ЭЛЕМЕНТЫ СТРАТЕГИИ ОПЕРЕЖЕНИЯ.
К единому компьютерному пространству распределённых и параллельных вычислений
с сетецентрической глобализацией парадигмы управления
Затуливетер Ю.С., Легович Ю.С., Каравай М.Ф., Фищенко Е.А. (Институт проблем управления РАН)
Артамонов С.Е., Козлов В.А. (ООО «ИДМ», г. Зеленоград )
Семёнов C.C. (ОАО ГНПП «Регион)
Конференция Industry Emerging. Необходимость интеллектуального превосходства
5 сентября 2012 года, Политехнический музей
• Переоснащение ВС и ОПК (23трл. руб.) ◦ государство планирует в течение десяти лет выделить почти
23 трлн. руб. на перевооружение армии, флота и модернизацию ОПК
• Новая индустриализация (43 трл. руб.) ◦ «…чтобы изменить структуру экономики, мы намерены провести
«новую индустриализацию», модернизировать или вновь создать до 25 млн современных рабочих мест. Главный вопрос - цена и источники проведения «новой индустриализации»
◦ «В ближайшие три года в экономику должно быть вложено почти 43 триллиона рублей»
◦ «…найти такие гигантские средства только за счет госбюджета и инфраструктурных компаний невозможно, поскольку это может привести к ослаблению макроэкономической и бюджетной устойчивости»
Стратегические задачи по обеспечению конкурентоспососбности РФ
2
Переоснащение армии и ОПК
3
Из сводки новостей 01 сентября 2012. …на заседании Совета по безопасности президент В.В.Путин сделал заявление о необходимости совершить комплексный прорыв в оборонной промышленности:
"Нужно совершить такой же мощный комплексный прорыв
в модернизации оборонных отраслей, как это было в 30-е
годы прошлого века"
Вице-премьер по ОПК Д.О.Рогозин о возникающих трудностях:
"Мы не можем себе позволить сохранять ситуацию, при которой
при падении качества производства, тем не менее, никоим образом
не зависит благополучие того, от кого это зависело. Скажем, у нас
спутники падают, корабли падают, семь аварий космических за
последние полтора года, а предприятия рублем не наказаны"
"…Процесс реформирования высшей технической школы при стремлении минимизировать расходы на образование превратился в борьбу за существование. Разрушалась материально-техническая и исследовательская база инженерных вузов …"
"Такая научно-техническая политика привела к губительным последствиям. … Число высококвалифицированных специалистов в ОПК сократилось почти в 10 раз… Набирал силу процесс «утечки умов» за рубеж."
"Практически для всех уровней инновационной системы России присущи дефицит квалифицированных кадров, возрастной дисбаланс, отсутствие мотивации в инновационной деятельности."
"В ХХI в. обозначились два ключевых фактора, воздействующих на выработку инновационных стратегий: глобализация и глобальная конкуренция, резко ускорившие темпы процесса внедрения инноваций, обусловившие появление новых лидеров-конкурентов…"
"Анализ предложений В.В. Путина в сфере научно-технической политики убеждает, что надежды на новую индустриализацию России после вступления в ВТО иллюзорны"
"Осуществим ли план новой индустриализации Путина?" (из критических публикаций)
4
Напоминают известный "Вердикт":
«Казнить {x} нельзя {y} помиловать»
x,y {"запятая", "пробел"}
Оценки реализуемости инициативы "Новая индустриализация " неоднозначны
5
x y Ситуация Комментарий :) "пробел" "пробел" Пат No comments
"пробел" "запятая" За Интуитивный оптимизм
"запятая" "пробел" Против Интуитивный пессимизм
"запятая" "запятая" Пат No comments
Не вполне понятно каким образом будет обеспечиваться
эффективность решения масштабных и сложных задач подъёма
