Журнал "Компьютерра" №771

ТЕХНОЛОГИИ: Апгрейд погоды

Автор: Александр Бумагин

В декабре прошлого года в Главном вычислительном центре Гидрометцентра России был запущен суперкомпьютер, который считает в десять тысяч раз быстрее своего предшественника. Похоже, теперь у нас есть надежда, что прогнозы погоды будут точнее…

Впрочем, злые шутки над синоптиками не совсем справедливы. Это ведь испорченные неточным прогнозом выходные запоминаются надолго, а вот то, что прогноз гораздо чаще совпадает с действительностью, мы, как правило, не замечаем. А искусство предсказания погоды уже давно не сводится к наблюдению за ласточками и облаками на закате. Точность прогнозов Росгидрометцентра на сутки вперед превышает 95%, на послезавтра - составляет около 90%, на третьи сутки - около 80% [Интересно, какова сравнительная эффективность прогнозов по народным приметам?]. Но долгосрочные прогнозы, увы, по-прежнему оставляют желать лучшего. Поведение земной атмосферы плохо поддается моделированию, и дело тут не только в слабости вычислительной техники, но и в несовершенстве используемых для расчетов моделей.

Тем не менее именно компьютеры, ставшие доступными синоптикам в последние полвека, позволили заглядывать в будущее. С той или иной степенью уверенности.

История "погодных" компьютеров

О том, как менялось с годами техническое оснащение ГВЦ, мы поговорили с его директором ВЛАДИМИРОМ АНЦЫПОВИЧЕМ (на фото справа). Сам Анцыпович работает с Гидрометцентром больше сорока лет, еще школьником проходил здесь производственную практику в середине шестидесятых.

Ученым уже тогда было ясно, что прогноз погоды - это сложнейшая вычислительная задача. В то время в Гидрометцентре развивались численные методы, и появлялись первые оперативные прогностические технологии с использованием математических моделей. Над этим работала целая плеяда сильных математиков.

Автором первой оперативной численной модели был Соломон Львович Белоусов.

Он начинал свои работы в вычислительном центре МГУ на ламповой ЭВМ М20 с быстродействием 20 тысяч операций в секунду. В 1962 году такая же машина появилась и в Гидрометцентре, и началось строительство здания под вычислительный центр. Вскоре Гидрометцентр получил машину М220, затем - М222 (около 30 тысяч операций в секунду). Для тех дней это были очень хорошие мощности.

Быстродействие же любого современного домашнего компьютера синоптикам тогда и не снилось [Знали бы они, какие мощности будут работать вхолостую при неспешном наборе статей в текстовом редакторе].

На смену первым ЭВМ Гидрометцентра пришел компьютер "Весна" (200 тысяч операций в секунду), а за ним - БЭСМ-6 с быстродействием в один миллион операций в секунду. В 1975 году была сделана попытка закупить американскую машину CDC 7600 (10 млн. операций в секунду). Конструктором того суперкомпьютера был Сеймур Крэй, позднее основавший фирму Cray Research. "К сожалению, по политическим причинам в приобретении нам было отказано, - рассказывает Анцыпович. - Контракт изменился, и в действительности была куплена машина Cyber 172. Хотели приобрести две такие машины, но со второй не сложилось".

В следующие годы в Гидрометцентре использовались разные ЭВМ производительностью 3–20 млн. операций в секунду, среди которых были Comparex, Hitachi и ЕС 1060–1066. "Собирались ставить "Эльбрус", - говорит Анцыпович, - и даже начали готовить производственные площади и мощности, но получил одобрение проект поставки Cray Y-MP".

Впрочем, одного суперкомпьютера синоптикам мало. Центр всегда нуждался в машинах классом пониже для решения логических и телекоммуникационных задач. С появлением транзисторных ЭВМ, эксплуатационные характеристики которых были существенно слабее, чем у ламповых машин, это стало возможным, и потому в разное время на оперативные прогностические технологии работали компьютеры семейств "Минск", СМ, ЕС.

С появлением транзисторных ЭВМ второго поколения в системе Росгидромета стала развиваться сеть вычислительных центров.

По словам Анцыповича, вычислительный центр Гидрометцентра России долгое время был уникальным в части организации круглосуточной оперативной эксплуатации ЭВМ. "Нам приходилось добиваться надежности работы технологических схем с минимальным потребным временем непрерывного счета не менее одного часа, - вспоминает директор. - При этом, например, для М-20 "паспортная" наработка на отказ составляла лишь пятнадцать минут". Все ЭВМ в центре работали больше того срока, на который они были рассчитаны, а потому промышленность была заинтересована в установке первых серийных образцов новых компьютеров именно здесь, ведь в Гидрометцентре ЭВМ доводились "до ума". Вот только с комплексом Cray Y-MP все получилось наоборот.

Переход на кластеры

Cray Y-MP производительностью 2,4 Гфлопс превосходил Hitachi 3033, бывший на вооружении Гидрометцентра в 1996 году, в триста раз, но за четыре года подготовки к сделке этот компьютер от Cray Research из первой сотни Тор 500 переместился за пределы рейтинга. Кроме того, спустя три года по финансовым причинам пришлось продолжать использование Cray Y-MP без поддержки со стороны производителя. "За восемь лет эксплуатации мы перебрали все узлы компьютера, - рассказывает Анцыпович, - пытаясь за счет избыточности конструкции заставить его работать, но в конце концов, даже с к рытых резервов стало не хватать: комплекс остановился". Русский Cray, кстати, продержался дольше других экземпляров той же модели и был последним, умершим на боевом посту. Благодаря тому что модель Y-MP была снята с производства, удалось с существенной скидкой закупить двухлетний запас ЗИПа, а в качестве модуля поддержки - первый для вычислительного центра кластер. Произошло это в 2003 году, и с того времени в Гидрометцентре начались эксперименты по использованию кластеров в расчетах прогнозов погоды.

В те же годы стартовал федеральный проект модернизации организаций и учреждений Росгидромета, предусматривавший обновление основных вычислительных мощностей подразделений. У Главного вычислительного центра были давние связи с компаниями-производителями, и после принятия решения о модернизации многие из них включились в работу по исследованию используемых в центре алгоритмов. IBM, Hewlett-Packard, SGI, NEC, Intel, Bull, Sun и другие создавали на территории центра экспериментальные стенды, предоставляли ресурсы своих вычислительных комплексов, в результате чего сотрудникам ГВЦ удалось сформулировать технические требования к закупаемым комплексам.

К закупке вычислительной техники Центр мог подойти с трех разных сторон. Можно было по минимальной цене купить то, что предлагает рынок. "Конечно, термин "минимальная цена" не стоит считать синонимом слова "плохо", - уточняет Анцыпович. - Просто это самые распространенные решения, ресурсы которых на конкретных задачах могут использоваться не слишком эффективно". Второй путь лежит через заказ уникального компьютера под конкретную задачу, но такие комплексы, очевидно, дороги. Третий же вариант учитывает преобладание в расчетах определенных алгоритмов. Среди "массовых" решений выбирается то, при котором достигается максимальная эффективность именно на таких задачах, а не быстродействие, показываемое в абстрактных тестах. Этот подход на задачах моделирования атмосферных процессов лучше всего устраивал заказчика по соотношению цена/качество, поэтому и был выбран.

"Кроме того, мы ориентировались на решения со скалярными процессорами, говорит Анцыпович, - поскольку векторные процессоры, хоть они и эффективнее для наших задач, уже вытеснялись с рынка". К сожалению, обоснование и согласование такого ограничения заняло два года, и процедуры, через которые проходила конкурсная документация, практически блокировали обновление сформулированных технических требований.