Гонка продолжается и с каждым новым кругом делается все стремительнее и напряженнее. И хотя сторонним наблюдателям кажется порой, что достигнутая на трассе скорость уже превысила все мыслимые пределы, соперники продолжают давить на газ, выжимая из своих машин еще большую мощность и заставляя их механизмы работать еще быстрее и эффективнее.

С появлением каждого нового поколения высокопроизводительной вычислительной техники конкуренция между ее создателями никогда и ни на секунду не ослабевала, становясь, наоборот, все интенсивнее и жестче. А сегодня, когда первенство в погоне за сверхоперативностью и супербыстродействием определяется уже не поколениями, а отдельными, конкретными и сугубо специальными разработками, это соревнование обретает особую остроту, обрастает специфическими чертами и вовлекает в свою орбиту не только предприятия информационно-технической промышленности, но и представителей широких общественных слоев - от ученых-фундаменталистов до высших государственных чиновников.

Глобальную суперкомпьютерную гонку уже давно и с большим отрывом возглавляют США и Япония. Немногим более двух лет назад японским инженерам удалось вырваться вперед, создав по заказу и при финансировании своего правительства кибернетический "имитатор земных процессов" ("Earth Simulator"), способный в единицу времени производить больше операций, чем двадцать самых мощных американских вычислительных систем вместе взятых. И теперь электронная промышленность Америки, вынужденная глотать пыль от идущей во главе мирового ИТ-каравана машины своего главного азиатского соперника, прилагает максимум усилий к тому, чтобы вернуть себе утраченную "желтую майку" лидера и снова занять почетную и выгодную pole position.

Во имя чего?

Для Соединенных Штатов роль догоняющих, в какой бы то ни было сфере ИТ-индустрии, непривычна и едва ли не оскорбительна, и любое место, кроме первого, в такой области, как разработка сверхскоростных вычислительных устройств, воспринимается ими почти как национальная трагедия. Но ведь на протяжении целого ряда лет, пока США прочно удерживали звание "суперкомпьютерной державы № 1", тамошние гуру от высоких технологий неоднократно предупреждали о перспективе скорого расставания с этим титулом. При тех огромных вложениях, которые необходимы сейчас для обеспечения каждого следующего прорыва в высоких технологиях (а именно такой, прорывный, характер носит в современных условиях создание любого образца аппаратуры с принципиально новыми параметрами быстродействия), решение подобной задачи без непосредственного участия и существенной поддержки государства не под силу никакому самому крупному бизнесу. Тем временем власти Вашингтона, - сигнализировали известные американские ИТ-авторитеты, - предельно узко понимают цели и возможные направления использования вычислительной техники наивысшей производительности и фокусируют свое внимание исключительно на развитии компьютерных программ и систем Пентагона. "Дело дошло до того, что на государственном уровне и в общенациональных масштабах серьезные научные исследования вопросов увеличения мощности и эффективности аппаратных средств фактически застопорились, - писал обозреватель журнала "Business Week" Отис Порт, ссылаясь на мнение профессионалов ведущих компаний, производящих вычислительную технику. - К реализации планов автоматизированного контроля ядерных и космических вооружений они вроде бы прямого отношения не имели, а к нуждам ученых и инженеров гражданских отраслей и их многочисленным обращениям правительственные органы оставались глухи".

Появление машины "Earth Simulator", сооруженной в лабораториях корпорации NEC, произвело в США эффект разорвавшейся бомбы, заставив наиболее самоуверенных представителей компьютерной и околокомпьютерной общественности страны усомниться в незыблемости своих передовых позиций, а государственных деятелей - обратить внимание на бескрайние горизонты невоенного применения электронной техники завтрашнего дня. "Я был просто оглушен", - признается Реймонд Орбах, начальник научно-технического отдела государственного департамента энергетики - одного из главных правительственных спонсоров академической науки. Причем самым ошеломляющим для Орбаха и большинства его коллег оказался не сам факт столь значительного рывка японских специалистов (ведь с объективной точки зрения технологическое лидерство Соединенных Штатов уже довольно много лет не является единоличным, и прежде всего именно Страна восходящего солнца со своим богатейшим научно-техническим потенциалом все чаще и чаще ставит это лидерство под большой вопрос) и даже не поразительные характеристики быстродействия "имитатора" (в конце концов, проект создания этого устройства был анонсирован его авторами еще в 1997 году), а та фантастическая эффективность и рациональность, с которой он производит обсчет гигантского количества параметров, необходимых для моделирования происходящих на планете климатических или энергетических процессов.

