Platform for High Performance Computing, ETP4HPC) для объединения усилий европейских поставщиков технологий HPC и способствования появлению конкурентоспособной на мировом уровне соответствующей индустрии в Европе. В руководящий совет образованной в 2012 году Ассоциации вошли представители европейских исследовательских центров (CEA, Cineca, ECMWF, Forschungszentrum Juelich (FZJ), Fraunhofer), контролируемых европейцами корпораций (Airbus, Atos/Bull, Leonardo, Seagate, Thales), малых и средних предприятий (Megware, ParTec, SiPearl), а также компаний, занимающихся исследованиями и разработками в Европе (IBM Research, Nvidia).

В 2018 году было создано «Европейское совместное предприятие по высокопроизводительным вычислениям» (European High Performance Computing Joint Undertaking, EuroHPC JU), которое стало осуществлять координацию работ по объединению ресурсов на создание суперкомпьютерной инфраструктуры в странах Европейского союза.

EuroHPC JU функционирует как юридическая и финансовая организация со штаб-квартирой в Люксембурге. Совместное предприятие представляет собой государственно-частное партнерство с участием учреждений ЕС и государств-членов*, а также частных компаний.

*Государства-члены и ассоциированные страны: Австрия, Бельгия, Болгария, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Израиль, Ирландия, Исландия, Испания, Италия, Кипр, Латвия, Литва, Люксембург, Мальта, Нидерланды, Северная Македония, Норвегия, Польша, Португалия, Румыния, Сербия, Словакия, Словения, Финляндия, Франция, Хорватия, Чехия, Швеция и Эстония.

Частный сектор совместного предприятия представлен тремя партнёрствами:

1. Отраслевой некоммерческой ассоциацией ETP4HPC, главная задача которой состоит в разработке Стратегической программы исследований (Strategic Research Agenda, SRA). Программа определяет механизмы и предоставляет ресурсы для развития конкурентоспособных на мировом рынке европейских систем HPC, технологий и прикладного опыта.

2. Отраслевой организацией «Ассоциация оценки больших данных» (Big Data Value Association, BDVA), насчитывающей более 230 участников по всей Европе из крупных, малых и средних предприятий, а также исследовательских организаций и организаций-потребителей. Фокусируется на таких областях, как технологии и сервисы больших данных, информационные платформы и пространства данных, промышленный искусственный интеллект, создание продуктов на основе данных, стандартизации в этой области.

3. Некоммерческой ассоциацией «Европейский консорциум квантовой индустрии» (European Quantum Industry Consortium, QuIC), главной задачей которой является создание динамично развивающейся экосистемы между малыми и средними предприятиями, крупными корпорациями, инвесторами и ведущими исследователями в области квантовых технологий.

EuroHPC JU совместно финансируется его членами с бюджетом около семи миллиардов евро на период 2021-2027 годов. Взнос ЕС (три миллиарда евро) соответствует аналогичной сумме от стран-участниц. Кроме того, частные участники вносят сумму в размере 900 миллионов евро. Совместное предприятие предоставляет финансовую поддержку в форме закупок или грантов на исследования и инновации участникам после открытых конкурсных заявок.

Практическая реализация мер, предпринятых руководством ЕС, позволила к 2024 году значительно развить систему HPC – было создано и эксплуатируется 26 суперкомпьютеров масштаба petascale или pre-exascale* вычислений.

*Exascale computing (Эксафлопсный суперкомпьютер, эксамасштаб, эксаскейл) – термин, обозначающий суперкомпьютеры с производительностью порядка одного эксафлопса (exaFLOPS), и инициативы XXI века по их созданию. Такая производительность в тысячу раз выше, чем у систем петафлопсного класса, появившихся в 2008 году. Один эксафлопс равен тысяче петафлопс, миллиарду миллиардов (1018) операций над числами с плавающей точкой в секунду.

