Зачем нужен ГРИД

• в структурах государственного управления – для проведения долгосрочного прогнозирования экономического развития, мониторинга и прогноза экологической обстановки в регионах;
• для решения задач Министерства по чрезвычайным ситуациям при проведении анализа развития событий в случае катастроф природного или техногенного характера;
• для решения задач Министерства обороны в части проведения аналитических исследований и ситуационного моделирования;
• в машиностроительной промышленности для определения оптимальных конструкторских и технологических решений, обеспечения необходимого уровня промышленной и транспортной безопасности;
• в фармацевтической промышленности, где необходима ускоренная разработка важнейших лекарственных средств, невозможная без применения результатов исследований по расшифровке генома человека и детального понимания взаимодействия протеинов;
• в медицине – для решения задачи ранней диагностики и успешного лечения опасных болезней;
• в экологии – для точного прогнозирования погоды, локальных климатических катастроф и глобальных климатических изменений; для контроля состояния и изменений экологической среды человека и живых организмов в пределах городов и в природе;
• в современном материаловедении при разработке новых революционных материалов для промышленности;
• при обеспечении сейсмической безопасности и для исследований и разведки энергетических ресурсов;
• при решении масштабных информационных задач в любых отраслях, для оптимизации управления энергетическими системами;
• в фундаментальной науке – для решения сложных проблем физики, в космических исследованиях, в биологии, химии.

Рынок ВИВС был всегда наиболее емким сегментом ИТ-рынка (до 17% рынка серверных систем) с точки зрения инновационной и инвестиционной привлекательности для российских и зарубежных коммерческих компаний, зарубежных компьютерных корпораций, стремившихся к освоению рынка и расширению своего присутствия на нем.

Однако за последние два года интенсивного внедрения однотипных платформ кластерного типа рынок России в сегменте высокопроизводительных систем практически полностью утратил свой инновационный потенциал. Это связано с тем, что практически все проекты, за исключением нескольких, свелись к закупке и интеграции общедоступных компонентов.

В результате передовые производители суперкомпьютеров стали рассматривать рынок в России с исключительно конъюнктурной, чисто коммерческой точки зрения – как потребительский рынок компонентов для больших систем, не имеющих прикладного смысла, где действует единственный критерий – стоимость теоретической (пиковой) операции и рейтинг машины в престижном списке. Эффективность такого рода инвестиций приближается к нулю.

Отраслевые инвестиции в ВИВС (как ведомственные, так и коммерческие) до сих пор в лучшем случае давали значимые для конкретной отрасли результаты. Эти инвестиции, как правило, приводили к масштабным (по российским стандартам) расходам на ВИВС, которые не давали ощутимого результата для государства, пользователей, коммерческих организаций, выраженного в эффективности практического применения. Причина – в отсутствии единой политики и самой постановки задачи на построение оптимального, промышленно применимого вычислительного ресурса и создание инфраструктуры его развития и использования, что является наиболее содержательной и в то же время трудной задачей. Эта задача решается только в альянсе с лидерами промышленного и делового сообщества при поддержке и участии передовых групп системных и прикладных экспертов и инженеров – разработчиков ВИВС и их пользователей, при условии развития перспективных технологий и системы обучения.

Целесообразность долгосрочных инвестиций и исследований в ВИВС охватывает сферу национальных экономических и социальных интересов, выходящих за рамки ожиданий немедленной экономической отдачи, но дает первые результаты уже через год после начала работ. Речь идет о создании национальной инфраструктуры, которая будет оптимальна, доступна для промышленных инженеров, ученых-исследователей и молодого поколения специалистов и достаточно надежна и проста в использовании для гражданских применений.

Несмотря на высокий потенциал применения ВИВС, на практике существует комплекс проблем, ограничивающих востребованность таких систем и их применение.

1. Создание ВИВС является достаточно дорогостоящим процессом, причем стоимость нелинейно возрастает с ростом производительности. Эта оценка справедлива не только для собственно вычислительных систем, но и для поддерживающей инфраструктуры.
2. Расчеты с использованием ВИВС часто требуют применения дорогостоящих средств визуа­лизации и отображения результатов. В процессе  работы формируются гигантские объемы данных, которые в числовой форме человек просто не в состоянии осмыслить. Здесь во многих случаях необходимо обратиться к графической форме представления информации.
3. Нагрузка на вычислительные центры часто носит переменный характер, при котором потребность в расчетных ресурсах может сильно изменяться с течением времени. Как следствие, при планировании вычислительных центров возникают либо проблемы при работе с пиковой производительностью, либо серьезная недозагрузка дорогостоящих ресурсов.
4. ВИВС сегодня изолированы и ориентированы на технологии конкретных производителей, что делает их применение, с одной стороны, зависимым от планов производителей в развитии или свертывании данного направления, с другой стороны, затрудняет использование других платформ для решения аналогичных задач.
5. Программирование ВИВС требует колоссальной экспертизы, усилий по синхронизации на уровне взаимодействия программных процессов и данных. Организация такой синхронизации вручную, при помощи прикладных интерфейсов, сложна и доступна экспертам самого высокого уровня с многолетним опытом в параллельных вычислениях.

Подготовка специалистов в области ВИВС требует работы на таких системах, а это доступно сегодня небольшому числу ВУЗов. Количество специалистов в этом случае не обеспечит массовое применение технологий высокопроизводительных вычислений.