страны в условиях сырьевой экономики и мирового кризиса
Для гарантированного достижения поставленных целей надо искать новые возможности
6
Кризисная ситуация не только в стране, но и в мире весьма неоднозначна и противоречива:
«Плохо» сегодня уже ВСЕМ…
Тезис 1: Готовых рецептов нет ни у кого (даже у DARPA :)
Тезис 2: Рассчитывать на спасительный импорт
"передовых" идей и "супертехнологий"
не приходится (и у себя уже не справляются)
Мир, ставший, посредством массовых компьютерно-
сетевых технологий, глобально связным, изменился настолько, что уже не может устойчиво развиваться
по прежним правилам… Требуется решение новых задач, которые не
сводятся к известным
• Стихийная глобализация информационного пространства посредством массовых компьютерно-сетевых технологий привела к неконтролируемому перепроизводству информации (информационный взрыв привёл к чрезмерному росту инф. шума)
• Мировая социосистема погружается в беспрецедентно новое информационное пространство с метрикой "всё зависит от всего и сразу"
• Наработанные принципы и полит-экономические механизмы управления устойчивым развитием утрачивают действенность, т.к. уже не отвечают новым требованиям в части:
◦ пропускной способности ◦ функциональных возможностей ◦ адаптации к сильным и быстрым структурным изменения глобального
информационного контекста
В этих условиях социосистема неизбежно теряет управляемость, что выражается в череде мировых
кризисов с нарастающей амплитудой
Новые факторы глобального действия
7
График от 4.09.12: http://quote.rbc.ru/exchanges/demo/index.0/NASD/intraday?show=intra3
Инвестиционная активность в области ИКТ (Нераскрытые тайны 00-х)
8
И
н
д
е
к
с
N
A
S
D
A
Q
1100
10.2002 11.2008 02.1996
2500
06.1999
Кризис 2000 (Ч. I) "Разочарование
в dotCOM" цена ~$2трл.
Ч. II: Кризис 2008 " Ипотечный "
цена ~$40-60трл.
Технический прогресс в 00-е: ~разы
СБИС:
колич. тр-ров: ~102
частота: ~10 память: ~102
Внешняя память HDD: ~103
Сети
WWW ПК: ~20 Мобильн: ~40
На беспрецедентные темпы
компьютерного прогресса
мировая экономика ответила… кризисами.
В чем причины невосприимчивости
мирового рынка к компьютерным рекордам ???
Вопросы для осмысления ситуации:
9
• «Куда идти?» (Необходим максимально общий и ОБЪЕКТИВНЫЙ взгляд)
• «Как двигаться?» Требуется: ◦научно обоснованный анализ новых классов задач ◦общие научные методы и формализмы их решения ◦новая технологическая платформа (универсальный инструмент)
• Тезис 3: Выигрывает тот, кто первый найдёт ответы понятные инвесторам
Подсказка: Циклограмма Кондратьева-Пуаре
Циклограмма смены инновационных парадигм в современной интерпретации Нормана Пуаре
Инновационные волны Кондратьева
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
(?)
Дважды в столетие
сменяются ключевые
инновацион-ные
технологии массового
производства, вокруг
которых развиваются
мировые инвестицион-
ные процессы
10
Davis M., Walter M.
Technology
Strategies. The Next
Wave: Revolution in
Process and
Contentedical data
management. Part 1:
The Next Wave of
Publishing Technology //
The Seybold Report.
Vol.3. N 15. Nov.15.
2003.
Расширенное воспроизводство достигается на участке инвестиционно-технологических S-волн с положительной второй производной (участок 2) • многократные инвестиции кратно окупаются; • прогрессивно растущая прибыль позволяет ускоренно
расширять масштабы производства и сферы влияния.
• В основе компьютерной волны лежит базовая модель последовательных вычислений Дж. фон Неймана (1948г.)
