В 2010 г. сотрудник корпорации Intel Владимир Пентковский совместно с учеными МФТИ представил на конкурс, объявленный Министерством образования и науки РФ в рамках выполнения постановления правительства России №220, программу по исследованию и разработке программно-аппаратных архитектур, которые были бы максимально эффективны при решении сложных задач биоинформатики и фармакологии, требущих больших вычислительных ресурсов.
Владимир Пентковский, известный разработчик программно-аппаратных архитектур, заслуженный исследователь Intel, обладает большим опытом создания научных коллективов в России, США и Индии. Он владеет 40 международными патентами, что подтверждает его высокий авторитет. Проект доктора Пентковского, выступившего руководителем проектной команды, вошел в число 40 победителей и получил грант в размере 150 млн. руб. на создание лаборатории в МФТИ и проведение исследований по предложенному им проекту. Всего на конкурс было подано более 500 заявок.
Корпорация Intel на протяжении продложительного времени активно сотрудничает с российскими вузами в сфере научных исследований, внедрения новых учебных программ, формирования экосистемы инноваций через кооперацию высших учебных заведений и индустрии. Intel является базовой организаций для факультета радиотехники и кибернетики МФТИ, поэтому совместный проект с выделенным государственным финансированием стал логическим развитием этого сотрудничества.
Основные результаты, достигнутые сотрудниками лаборатории на начальном этапе ее деятельности, и дальнейшие перспективы развития были представлены в рамках пресс-конференции, проведенной 13 октября в МФТИ при участии корпорации Intel и группы компаний РСК. С приветственным словом выступил ректор МФТИ Николай Кудрявцев. Он отметил безусловную важность и актуальность программы, реализуемой лабораторией I-SCALARE. Владимир Пентковский, научный руководитель лаборатории, представил основные направления ее деятельности.
Главным из них является разработка проблемно-ориентированных архитектур вычислительных систем для задач биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур. В качестве «целевых» были выбраны несколько прикладных вычислительных задач, связанных с моделированием вирусов, клеточных мембран, а также взаимодействия белков и внешних полей с клеточными мембранами. Все они, с одной стороны, имеют большую практическую ценность, а с другой — не могут быть решены на имеющихся вычислительных ресурсах и требуют новых подходов к архитектуре кластеров.
«Наш проект уникален: мы одновременно создаем суперкомпьютер — инструмент для решения наших задач — и с его помощью решаем эти задачи, — говорит Владимир Пентковский, научный руководитель лаборатории I-SCALARE, доктор технических наук, заслуженный исследователь корпорации Intel. — Получаемые результаты доказывают правильность такого подхода. Используя математическое моделирование при проектировании суперкластера, мы можем точно прогнозировать архитектуру системы и максимально эффективно использовать ресурсы. Своей деятельностью мы стремимся доказать, что переход от сырьевой экономики к экономике знаний в России не только желаем, но и возможен. Таланты российских разработчиков, которые мы сумели привлечь, дали прекрасные плоды и вселяют надежду на успешное будущее».
Руководитель исследовательской группы Института биоорганической химии Роман Ефремов рассказал о работе над моделированием взаимодействия белков с клеточными мембранами. В сотрудничестве с I-SCALARE ученые Института биоорганической химии проводят исследование взаимодействия ряда природных антибиотиков (лантибиотиков) с определенными видами клеточных мембран, что позволит выявить тонкие механизмы действия лантибиотиков и разработать подход к компьтерному конструированию нового класса молекул с заданным спектром антибактериальной активности.
Дмитрий Осолодкин (исследовательская группа химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова) представил задачу, решаемую под руководством академика Н.С. Зефирова и ведущего научного сотрудника В.А. Палюлина совместно с I-SCALARE: моделирование структуры и молекулярной динамики опасных для человека вирусов типа Flavivirus (например, вируса лихорадки Денге) и процессов их взаимодействия с клетками организма. Изучение этих сложных молекулярных явлений позволит помочь в создании лекарств для лечения опасных вирусных заболеваний — клещевого энцефалита, лихорадки Денге, лихорадки Западного Нила, желтой лихорадки и т.д.