В мировой практике для решения всех перечисленных выше проблем перешли от создания отдельных вычислительных центров с применением ВИВС к построению специализированных сетей высокопроизводительных вычислений на основе ГРИД -технологии. Сегодня проекты по созданию таких сетей проводятся в большинстве развитых стран и стран, уделяющих большое внимание инновационным направлениям экономики. В списке государств, использующих и развивающих собственные национальные и межнациональные инфраструктуры ГРИД, – страны Евросоюза, США, Япония, Бразилия, КНР.

Более того, все крупные производители программного и аппаратного обеспечения предлагают решения для ГРИД-инфраструктур (Sun, HP, IBM, Microsoft, Cisco, SAP, Oracle, NetApp и др).

Исторически ГРИД-системы были продолжением концепции распределенных (слабо связанных) вычислительных архитектур (кластеров). Фактически эта концепция была распространена на гео­графически распределенные системы с включением в ресурсный пул широкого множества вычислительных, измерительных, информационных и других устройств и комплексов. В последствии она получила свое окончательное оформление в идее «виртуальных организаций» в ГРИД-системе, предполагающей не только технологические соглашения (утилиты, протоколы и интерфейсы разного уровня), но и определенные организационные соглашения (политику), определяющие принципы и условия работы коллективов в единой проектной среде. Эволюция ВИВС и ГРИД приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Эволюция ВИВС

Основное преимущество сети высокопроизводительных вычислений перед отдельными вычислительными центрами состоит в возможности обеспечить широкий круг пользователей специализированными услугами, позволяющими им использовать ВИВС за счет виртуализации вычислительных ресурсов. При этом благодаря специализированной сетевой инфраструктуре появляется возможность централизованно решать вопросы обеспече­ния непрерывности функционирования сис­те­мы, информационной безопасности, качества предоставляемых услуг.
Динамическое перераспределение ресурсов единого информационно-вычислительного пула позволит существенно повысить полезную нагрузку на те системы, которые в настоящее время используются с крайне низкой эффективностью.

Таким образом, создание сети высокопроизводительных вычислений (ГРИД) позволяет обеспечить большую эффективность использования ВИВС, расширить круг пользователей этих технологий, обеспечить широкое использование научно-технического потенциала и компетенции каждого из вычислительных центров, а также существенно ускорить процесс внедрения инновационных технологий во многих отраслях.

Анализ зарубежного опыта показывает две важные тенденции в развитии мирового «течения» ГРИД:

• исследования в области ГРИД и построения для них различных инфраструктур происходит при активном  участии государства;
• вся основная инфраструктура (центры обработки и передачи данных, рабочие группы, научно-исследовательские лаборатории) строится на основе университетов.

В первом случае это обосновывается «стратегической перспективой», которой можно обладать, активно занимаясь развитием ГРИД-тематики в стране.

Во втором случае это объясняется историчес­ким наличием на базе университетов (зарубежных) развитой инфраструктуры (серверной части, сети передачи данных, специализированных помещений, гибкой политикой производителей по отношению к университетам и т.д.), а также квалифицированным персоналом, способным ставить и проводить сложные научные исследования и эксперименты.

Таким образом, развитие тематики ГРИД в государстве может являться стратегической задачей, дающей как мощный потенциал к развитию,  обеспечивающей «паритет» и конкурентные преимущества в мировом обществе.

С другой стороны, ГРИД-технологии в той или иной степени используют ведущие машиностроительные, компьютерные, фармацевтические, нефте-/газодобывающие и финансовые корпорации. Это доказывает «бизнес-пригодность» ГРИД для коммерческого использования.

Главным эффектом от строительства и использования ГРИД-системы в масштабах государства может стать широкое внедрение технологий применения высокопроизводительных информационно-вычислительных систем, обеспечивающих ускоренное развитие инновационных отраслей экономики. Экономический эффект от использования ГРИД-систем определяется следующими основными факторами:

• оптимизация использования существующих вычислительных ресурсов посредством разработки и внедрения нового подхода к выполнению приложений в распределенной среде информационных и вычислительных ресурсов;
• отказ от технического и натурного моделирования для сложнейших исследовательских и инженерных систем и сокращение циклов внедрения;
• практичность сервисов ГРИД для широкого круга коммерческих компаний и бизнес-задач (бизнес-моделирование и анализ систем обработки транзакций и поддержки принятия решений), в которых ключевыми параметрами являются гарантия «качества сервиса» предоставляемых ресурсов, безопасности, а также высокая надежность и,   соответственно, высокий потенциал системы ГРИД с точки зрения привлечения коммерческих инвестиций;
• востребованность разработок для ВИВС в мире, что дает шанс России осуществить прорыв в области применения распределенных информационно-вычислительных технологий и систем – фактически в единственном сегменте высоких «суперкомпьютерных» технологий, где у России остался шанс быть не просто конкурентоспособной, но и оказаться на передовом рубеже прогресса.

В России результатами внедрения и использования ГРИД-технологий и систем могут стать:

• развитие и реализация российского потенциала в области информационных технологий, активное участие Российской Федерации в международной научно-технической кооперации;
• расширение круга пользователей технологий высокопроизводительных вычислений, снижение стоимости таких работ и преодоление «цифрового неравенства» в этой области, особенно в отдаленных регионах России;
• создание и развитие инновационной инфраструктуры.

Развитие и использование ГРИД-технологий в государстве и обществе окажет позитивное воздействие на развитие рынка информационных и вычислительных технологий и систем как в его массовом сегменте (в перспективе), так и в специфических сегментах (высокопроизводительных программно-аппаратных системах), а также выразится в создании новой перспективной программной технологии.