Ломоносов-2

Ломоносов-2 — это суперкомпьютер, установленный в Научно-исследовательском вычислительном центре Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (НИВЦ МГУ). На момент ввода в эксплуатацию в 2014 году являлся одним из наиболее мощных вычислительных комплексов в России и входил в список 500 самых производительных суперкомпьютеров мира (Top500). Система создана для решения широкого круга научных и прикладных задач, требующих высокопроизводительных вычислений.

История создания

Разработка и внедрение суперкомпьютера «Ломоносов-2» стали продолжением программы развития суперкомпьютерных технологий в МГУ. Первый суперкомпьютер «Ломоносов» был запущен в 2009 году и на тот момент занимал 12-е место в мире по производительности. К началу 2010-х годов его вычислительные мощности перестали удовлетворять растущие потребности научных коллективов, особенно в области моделирования сложных физических процессов, биоинформатики и обработки больших данных.

Проект «Ломоносов-2» был реализован при поддержке компании «Т-Платформы» (российский разработчик вычислительной техники). Официальный запуск системы состоялся в 2014 году. Основной целью создания нового комплекса было обеспечение пиковой производительности на уровне десятков петафлопс (квадриллионов операций с плавающей запятой в секунду) для решения задач, недоступных предыдущему поколению.

Архитектура и технические характеристики

Суперкомпьютер «Ломоносов-2» представляет собой гетерогенную вычислительную систему, построенную на комбинации центральных процессоров (CPU) и графических ускорителей (GPU). Такая архитектура позволяет эффективно распределять нагрузку между универсальными ядрами и специализированными вычислителями для параллельных операций.

Вычислительные узлы

Основу системы составляют вычислительные узлы, каждый из которых включает:

• Два процессора Intel Xeon E5-2697v3 (архитектура Haswell, 14 ядер, частота до 2,6 ГГц).
• Четыре графических ускорителя NVIDIA Tesla K40M (архитектура Kepler, 2880 ядер CUDA каждый, 12 ГБ памяти GDDR5).

Общее количество вычислительных узлов в системе — 128. Таким образом, суммарное число процессорных ядер составляет 3584, а число ядер CUDA на GPU — 1 474 560.

Производительность

Пиковая производительность «Ломоносов-2» составляет 1,3 петафлопса (1,3 × 10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду). Реальная производительность на тесте Linpack (стандартный бенчмарк для суперкомпьютеров) достигает 1,0 петафлопса. В 2014 году это позволило системе занять 58-е место в рейтинге Top500.

Система хранения данных

Для обеспечения работы с большими объёмами данных суперкомпьютер оснащён параллельной файловой системой Lustre. Общая ёмкость дискового массива составляет 1,2 петабайта. Пропускная способность подсистемы ввода-вывода достигает 100 Гбит/с, что критически важно для задач, требующих интенсивного обмена данными между вычислительными узлами и хранилищем.

Коммуникационная сеть

Вычислительные узлы объединены высокоскоростной сетью InfiniBand FDR (56 Гбит/с). Топология сети — Fat Tree (толстое дерево), обеспечивающая минимальные задержки и высокую пропускную способность при передаче данных между узлами.

Программное обеспечение

На суперкомпьютере «Ломоносов-2» используется операционная система на базе Linux (CentOS). Для управления заданиями применяется система очередей SLURM (Simple Linux Utility for Resource Management). Пользователям доступны компиляторы Intel и GNU, библиотеки для параллельного программирования (MPI, OpenMP, CUDA), а также специализированные пакеты для научных расчётов (например, GROMACS для молекулярной динамики, VASP для квантово-химических расчётов, ANSYS для инженерного моделирования).

Применение

Суперкомпьютер «Ломоносов-2» используется для решения широкого спектра научных и прикладных задач, в том числе:

• Молекулярное моделирование и биоинформатика: расчёты структуры белков, моделирование взаимодействия лекарственных препаратов с биологическими мишенями, анализ геномных данных.
• Квантовая химия и материаловедение: расчёты электронной структуры материалов, поиск новых катализаторов и полупроводников, моделирование свойств наноматериалов.
• Гидро- и аэродинамика: моделирование турбулентных потоков, расчёты обтекания летательных аппаратов и автомобилей, оптимизация аэродинамических форм.
• Астрофизика и космология: моделирование эволюции галактик, расчёты процессов в звёздах и чёрных дырах, симуляции крупномасштабной структуры Вселенной.
• Геофизика и климатология: прогнозирование погоды, моделирование климатических изменений, расчёты сейсмической активности.
• Обработка больших данных: задачи машинного обучения, анализ текстов и изображений, обработка данных с научных приборов (например, с Большого адронного коллайдера).

Значение и место в российской суперкомпьютерной индустрии

«Ломоносов-2» стал важным этапом в развитии высокопроизводительных вычислений в России. На момент запуска он был вторым по производительности суперкомпьютером в стране после «Ломоносова» (первого поколения). Система позволила российским учёным проводить расчёты, ранее доступные только на зарубежных вычислительных центрах.

В 2015 году на базе технологий, отработанных на «Ломоносов-2», был создан суперкомпьютер «Ломоносов-3» (также известный как «Ломоносов-2.5»), который в 2016 году занял 75-е место в Top500. В 2017 году в МГУ был запущен суперкомпьютер «Ломоносов-4» (пиковая производительность 2,5 петафлопса). В 2021 году в НИВЦ МГУ введён в эксплуатацию суперкомпьютер «Ломоносов-5» (пиковая производительность 5,0 петафлопса).

Критика и ограничения

Как и многие суперкомпьютеры своего поколения, «Ломоносов-2» имеет ряд ограничений. Основные из них:

• Энергопотребление: система потребляет около 1,5 МВт электроэнергии, что требует значительных затрат на охлаждение и эксплуатацию.
• Устаревание компонентов: к концу 2010-х годов графические ускорители NVIDIA Tesla K40M перестали соответствовать современным требованиям по производительности и энергоэффективности.
• Ограниченная масштабируемость: архитектура на базе процессоров Haswell и ускорителей Kepler не позволяет наращивать производительность без полной замены вычислительных узлов.

Несмотря на это, «Ломоносов-2» продолжал использоваться для решения научных задач до ввода в эксплуатацию более мощных систем. В настоящее время он выведен из эксплуатации или используется в качестве вспомогательного вычислительного ресурса.

Источники

• НИВЦ МГУ. Суперкомпьютер «Ломоносов-2». Технические характеристики.
• Top500.org. November 2014 list.
• «Т-Платформы». Суперкомпьютер «Ломоносов-2»: архитектура и производительность.
• МГУ имени М. В. Ломоносова. Пресс-релиз о запуске суперкомпьютера «Ломоносов-2» (2014).
• Статья «Суперкомпьютеры МГУ: история и перспективы» (журнал «Вычислительные методы и программирование», 2018).