Зачем Узбекистану Суперкомпьютер?

В  марте этого года компания NVIDIA, ведущий в мире производитель графических процессоров, предоставила революционный чип A100, специально разработанный для суперкомпьютеров (СК) с искусственным интеллектом. Поразительно компактный (президент компании лично достал его из духовки) и невероятно мощный – пять таких могут заменить современный дата центр, и будут в 10 раз дешевле и потреблять в 20 раз меньше электроэнергии при той же производительности. Десять таких серверов вместе – это производительность, которая уже будет входить в топ 500 суперкомпьютеров мира.

Я очень обрадовался этой новости.  И подумал: надо будет нам наш обновить, устарел уже немного, наверно. Каково же было мое удивление, когда я узнал, что суперкомпьютера у нас в Узбекистане просто нет!

Для любой страны не иметь свой СК в XXI веке – это непростительное стратегическое упущение.

Вот, например, в XX веке была стратегическая гонка вооружений. Страны наращивали свой ядерный потенциал и соревновались, кто первым долетит до Луны. А в XXI веке развернулась нешуточная стратегическая гонка суперкомпьютеров между США, Китаем, Японией, Европой и Израилем. Россия сильно отстает, но в последнее время стремительно набирает обороты.

Дело в том, что иметь свой СК — это вопрос государственного престижа и экономия МНОГИХ миллионов долларов в КАЖДОЙ отрасли экономики, не говоря уже о мощном положительном сигнале для потенциальных инвесторов.

Весь мир уже несколько лет находится в центре четвертой индустриальной революции. Если коротко, то сначала, примерно двести лет назад, изобрели паровую машину, еще через сто лет — электричество, затем придумали массовое производство и, наконец, в середине двадцатого века — интернет. И вот теперь — суперкомпьютеры, машинное обучение и искусственный интеллект. Специалисты по Big Data, machine learning, software engineering чрезвычайно востребованны по всему миру, и эта нешуточная потребность будет экспоненциально расти в будущем.

Давайте разберем области применения СК на конкретных примерах.

Добыча нефти и газа

Ни одна нефтегазовая компания не обходится без СК. Скажем, есть предварительные данные о нефтяном месторождении, которое находится глубоко под землей, и нужно смоделировать его размеры и объем. Нефтедобывающая компания должна представить себе, где и насколько глубоко бурить, и стоит ли бурить вообще. Потому что ошибки недопустимы. Вы знаете, сколько стоит пробурить одну скважину? 3-5 миллионов. Долларов, не сумов.  Промахнулся, деньги на ветер. Бури следующую. Нашел нефть — в лучшем случае добудешь примерно 30% от объема резервуара, остальное остается глубоко под землей. После оптимизации этот процент может вырасти до 80%.

И тут на помощь приходит HPC (high performance computing) моделирование на  СК.

Делается это примерно так (примеры вычислений здесь и далее взяты из лекций В. В. Воеводина, заведующего кафедрой суперкомпьютеров и квантовой информатики ВМК МГУ): резервуар представляется в виде куба со стороной в 100 точек. Каждая точка требует вычисления нескольких функций. Температура, скорость, давление, концентрация, химико-физические свойства отдельных фракций нефти – это 5-20 функций на каждую точку.  Вычисление функции требует рещения нелинейного уравнения – около 500 арифметических операций на каждое уравнение. Решили все уравнения,получили хорошую статическую картину.  Дальше нужно моделировать по времени – скажем, 500–1000 шагов по времени для получения хорошей динамической картинки. Сколько вычислений нужно? Давайте прикинем:

100* 100*100 точек * 10 функций * 500 операций* 500 шагов по времени = 2.5*10¹² арифметических операций.

Это потянет только СК.

Нужны ли такие расчеты для нашей нефтегазовой промышленнности? Еще как! Оптимизация добычи нефти на какие-нибудь полпроцента – это уже экономия миллионов долларов.

Большие корпорации, как правило, знают во что вкладывать. Например, в 2018 году итальянская энергитеческая компания ENI купила СК с мощностью 22 петафлопс – 13 место в топе 500 суперкомпьютеров!

