Парад кремниевых войск: к чему приведет мировая гонка суперкомпьютеров
Этой весной индустрия полупроводников оказалась в центре всеобщего внимания. Поводов немало: глобальный кризис поставок микросхем вызвал озабоченность на правительственном уровне, один за другим следуют анонсы инновационных чипов, произведенных по техпроцессам 2-4 нм. Впрочем, в этих случаях речь идет только об изделиях, предназначающихся для гаджетов и бытовых устройств.
Между тем, они являются не единственной сферой применения полупроводников. В историческом масштабе важнее развитие высокопроизводительных вычислений (high performance computing – HPC) на суперкомпьютерах. Причем здесь тоже разворачивается своеобразная гонка с геополитическим подтекстом.
«Профиль» рассказывает о трендах в мире суперкомпьютеров и перспективах традиционной кремниевой электроники в контексте развития квантовых вычислений.
Железные супергерои
Суперкомпьютерам требуются особые микросхемы. Так, месяц назад компания Cerebras представила самый мощный в мире процессор WSE-2, изготовленный по техпроцессу 7 нм из цельной кремниевой пластины диаметром 30 см (площадь готового изделия – 21х21 см). 2,6 трлн транзисторов и 850 тыс. ядер позволяют чипу-чемпиону моделировать физические явления (например, ядерную реакцию) быстрее, чем они протекают в реальности. Стоимость WSE-2 пока не объявлена, у предыдущей модели WSE-1 она составляет порядка $2 млн. Технологии таких чипов тоже совершенствуются, причем решающим параметром является уже не техпроцесс, а размер кремниевой пластины. К примеру, тайваньская компания TSMC (именно она делает чипы для Cerebras) планирует в ближайшие годы перейти от 30-сантиметровых пластин к 45-сантиметровым, построив для этого четыре крупных завода. Но это лишь один из способов усовершенствования суперкомпьютеров. Каждый из них сам занимает территорию, сравнимую с заводской, и состоит из сотен или тысяч процессоров, ускорителей и сопроцессоров. Решающее значение приобретает архитектура вычислений: оптимальная организация работы «железа», логический порядок передачи и обработки данных.
«Если в гонке техпроцессов есть физический лимит, связанный с тем, что нельзя разрезать атом пополам, то в вопросе архитектур потолок не просматривается – всегда можно реализовать вычисления хитрее, изысканнее, – рассказывает «Профилю» председатель Лиги независимых ИТ-экспертов Сергей Карелов. – Бить рекорды по нанометрам суперкомпьютерам необязательно: большинство успешно работает на чипах 10-12 нм. Что касается международной конкуренции, то уменьшение техпроцесса – простая механическая задача, хоть для нее и нужна высокая культура производства, свойственная азиатским странам. Создание же суперкомпьютеров – настоящее инженерное искусство. Пока здесь лидируют американские компании: Intel, NVIDIA, AMD. Но соперничество будет обостряться. Ведь суперкомпьютеры стоят у основ цивилизации, без них невозможны фундаментальные прорывы. В том числе от них зависит сама индустрия чипов: новые техпроцессы проектируются с помощью high performance computing». Неудивительно, что квантовыми вычислениями активно интересуются те же действующие лица: ИТ-корпорации (IBM, Intel, Google, Microsoft) и правительства ведущих стран. Национальные программы развития квантовых технологий приняты в США (бюджет – почти $1,8 млрд в 2019-2024 годах), Великобритании (235 млн фунтов на тот же период), Китае (суммарные затраты по разным проектам свыше $10 млрд), России (58,8 млрд руб. согласно дорожной карте до 2024 года), Евросоюзе (1 млрд евро), Тайване ($282 млн на пять лет), Израиле ($362 млн на пять лет) и так далее.
Однако ни одного квантового компьютера, который являлся бы рыночным продуктом, пока не создано. Для этого требуется разрешить целый ряд фундаментальных проблем. По сути, это вызов самой природе – подчинить воле человека квантовые частицы, пребывающие в принципиально неопределимом, «запутанном» состоянии.
Прогресс идет небыстро. Идея квантового компьютера была сформулирована в 1980-х годах, первые лабораторные экземпляры появились в конце 1990-х. Самым прозрачным параметром производительности такого устройства является количество используемых квантовых битов – кубитов. В 2000-х счет кубитам шел на единицы, в 2010-х – на десятки. В этом году ожидается запуск компьютера IBM со 127 кубитами.
«Для практического применения требуются квантовые системы, состоящие из многих тысяч кубитов, – объясняет Сергей Карелов. – Но пока их создать не удается: информационный шум, то есть процент ошибок в вычислениях, растет быстрее, чем отдача от этих вычислений. Понятно, что квантовый компьютер – популярная медийная тема. Но для профессионалов очевидно, что в ближайшие 20-30 лет прорыва здесь не случится. Как минимум до середины века это будет гибридный вычислитель: квантовый чип для решения узкоспециализированной задачи плюс обычный суперкомпьютер, который обсчитывает все остальное».
На наш век хватит кремниевой электроники, подтвердил «Профилю» футуролог Евгений Кузнецов. «Динамика технологического развития человечества описана в одним из основателей Intel Гордоном Муром в 1965 году, – напоминает он. – По его наблюдению количество размещаемых на плате транзисторов увеличивается вдвое каждые 24 месяца. В современном прочтении эта формула выглядит чуть иначе: двукратное падение стоимости вычислений за два года. Но в целом закон Мура действует. Причем, если проанализировать, он действовал еще до цифровой эры, в эпоху механических вычислителей. Все течение мировой истории, экономическое и интеллектуальное развитие человека формируют эту стрелу времени. Уже сегодня у нас в кармане лежит смартфон, превосходящий компьютер, который когда-то отправил человека на Луну. А через 10 лет у каждого будет девайс помощнее сегодняшних суперкомпьютеров».