Ferralabs Профессионально о компьютерах
Если вы хотите узнать о будущем суперкомпьютеров и развитии компьютерных технологий в ближайшие несколько лет, то этот материал создан специально для вас.
Патрик, расскажите, пожалуйста, о том, для чего нужны высокопроизводительные вычисления, и почему они не могут считаться «причудливым ремеслом».
В прошлом разработка суперкомпьютеров не была привлекательным делом — такие комплексы представляли собой «героические системы», известные по мифологическим параллелям. Это были дорогостоящие и очень сложные системы, писать для которых программы было очень непросто. Однако в последнее десятилетие от создания «экзотических» компьютеров специалисты перешли к построению кластеров, т.е. распределенных вычислительных агломератов, которые используются на практике для научных и исследовательских работ, а также для коммерческих целей. Объем этого сегмента рынка растет примерно на 20% в год. Современные суперкомпьютеры применяются при проектировании микросхем и автомобилей, в нефтегазовой промышленности. По мере развития нанотехнологий проведение лабораторных экспериментов становится невозможным, и приходится моделировать интересующие процессы на компьютерных симуляторах. В наше время интерес к высокопроизводительным вычислительным системам, и так называемым мега-центрам (комплексам для хранения и обработки огромных массивов информации) огромен.
Сегодня на базе технологий Intel работает 90% самых производительных систем в мире. При описании их быстродействия речь идет о производительности на уровне петафлопс (квадриллион операций с плавающей запятой в секунду), но мы собираемся добиться уже эксафлопс (тысяч квадриллионов аналогичных операций). Столь мощные суперкомпьютеры позволят решить точнее составлять срочные предсказания погоды, включая предупреждения об ураганах, прогнозировать урожай, выполнять дешифровку генома любого человека и предлагать план его лечения с помощью индивидуально подобранных лекарственных средств, анализировать запасы нефти и газа со значительно более высокой точностью, чем сегодня, сделать массовыми технологии трехмерного моделирования человеческих органов и тех объектов, которые человек проектирует.
Как обстоит дело с высокопроизводительными вычислениями в России?
Три года назад, если я не ошибаюсь, в России было два из пятисот крупнейших в мире суперкомпьютеров, а сегодня их восемь, причем самый мощный российский суперкомпьютер занимает тридцать пятое место. Однако Intel совместно с коллегами в Москве планирует создание системы производительностью пятьсот терафлопс (триллионов операций с плавающей запятой в секунду), которая, возможно, войдет в десятку лучших. Это будет самый крупный компьютер из когда-либо созданных в России, и с ним ваша страна поднимется на верх мирового рейтинга суперкластеров.
Но высокопроизводительные вычисления требуют не только новейших аппаратных решений, но и навыков, опыта программирования. России нужны высокие профессионалы, которые будут заниматься подготовкой программных систем, предназначенных для параллельных вычислений. Вы планируете реализовать какие-либо инициативы в этом направлении – я имею в виду подготовку специалистов?
Разумеется. Ккорпорация Intel интенсивно работает над созданием программных инструментов для высокопроизводительных систем, и большая часть этих задач решается в России. В филиалах Intel в Москве, Нижнем Новгороде, Сарове и Новосибирске специалисты разрабатывают решения, которые будут использоваться в глобальном масштабе. Наши успехи в области высокопроизводительных вычислительных систем во многом связаны с российскими специалистами, и мы надеемся использовать их в будущем. Уже сейчас мы готовим новое поколение ученых, которые будут создавать программы с параллельной архитектурой для высокопроизводительных вычислительных систем. Кроме того, основываясь на нашем опыте, я могу сказать, что в России живут и работают одни из лучших математиков в мире, с которыми мне когда-либо приходилось сталкиваться.
По мере того, как мы продолжаем развивать параллельное программирование, мы ожидаем, что российские ученые примут активное участие в его реализации, поскольку Россия имеет действительно богатый опыт в области математики и естественных наук.
Патрик, некоторые аналитики уже сейчас заявляют, что время кремния как основы для производства процессоров подходит к концу и полагают, что следует активизировать разработки в других направлениях. Я имею в виду опытные работы с фотонными системами и другими перспективыми моделями изменения состояния потенциальных лоческих элементов. Каковы, на ваш взгляд, перспективы в этой области?
Что касается невозможности бесконечно уменьшать размеры кремниевых элементов (а Intel делает это в течение сорока лет), то я хочу сравнить ожидание будущего с вождением автомобиля ночью. Как далеко впереди вы видите дорогу? Может быть на тридцать метров, может быть на пятьдесят – насколько хватает света фар. Потом вы минуете это расстояние, но как далеко вы видите после? Ровно столько же. Ситуация с законом Мура аналогична. Мы видим перед собой возможности лишь на ближайшее десятилетие. В этом году Intel начинает производство процессоров на базе 32-нанометровой технологии, но мы хорошо представляем себе реализацию 22-нанометровую технологии, разрабатываем 15-нанометровую и адаптируемся к 10-нанометровой. Однако более отдаленное будущее мы не в состоянии предсказать.