Автомобилестроение

Каждая автомобильная компания обязана регулярно проводить краш-тесты – проверять, насколько безопасна конструкция автомобиля для пассажира. Чтобы выяснить, выживет ли водитель машины при столкновении. Каждый физический краш-тест обходится очень дорого. Безумно дорогие куклы с датчиками – одноразовые. Надо варьировать скорости столкновения, количество пассажиров, вес машин, и пр. Гораздо дешевле построить компьютерную модель – взять спецификации автомобиля, материалы, компоновку, и смоделировать столкновение на СК. Сотни параметров можно варьировать бесконечно.

А расчеты аэродинамики для Формулы 1 (кстати, как насчет узбекского болида?). Традиционно это опять очень дорого – строится баснословно дорогая аэродиначическая труба, в которую можно построить и поместить одну модель. С другой стороны, эксперименты на СК точнее, дешевле и быстрее, и параметры опять можно менять бесконечно.

Впервые компьютерные модели при дизайне болида  применила BMW в далеком 2006 году. Это оказалось настолько эффективно, что теперь ВСЕ компании, участвующие в гонках Формулы обязательно используют СК. Интересно, что организаторы даже строго ограничили мощность СК на которых можно проектировать болиды – чтобы дать возможность новичкам входить в соревнования.

Авиация и космические полеты

Ни одна современная авиастроительная компания не обходится без СК!

Современный авиационный двигатель – одна из самых сложных инжененрных конструкций, придуманных за всю историю человечества. Грубо говоря, например, стоимость автомобился за 1 кг веса — $25. Истребителя пятого поколения — $1000. А вот двигатель истребителя пятого поколения уже стоит немыслимые  $5000!

И вот, представьте, дорогущий, многомиллионный, дико сложный авиационный двигатель. Чудо инженерной техники. И надо проверить, оторвутся у него лопасти при попадании в грозу с градом, или нет. А если оторвутся, не пробьют ли фюзеляж самолета, где пассажиры сидят. Простой такой вопрос. Если делать эксперимент с физическим двигателем, то потом двигатель идет прямо на слом. Миллионы на ветер. И на помощь опять приходит моделирование на СК.

Российский НПО Сатурн проводит такие моделирования. И они говорят, что операций на такие модели надо проводить примерно 2.5 *10¹⁶ . Это десять миллионов миллиардов арифметических операций. Попробуйте на персональном компьютере. Или столбиком, с тем же успехом.

Или вот одна из задач в аэроакустике и аэродинамике – как снизить шум? Чтобы самолеты, пролетая низко над населенным пунктом, не оглушали? Очень непросто. Давайте прикинем расчеты.

Берется крыло с окружающим его воздухом. Наносится воображаемая сетка – 50 млн. ячеек. Трудоемкость на ячейку – примерно 20 тыс. операций. Шагов по времени – 250 тыс. Получаем:

50* 10⁶ ячеек * 20 * 10⁵ операций *250 * 10³ шагов по времени = 2.5 *10¹⁶

Это самая простая модель. Как сказали бы физики – модель поведения сферической лошади в вакууме. Эту модель нужно усложнять, чтобы приблизить к реальным условиям – просчитать несколько режимов полета, разные углы атаки, разная скорость потока воздуха. Еще усложняем – крыло с механизацией, крыло с двигателем и пр. И получаем – необходимая вычислительная мощность — 10¹⁸ операций!

Или, например, моделирование турбулентности течения. Задачи по турбулентности решаются во многих отраслях. Тоже очень сложно. Те же 10¹⁸ операций. Справится только СК!

В проектировании космической техники – невозможно поставить эксперимент, только вычислительное моделирование. Ведь мы хотим когда-нибудь запустить свой, узбекский космический аппарат?

