Элементы стратегии опережения. К единому компьютерному пространству распределённых и параллельных вычислений с сетецентрической глобализацией парадигмы управления Институт проблем управления РАН: Затуливетер Ю.С. (ведущий научный сотрудник), Легович Ю.С. (заведующий лабораторией), Каравай М.Ф. (заведующий лабораторией), Фищенко Е.А. (ведущий научный сотрудник) ООО «ИДМ», г. Зеленоград: Артамонов С.Е. (технический директор), Козлов В.А. (директор) ОАО ГНПП "Регион": Семёнов C.C. (руководитель группы) Докладчик: Затуливетер Ю.С.

1. Конференция
Industry Emerging. Необходимость интеллектуального превосходства
5 сентября 2012 года, Политехнический музей
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)

2. Стратегические задачи по обеспечению
конкурентоспососбности РФ
• 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»
2

3. Переоснащение армии и ОПК
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"
3

4. "Осуществим ли план новой индустриализации Путина?"
(из критических публикаций)
"…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"
4

5. Оценки реализуемости инициативы
"Новая индустриализация " неоднозначны
Напоминают известный "Вердикт":
«Казнить {x} нельзя {y} помиловать»
x,y {"запятая", "пробел"}
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
5

6. Для гарантированного достижения поставленных
целей надо искать новые возможности
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 6

7. Новые факторы глобального действия
• 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 7

8. Инвестиционная активность в области ИКТ
И
(Нераскрытые тайны 00-х) прогресс в 00-е: ~разы
Технический
н СБИС:
колич. тр-ров: ~102
д частота: ~10
е память: ~102
Внешняя память
к HDD: ~103
с 2500 Сети
WWW ПК: ~20
Мобильн: ~40
1100
N На беспрецедентные
темпы
A компьютерного
прогресса
S мировая экономика
02.1996 06.1999 10.2002 11.2008 ответила…
D кризисами.
Кризис 2000 (Ч. I) Ч. II: Кризис 2008 В чем причины
A "Разочарование " Ипотечный " невосприимчивости
Q в dotCOM" цена ~$40-60трл. мирового рынка к
цена ~$2трл. компьютерным
рекордам ???
График от 4.09.12: http://quote.rbc.ru/exchanges/demo/index.0/NASD/intraday?show=intra3 8

9. Вопросы для осмысления ситуации:
• «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
9

10. Инновационные волны Кондратьева в
Дважды
Циклограмма смены инновационных парадигм столетие
в современной интерпретации Нормана Пуаре сменяются
ключевые
инновацион-
ные
4 4 4 4 4 4
технологии
массового
3 3 3 3 3 3 производства,
вокруг
(?) которых
развиваются
мировые
2 2 2 2 2 2 инвестицион-
1 1 1 1 1 1
ные
процессы
Davis M., Walter M.
Technology
Strategies. The Next
Wave: Revolution in
Process and
Расширенное воспроизводство достигается на участке Contentedical data
инвестиционно-технологических S-волн с management. Part 1:
положительной второй производной (участок 2) The Next Wave of
Publishing Technology //
• многократные инвестиции кратно окупаются; The Seybold Report.
• прогрессивно растущая прибыль позволяет ускоренно Vol.3. N 15. Nov.15.
расширять масштабы производства и сферы влияния. 2003. 10

11. От компьтерной волны к сетецентрической
• 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 11

12. Направления движения
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
12

13. Компьютерные резервы преодоления кризиса
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 13

14. Переход от компьютерной волны к
сетецентрической
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. 14

15. О характере новых задач
• 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
15

16. 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

17. Фундаментальные препятствия на путях перехода к
сетецентрической волне
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
17

18. Первопричины двухуровневого
компьютерного кризиса
• 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
18

19. Устранение причин кризиса компьютерной среды
на фундаментальном уровне
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)
19

20. Элементы новой модели
20

21. От микропроцессорной архитектуры
к немикропроцессорной
Микропроцессор
Системная плата Однокристальный
сетевой
компьютер
Микропроцессорная НЕмикропроцессорная
архитектура: архитектура:
«умная» арифметика «умная» память
«глупая» память «глупая» арифметика
21

22. 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

23. Однокристальные многоядерные вычислители
Состояние проблемы в мире
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) 23

24. Развитие линейки суперкомпьютеров ПС-2х00
ВК ПС-2100 ПС-2X00
ОКР: 1986-1988г.г. 1989-1993 гг.
Опытные образцы 1989гг. Разработка
ВК ПС-2000 элементной базы для
ОКР: 1976-1980гг. следующего поколения
Серийное производство (246экз.): ПС-2000
1981-1989гг. 1й в мире проект
многоядерного ЧИПа
1972-1975
Фундаментальные Гибридная архитектура:
исследования. Хост-компьютер и до 10-ти 1994г.
Разработка мультипроцессоров государственная
оригинальной Гибридная архитектура: ПС-2100 поддержка
архитектуры MultiSIMD/MIMD/MPMD архитектура опережающего
ПС-2000 Хост-компьютер и мировой уровень
мультипроцессор ПС-2000 Целочисленная и плавающая
арифметика одинарной и двойной проекта была
SIMD/MIMD архитектура прекращена
точности
До 64 процессорных элементов
Рабочая частота – 7,3 MHz
Целочисленная и плавающая
арифметика Производительность – 1500 MIPS, 2012г.
400/50 MFLOPS
Рабочая частота - 3.3 MHz Проект будет
Производительность – 200 MIPS,
возобновлён.
50 MFLOPS Цель – выход на
мировой рынок

25. Структура многопроцессорного компьютера ПС-2000
и компоновка кристалла СБИС
25

26. Программно- 10 nm (~32 млрд. транзисторов, 0,5-1 ГГц)
совместимое  16384 процессорных элементов (ПЭ)
масштабирование  распределённая по ПЭ память: ~ 1024 MB
однокристальных  Производительность: ~16-32 ТФлопс/чип
многопроцессорных 14 nm (~16 млрд. транзисторов, 0,5-1 ГГц)
 8192 процессорных элементов (ПЭ)
компьютеров  распределённая по ПЭ память: ~ 512 MB
ПС-2000+  Производительность: ~8-16 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
28 nm (~4 млрд. транзисторов, 0,5-1 ГГц)
 2048 процессорных элементов (ПЭ)
 распределённая по ПЭ память: ~128 MB
 Производительность: ~2-4 ТФлопс/чип
40 nm (~2 млрд. транзисторов, 0,5-1 ГГц)
 1024 процессорных элементов (ПЭ) 1 ТФлопс = 1012 операций с
 распределённая по ПЭ память: ~64 MB плавающей точкой в секунду
 Производительность: ~1-2 ТФлопс/чип

27. Решение задач в едином формализме
Графодинамические системы
27

28. 28

29. Выводы
• 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
29

30. 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: zvt@hotbox.ru
30