Умеющий создавать звезды

В 1983 год; японский астрофизик из Токийского университета Дайкиро Сугимото высказал гипотезу о том, как устроены звездные кластеры — скопления из сотен тысяч или миллионов звезд, расположенные обычно во внешних частях галактик. По его мнению, они не были застывшими структурами, а пульсировали, как огромное сердце. Сугимото был специалистом по внутреннему строению звезд и в «мафии» экспертов, изучающих скопления, оказался новичком, поэтому к его гипотезе отнеслись без интереса, как к наивным рассуждениям новичка.

И тогда он решил доказать свою правоту.

Единственная возможность как-то подкрепить свою гипотезу — это смоделировать развитие событий на компьютере. Но в то время даже у суперкомпьютеров было явно недостаточно сил для воплощения идей Сугимото. Чтобы воссоздать в ЭВМ поведение сотни тысяч звезд, надо было проделать десять миллиардов миллиардов простых арифметических операций. Суперкомпьютер успевал в те годы за секунду проделать сотни миллионов вычислении. В году приблизительно тридцать миллионов секунд, значит, для подтверждения своей правоты японскому астрофизику пришлось бы подождать ни много ни мало, а три тысячи лет. Как констатировал тогда один из коллег Сугимото — столько ждать они не могли. И тогда они решили создать собственный достаточно мощный суперкомпьютер.

Самый быстрый компьютер в мире, или по крайней мере один из двух самых быстрых родился в упорных трудах команды Сугимото, потому что они очень хотели проверить свою идею. У него даже имя есть Gravity Pipeline — GRAPE для краткости. Он стал первым компьютером, который смог выполнить триллион (миллион миллионов) операций в секунду.

Такое быстродействие носит специальное название — терафлоп, где «флоп» означает арифметическую операцию с плавающей запятой, а приставка «тера» соответствует миллиону миллионов. Создатели рекордсмена планируют через пять лет увеличить быстродействие еще в тысячу раз и достичь производительности в «петафлоп», что соответствует квадрильону (миллиону миллиардов — это 10¹⁵) арифметических операций в секунду.

В прошлом году несколько крупнейших организаций США — американское космическое агентство НАСА, Департамент энергии, Национальный научный фонд, Агентство перспективных военных исследований — решили, что им просто необходим суперкомпьютер с производительностью в петафлоп или даже быстрее. Он позволит отказаться от проведения ядерных испытаний и просто моделировать их, создавать новые цифровые коды для финансовых компьютерных операций, разрабатывать новые виды оружия. В результате была запушена программа разработки таких суперкомпьютеров. И создатели GRAPE оказались на гребне волны: у них уже есть работающий суперкомпьютер и четкие планы, как довести его до требуемого быстродействия. Скорее всего, он будет входить в парк суперкомпьютеров будущего.

Изучение звездных кластеров не стоит в ряду суперпроблем современной науки, за него не дадут Нобелевской премии, ученые занимаются этим вопросом из чистого научного любопытства. Эти скопления с возрастом от десяти до двенадцати миллиардов лет очень динамичны: в них звезды сталкиваются, отскакивают одна от другой, а иногда объединяются, образуя двойные звезды, некоторые вылетают на периферию, как искры от горящего факела. В таком кластере обычно нет черных дыр и вообще существует какое-то устойчивое состояние: он не схлопывается под воздействием сил гравитационного притяжения и не расширяется, а слегка пульсирует, сохраняя определенный размер.

Основная сложность в изучении звездных кластеров — неразрешимость задачи притяжения нескольких тел. Оказывается, только для двух тел можно точно написать уравнения гравитационного взаимодействия и решить их. Для трех тел задача разрешима только в некоторых частных случаях: когда все три движутся в одной плоскости или когда масса одного из них гораздо больше масс двух других. Единственная возможность понять, что будет происходить с сотней или сотней тысяч притягивающихся тел, — это решать задачу численно.

Вот тут и необходим суперкомпьютер.

