С суперкомпьютером на «ты»

Роман Костромин из ИДСТУ СО РАН развивает программную архитектуру вычислительной системы

От составления прогноза погоды до изучения популяций байкальских эндемиков; от определения траектории полетов космической и авиационной техники до исследований механизма действия противовирусных препаратов. Сделать это невозможно без современных вычислительных технологий. Таковые к услугам ученых предметников есть в Институте динамики систем и теории управления им. В. М. Матросова СО РАН. Работают с ними в том числе молодые сотрудники. Сегодня мы расскажем об одном из них – заведующем лабораторией параллельных и распределенных вычислительных систем Романе Костромине.

Иркутский вычислительный центр

Высокий, крепкий, жизнерадостный и с какой-то запчастью в руках встретил нас молодой ученый в фойе Суперкомпьютерного центра института. И говорил с нами не на «птичьем» языке айтишников, а на вполне понятном русском. Роман Костромин, помимо того что руководит лабораторией, преподает в госуниверситете и проводит экскурсии для студентов и школьников в ИДСТУ СО РАН.

– Что за штуку вы держите? – интересуемся у собеседника.

– В нашей терминологии – это вычислительный узел, по назначению подобен системному блоку персонального компьютера, но со своей компоновкой комплектующих. От обычного ПК отличается тем, что гораздо производительнее, стабильнее и надежнее решает свои задачи. А вот какие, сейчас расскажу.

Но для начала не обойтись без исторического экскурса. Во второй половине прошлого века стало ясно, что ученым не хватает вычислительных ресурсов. Причем не только, например, математикам. Химики, физики, биологи и другие предметники, решая свои научные проблемы – при обработке результатов наблюдений, выявлении закономерностей, построении моделей того или иного процесса – нуждались в четких подсчетах, при которых необходимо учитывать массу параметров. Тем же метеорологам для прогноза погоды нужно учитывать такие данные, как направление и скорость ветра, уровень влажности и прочие параметры.

Для сложных вычислений требовалась не только соответствующая техника, но и специалисты, которые способны эту технику обслуживать, правильно подготавливать и проводить вычислительные эксперименты, отслеживать процесс и получать достоверный результат.

– Наш институт был создан на базе отдела систем и кибернетики Сибирского энергетического института СО АН СССР (ныне это Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН), который начал свою работу в 1975 году. 1 ноября 1980-го отдел был преобразован в Иркутский вычислительный центр – старожилы Академгородка до сих пор его так называют. Строительство этого здания шло до 1985 года. В нем даже участвовали сами сотрудники института, включая первого директора Владимира Мефодьевича Матросова. До ввода в эксплуатацию вычислительного центра мощная ЭВМ стояла в энергетическом институте, а часть вычислений проводилась в помещениях исторического здания по ул. Халтурина, 1, – поясняет Роман.

Спустя годы, когда в этом историческом доме Файнберга разместится Иркутский областной художественный колледж им. И.Л. Копылова, Роман, будучи студентом, будет подрабатывать там системным администратором. Он тогда не предполагал, что в будущем свяжет свою судьбу с ИДСТУ. Пока однажды не увидел в Политехе объявление, что те, кто интересуется работой операционной системы на базе Linux, могут прийти в Институт систем энергетики. Там Роман со своим товарищем работали на энтузиазме, им хотелось прикоснуться к серьезному железу – так системщики, айтишники и прочие кибернетики именуют аппаратную составляющую (механическую и электронную начинку) вычислительных устройств.

– Потом коллеги из этого института рекомендовали мне съездить в МГУ, где была Летняя суперкомпьютерная академия, – вспоминает Роман. – Я пожил в столице две недели, поработал на большом московском суперкомпьютере. Когда вернулся, понял, что мне интересно это направление в приложении к науке, интересны суперкомпьютеры, параллельное программирование, что в эту сторону хочу двигаться.

Как это работает?

Мы же движемся в сторону музея института. Среди его экспонатов есть пачка перфокарт. Такие тонкие картонки были знакомы и многим детям, росшим в 1980-е. Карточками с рядами цифр и дырочек можно было играть в магазин и использовать в качестве платежных средств. Добывали эти атрибуты детских игр не только при посредничестве родителей, имеющих отношение к работе ЭВМ, но и на мусорках у тех же институтов. Их туда выбрасывали, когда в рядах цифр допускалась ошибка и вся пачка оказывалась испорченной. А тогда на одной перфокарте помещалось совсем немного символов, которые соответствовали 80 байтам информации. Такие прообразы нынешних флешек существовали вплоть до начала 2000-х годов. В эти годы наш собеседник как раз обзавелся своим первым компьютером:

– Еще в садике, на игровой приставке с обучающим картриджем, я пытался по инструкции что-то изучать, запускать. Там был язык программирования Basic, которого я не знал, но уже пытался, выходит, программировать. Мне еще тогда было интересно, как это работает. А классе в пятом родители купили мне первый компьютер. Перед тем как его включить, я внимательно изучил инструкцию.

– Видимо, вы один из немногих людей, которые так поступают с приборами. Обычно сразу включают, тыкают в кнопки, а потом читают правила пользования.

– Я по-прежнему сначала читаю инструкцию, – улыбается в ответ Роман.

Общаясь с ним, невольно вспоминаешь полных научного энтузиазма героев Стругацких из НИИЧАВО. Ассоциация возникла неспроста: книга знаменитых фантастов «Понедельник начинается в субботу» с детства вдохновляла и самого Романа.