• Фаза расширенного воспроизводства этой волны началась с микропроцессорной революции (80-90-е) и перешла в фазу насыщения с кризисом доткомов
• Переход к началу фазы расширенного воспроизводства сетецентрической волны (2005г.) не состоялся ввиду отсутствия базовой модели универсально программируемых сетевых вычислений
От компьтерной волны к сетецентрической
11
Первопричины кризисов 00-х не видны с позиций накопленного опыта. В отсутствие полит-экономических методов решения новых проблем, остаётся два пути:
• опережающая разработка кибернетических моделей устойчивого развития в непрерывном спектре задач, а также способов и средств формирования общедоступного компьютерного пространства распределённых и параллельных вычислений с сетецентрической глобализацией парадигмы управления для их массового воплощения;
• либо неизбежное применение военной силы, которое также основывается на моделях сетецентрического управления.
Инстинкт государственного самосохранения требует искать ответы на каждый из этих вызовов. Они дают
необходимый инструментальный базис и откроют пути к эффективному решению проблем "новой индустриализации" и переоснащения ВС и ОПК
Направления движения
12
Свойства информационного пространства, в которое погружается социосистема, впрямую зависят от системных и функциональных возможностей компьютерной среды, поэтому нерешённые компьютерные проблемы оказывают тотальное влияние на социосистему
1) Для восстановления управляемости социосистемы необходимы качественно новые системные и функциональные возможности компьютерной среды
• универсальная и бесшовная программируемость • независимость системной сложности интеграции глобально
распределённых данных, программ, процессов и систем • надёжность процессов при недетерминированном составе
вычислительных узлов
2) Перераспределение сверхпотоков информации во взаимодействиях социальной и компьютерной сред
• массовые потоки алгоритмически формализуемой информации замыкаются в компьютерной среде в динамически перестраиваемых иерархиях контуров сетецентрического управления
• переработка трудно формализуемой информации осуществляется в социальной среде
Компьютерные резервы преодоления кризиса
13
Для опережающего перехода к новым принципам развития компьютерной среды требуется: • базовая модель сетевых вычислений, отвечающая требованиям
индустриального решения глобально связных задач
• разработка на основе новой модели вычислений немикропроцессорных компьютерно-сетевых архитектур с принципиально новыми системными и функциональными возможностями
• реализация на основе немикропроцессорных и высокопараллельных архитектур собственной элементной базы (ЭБ) и массовое её внедрение;
• формирование с использованием новой ЭБ математически однородного, бесшовно программируемого и свободно масштабируемого компьютерного пространства распределённых и параллельных вычислений;
• разработка принципов постановки, решения и программирования сильносвязных задач сетецентрического управления в едином математическом формализме этого пространства.
Переход от компьютерной волны к сетецентрической
14
• В сильносвязном пространстве "всё зависит от всего и сразу" задачи устойчивого развития утрачивают свойства локальности, т.к. становятся сильносвязными
• Сверхбыстрое изменение глобального информационного контекста требует непрерывного обновления структур, способов и алгоритмов безопасного и эффективного управления
• В сильносвязном пространстве требуется методологический переход от принципа презумпции локальности задач к презумпции их глобальной связности
Примеры классов сильносвязных задач и систем • "Ubiquitous Computing" ("Вездесущие вычисления", начало 90-х)
• "Internet of Things" ("Интернет вещей", середина 90-х)
• В 00-е появились концепции индустриальных уровней воплощения ◦ Future Combat System (FCS, ~$200 млрд.)
◦ Smart Planet (IBM),
◦ Smart Grid (Умные электроэнергетические сети).