Intel воплощает технологии в производство для решения текущих проблем. У нас была серьезная проблема с утечкой тока транзисторов (элементарных логических ячеек процессоров) по мере уменьшения толщины слоя диэлектрика. Мы совершили серьезный прорыв и решили использовать новый материал для предотвращения этого эффекта.
Все называют сегодняшние технологии микроэлектроники кремниевыми, но в современных транзисторах кремния почти не осталось: используется кремниевая подложка, а на ней в качестве рабочих элементов используются совсем другие материалы. Сегодня в полупроводниковых микросхемах мы используем более половины элементов периодической таблицы.
Вы упомянули о фотонике. Мы не планируем заменить электронную логику световой. Хотя световые элементы имеют определенные преимущества, они обладают и многими недостатками: их сложно перемещать, и переключение таких ячеек обходится дорого. Однако фотоника лишена потерь, возникающих при передаче электронов (это происходит в проводниках микросхем). Intel видит будущее фотоники следующим образом: процессор, построенный на основе кремния, и подключенные к нему оптические кабели передачи данных и команд. Так мы сможем использовать столь чудесные свойства оптики, как высокоскоростная коммутация. Однако мы и дальше будем следовать закону Мура для масштабирования процессоров и решения таких задач, как сохранение состояния устройства.
Я также хотел спросить вас о принципе множественного переключения, основанного на использовании макромолекул. Способны ли такие элементы, воплощающие не двоичную, а множественную логику, еще сильнее повысить миниатюризацию процессора за счет замены транзистора, имеющего всего два состояния, элементом, имеющим несколько состояний? Насколько это перспективно с точки зрения практической реализации?
В этом случае мой прогноз не слишком оптимистичен. Элементы с несколькими состояниями переключения уже пытались создать, но двоичные остаются более простыми в использовании в процессорах. Но применение подобного подхода весьма оправдано в твердотельных системах хранения данных. Например, устройства флэш-памяти в будущем могут стать многоуровневыми биологическими структурами, обладающими способностью находиться в нескольких (а не двух, «да» — «нет») логических состояниях.
Нам известно два типа серверных процессоров Intel. Первый – Intel Xeon, второй – Itanium. Давайте сравним их и определим, какой процессор для чего предназначен. Нужно ли ориентироваться на лучшую цену, или какие-то процессоры предназначены для предприятий, а какие-то для информационных центров и т.п. Вы не могли бы объяснить разницу между этими типами процессоров?
Itanium был разработан в качестве замены RISC-процессоров, которые использовались в мейнфреймах. Он обладает значительно более высокой надежностью и удобством обслуживания. Itanium следует использовать в наиболее защищенных системах, например, для обработки операций с кредитными картами, биржевых торгов, в критически важных системах предприятия. Intel Xeon – это весь остальной рынок серверов. Многие информационные центры построены на на базе этих процессоров благодаря их масштабируемости и возможности создания большего количества кластерных ресурсов в сети и экономичности. В большинстве кластерных конфигураций лучше использовать процессоры Xeon, но иногда бывают ситуации, когда нужны большое единое адресное пространство, самая лучшая память и характеристики RISC. В таких случах, конечно, целесообразно использовать Itanium.
На базе процессоров Intel построено триста восемьдесят из пятисот самых производительных суперкомпьютеров сегодня, и из них примерно триста двадцать или триста тридцать построены на базе процессоров Xeon, а пятьдесят или шестьдесят – на базе процессоров Itanium.
Когда вы работали над архитектурой процессоров, вы взаимодействовали с основателями Intel. Если взглянуть назад, можете ли вы назвать наиболее важные вещи для корпорации в самом начале ее деятельности?
В Intel всегда считали, что если технология способна сделать хоть что-нибуль, то это будет воплощено. Когда-то мы представили Pentium, который был больше по размерам, чем Intel 80486, и этот процессор был значительно более дорогим в производстве. Мы заработали меньше денег на Pentium, чем на 80486 в аналогичный период времени. Для бизнеса было бы лучше задержать выпуск процессоров Pentium. Однако если бы мы сделали это, кто-то другой мог бы представить первый суперскалярный продукт на рынке, в результате чего мы потеряли бы больше. Мы постоянно создаем продукты, которые раздвигают границы возможностей технологии. Лишь после этого мы начинаем думать о сокращении расходов, о получении прибыли и о финансовых результатах. Если бы Intel поступала иначе, мы не достигли бы высот в своей отрасли.