Однажды с друзьями-школьниками, которые, как и наш герой, жили в частном секторе одного из иркутских предместий, они решили объединить свои персональные компьютеры в сеть, чтобы вместе играть. Летом поработали грузчиками, купили вскладчину провода и при поддержке электрика – отца Романа – провели эту сеть. А позже к ней начали подключаться и другие жители маленькой «силиконовой долины». Дети стали провайдерами и раздавали по поселку интернет…

После окончания вуза Роман Костромин обошел научные институты, включая ИДСТУ. Пообщавшись с доктором технических наук Александром Феоктистовым, решил, что у них общая область научных интересов и остался работать под его руководством.

Эволюция в кибернетике

Вроде бы не так давно ученые ИДСТУ разворачивали первые вычислительные кластеры на базе персональных компьютеров, как на смену им пришли кластеры на основе высокопроизводительных серверов. При этом производительность каждой новой вычислительной установки оказывалась на порядок выше предыдущей. В ходе этих практических экспериментов у иркутских ученых кибернетиков появился опыт работы с передовой вычислительной техникой.

Так, в 2012 году в Суперкомпьютерном центре института был запущен в эксплуатацию крупный вычислительный кластер «Академик В.М. Матросов». Хоть процессоры в его составе и зарубежные, но существенная доля программного обеспечения – наша.

– Что такое вообще кластер и суперкомпьютер? – очередной вопрос экскурсоводу.

– Почти каждый суперкомпьютер сегодня имеет кластерную архитектуру. Но не каждый кластер – суперкомпьютер. Вот, есть десять обычных компьютеров. Мы их можем объединить в единую сеть и настроить так, чтобы они работали как единое вычислительное устройство. Такое объединение называется кластер. А если этот кластер имеет очень высокую производительность, обеспечен всей инфраструктурой для охлаждения и электроснабжения, стабильностью, надежностью, безопасностью – он превращается в суперкомпьютер. То есть каждый кластер стремится стать суперкомпьютером в перспективе.

Суперкомпьютер может просчитать все что угодно. Поэтому услугами центра пользуются ученые разных научных институтов Иркутска. Допустим, лимнологи с его помощью исследуют микробные вирусные сообщества в биопленках пресных водоемов. А энергетики изучают живучесть энергетических систем.

Здесь можно просчитать траекторию полета летательных аппаратов, спутников, а также работу планетоходов. Ведутся исследования в области синтеза новых органических и неорганических соединений для создания лекарственных препаратов и товаров бытового назначения. ИДСТУ активно участвует в проекте цифрового мониторинга Байкальской природной территории. Спрогнозировать эволюцию видов или исследовать миграцию животных суперкомпьютер тоже может. Плюс сейчас тренд на использование нейронных сетей, машинного обучения, и подобные задачи здесь тоже решают.

 Амбициозная задача

– А что означает название непосредственно вашей лаборатории? – снова задаем вопрос Роману Костромину.

– Есть параллельные (многопоточные) и распределенные программы. Параллельные запускаются с использованием большого количества ядер. Если мы говорим про обычный компьютер, то, когда программы задействуют несколько процессорных ядер, то они уже считаются параллельными. Но у нашего суперкомпьютера, как и у любого кластера, есть специфика: нужно распараллелить программу так, чтобы она задействовала доступные ядра множества узлов, которые объединены в единую сеть. А когда есть несколько разнесенных географически суперкомпьютеров, то нужно не просто распараллелить программу, но и запустить ее распределенно на разных устройствах. Мы создаем среды для проведения распределенных вычислений, необходимые для них инструменты и задействуем эти среды для выполнения задач специалистов-предметников.

– Над чем работаете сейчас?

– У нас в лаборатории есть амбициозная задача – разработать такую архитектуру среды для распределенных вычислений, чтобы она могла развиваться со временем, не теряя актуальности. Мы разрабатываем программные средства, которые позволят специалистам-предметникам в удобном виде описать свою задачу, а по этому описанию можно будет автоматически создавать экспериментальную вычислительную среду с применением различных вычислительных кластеров, чтобы она помогала нашим коллегам максимально эффективно проводить свои вычисления.

– Помимо задач на будущее, есть ли еще профессиональная мечта?

– В книге у Стругацких в институте было много молодых людей, помните, как они там в очереди стояли за вычислениями? Хочется такую же атмосферу. Мы работаем над тем, чтобы привлекать молодежь, начиная от школьников, студентов. Приводить их магистратуру, в аспирантуру, чтобы с нами писали дипломы, проходили здесь практику, приносили пользу нам и сами набирались опыта по этой тематике. Потому что, конкретно по направлению параллельных и распределенных вычислительных систем, параллельному программированию в Иркутске не так много специалистов. А они востребованы не только у нас в городе, но и в России, и в мире.

То, что молодым в науку есть дорога, Роман Костромин уверен. Сам, еще со студенчества, он не упускал возможности подать заявки на участие в конкурсах, получал в том числе президентские стипендии. Этим летом стал обладателем премии губернатора Иркутской области в сфере молодежной политики. В 31 год ученый руководит лабораторией, вместе с супругой воспитывает двоих детей, пишет статьи, задумывается над докторской диссертацией. А еще, по собственному признанию, получает энергию от того, что ставшее работой хобби не дает угаснуть любопытству, а вопросы «как это работает» требуют все новых ответов.

В феврале 2024 года академическая наука Восточной Сибири отмечает 75-летие. В честь этого события редакция газеты «Областная» при содействии Иркутского филиала СО РАН публикует цикл материалов о молодых ученых Приангарья.

Юлия Мамонтова
Фотографии Андрея Федотова и из архива ИДСТУ СО РАН
Газета «Областная»