• FuturICT (Европейская программа, ~1млрд. Евро , начало: 2013г) ◦ Planetary Nervous System
◦ Living Earth Simulator
◦ Global Participatory Platform
О характере новых задач
15
Об универсальности парадигмы управления Фундаментальное
строение контуров управления:
• съём значений внешних сигналов от внешней среды (сенсоры)
• преобразование значений сигналов в данные
• передача данных к местам накопления
• накопление данных
• выработка управляющей информации (с учётом входных данных и внутреннего состояния)
• обновление внутреннего состояния (с учётом входных данных и внутреннего состояния)
• доставка управляющей информации к исполнительным устройствам (акторам)
• преобразование управляющей информации в воздействия на внешнюю среду
• ожидание новых значений внешних воздействий
16
Двухуровневый кризис компьютерной среды
• на внутрикомпьютерном уровне ◦ структурное насыщение микропроцессорных архитектур ◦ тепловой барьер на пути наращивания рабочих частот
• на межкомпьютерном (сетевом) уровне ◦ непрерывное воспроизводство разнородных форм представления
данных и программ ◦ комбинаторный рост сложности интеграции разнородных данных,
программ, процессов и систем с увеличением размеров задач и компьютерной среды
◦ свойство универсальной программируемости изначально не распространяется на сетевые ресурсы
Фундаментальные препятствия на путях перехода к сетецентрической волне
17
• Первопричины кризиса компьютерной среды, как показали исследования, кроются в классической компьютерной аксиоматике (модель последовательных вычислений Дж. фон Неймана)
• Эта модель до сих пор остаётся логической основой компьютерной индустрии и лежит в основе массового производства компьютеров и программ. Однако, чем выше размеры решаемых задач в глобальных сетях и масштабы их влияния, тем в большей степени проявляется её несоответствие требованиям решения новых классов глобально связных задач
Первопричины двухуровневого компьютерного кризиса
18
Проблему удалось решить посредством математического обобщения модели Дж. фон Неймана, которое позволило: • ввести математически замкнутую форму представления структурно
сложной компьютерной информации • устранить причины непрерывного воспроизводства разнородных форм
представления данных и программ • бесшовно распространить свойство универсальной программируемости с
внутрикомпьютерных ресурсов на сетевые ресурсы • устранить внутрикомпьютерные причины комбинаторной зависимости
сложности интеграции глобально распределённых систем от их размерности
В новой модели системная сложность компьютерной среды перестаёт существенным образом зависеть от её размеров, что позволяет сформировать единое, бесшовное программируемое алгоритмическое пространство сетецентрического управления и обойти "комбинаторное проклятие" сложности создания и интеграции глобально связных систем распределённой обработки данных (кардинальное снижение себестоимости и сроков)
Устранение причин кризиса компьютерной среды на фундаментальном уровне
19
Элементы новой модели
20
От микропроцессорной архитектуры к немикропроцессорной
21
Микропроцессорная архитектура:
«умная» арифметика «глупая» память
Микропроцессор
Системная плата
НЕмикропроцессорная архитектура:
«умная» память «глупая» арифметика
Однокристальный сетевой компьютер
21
Построение отечественной элементной базы для свободно масштабируемых систем сетецентрического управления
• Новая ЭБ станет основой универсальной свободно масштабируемой компьютерной платформы для создания и интеграции систем сетецентрического управления
• Новая платформа открывает возможности в осязаемые сроки и при ограниченных затратах произвести переоснащение ВС и ОПК с опережением мирового уровня
22
Однокристальные многоядерные вычислители Состояние проблемы в мире
23
Нанотехнологии: 65,45,32,22,12нм ~1,2,4,9,30 млрд.тр-ров • тепловой барьер ограничивает рост частоты
• производительность за счет архитектурного параллелизма ◦ многоядерные кристаллы на основе универсальных микропроцессоров не
дают роста производительности пропорционального числу ядер
◦ главным инструментом наращивания производительности становятся однокристальные архитектуры с массовым параллелизмом (MultiSIMD, VLIW)
Однокристальные многопроцессорные компьютеры • Графические процессоры общего назначения (GP GPU):
◦ nVIDIA Fermi (2010г.,45нм, 3млрд.тр. 512процессоров, до 1Tflops, плата~$5000)
◦ видеопроцессоры AMD
•Физич. процессоры (PPU), игровые консоли и сопроцессоры: ◦ Physics Processing Unit (PPU) AGEIA PhysX (130 нм, 125млн.тр., 500 МГц,
VLIW, 4 VPE x 4 VPU x 2 DPU x 3 FP ops = 96 Flop/такт=48Gflops)
◦ Cell (IBM,Sony,Toshiba) (90нм, 234млн.тр., 8 -32 проц-ров, SIMD, 218Gflops)
◦ ClearSpeed (2008г., 90нм, 250Мгц, 192 процессора, SIMD, 96 Gflops(дв.точн.), 12 W, 8Gflops/W , плата~$3000)
Развитие линейки суперкомпьютеров ПС-2х00
1972-1975 Фундаментальные
исследования. Разработка
оригинальной архитектуры
ПС-2000
Гибридная архитектура:
Хост-компьютер и мультипроцессор ПС-2000
SIMD/MIMD архитектура
До 64 процессорных элементов
Целочисленная и плавающая арифметика
Рабочая частота - 3.3 MHz
Производительность – 200 MIPS, 50 MFLOPS
Гибридная архитектура:
Хост-компьютер и до 10-ти мультипроцессоров
ПС-2100
MultiSIMD/MIMD/MPMD архитектура
Целочисленная и плавающая арифметика одинарной и двойной точности
Рабочая частота – 7,3 MHz
Производительность – 1500 MIPS, 400/50 MFLOPS
ВК ПС-2000 ОКР: 1976-1980гг.