Вот НАСА скоро посылает людей на Марс. Надо смоделировать и решить множество сложных задач. Например, для того, чтобы приземлиться на Марс, космический аппарат не может использовать парашют, там атмосфера слишком тонка. Вместо этого, чтобы погасить скорость в 12000 миль в час до нуля за семь минут и не убить при этом экипаж из-за перегрузки, используется ретроградная пропульсия (обратная тяга). Для компьютерного моделирования такого торможения НАСА использует американский суперкомпьютер Summit.

Проектирование ветропарков

21 век – это век зеленых технологий. Энергию можно и нужно добывать из альтернативных источников. Таких как ветер. При проектировании ветропарков нужно рассчитать как правильно расставить, как правильно расположить турбины, чтобы максимизировать выработку электроэнергии. Необходимая мощность — 10¹⁵ операций.

Спорт

Профессиональный спорт – это нешуточная борьба, где каждая миллисекунда или килограмм могут иметь решающее значение. Здесь СК используется так: профессионал, усыпанный датчиками бежит или боксует, или борется, в общем, занимается своим спортом. Датчики собирают с него информацию.  Дальше строится модель – просчитываются зоны избыточного давления, где стоит поменять одежду, какие мышцы подкачать, какие приемы подтянуть.

В сельском хозяйстве уже давно используются компьютерные модели, качественно предсказывающие зависимость урожайности культур от различных исходных параметров, таких как почвы и удобрения, окружающая среда и даже местные особенности управления.

Кинематограф – CGI  и анимация

«Книгу джунглей» — голливудский фильм про Маугли —  почти полностью нарисовали на компьютере. 24 кадра в секунду. 152.000 кадров. Рендеринг (прорисовка) одного кадра одним процессором занимает 19 часов. Для фильма потратили 30 млн. процессочасов – это 3400 лет непрерывной работы одного процессора. При бюджете в 180 миллионов, заработали почти миллиард долларов по всему миру.

Тем, кто скажет – «так то Голливуд, они могут!» — ответим. Наши соседи тоже могут. И даже наверно научат, если попросим. Вот на российском СК Ломоносов-2 делались CGI для российского фильма «Время Первых».

Можно долго говорить о выгодах применения СК. В науке, медицине, банковском секторе, сельском хозяйстве. Но для этого лучше сделать, наверно, отдельную, регулярную, подробную рубрику.

Поговорим лучше о другом, наболевшем.

Как подготовить и удержать специалистов

Ну хорошо, справедливо скажет узбекский чиновник или инвестор, купим мы эту суперкомпьютерную железку, а кто на ней будет работать?

Отец-физик как-то рассказал забавный случай. Каждый год одно американское научное общество вручает золотые медали за выдающийся вклад в американскую науку. И вот сидят лауреаты, разговаривают. И среди них двое, один астрофизик, другой математик. И оба оказываются… из Ташкента! И учились в одной школе. №18!! У одного учителя физики!!!

Из этого случая можно сделать несколько интересных выводов. 1) у нас есть талантливые учителя; 2) их ученики становятся классными специалистами-лауреатами премий; 3) …и уезжают продвигать зарубежную науку и технику.

Последний пункт невозможно переоценить. Если два первых пункта – это решаемые задачи, то третий пункт – это проблема. Как ее решить?

Обратим свое внимание на… Белоруссию, где относительно недавно был успешно запущен удивительный по своей эффективности Парк Высоких Технологий.

Белорусский Парк Высоких Технологий (ПВТ) – это бренд

Интерес иностранных инвесторов к продукции ПВТ очень высок. Вот несколько фактов из интернета.

«С 2005 года В ПВТ зарегистрировано более 750 компаний. Мобильными приложениями, созданными резидентами ПВТ, пользуются более миллиарда человек в более чем 150 странах мира. В 2020 году IT-сектор по своему влиянию на экономику сравнялся с сельским хозяйством, транспортной отраслью и производством строительных материалов.»

«В 2014 году созданное белорусами картографическое приложение Maps.me приобрела российская Mail.ru Group миллиардера Алишера Усманова.

В том же 2014 году 100% акций Viber Media за $900 млн купила компания Rakuten японского миллиардера Хироси Микитани. R&D-центры Viber Media по-прежнему находятся в Белоруссии.