В мировом рейтинге по производительности суперкомпьютеров TOP500 LIST на конец 2024 года в первую сотню входят системы HPC стран ЕС: Германия – 7 объектов, Франция – 5, Италия – 5, Нидерланды – 3, Польша – 3, Испания – 2, Австрия – 1, Швеция – 1, Дания – 1, Финляндия – 1, а также Великобритания – 2 и Швейцария – 2. Отдельно стоит отметить, что мировыми лидерами по количеству и производительности суперкомпьютеров, входящими в ТОП-100 на данный момент являются США и Япония. Лучшими из отечественных систем НРС являются суперкомпьютеры компании Яндекс (Червоненкис – 60, Галушкин – 86 и Ляпунов – 98 место).

Из восьми суперкомпьютеров, расположенных по всей Европе и принадлежащих EuroHPC JU три системы НРС масштаба pre-exascale занимают восьмое, девятое и одиннадцатое место в TOP500 LIST, соответственно:

• LUMI – суперкомпьютер Cray EX компании Hewlett Packard Enterprise (HPE), размещенный в Научном центре информационных технологий (CSC) в г. Эспоо (Финляндия). Производительность системы: 379,7 петафлопс –стабильная и 531,51 петафлопс максимальная. Сфера использования: искусственный интеллект, особенно глубокое обучение и традиционные крупномасштабные симуляции в сочетании с масштабным анализом данных для решения одной исследовательской задачи.
• LEONARDO – суперкомпьютер BullSequana XH2000 французской компании ATOS, размещенный в технополисе г. Болонья (Италия). Производительность системы: 238,7 петафлопс – стабильная и 304,47 петафлопс максимальная. Система предназначена для модульных и масштабируемых вычислительных приложений, анализа данных, а также интерактивных, срочных и облачных вычислительных приложений.
• MareNostrum5 – суперкомпьютер масштаба pre-exascale, сочетающий архитектуру Bull Sequana XH3000 и Lenovo ThinkSystem, предоставлен компанией ATOS, расположен в суперкомпьютерном центре г. Барселона (Испания). Производительность системы: 138,2 петафлопс – стабильная и 265,77 петафлопс максимальная. С помощью гетерогенной конфигурации MareNostrum5 идеально подходит для решения любых задач. Особое внимание уделяется медицинским приложениям, поиску лекарств, а также цифровым двойникам (Земля и человеческое тело), энергетике и т.д. Его большой раздел общего назначения обеспечивает вычисления, хорошо подходящие для большинства современных приложений, решающих научные/промышленные задачи. Помимо этого, раздел на ускорителях обеспечивает отличную вычислительную среду для крупномасштабных симуляций, искусственного интеллекта и глубокого обучения.

Кроме того, совместному предприятию EuroHPC JU принадлежат пять суперкомпьютеров петафлопсного класса, расположенные в Люксембурге (MeluXina – 12,81/18,29 петафлопс), Чехии (Karolina – 9,59/12,91 петафлопс), Болгарии (Discoverer – 4,52/5,94 петафлопс), Словении (Vega – 6,92/10,05 петафлопс) и Португалии (Deucalion – 7,22/10,0 петафлопс).

В связи с возрастающими потребностями в вычислительной мощности суперкомпьютеров для активно развивающихся облачных технологий, ИИ и Big Data, руководство EuroHPC JU видит дальнейшее развитие отрасли в создании систем exascale computing и гибридных квантово-классических вычислительных систем. Стратегия заключается в использовании технологии квантовых вычислений в качестве ускорителей в традиционных рабочих процессах высокопроизводительных вычислений для повышения эффективности и снижения энергопотребления классических НРС-систем.

Так, в 2024 году EuroHPC JU в Юлихском исследовательском центре в Германии при участии компании Eviden – подразделения ИТ-услуг французской корпорации ATOS и немецкой фирмы по производству суперкомпьютерного оборудования ParTec – был введен в эксплуатацию мощный суперкомпьютер масштаба exascale – JUPITER.