Серийное производство (246экз.): 1981-1989гг.
ВК ПС-2100 ОКР: 1986-1988г.г.
Опытные образцы 1989гг.
ПС-2X00 1989-1993 гг.
Разработка элементной базы для
следующего поколения ПС-2000
1й в мире проект многоядерного ЧИПа
1994г. государственная
поддержка опережающего
мировой уровень проекта была прекращена
2012г.
Проект будет возобновлён.
Цель – выход на мировой рынок
Структура многопроцессорного компьютера ПС-2000 и компоновка кристалла СБИС
25
Программно-совместимое
масштабирование однокристальных
многопроцессорных компьютеров
ПС-2000+
1 ТФлопс = 1012 операций с
плавающей точкой в секунду
40 nm (~2 млрд. транзисторов, 0,5-1 ГГц)
1024 процессорных элементов (ПЭ)
распределённая по ПЭ память: ~64 MB
Производительность: ~1-2 ТФлопс/чип
28 nm (~4 млрд. транзисторов, 0,5-1 ГГц)
2048 процессорных элементов (ПЭ)
распределённая по ПЭ память: ~128 MB
Производительность: ~2-4 ТФлопс/чип
20 nm (~8 млрд. транзисторов, 0,5-1 ГГц)
4096 процессорных элементов (ПЭ)
распределённая по ПЭ память: ~ 256 MB
Производительность: ~4-8 ТФлопс/чип
14 nm (~16 млрд. транзисторов, 0,5-1 ГГц)
8192 процессорных элементов (ПЭ)
распределённая по ПЭ память: ~ 512 MB
Производительность: ~8-16 ТФлопс/чип
10 nm (~32 млрд. транзисторов, 0,5-1 ГГц)
16384 процессорных элементов (ПЭ)
распределённая по ПЭ память: ~ 1024 MB
Производительность: ~16-32 ТФлопс/чип
Решение задач в едином формализме
27 Графодинамические системы
28
• На переходе к новой инновационной волне сетецентрического управления, требующей обновления компьютерной аксиоматики, глубинный внутрикомпьютерный кризис выравнивает стартовые позиции и предоставляет уникальный шанс для опережения в стратегически важных направлениях
• Сетецентрическая глобализация парадигмы управления в едином компьютерном пространстве распределённых и параллельных вычислений открывает общедоступные возможности эффективной интеграции совокупного потенциала глобальной компьютерной среды для эффективного решения задач "новой индустриализации" и переоснащения ВС и ОПК
• Своевременная реализация отечественной элементной базы на основе новых моделей и архитектур является ключевой задачей в формировании единого пространства распределённых и параллельных вычислений с сетецентрической глобализацией парадигмы управления
Выводы
29
Ссылки по теме: http://www.ipu.ru/sites/default/files/publications/%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BD%D1%82%20%D0%BF%D1%81-2000__.pdf
http://zvt.hotbox.ru/Zatuliveter_(SICPRO_2008).pdf
http://www.ipu.ru/sites/default/files/publications/Zatuliveter_InfPrirodaSocPeremen_.pdf
Контакты: [email protected]
30