Основатели Viber Media Тальмон Марко и Игорь Магазинник стали соучредителями сервиса вызова такси Juno, который в 2017 году за $200 млн приобрела компания Gett.

В 2016 году Facebook выкупил белорусскую компанию Masquerade Technologies — разработчика сервиса для наложения масок на лица в реальном времени.»

Компании в ПВТ работают разные. Продуктовые: сами разрабатывают собственный софт и продают большому количеству заказчиков. Аутсорсинговые: создают софт под конкретного заказчика. R&D-центры: проводят исследования и разработки иностранных компаний.

У нас есть свой IT парк, который нужно раскручивать. Но зачем инвесторам вкладывать в стартапы узбекского IT парка, если есть белорусский ПВТ, известный и раскрученный бренд? Что нового, интересного, захватывающего может предложить узбекский IT парк?

Ответ простой. Узбекский суперкомпьютер. Которого у белоруссов пока нет.

Другой вопрос стоит крайне остро. Как мы можем подготовить, привлечь и удержать высококлассных специалистов?

Подготовка

С глобализацией стало легко получать доступ к учебным материалам и даже высококлассным профессорам, которые готовы давать бесплатные лекции. Многие топовые университеты, такие, как Harvard, Columbia и UCLA предоставляют дешевые или даже бесплатные онлайн – курсы на английском, по самым разным специальностям, с выдачей сертификатов и дипломов.

На локальном уровне, есть российский Geek University, например, который предоставляет углубленные курсы (18 месяцев) по обучению IT специальностям.

Привлечение и удержание специалистов (белорусский опыт)

Компаниям в белорусском ПВТ предоставляются налоговые льготы. На основе президентского декрета №8, Резиденты ПВТ освобождены от всех корпоративных налогов: налога на прибыль (18%) и НДС (20%), у них особая форма исчисления взносов в Пенсионный фонд, сотрудники платят подоходный налог по пониженной ставке (9% вместо 13%).

Компании в ПВТ овобождены от бюрократии. Резидентам облегчена процедура найма иностранных граждан — получение виз на въезд для работы в ПВТ им не требуется.

Резиденты в Белорусском ПВТ могут работать удаленно. Резидентам парка необязательно открывать офис в главном здании ПВТ, они могут работать где угодно, даже в глухой белорусской деревне (если есть интернет). В 2019 году за пределами Минска располагалось 80 компаний -резидентов ПВТ, общий штат их сотрудников превышал 4000 человек.

Специалисты в Белорусском ПВТ получают высокую зарплату. В первом полугодии 2019 года средняя зарплата сотрудников компаний-резидентов составляла $2400, в конце 2018 года — $2200. Из 60 000 сотрудников компаний-резидентов — около 2000 иностранцы, в основном из России, Украины и Казахстана.

$2000 в месяц – это 20 миллионов сумов. Для молодого узбека или узбечки, недавних студентов, это прекрасная зарплата! На которую можно и здесь отлично прожить. Зачем уезжать от родителей в неизвестном направлении, надо сначала жениться (или выйти замуж), пока здесь поработаем, а там посмотрим.

Молодой специалист, конечно, сможет зарабатывать в разы больше за рубежом, но для этого понадобится минимум несколько лет, за которые он приобретет опыт работы и, что важнее,  успеет подучить следующее поколение.

В заключение: Узбекистану крайне нужен современный суперкомпьютер с искусственным интеллектом. С его помощью можно будет съэкономить миллионы долларов в каждом секторе экономики. На нем можно обучить и дать работу целому поколению высококлассных узбекских IT специалистов, которые будут работать здесь, в Узбекистане, на благо нашей Родины.

Почему бы для начала не найти 100 талантливых студентов и пусть учатся на зарубежных материалах под руководством приглашенных специалистов, а мы пока установим и запустим первый узбекский суперкомпьютер с искусственным интеллектом в нашем IT парке, а каждую отрасль экономики и промышленности попросим подготовить задачи и проблемы, решаемые моделированием на СК?

Искандар Абдуллаев