Путь гегемона
Если кто-то до сих пор считал, что Соединенные Штаты подписали Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний в 1996 году из благих намерений, то он глубоко заблуждается. Даже в самой процедуре признания Договора американцами имеются признаки двуличия. Подписали, но до сих пор не ратифицировали, что означает, что на территории США он официально не вступил в силу. Россия, кстати, и подписала, и ратифицировала этот Договор.
Похоже, Вашингтон никогда полностью не примет международный акт, ссылаясь на «необходимость обеспечения надежности ядерного арсенала США и ограниченные возможности создаваемого верификационного механизма ДВЗЯИ по обнаружению ядерных взрывов малой и сверхмалой мощности». Однако мораторий на ядерные испытания на территории США все же существует. И дело здесь не в стремлении к мировому миру или заботе об экологическом благосостоянии американцев, а в элементарном чувстве превосходства.
В середине 90-х годов в инженерной и научной среде США сложилось мнение, что вычислительные мощности суперкомпьютеров позволяют безболезненно отказаться от реальных испытаний атомных спецбоеприпасов. Главное, что ни у кого в мире не было аналогичных машин, поэтому американским военным можно было не переживать. Россия к тому времени едва смогла сохранить свой ядерный щит, была под серьезными ограничениями на импорт высоких технологий, а Китай воспринимался как «свой парень».
США пытались сдерживать развитие СССР с 1949 года, когда был создан Координационный комитет по многостороннему контролю за экспортом (CoCom). Полупроводники и программное обеспечение по протоколам относились к категории товаров двойного назначения и поставлялись 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 образца 1976 года в СССР был запрещен. На Западе считают, что таким образом смогли замедлить советскую микроэлектронику на 5–10 лет. После распада СССР ограничения ослабли, но США продолжали контролировать доступ к высоким технологиям через три барьера: правила экспортного администрирования (EAR), режим Вассенара и регламенты международной торговли оружием (ITAR). Не забудем и о поправке Джексона-Вэника, отмененной только в 2012 году, но замененной не менее одиозным «законом Магнитского».
В Россию, помимо прочего, запрещено поставлять современные фотолитографы от голландской ASML, единственного в мире производителя высококачественного оборудования для печати чипов. Все это влияло на уровень развития микроэлектроники в России, и американцы считали, что имеют значительное превосходство 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. И не только моделировать, но также предсказывать поведение ядерных боеприпасов спустя десятилетия хранения в шахтах и арсеналах.
Дорогу «суперам»!
За ядерную программу в США отвечают три организации – Сандийские национальные лаборатории, Лос-Аламос и Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса. Первая занимается работой с неядерными компонентами ядерного оружия. В Лос-Аламосе с 1943 года ведутся исключительно оборонные проекты, а в Ливерморе – с 1953 года. Как только ядерные испытания были переведены в виртуальное пространство, все профильные лаборатории подключили к инициативе ускоренного стратегического вычислительного моделирования (Accelerated Strategic Computing Initiative – ASCI).
Официально 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 сравнении с предыдущими этапами ядерной гонки, цифровое моделирование испытаний требовало значительно меньше ресурсов и финансирования. Задача заключалась в создании серии суперкомпьютеров и написании соответствующего программного обеспечения.
Сказано — сделано, и в 1996 году Сандийская лаборатория получает машину ASCI Red. Этот агрегат первым в мире достиг производительности более 1 триллиона арифметических операций в секунду (терафлопс). Суперкомпьютер был построен для Министерства энергетики (именно здесь работают над ядерным проектом США) компанией Intel. Размеры агрегата впечатляют — площадь залов для размещения достигала 150 кв. метров, процессоры, коммутаторы и диски располагались в 104 огромных шкафах, а общее энергопотребление «супера» было сопоставимо с потреблением небольшого города.
Уже к 1999 году ASCI Red разогнали до 3,1 терафлопса, что позволило ему сохранить титул самого мощного в мире компьютера. Вычислительные мощности проекта росли стремительно — со временем были собраны машины «Blue Pacific» и «Blue Mountain». Первый имел производительность 2,1 терафлопса и работал в Ливерморской лаборатории, а второй достигал 3 Тфлопс в Лос-Аламосе. На рубеже столетий это казалось чем-то невероятным, но всё познается в сравнении. Прошло уже четверть века, и сейчас настольные компьютеры среднего уровня могут похвастаться производительностью в 5-10 терафлопс и даже выше.
«Супер» в Ливерморской национальной лаборатории
В 2002 году появился ASCI Q, который рассчитывал процессы ядерного взрыва со скоростью 14 Тфлопс и занимал второе место в мире по производительности. Не будем углубляться в детали американского строительства суперкомпьютеров, лишь отметим, что с 1997 года специально под программу было построено не менее дюжины вычислительных машин. Например, один из лучших в мире «суперов» Sequoia в 2009 году достиг целых 16 петафлопсов, в очередной раз став самым быстрым в мире.
Чем занимаются американские «ядерные суперы»? Прежде всего, они рассчитывают и визуализируют ударные волны, поведение материалов при нагревании и деформации, протекание химических реакций и даже поведение групп атомов и отдельных молекул. 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 мгновения 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 теряет прочность со временем. Если упростить алгоритмы, исследователь может задать вопрос: «Как поведёт себя в ядерном боеприпасе кусок плутония после 20 лет хранения?» В идеале компьютер выдаст полный набор событий на атомном уровне за указанный промежуток. Насколько это будет соответствовать реальности, вопрос отдельный.
Значительная часть вычислительной работы посвящена прогнозированию последствий повреждения ядерного оружия. Например, мощным электромагнитным импульсом или в результате простой деформации от падения. При этом стоит помнить, что электронные машины выдают не единственный сценарий развития событий, а несколько вариантов, учитывая множество погрешностей в расчетах.
El Capitan
Сегодня на вершине мирового прогресса находится «супер» El Capitan, занимающий в Ливерморской лаборатории пространство, равное двум теннисным кортам. Машина стоит 600 млн долларов и демонстрирует пиковые 2,8 эксафлопса. Эксафлопс — это 10 в 18 или один квинтиллион операций с плавающей запятой в секунду. Для сравнения, пентафлопс — это 10 в 15 или один квадриллион операций с плавающей запятой в секунду. В США уже три суперкомпьютера эксафлопного класса, и El Capitan является лучшим из них — в эксплуатацию его ввели в ноябре 2024 года. Как утверждают разработчики, за несколько часов машина способна максимально точно построить визуализацию работы тактической авиабомбы B61, для чего ранее требовались месяцы.
Американская программа ASCI не только позволила отказаться от ядерных испытаний «на открытом воздухе», но и привела к созданию нового класса вычислительных машин — суперкомпьютеров. Гражданская ветка этой эволюции нашла применение в различных областях — от прогнозирования погоды до построения трехмерной структуры белка. Теперь слово за нейросетями, и в Министерстве энергетики США, вероятно, строят свои дата-центры. К чему это приведет, вопрос остается открытым.
Но одно ясно — военная ядерная отрасль не может существовать только на виртуальном моделировании. Математическая имитация, в конечном счете, накопит критический уровень ошибок с условностями, и модели останутся лишь моделями. Возможно, именно поэтому лидеры стран заговорили о возможном возобновлении натурных испытаний ядерного оружия.
- Евгений Федоров