На то, чтобы прийти в себя и сделать выводы из перенесенного потрясения, ответственным чиновникам американского правительства потребовалось время - и вот 12 мая нынешнего года госсекретарь по вопросам энергетики Спенсер Абрахам объявил о готовности плана "суперкомпьютерной контратаки". По этому плану при национальной научно-технической лаборатории в Окридже (штат Теннесси) организуется специализированный центр фундаментальных исследований и разработок высокопроизводительной вычислительной техники, в распоряжение которого будут переданы два или три "электронных монстра" - самых мощных на сегодняшний день компьютера от Cray Inc., на базе которых должна быть сконструирована машина, по всем критериям превосходящая "Earth Simulator". Задача, конечно же, непростая, но, как считают руководители проекта, при соответствующем организационно-экономическом содействии вполне выполнимая. При том, что японская система - по утверждению ее разработчиков - может "со свистом" выполнять 41 триллион операций в секунду, директор новообразованного теннессийского центра Томас Захария обещает, что аппаратные возможности Cray позволят ему и его подчиненным в конце текущего года создать комплекс, обеспечивающий внутри себя передачу информации со скоростью 40 терабит/с, к 2006 году повысить эту скорость до 100, а еще через год - достичь 350 терабит/с. "Таким образом, - подводит итог Захария, - мы претендуем на осуществление очередной технологической революции, поскольку устройство с такими характеристиками станет не чем иным, как абсолютно новым кибернетическим инструментом и вычислительным средством. К тому же, мы уже сейчас думаем над тем, чтобы наша будущая машина обладала практическими свойствами, которых не имеет "Earth Simulator": ее возможности, к примеру, обязательно будут доступны удаленным пользователям через распределенную высокоскоростную сеть. И уже сегодня мы чувствуем большую потребность в такой машине и огромный интерес к нашей работе, в частности со стороны предприятий авиационной, автомобильной и химической промышленности".

И все же индустриальные корпорации являются далеко не единственными, а может быть, и не главными потенциальными потребителями мощностей суперкомпьютерной техники. Научные сотрудники академических институтов, занятые изучением и моделированием процессов зарождения звезд или возникновения жизни, нуждаются сейчас в инструментах сверхскоростных и высокоэффективных вычислений, пожалуй, еще больше, чем специалисты хозяйственно-экономических отраслей. Но жизнь, тем не менее, устроена так, что большая половина из 500 самых мощных в мире компьютеров принадлежит частным компаниям, и находящиеся на гособеспечении представители фундаментальной науки имеют гораздо меньше шансов воспользоваться их услугами, чем персонал банков, страховых агентств или телекоммуникационных фирм. А пока государственные научные учреждения не в состоянии удовлетворить даже самые насущные и очевидные свои потребности в производительных вычислительных средствах, бизнес изыскивает и находит применение суперкомпьютерам во все новых и новых сферах разработки, выпуска и маркетинга своей продукции. Концерн Procter & Gamble недавно начал производить на суперкомпьютере обсчет химико-технологических параметров адсорбирующих материалов для детских подгузников. Тем временем IBM и другие ИТ-вендоры ведут работу над созданием архитектуры и программного обеспечения специальных суперкомпьютеров, в максимальной степени отвечающих расширяющимся коммерческим запросам.

Кому звонит колокол?

Такое положение вещей приводит к распространению и укреплению в американском обществе мнения о том, что "пора бы государству и в этом направлении власть употребить". Сообщения о том, что "Earth Simulator" начал активно эксплуатироваться японскими учеными, вызвали среди их коллег в США волну недовольства политикой официального Вашингтона, "который, - по выражению журнала "Scientific American", - ждет и требует от подведомственной ему науки грандиозных свершений и передовых открытий, но при этом совершенно игнорирует необходимость обеспечения этой науки современным оборудованием". Ну а высказывания видных японских исследователей, и прежде всего, директора токийского центра по изучению и моделированию земных процессов Тецуя Сато, подтверждающие, что ""Earth Simulator" уже сегодня вносит неоценимый вклад в развитие наук о Земле и других перспективных фундаментальных работ", только подливают масла в огонь открытой неудовлетворенности академических кругов Соединенных Штатов своим нынешним положением и отношением к ним со стороны правительства. Американские ученые, разумеется, еще не бастуют, не устраивают демонстраций и не сидят на рельсах, но соответствующих по теме и настроению писем в адрес различных госструктур, статей в газетах и журналах, интервью на радио и телевидении за последние месяцы появилось великое множество. Не вызывают особого оптимизма у научной общественности США и уверения Томаса Захария в том, что будущий собственный американский национальный суперкомпьютер станет общедоступным: ведь, судя по вышеупомянутым видам на перспективу, строящаяся в Ок-Ридже машина станет опять-таки в первую очередь достоянием промышленных предприятий.

