Суперкомпьютер «Курчатов

Суперкомпьютер «Курчатов» — это вычислительная система, установленная в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» (Москва). Является одним из крупнейших суперкомпьютеров в России, предназначенным для решения сложных научных и прикладных задач в области моделирования материалов, биологии, ядерной энергетики, физики плазмы и искусственного интеллекта. Система названа в честь физика-ядерщика Игоря Васильевича Курчатова.

История создания

Решение о создании суперкомпьютера «Курчатов» было принято руководством Курчатовского института в рамках программы модернизации вычислительной инфраструктуры центра. Разработка и сборка системы велись при участии российских компаний-производителей вычислительной техники, в частности, компании «РСК» (ГК «Росатом»). Первая очередь суперкомпьютера была введена в эксплуатацию в 2019 году. Изначально пиковая производительность системы составляла около 1,2 петафлопса (1,2 × 10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду).

В 2021 году была проведена модернизация, в результате которой производительность была увеличена до 2,5 петафлопса. К 2023 году, после очередного расширения, пиковая производительность достигла 4,5—5,0 петафлопса. По состоянию на 2024 год суперкомпьютер «Курчатов» входит в десятку самых мощных суперкомпьютеров России, уступая системам «Ломоносов-2» (МГУ), «Кристофари» (Сбербанк) и «Червоненкис» (Яндекс).

Архитектура и технические характеристики

Вычислительные узлы

Суперкомпьютер построен по гетерогенной архитектуре, сочетающей центральные процессоры (CPU) и графические ускорители (GPU). Основу вычислительных узлов составляют:

• Центральные процессоры (CPU): двухпроцессорные серверы на базе Intel Xeon Scalable (Cascade Lake, Ice Lake) и AMD EPYC (Milan) с частотой до 3,0 ГГц. Количество ядер на узел — от 24 до 64.
• Графические ускорители (GPU): NVIDIA Tesla V100 и A100 (архитектура Volta и Ampere) с памятью HBM2 до 80 ГБ на ускоритель. В некоторых узлах используются ускорители AMD Instinct MI250X.

Общее количество вычислительных узлов — около 500, из них примерно 300 оснащены GPU. Суммарное количество ядер CPU — более 20 000, количество GPU — более 600.

Система хранения данных

Для хранения промежуточных и финальных результатов расчётов используется распределённая файловая система Lustre с параллельным доступом. Общая ёмкость системы хранения данных (СХД) составляет 3,5 петабайта (ПБ) на основе NVMe-дисков и HDD-массивов. Пропускная способность подсистемы ввода-вывода — до 200 ГБ/с.

Сеть и коммутация

Внутренняя коммутация вычислительных узлов реализована на базе высокоскоростной сети InfiniBand HDR (200 Гбит/с) с топологией «толстое дерево» (Fat Tree). Задержка передачи данных между узлами составляет менее 1 микросекунды. Для управления и мониторинга используется отдельная Ethernet-сеть 1/10 Гбит/с.

Энергопотребление и охлаждение

Система потребляет около 2,5 МВт электроэнергии в пиковом режиме. Для отвода тепла применено жидкостное охлаждение с прямым контактом хладагента (вода или специальная жидкость) с теплораспределительными пластинами процессоров и ускорителей. Температура в машинном зале поддерживается в диапазоне 18—22 °C за счёт промышленных чиллеров и кондиционеров.

Программное обеспечение

На суперкомпьютере «Курчатов» установлена операционная система на базе Linux (CentOS, Rocky Linux). Для управления заданиями используется система очередей Slurm (Simple Linux Utility for Resource Management). Пользователям доступны следующие инструменты и библиотеки:

• Компиляторы: GNU Compiler Collection (GCC), Intel oneAPI, AMD AOCC.
• Библиотеки для параллельных вычислений: MPI (OpenMPI, MVAPICH2), OpenMP, CUDA, HIP (для AMD GPU).
• Библиотеки для машинного обучения: TensorFlow, PyTorch, JAX, Horovod.
• Специализированное ПО: GROMACS (молекулярная динамика), VASP (квантово-химические расчёты), OpenFOAM (вычислительная гидродинамика), ANSYS (инженерный анализ), COMSOL Multiphysics.