Он высчитывает воздействие всех тел друг на друга и определяет, куда они сдвинутся за небольшой временной интервал под этим суммарным воздействием. Для звезд это может быть год, а то и сотии или даже тысячи лет. Вычислив все перемещения, компьютер переходит к новому состоянию кластера, где опять вычисляет гравитационные силы. Понятно, что чем меньше временные «шажки», тем точнее можно описать поведение звезд. Единственная и основная сложность — это то, что каждый раз надо складывать сто тысяч сил и определять сто тысяч перемещений и так миллионы раз. Отсюда и получается цифра в десять миллиардов миллиардов необходимых арифметических операций.

К концу восьмидесятых годов суперкомпьютеры ускорились до миллиарда операций в секунду, но им тоже требовалось около трехсот лет для решения задачи Сугимото. Другого выхода не было: нужен был собственный компьютер. Однажды Сугимото встретился с астрофизиком Чикадой, который построил вместе со своей группой компьютер, удовлетворяющий его конкретным требованиям. А его аспиранты в Кембридже познакомились с тамошним физиком Зюсманом, построившим собственный компьютер для моделирования солнечных процессов. «Я построил компьютер из запасных деталей от компьютеров Хьюлит- Паккарда за несколько тысяч долларов.

Он создан для решения одной-единственной задачи, но считает достаточно быстро, и мне ни у кого не надо просить разрешения считать на нем», — рекламировал свои путь Зюсман. Это укрепило команду Сугимото в 1988 году в решении строить компьютер самостоятельно.

Компьютеры подобного типа называются ПСЦ — прибор для специальной цели. Для обычного компьютера пишется набор команд-инструкций: взять число из одной ячейки, сложить с числом из другой и положить в третью. Компьютеру приходится разбираться во всех этих инструкциях. А вот для ПСЦ не пишется никаких программ — он создан для одной задачи и всю свою жизнь делает один и тот же набор операций. Он похож на автоматизированную линию, изготавливающую одну вещь. Несколько десятков команд, вычисляющих гравитационное взаимодействие между телами, было попросту реализовано в виде специального микрочипа. В него вводились массы двух тел и расстояние между ними, а на выходе сразу появлялась величина силы. Она направлялась на другой чип, где складывалась с силами ото всех других звезд, и считалось ускорение и перемещение для данной звезды. Потом процесс повторялся уже с новым значением положения.

В 1988 году Сугимото удалось получить несколько тысяч долларов под свой компьютер и он начал его строить.

Буквально через полгода компьютер уже совершал восемь миллионов операций в секунду. Следующие два года ушли на поиски очередной порции денег. К 1991 году удалось добыть два миллиона долларов, и после нескольких не очень удачных прототипов в 1996 году появился на свет GRAPE IV.

Он состоял из 1700 одинаковых микросхем, которые одновременно вычисляли взаимное притяжение 1700 пар звезд, и в секунду это удавалось проделать 10 миллионов раз.

Таким образом, весь компьютер делал 17 миллиардов вычислений силы в секунду, а это означает триллион арифметических операций. Совсем маленький звездный кластер в 50 тысяч звезд обсчитывался за месяц. Но уже первые прикидки показали, что идея Сугимото верна и кластеры пульсируют, как сердце.

Сейчас группа Сугимото занята поиском денег для следующего этапа работ — «петафлопового» компьютера, который сможет в деталях разобраться с поведением любых звездных кластеров. Никаких технических проблем перед собой авторы не видят, поскольку микросхемы очень быстро дешевеют и улучшаются. По сути дела, надо просто переделать GRAPE IV на современных деталях.

Государственные программы достижения скорости в «петафлопс ориентированы на 2015 год и стоимость не меньше 100 миллионов долларов. Есть надежда использовать голографические методы в ячейках памяти — это сократит срок и стоимость в два раза. Но это проекты на бумаге, a GRAPE - реальный и проверенный путь. Сама идея — создавать специальный компьютер для конкретной задачи — очень заинтересовала государственных экспертов, разрабатывающих суперкомпьютеры. Они оценили, что есть двенадцать наиболее важных задач, требующих быстродействия в «петафлоп», к примеру, медицинская диагностика, демографические анализы, поиск оптимальной формы самолетов. Таким образом, надо продумать и создать двенадцать компьютеров.

Так стремление астрофизика Сугимото решить свою задачу привело к новому направлению в компьютеростроеиии.

По материалам журнала «Дискавер» подготовил Александр СЕМЕНОВ.

Наталия Козлова