Путь гегемона
Тем, кто до сих пор полагал, что Соединенные Штаты Америки подписали Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний в 1996 году из благородных соображений, стоит пересмотреть свои взгляды. Даже в самой процедуре признания Договора со стороны американской стороны заметны признаки лицемерия. Они подписали, но до сих пор не ратифицировали его, то есть он официально не вступил в силу на территории США. Россия, в свою очередь, и подписала, и ратифицировала этот Договор.
Судя по всему, Вашингтон никогда не примет полностью международный акт, ссылаясь на «необходимость обеспечения надежности своего ядерного арсенала и на ограниченные возможности создаваемого механизма верификации ДВЗЯИ по обнаружению ядерных взрывов малой и сверхмалой мощности». Однако мораторий на ядерные испытания в США все же существует. Причина этого не в стремлении к миру во всем мире или заботе об экологии американцев, а скорее в элементарном чувстве превосходства.
В середине 90-х годов инженерно-научное сообщество Соединенных Штатов пришло к выводу, что вычислительные мощности суперкомпьютеров позволяют безболезненно отказаться от реальных испытаний атомных боеприпасов. Главное, что ни у кого в мире не было подобных машин, поэтому американские военные могли чувствовать себя в безопасности. К тому времени Россия лишь едва смогла сохранить свой ядерный потенциал, столкнувшись с серьезными ограничениями на импорт высоких технологий, а Китай казался «своим парнем».
С 1949 года США пытались тормозить развитие СССР, создав Координационный комитет по многостороннему контролю за экспортом (CoCom). Полупроводники и программное обеспечение по протоколам относились к категории продукции двойного назначения и поступали в Советский Союз в крайне ограниченных объемах.
Cray-1
Ограничения были асимметричными: после 1981 года Китай получил доступ к более современным технологиям, чем СССР, чтобы ослабить советское влияние в Азии. Например, экспорт суперкомпьютера Cray-1, выпущенного в 1976 году, в СССР был запрещен. На Западе считают, что таким образом смогли замедлить развитие советской микроэлектроники на 5–10 лет. После распада СССР ограничения стали менее строгими, но США продолжали ограничивать доступ к высоким технологиям через три барьера: правила экспортного администрирования (EAR), режим Вассенара и регламенты международной торговли оружием (ITAR). Не стоит забывать и о поправке Джексона-Вэника, которая была отменена только в 2012 году, но была заменена не менее спорным «законом Магнитского».
В Россию, помимо прочего, запрещено поставлять современные фотолитографы от голландской ASML – единственного в мире производителя высококлассного оборудования для печати чипов. Все это оказывало влияние на уровень развития микроэлектроники в России, и американцы считали, что имеют значительное преимущество в этом секторе. Всеобъемлющий отказ от реальных ядерных испытаний выгоден, прежде всего, Вашингтону, так как только в Америке могут моделировать подобные события на должном уровне, а также предсказывать поведение ядерных боеприпасов после длительного хранения в шахтах и арсеналах.
Дорогу «суперам»!
Ядерную программу в США курируют три учреждения – Сандийские национальные лаборатории, Лос-Аламос и Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса. Первая занимается неядерными компонентами ядерного оружия. Лос-Аламос с 1943 года сосредоточен исключительно на оборонных проектах, а Ливерморская лаборатория работает с 1953 года. С переходом ядерных испытаний в виртуальное пространство все профильные лаборатории подключились к инициативе ускоренного стратегического вычислительного моделирования (Accelerated Strategic Computing Initiative – ASCI).
Официально этот проект предназначен для разработки надежных вычислительных моделей физических и химических процессов, связанных с проектированием, производством и деградацией ядерного оружия. К 2004 году американцы планировали точно моделировать ядерный взрыв любой мощности и типа. В отличие от предыдущих этапов ядерной гонки, цифровое моделирование испытаний требовало значительно меньше ресурсов и финансирования. Задачей было создание серии суперкомпьютеров и разработка соответствующего программного обеспечения.
Как и было задумано, в 1996 году Сандийская лаборатория получает машину ASCI Red. Этот суперкомпьютер первым в мире достиг производительности свыше 1 триллиона арифметических операций в секунду (терафлопс). Суперкомпьютер был построен для Министерства энергетики (именно здесь ведется работа над ядерным проектом США) компанией Intel. Размеры агрегата впечатляют — площадь помещений для размещения составляла 150 кв. метров, процессоры, коммутаторы и диски помещались в 104 огромных шкафа, а общее энергопотребление «супера» было сопоставимо с небольшим городом.
