Тактовая частота процессоров последние десять лет не растёт: производительность компьютеров улучшают за счёт дальнейшего запараллеливания операций, но не за счёт скорости выполнения. Выход из сложившейся ситуации — строить вычисления, основанные на других физических принципах. Задумывались об этом давно, однако подобные «экзотические» исследования в России казались странными и практически не финансировались, в то время как зарубежные промышленные фирмы негласно вели такие разработки.
Но сегодня — как в России, так и во всём мире — уже вовсю ведутся работы в областях, предлагающих альтернативу «классической» электронике. Это и квантовые компьютеры, и графеновые нанотрубки, и мемристоры, и фотонный процессор, и обратимые вычисления, и биокомпьютеры, и даже вычисления на вакууме, где роль логических элементов выполняют энергетические колебания вакуума. Какие-то направления признаются научным сообществом, другие по-прежнему считаются уделом эксцентричных одиночек.
У российских исследователей площадка для обмена идеями в области сверхмощных вычислений появилась в 2014 году. Всероссийская конференция «Посткремниевые вычисления» обязана своим существованием Национальному суперкомпьютерному форуму, который ежегодно на несколько дней собирает в Переславле-Залесском экспертное сообщество суперкомпьютерной отрасли России.
«На конференцию мы приглашаем, скажем так, ”сумасшедших профессоров”, над которыми все посмеиваются, — говорит Евгений Лилитко, директор Национального cуперкомпьютерного форума. — Она была создана для того, чтобы люди обсуждали какие-то совершенно фантастические идеи». Организаторы верят, что именно из такого общения родится будущее ЭВМ, новые принципы вычислений, о которых сегодня, может быть, никто не думает.
На нынешней конференции говорили именно о таких фантастических идеях. Николай Непейвода, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Института программных систем им. А. К. Айламазяна РАН, развивает общую теорию вычислительных свойств материи без привязки к каким бы то ни было конкретным физическим элементам, которые используются в компьютерах сегодня. Бессмысленно зацикливаться и на современных принципах программирования, считает он: их невозможно будет сохранить, и логика «посткремниевых компьютеров» будет не двоичная. Сергей Степаненко, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Российского федерального ядерного центра — Всероссийского научно исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ), разрабатывает фотонный компьютер, в котором вместо электричества используется свет. Пока что это лишь теоретические расчёты, однако на технологию уже получен патент и, как подчёркивает автор, с точки зрения физики в ней нет ничего «запрещённого» (хотя технологических трудностей при реализации предстоит немало).
Дмитрий Пантюхин и коллеги из Московского физико-технического института и Высшей школы экономики предлагают применять мемристоры* для создания нейрокомпьютеров, то есть компьютеров, построенных на принципах работы естественных нейронных систем. Ольга Колесниченко и коллеги из проекта «Бюллетень ”Анализ безопасности”» развивают идею биокомпьютеров на основе ферментов, ДНК и других биологических молекул.
На Национальном суперкомпьютерном форуме, состоявшемся вслед за конференцией по посткремниевым вычислениям, обсуждали элементную и компонентную базу суперкомпьютеров, системное и прикладное программное обеспечение, оптимизацию вычислений и другие вопросы. «Суперкомпьютерную отрасль можно разложить на технологии: процессор, память, хранилище, интерконнект, инфраструктура питания, охлаждение… И по этим технологиям мы стараемся занять первую позицию в мире. Особенно по критическим технологиям — тем, которые нам не продадут», — объясняет Сергей Михайлович Абрамов, член-корреспондент РАН, директор Института программных систем им. А. К. Айламазяна РАН и председатель оргкомитета форума. Но в последние годы Россия теряет свои позиции в области суперкомпьютеров: из перечня пятисот самых мощных вычислительных систем мира (Топ-500) стабильно выбывает по одной российской машине в год. Мировая вычислительная мощность, приходящаяся на Россию, составляет лишь доли процента. «Суперкомпьютеры — забота государства, — поясняет Абрамов. — Это хрупкая отрасль, и в отсутствие государственных заказов компании разрушаются, исчезают с рынка и теряется культура компаний». У нашего государства нет понимания этого.
А вот китайцы взяли отрасль под государственный контроль и за несколько лет смогли полностью переделать у себя киберинфраструктуру. Китай «подвинул» США с первого места в Топ-500 в 2013 году и с тех пор остаётся уверенным лидером: в последнем (ноябрьском) обновлении рейтинга у КНР 202 места из 500, тогда как у США — 143. Российских мест в рейтинге всего три: это суперкомпьютеры «Ломоносов» и «Ломоносов-2» из МГУ (227-е и 63-е место соответственно), а также «Политехник РСК Торнадо» из Санкт-Петербургского политехнического университета (412-е место). «Мы не можем сделать гигантскую установку без поддержки государства, — продолжает Абрамов. — Но мы держим себя в тонусе, стараемся разрабатывать решения мирового уровня, обмениваемся опытом с западными коллегами, чтобы быть в курсе, что у них происходит».
Комментарии к статье
* Мемристор (англ. memristor, от memory — память и resistor — электрическое сопротивление) — пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда. Предсказан теоретически ещё в XX веке, но впервые реализован совсем недавно.