В проектной группе под руководством Максима Деминского (КИНТЕХ Лаб) разрабатывается интегрированная модель взаимодействия электромагнитного излучения с клеточными тканями для описания процессов образования пор и транспорта через них молекулярных веществ и наноструктур. Для этого методы атомистического моделирования (на основе эмпирической молекулярной динамики) интегрируются с моделями, описывающими распределение электромагнитного поля и температуры в масштабе всей клетки. За прошедшее время группой были решены две сопряженные задачи, которые позволяют вплотную подойти к проблеме предсказания воздействия электромагнитного поля на свойства мембраны клетки.
Стоит отметить, что лаборатория I-SCALARE осуществляет не только научную, но и учебную деятельность. Ее сотрудниками был разработан учебный курс по использованию симуляторов для моделирования различных вычислительных систем. Кроме того, в лаборатории регулярно проводятся научные семинары, а Владимир Пентковский стал научным руководителем нескольких аспирантов и студентов МФТИ.
Создание инновационного вычислительного кластера в МФТИ
Группа компаний РСК, ведущий в России и СНГ разработчик и интегратор «полного цикла» суперкомпьютерных решений нового поколения на основе архитектур корпорации Intel и передового жидкостного охлаждения, в рамках контракта с МФТИ разработала и установила пилотную систему, которая стала основой инновационного вычислительного кластера в лаборатории суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE.
Как рассказал Александр Московский, генеральный директор компании «РСК Технологии», новый суперкомпьютер МФТИ основан на инновационной архитектуре «РСК Торнадо», впервые продемонстрированной РСК на ведущей европейской отраслевой выставке International Supercomputer Conference (ISC), прошедшей в Гамбурге в июне 2011 г. «РСК Торнадо» — это первое в мире энергоэффективное суперкомпьютерное решение с передовым жидкостным охлаждением для массово доступных стандартных серверных плат на базе процессоров Intel® Xeon®, изначально создававшихся для традиционных систем с воздушным обдувом электронных компонент. Архитектура «РСК Торнадо» обеспечивает гибкость конфигурации вычислительных узлов со стандартными интерфейсами и простоту построения решения, высокую ремонтопригодность (простота замены модулей оперативной памяти и увеличения ее объема, обновление на новые модели процессоров), возможность интеграции с любыми внешними изделиями со стандартными интерфейсами (PCI Express).
На текущий момент пилотная кластерная система в МФТИ обладает производительностью в 2,5 TFLOPS (триллионов операций в секунду) и состоит из 16 вычислительных узлов, каждый из которых содержит по два наиболее высокопроизводительных процессора Intel® Xeon® 5680 с тактовой частотой 3,33 ГГц. При этом в ней имеется 36 ГБ оперативной памяти на один узел, система хранения данных емкостью 3 ТБ, а коммуникационная сеть построена на базе высокоскоростного интерфейса Infiniband QDR. Уже в рамках пилотной системы вычислительный кластер обладает следующими уникальными характеристиками:
Простота и высокая надежность;
Экономическая эффективность;
Высокая энергоэффективность — рекордный показатель эффективности использования электроэнергии (Power Usage Effectiveness, PUE) менее 1,2 (это соотношение «энергопотребление всей системы/энергопотребление электронных компонент»). То есть на охлаждение будет расходоваться не более 16,7% энергопотребления всей системы;
Компактность и высокая плотность;
Большой коэффициент вычислительной эффективности — более 90% на тесте LINPACK;
Высокая масштабируемость;
Возможность использования ускорителей (архитектуры Intel MIC).
«Нам очень приятно, что передовые в мире инновационные российские технологии в области создания суперкомпьютерных решений, разработанные специалистами РСК, будут использоваться для развития новых отраслей знаний и достижений в отечественной науке, — отметил Александр Московский, генеральный директор компании «РСК Технологии». — Поэтому мы придаем особое значение перспективам развития проекта в МФТИ по созданию энергоэффективного вычислительного кластера в лаборатории суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE».
В дальнейшем в рамках планового расширения уже в этом году производительность вычислительного кластера МФТИ будет увеличена до 30 TFLOPS.