А тем временем профессор Сато, показывая пример реальности бесконфликтного и обоюдовыгодного использования сверхбольших вычислительных мощностей некоммерческими и коммерческими структурами, заключил союз с несколькими крупными автомобилестроительными фирмами Японии, по условиям которого "Earth Simulator", помимо решения задач исследовательского центра, будет применяться для проектирования автомашин, моделирования их движения и проведения "виртуальных крэш-тестов". Такая практика, кстати, отнюдь для Японии не нова: по некоторым сведениям, еще до того, как появился нынешний всемирно известный "имитатор", менее производительные, но тоже сверхбыстродействующие компьютеры фирмы NEC одновременно и с успехом использовались государственными академическими институтами и частными автомобильными концернами. Не исключено, что во многом благодаря этому за несколько истекших лет японская фундаментальная наука сделала заметный шаг вперед, а японские автомобили потеснили с мирового рынка американских конкурентов, превзойдя их буквально по всем статьям - надежности, аэродинамичности, управляемости, экономичности и безопасности.

Впрочем, "Earth Simulator" с его вычислительными способностями и универсальным применением является далеко не единственным примером того, насколько Соединенные Штаты отстали сейчас от своего азиатского соперника в сфере суперкомпьютеризации. В биологии - той области науки, где вариативность и необходимость эффективных вычислений вообще не имеют границ (от медицинской диагностики до автоматизации разработки сложных фармакологических препаратов) - качественный отрыв японских организаций и предприятий еще более очевиден. В 2001 году в национальном институте физико-химических исследований Японии (Riken) был введен в строй мощный специализированный компьютер, ориентированный на моделирование таких трудновоспроизводимых процессов, как протеиновые реакции. Названное "Molecular Dynamics Machine", это устройство было рассчитано (теоретически) на достижение быстродействия в 78 терабит/сек - т. е. почти вдвое большего, чем у "имитатора" NEC.

Почему же известие о суперкомпьютере Riken не послужило три года назад тревожным сигналом для Вашингтона? - задаются сегодня вопросом американские аналитики. И сами же отвечают: да именно потому, что информация о нем исходила из такой малоинтересной правительственным чиновникам отрасли, как биологическая наука, и в органах власти не нашлось никого, кто бы смог по достоинству оценить потенциальные возможности этой уникальной машины. А специалисты Riken, проведя с помощью MDM колоссальный объем работ и не ограничиваясь ее использованием в каких-то "узкопрофильных" целях, уже исчерпали расчетную мощность системы и теперь планируют к 2006 году увеличить ее до 1000 терабит/сек (иначе говоря, до 1 петафлопа). Руководитель отдела биокомпьютерных разработок Riken Макото Таиджи утверждает, что выход на такой небывалый уровень производительности - вовсе не самоцель института: только такие параметры компьютера могут позволить ученым и инженерам проникнуть в глубины нанотехнологий и приступить к формированию принципиально новых материалов совершенно новыми методами "атомарного конструирования". Комментируя эти сообщения из Токио, директор компьютерного центра национальной научно-исследовательской энергетической лаборатории США в Беркли Хорст Саймон вынужден был лишь с огромным сожалением констатировать, что по степени компьютерно-технической оснащенности американская наука сегодня слабее японской по крайней мере в сто раз.

Сложение или умножение?

Анализируя нынешние достижения передовой суперкомпьютеризации, эксперты ИТ-индустрии выделяют два различных подхода, которыми пользуются разработчики при сооружении сверхпроизводительных вычислительных устройств. NEC Corporation строит свои машины на основе векторной архитектуры, предусматривающей применение заказных микропроцессорных схем, адаптированных к быстрому осуществлению большого количества вычислительных операций. В отличие от японских суперкомпьютеров, их прототипы из Соединенных Штатов базируются на вполне обычных чипах с рядовыми потребительскими качествами - т. е. на тех, которые входят в состав ПК или электронно-бытовой аппаратуры. Интересно, что вплоть до момента рождения "имитатора земных процессов" авторы американской суперкомпьютерной техники искренне гордились своим "упрощенным и экономичным" подходом к ее созданию: ведь микрочипы серийного производства общедоступны, изготавливаются в громадных количествах и стоят очень дешево - гораздо дешевле тех, которые устанавливаются на машинах NEC. Ну а быстродействия своих суперкомпьютеров IBM, Hewlett-Packard или Dell традиционно добиваются путем простого сложения мощности 100, 500, 1000 и более элементарных процессоров, сооружая из них своеобразную лесенку. Отсюда и название такого подхода - скалярный.