Конструкция JUPITER предполагает применение модульной архитектуры на платформе BullSequana XH3000 компании Eviden с прямым жидкостным охлаждением. Изначально закладывался потенциал для модернизации – она может быть дополнена блоками, которые содержат нейроморфные и квантовые системы, а также любые вычислительные модули, построенные на технологиях Евросоюза. Вычислительные разделы системы состоят из кластерного* модуля общего назначения с высокой пропускной способностью памяти и модуля Booster (высокомасштабируемый ускоритель на графическом процессоре). Первые построены на основе высокопроизводительных и в то же время энергоэффективных процессорах Rhea1 французской фирмы SiPearl на архитектуре ARM, а вторые – на графических акселераторах и решениях в области интеллектуальных соединений для систем НРС американской компании NVIDIA. В качестве интерконнекта применяется седьмое поколение архитектуры высокоскоростной коммутируемой компьютерной сети (InfiniBand) NVIDIA Quantum-2.

*Кластер суперкомпьютеров – это совокупность отдельных вычислительных узлов, объединенных в единую систему для выполнения сложных вычислительных задач. Каждый узел в кластере является самостоятельным компьютером, обладающим собственным процессором, памятью и другими ресурсами. Кластеры суперкомпьютеров обладают масштабируемостью, то есть способностью увеличивать вычислительные ресурсы при необходимости. Новые компьютеры могут быть добавлены в кластер, чтобы увеличить его мощность и обрабатывать более сложные задачи. Это позволяет адаптировать кластер к меняющимся требованиям и обеспечивает гибкость в использовании ресурсов.

JUPITER используется для решения самых сложных задач моделирования и приложений ИИ, требующих больших вычислительных ресурсов в науке и промышленности. В число приложений входят обучение больших нейронных сетей, таких как языковые модели в искусственном интеллекте, моделирование разработки функциональных материалов, создание цифровых двойников человеческого сердца или мозга для медицинских целей, оценка квантовых компьютеров и моделирование климата с высоким разрешением, охватывающее всю планету.

В течение следующих нескольких лет EuroHPC планирует ввести в строй ещё минимум два суперкомпьютера exascale-класса, а также три дополнительных системы petascale, которые планируется построить в Греции – DAEDALUS, Венгрии – LEVENTE, Ирландии – CASPIr.

Для развития гибридных квантово-классических вычислительных систем EuroHPC JU осуществляет реализацию следующих проектов:

• High-Performance Computer and Quantum Simulator hybrid project, HPCQS – направлен на интеграцию двух квантовых симуляторов, каждый из которых управляет более чем 100 кубитами с двумя уже существующими суперкомпьютерами JUWELS (Германия) и Joliot Curie (Франция). В работах, проводимых в рамках проекта, участвуют научно-исследовательские организации и компании Австрии, Германии, Испании, Италии, Ирландии и Франции. Координацию работ осуществляет исследовательский центр в г. Юлих (Германия).
• European Quantum Computing for Exascale-HPC, Euro-Q-Exa – проект по развитию квантовых компьютеров для экзафлопсных систем высокопроизводительных вычислений, проводимый в рамках программы Digital Europe. Предусматривает интеграцию квантовых компьютеров на различных физических платформах в уже существующие суперкомпьютеры в европейских центрах: IT4I (Чехия), LRZ (Германия), BSC-CNS (Испания), GENCI-CEA (Франция), CINECA (Италия) и PSNC (Польша).

Реализация этих двух проектов позволит создать независимую от аппаратного обеспечения европейскую модульную инфраструктуру высокопроизводительных вычислений, которая в будущем будет расширяться за счет включения в систему HPC различных платформ для квантовых вычислений на разных уровнях технологической готовности и предоставить доступ к ней конечным пользователям через облачные сервисы.

Всего на данный момент EuroHPC JU координирует выполнение более 46 программ научно-исследовательских работ в различных областях, в том числе:

• SPACE – фокусируется на астрофизике и космологии с помощью численного моделирования на основе высокопроизводительных вычислений;
• IO-SEA – создание эффективной платформы управления и хранения данных для экзафлопсных вычислений, основанной на иерархическом управлении хранилищами и предоставлении их по требованию и другие программы.

Таким образом, развернутые за рубежом работы по развитию систем НРС в ближайшее время позволят получить значительный прирост вычислительных мощностей для ускорения развития современных технологий, таких как искусственный интеллект, большие данные, облачные и другие сервисы в различных отраслях экономики, также расширить использование инфраструктуры суперкомпьютерных и квантовых вычислений для государственных и частных пользователей.