Биоинформатика и моделирование лекарственных препаратов являются одними из самых быстрорастущих областей, где существует острая необходимость использования высокопроизводительных вычислений на суперкомпьютерах. Актуальность представленного проекта состоит в том, что прорывы в сфере новых методов медицинской диагностики, лечения, создания новых лекарств и т.д. возможны только с развитием новых вычислительных моделей и платформ, учитывающих специфику био-медико-фармацевтических задач. А его совместная реализация сотрудниками МТФИ, корпорации Intel и группы компаний РСК, несоменно, позволит вывести исследования в данной области на новый уровень.
По итогам конкурса, проведенного корпорацией Intel за 2010 год, суперкомпьютерное решение РСК было признано победителем номинации «Лучшее в России и СНГ серверное решение на базе процессоров Intel® Xeon®». РСК имеет наивысший уровень Platinum в рамках программы поддержки партнеров Intel® Technology Provider Program.
А 20 октября на рабочем заседании открытой европейской ассоциации PROSPECT (Promotion of Supercomputing Partnerships for European Competitiveness and Technology) группа компаний РСК, ведущий в России и СНГ разработчик и интегратор «полного цикла» суперкомпьютерных решений нового поколения на основе архитектур корпорации Intel и передового жидкостного охлаждения, была единогласно принята в состав этой организации.
PROSPECT объединяет ведущие коммерческие компании и исследовательские организации в Европе с целью продвижения и развития технологий и разработок в области высокопроизводительных вычислений (High Performance Computing, HPC). Эта европейская ассоциация была создана в 2007 году и в настоящее время включает порядка 40 членов из 9 стран (Великобритании, Германии, Израиля, Испании, Италии, Нидерландов, Норвегии, Финляндии и России). В работе PROSPECT принимают участие такие компании и организации как Суперкомпьютерный центр Барселоны (Barcelona Supercomputing Center, BSC), Cray, Dell, Научно-исследовательский центр в г. Юлих (Forschungszentrum Jülich),
Суперкомпьютерный центр г. Штуттгарта (Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart, HLRS), HP, IBM, Intel, Вычислительный центр им. Лейбница (Leibniz-Rechenzentrum, LRZ), Mellanox Technologies, Micron Semiconductors, Национальная компьютерная ассоциация Нидерландов (Netherlands National Computing Foundation, NCF), Oracle, Supermicro, Университет Эдинбурга, Университет Гейдельберга и др. Вступление российской группы компаний РСК в ассоциацию PROSPECT вполне закономерно и обосновано, что подтвердило единогласное голосование членов этой организации. Тем самым на авторитетном европейском уровне были высоко оценены инновационные разработки и передовые технологические решения РСК.
Группа компаний РСК в очередной раз подтвердила свое реноме технологического лидера, продемонстрировав инновационную архитектуру «РСК Торнадо» на ведущей европейской отраслевой выставке International Supercomputer Conference (ISC), прошедшей в Гамбурге в июне 2011 г. «РСК Торнадо» – это первое в мире энергоэффективное суперкомпьютерное решение с передовым жидкостным охлаждением для массово доступных стандартных серверных плат на базе процессоров Intel® Xeon®, изначально создававшихся для традиционных систем с воздушным обдувом электронных компонент.
Архитектура «РСК Торнадо» обеспечивает гибкость конфигурации вычислительных узлов со стандартными интерфейсами и простоту построения решения, высокую ремонтопригодность (простота замены модулей оперативной памяти и увеличения ее объема, обновление на новые модели процессоров), возможность интеграции с любыми внешними изделиями со стандартными интерфейсами (PCI Express).
Преимущества архитектуры «РСК Торнадо» уже высоко оценены российскими заказчиками, поэтому это инновационное решение активно используется в новых проектах РСК. Например, на ней построен недавно представленный новый суперкомпьютер Московского физико-технологического института (МФТИ) на базе высокопроизводительных процессоров Intel® Xeon® 5680 с тактовой частотой 3,33 ГГц, который уже в рамках пилотной системы обладает следующими уникальными характеристиками:
«Наша профессиональная команда с момента своего создания нацелена на разработку инновационных технологий, решений и сервисов, которые делают доступными новые уровни производительности, масштабируемости и энергоэффективности для отечественных и международных пользователей высокопроизводительных вычислений. Мы надеемся, что наш опыт и потенциал будет полезен для развития индустрии HPC и международного сотрудничества в рамках организации PROSPECT» — отметил Александр Московский, генеральный директор компании «РСК Технологии», входящей в состав группы компаний РСК.