Однако в ходе практического использования устройств со скалярной архитектурой и их заочного соперничества с векторными машинами выяснились существенные недостатки американского конструктивного подхода в сравнении с японским, которые могут свести на нет любые экономические преимущества. При работе со сложными операционными системами и программными пакетами, необходимыми для решения имитационных задач в области физики, химии или биологии, американские суперкомпьютеры, как правило, оказываются неспособными функционировать в течение продолжительного времени хотя бы с 10-процентной нагрузкой. Тогда как аппаратура NEC легко, свободно и сколь угодно долго работает в режиме 60% своей расчетной производительности, а при особой надобности - и более напряженно (с последующим перерывом и профилактическими работами). Учитывая столь драматичный для американских разработчиков и пользователей факт, приходится признать, что "Earth Simulator", будучи официальным чемпионом мира по быстродействию, на самом деле не вдвое, а минимум в 6–10 раз мощнее нынешнего чемпиона США - компьютера ASCI Q от Hewlett-Packard, установленного в национальной лаборатории ядерной энергетики в Лос-Аламосе и рассчитанного на осуществление 20,5 триллиона операций в секунду.

Для решения подавляющего большинства повседневных задач, стоящих перед бизнесом или оборонным комплексом Соединенных Штатов, такого быстродействия, естественно, хватает с лихвой. Но для проведения широкомасштабных научных исследований и обеспечения революционных открытий запаса мощности скалярных суперкомпьютеров уже маловато. Если вернуться к биохимической отрасли, то можно вспомнить, что в 70-80-х годах ученые просто не знали, как подступиться к проблеме детального рассмотрения функций и реакций протеинов. Во второй половине 90-х годов компьютерная техника сделала возможным моделирование этих процессов, но для их расчета требовалось ощутимое время - сутки или даже двое. Теперь же в лабораториях института Riken подобные расчеты и опыты проводятся в течение 3–4 часов. Модель любого протеина создается за несколько минут, после чего специалисты могут экспериментировать с теми или иными его свойствами, дабы определить, какие из них и каким образом повлияют на действие разрабатываемого фармацевтического препарата.

В принципе, пределов необходимого совершенства, производительности и быстродействия вычислительной техники не видно уже сейчас, когда существующие ее мощности используются далеко не полностью и когда ученые (по их же собственным признаниям) только начали практическое исследование явлений и ресурсов природы во имя превращения их в технические средства и материальные блага. А ведь изучение природы часто сравнивают с чисткой луковицы: за каждым снятым слоем следует другой, который создает новые проблемы и сложности. Поэтому предположить, какие конкретно параметры компьютерных устройств будут востребованы и достаточны для решения завтрашних научных задач, сегодня не представляется возможным. "Самые передовые сегодняшние суперкомпьютеры являются все-таки не чем иным, как обычными приборами для проведения традиционных опытов, - рассуждает Реймонд Орбах. - Но очень скоро прогресс науки и технологий перевернет наши привычные представления об исследованиях как сочетании теоретической проработки проблем с соответствующими практическими экспериментами. И тогда процессам эмуляции, имитации и моделирования явлений и объектов будет, очевидно, отведена роль той самой "третьей ножки стула", которая и делает его устойчивым. Как профессиональный физик-теоретик, я уже сейчас могу назвать несколько насущных научных проблем, для разрешения которых не существует теоретической базы, но преодолеть ее отсутствие вполне возможно с помощью математического моделирования".

Экономика должна быть экономной?

"Суперкомпьютеры скалярной архитектуры были адекватны научно-инженерным задачам конца ХХ века, - продолжает мысль Орбаха Суреш Шукла, менеджер отдела высокопроизводительной компьютерной техники корпорации Boeing. - Но их время закончилось где-то в 1995 году, и для эффективного решения проблем, стоящих перед наукой и высокотехнологичным производством сегодня, они не годятся. Новое время требует новых вычислительных средств". Но что же делать, если машины такого класса, как "Earth Simulator", чрезвычайно дороги и их стоимость, измеряемая сейчас десятками миллионов долларов, в ближайшее время существенно не снизится? Для основной массы госбюджетных учреждений в таких условиях скалярная аппаратура продолжает оставаться единственным хоть в какой-то мере доступным инструментом сверхсложных вычислений. Не далее как прошлой осенью одна из таких систем - "Big Mac" - была развернута в политехническом институте государственного Университета штата Вирджиния. В состав системы входят 1100 компьютеров Macintosh G5 фирмы Apple Computer Co., и максимальная ее производительность оценивается в 17,6 триллиона операций в секунду. Но при том, что быстродействие "Big Mac" даже при самом поверхностном сравнении не превышает 45% возможностей "имитатора" NEC, его цена (5,2 млн. долларов) оказалась несопоставимо ниже "японского чуда" и составила всего 1,3% гигантской суммы в 400 миллионов долларов, на которую потянул "Earth Simulator".