Уже к 1999 году ASCI Red разогнали до 3,1 терафлопса, что позволило ему сохранить титул самого мощного компьютера в мире. Вычислительные мощности проекта росли стремительно: со временем были собраны машины «Blue Pacific» и «Blue Mountain». Первая обеспечивала 2,1 терафлопса и работала в Ливерморской лаборатории, а вторая достигала 3 терафлопсов в Лос-Аламосе. На рубеже столетий это казалось чем-то невероятным, но с течением времени прошло уже четверть века, и сейчас настольные компьютеры средней мощности могут похвастаться производительностью от 5 до 10 терафлопс и даже выше.
«Супер» в Ливерморской национальной лаборатории
В 2002 году появился ASCI Q, который рассчитывал процессы ядерного взрыва со скоростью 14 терафлопс и занимал второе место в мире по производительности. Не будем углубляться в детали американского строительства суперкомпьютеров, лишь отметим, что с 1997 года в рамках программы было построено не менее дюжины вычислительных машин. Например, один из лучших в мире «суперов» Sequoia в 2009 году продемонстрировал производительность в 16 петафлопсов, вновь заняв титул самого быстрого в мире.
Чем же занимаются американские «ядерные суперы»? В первую очередь, они рассчитывают и визуализируют ударные волны, изучают, как нагреваются и деформируются материалы, как протекают химические реакции, а также как ведут себя группы атомов и отдельные молекулы. В 1999 году на одном из суперкомпьютеров впервые полностью смоделировали трехмерный взрыв первичного заряда, а в 2000 году — вторую стадию детонации. К 2002 году удалось смоделировать весь процесс целиком. Отдельно моделируется поведение металлов в первые моменты ядерного взрыва — в 2005 году суперкомпьютер рассчитал поведение 160 миллиардов атомов меди под взрывным давлением.
Вычислительные машины моделируют процессы старения отдельных элементов и узлов ядерных боеприпасов — например, как разрушаются полимеры, как металл деформируется со временем и теряет свою прочность. Если упростить алгоритмы, исследователь может задать вопрос: «Как поведет себя в ядерном боеприпасе кусок плутония после 20 лет простоя?» В идеале компьютер выдаст весь набор событий на атомном уровне за указанный промежуток. Насколько это будет соответствовать реальности, остается вопросом.
Важная часть вычислительной работы посвящена прогнозированию последствий повреждения ядерного оружия, например, в результате мощного электромагнитного импульса или обычной деформации от падения. При этом стоит помнить, что электронные машины предлагают не единственный сценарий развития событий, а несколько вариантов, учитывая множество погрешностей в расчетах.
El Capitan
На сегодняшний день на вершине технологического прогресса находится суперкомпьютер El Capitan, занимающий в Ливерморской лаборатории площадь, равную двум теннисным кортам. Машина стоит 600 миллионов долларов и достигает пиковых 2,8 эксафлопса. Эксафлопс — это 10^18 или один квинтиллион операций с плавающей запятой в секунду. Для сравнения, пентафлопс — это 10^15 или один квадриллион операций с плавающей запятой в секунду. В Америке уже три суперкомпьютера эксафлопного класса, и El Capitan является лучшим из них — его ввели в эксплуатацию в ноябре 2024 года. Как утверждают разработчики, за несколько часов машина может максимально точно визуализировать работу тактической авиабомбы B61. Ранее для этого требовались месяцы.
Программа ASCI не только позволила отказаться от ядерных испытаний «на открытом воздухе», но и породила новый класс вычислительных машин – суперкомпьютеров. Гражданская ветка этой эволюции нашла применение в различных областях – от прогнозирования погоды до построения трехмерной структуры белка. Сейчас слово за нейросетями, и в Министерстве энергетики США уже, вероятно, разрабатывают свои дата-центры. К чему это приведет, пока остается открытым вопросом.
Но ясно одно – военная ядерная отрасль не может существовать исключительно на виртуальном моделировании. Математическая имитация, в конечном итоге, накопит критический уровень ошибок и условностей, и модели останутся только моделями. Возможно, именно поэтому лидеры стран заговорили о возможности возобновления натурных испытаний ядерного оружия.
- Евгений Федоров