Применение

Суперкомпьютер «Курчатов» используется для широкого спектра научных и прикладных задач, в том числе:

Материаловедение и квантовая химия

• Моделирование структуры новых материалов (сверхпроводники, композиты, катализаторы) с использованием методов теории функционала плотности (DFT) и молекулярной динамики.
• Расчёт электронных свойств наноматериалов (графен, углеродные нанотрубки, квантовые точки).

Ядерная энергетика и физика плазмы

• Моделирование процессов в ядерных реакторах (нейтронно-физические расчёты, теплогидравлика).
• Симуляция удержания плазмы в токамаках (включая проект ИТЭР) с помощью кода SOLPS.

Биология и медицина

• Молекулярный докинг — поиск потенциальных лекарственных препаратов, связывающихся с белками-мишенями.
• Моделирование сворачивания белков и их взаимодействий (например, в рамках проектов Folding@home и Rosetta@home).
• Геномный анализ — сборка геномов, поиск мутаций, анализ экспрессии генов (RNA-seq).

Искусственный интеллект и машинное обучение

• Обучение глубоких нейронных сетей для задач компьютерного зрения (распознавание изображений, сегментация медицинских снимков) и обработки естественного языка (NLP).
• Разработка генеративных моделей (GAN, диффузионные модели) для создания новых материалов и молекул.

Гидродинамика и аэродинамика

• Моделирование обтекания летательных аппаратов (самолёты, ракеты) и автомобилей с использованием методов вычислительной гидродинамики (CFD).
• Расчёт турбулентных течений в трубопроводах и теплообменниках.

Доступ и управление

Суперкомпьютер «Курчатов» является частью распределённой вычислительной инфраструктуры Курчатовского института. Доступ к ресурсам предоставляется научным сотрудникам института, а также внешним организациям по договорам о сотрудничестве. Время ожидания в очереди зависит от приоритета задачи и загрузки системы. Для мониторинга состояния узлов и производительности используется веб-интерфейс на базе Nagios и Grafana.

Значение и перспективы

Суперкомпьютер «Курчатов» играет ключевую роль в развитии вычислительной науки в России. Он позволяет проводить исследования, которые ранее были невозможны из-за ограничений по времени и вычислительным ресурсам. В частности, с его помощью были выполнены расчёты для проектирования новых типов ядерных реакторов, разработаны прототипы лекарств от COVID-19 и проведено моделирование свойств перспективных сверхпроводников.

В планах развития — дальнейшее наращивание производительности до 10—15 петафлопс за счёт установки новых узлов на базе процессоров «Эльбрус» и ускорителей российского производства. Также рассматривается интеграция системы в единую сеть суперкомпьютерных центров России (например, с МГУ, ИВМ РАН, Сколтехом).

Интересные факты

• Суперкомпьютер «Курчатов» занимает площадь около 200 м² в отдельном машинном зале Курчатовского института.
• Для охлаждения системы используется замкнутый контур с теплообменниками, установленными на крыше здания.
• В 2020 году на суперкомпьютере был проведён расчёт моделирования работы сердца человека с разрешением до 1 микрона, что позволило изучить механизмы аритмии.
• Система участвует в международных проектах по распределённым вычислениям (например, LHC@home для обработки данных Большого адронного коллайдера).

Источники

• Официальный сайт НИЦ «Курчатовский институт» — раздел «Суперкомпьютерный центр».
• Отчёты о модернизации вычислительной инфраструктуры Курчатовского института (2019—2023).
• Публикации в журнале «Вычислительные методы и программирование» (2021, № 3).
• Данные рейтинга Top500 (июнь 2023) — позиция суперкомпьютера «Курчатов».
• Материалы конференции «Суперкомпьютерные дни в России» (2022, Москва).