Не торопится отправлять скалярную технику на свалку истории и бо’льшая часть представителей бизнеса. Состояние суперкомпьютерного рынка США наглядно показывает, что относительная дешевизна американских высокоскоростных машин сделала их приобретение вполне реальным для значительного числа более или менее состоятельных частных фирм. И фирмы эти теперь наперебой выражают благодарность производителям за то, что они освободили их от необходимости сутками, а то и неделями стоять в очереди, ожидая доступа к ресурсам одного из немногочисленных открытых общегосударственных вычислительных центров со сверхмощной аппаратурой - вроде Национального фонда науки с его широко известным "джамбо".

"О широком распространении, растущей популярности и увеличивающемся спросе на скалярные суперкомпьютеры лучше всего говорят цифры, - свидетельствует вице-президент IBM Дэвид Турек. - Когда в начале 90-х годов появление первых машин типа Cray подвигло наших аналитиков на составление глобального рейтинга сверхбыстродействующих вычислительных устройств, их количество исчислялось единицами. В 1994 году из 500 находящихся в эксплуатации крупнейших суперкомпьютеров мира уже больше половины относилось к разряду аппаратуры, изготовленной по традиционной для американской ИТ-промышленности технологии. В прошлом году таких систем в рейтинге было почти 95%". "Вывод из такого расклада напрашивается сам собой, - резюмирует г-н Турек. - Компьютерной архитектурой, как и любой технологией, движут экономические интересы. И пусть Япония создает системы, занимающие первые места в соревновании по быстродействию и мощности, но когда речь заходит о том, сколько пользователей готовы выложить за них по полмиллиарда долларов, оказывается, что таковых во всем мире можно насчитать два-три. А это уже не бизнес".

С Дэвидом Туреком, в принципе, соглашается и исполнительный директор компании Cray Джеймс Роттсолк: "Наш рынок недостаточно велик для того, чтобы мы могли позволить себе экспериментировать с векторной архитектурой или тратить на исследования столько, сколько тратят IBM или HP". И эта точка зрения вполне естественна для руководителя фирмы, специализирующейся на производстве суперкомпьютеров: если учесть, что общий объем продаж этого рынка (по данным International Data Corp.) вот уже десять лет остается стабильным, равняясь примерно миллиарду долларов в год, экономические предпосылки оказываются весомее всех остальных и заставляют весьма сдержанно относиться к перспективе каких бы то ни было качественных перемен.

Финиша не будет?

И все же международная суперкомпьютерная гонка продолжается. В Соединенных Штатах к ней сейчас подключается знаменитая ядерно-космическая лаборатория Ливермор, которая в кооперации с IBM планирует в ближайшее время создать систему "Blue Gene", построенную на 131 072 микрочипах и обеспечивающую быстродействие 360 трлн. операций с плавающей запятой в секунду. Причем, как утверждает заместитель руководителя проекта Марк Сигер, эта система должна будет стать поистине революционной, соединив в себе преимущества скалярной и векторной технологий: эффективность работы всех ее многочисленных процессоров будет увеличена за счет специального "турбогенератора", имитирующего функции и восполняющего отсутствие дорогостоящих векторных схем. Как всегда, не остается в стороне от суперкомпьютерных инноваций и Пентагон: из ассигнованных Министерству обороны немалых бюджетных средств в распоряжение научно-исследовательского агентства DAPRA уже выдана стартовая сумма на финансирование разработки прототипа системы с квадриллионным быстродействием, которую американские военные при участии Sun Microsystems, IBM и Cray собираются построить к 2009 году.

Чем же ответит Япония на попытки главного соперника вернуть себе лидерство в этом соревновании? "К сожалению, пока ничем", - разводит руками профессор Сато. Он, правда, полон собственных идей, связанных с консолидацией двух конкурирующих архитектур, но жалуется на недостаток денежных средств, необходимых для их реализации. Тем не менее, у Соединенных Штатов нет причин расслабляться и не так уж много времени на организацию прорыва: по просачивающимся из Токио сведениям, в стенах NEC полным ходом идут работы по созданию целого семейства суперкомпьютеров нового поколения, презентация которого намечена на следующий год. "О деталях этого проекта я ничего сообщить не могу. Они еще являются секретом фирмы", - отвечает на все вопросы вице-президент корпорации Тадаси Ватанабе, сохраняя на лице загадочную улыбку.