О пользе теории относительности, суперкомпьютерах и случайных числах в интервью профессора МИЭМ, Щура Льва Николаевича
В Научном центре РАН в Черноголовке проводятся исследования по тематике проекта Российского научного фонда РНФ 14-21-00158 "Разработка алгоритмов и методов для задач математического моделирования на суперкомпьютерных системах, включая гибридные", которым руководит профессор Департамента прикладной математики, Щур Лев Николаевич, и в котором делают первые шаги в научных исследованиях студенты МИЭМ НИУ ВШЭ.
ПОИСК. Еженедельная газета научного сообщества. 2016. № 17. 5 мая
"В гостях у Мантикоре. Мифический персонаж в Черноголовке служит высокой науке"
Маленькая комнатка: стул, стол, мониторы. Крошечная кофейная чашка возле клавиатуры. Коробки с тезисами конференций в углу. Привычная для физика-теоретика обстановка. В этом кабинете д.ф.-м.н. профессор Лев Щур, руководитель проекта Российского научного фонда, разрабатывает “алгоритмы и методы для задач математического моделирования на суперкомпьютерных системах, включая гибридные”.
Конечно же, не в одиночку. Вместе с ним трудится целая команда исследователей из Научного центра РАН в Черноголовке, где он является заместителем председателя по научной работе, и студенты из Вышки, где он заведует кафедрой Московского института электроники и математики, а также коллеги из Ярославского госуниверситета им. П.Г.Демидова и Института теоретической физики им. Л.Д.Ландау РАН. Они регулярно приезжают в Черноголовку на семинары: студенты учатся новому, ученые обсуждают результаты.
“Вы проводите вычисления в этом кабинете? Это ваше рабочее место?” - спрашиваю и удивляюсь, потому что других научных лабораторий в этом здании нет: все исследования ученые проводят в основном в институтах. А в этом здании расположена вся организационная инфраструктура города, включая городскую администрацию, совет депутатов и даже коммунальщиков.
“Да, я работаю здесь, - отвечает, - а этажом ниже, в другой комнате, у нас суперкомпьютерный кластер. Это самое современное и мощное вычислительное устройство в Черноголовке”.
“Должны ли ваши московские студенты приезжать в Черноголовку, чтобы поработать с суперкомпьютером?” - спрашиваю. “Ну что вы, конечно, нет, у них есть удаленный доступ”, - отвечает Лев Николаевич.
Щур открывает дверь другого кабинета. Холодный воздух вырывается наружу: работают системы охлаждения. Суперкомпьютер шумит. “Мы его назвали Мантикоре, - поясняет он. - Это персидское мифическое существо: красный лев с человеческим лицом и раздвоенным, как у скорпиона, хвостом. Потому что кластер имеет гибридную архитектуру: помимо обычных вычислительных процессов в нем есть графические ускорители. Кажется маленьким, но мощность у него... И стоит он около 7 миллионов рублей”.
Заглядываю позже в Википедию, чтобы понять, чем так близко персидское мифотворчество физикам-теоретикам. Обнаруживаю, что это чудовище встречается в компьютерных стратегиях Heroes. Популярный, значит, персонаж.
Новые компьютерные мощности появились в черноголовском Научном центре благодаря проекту Российского научного фонда. Но стеллажи со старыми процессорами существуют здесь лет двадцать пять: сюда сходятся оптоволоконные компьютерные сети со всех институтов, а их в Черноголовке девять. “Вот кластер, с помощью которого мы решаем другие задачи нашего отдела”, - указывает Щур на гудящие коробки. Компьютерная сеть, созданная здесь под руководством Льва Николаевича, была первой оптоволоконной сетью в науке и образовании.
О задачах и ожидаемых результатах работы подробно написано на сайте фонда (достаточно ввести в строку поиска номер проекта 14-21-00158 или имя руководителя). Их пять: ученые разрабатывают алгоритмы и методы моделирования для изучения электрофизических свойств новых композитных материалов, магнитных систем, систем вблизи точки фазовых переходов, исследования роста трехмерных структур, а также создают с использованием архитектуры GPGPU программные средства для качественного анализа распределенных динамических систем и вычисления инвариантных характеристик их аттракторов. Все они по названиям кажутся очень близкими к эксперименту.
- Сотрудничаете ли вы с физиками-экспериментаторами? - задаю вопрос.
- По этому проекту нет, - отвечает Щур. - Все наши задачи и их решения - это чистая наука. Сначала мы модернизируем и создаем программное обеспечение для моделирования, а потом используем его, чтобы получить новые научные результаты.
- А кто будет, например, изучать свойства новых композитных материалов с помощью ваших программ?
- Мы же и будем. Мы сами формулируем задачу, сами решаем, получаем ответ, публикуем статьи. Теоретики изучают свойства моделей. А уже потом вместе с экспериментаторами можно находить новые объекты, обсуждать, годятся они или нет. Это же интересно, какая будет проводимость у образца, если мы расположим на нем элементы определенным образом. Как это посчитать? Мы должны понять теорию, общие принципы, разработать методы исследования, анализа. А где это будет впоследствии применяться, не нам давать ответ. Фундаментальная наука ставит вопросы.
Яркий пример того, как чистая наука полностью изменила нашу жизнь, - Теория относительности Эйнштейна, которую он разработал 101 год назад. Не та, в которой расстояние меняется - времена замедляются, а в которой вблизи гравитационной массы искривляется пространство. Когда я был студентом, профессора говорили, что это самая интересная, самая красивая и самая бесполезная в мире теория. Так было до недавнего времени. А теперь каждый из нас - вы в своем планшете и я в смартфоне - пользуемся общей теорией Эйнштейна в действии. Это система GPS, позволяющая определять координаты объектов. Без учета этого искривления пространства точность была бы 300 метров. Представляете, как бы мы пользовались в Москве навигатором? Поворот давно проехали, а он только сообщает о нем.
Экономический эффект от таких качественных изменений в образе жизни посчитать невозможно. Теорию Эйнштейна начали активно использовать 80 лет назад, еще раньше осознали, что она хороша для ориентировки космических кораблей. А если бы кто-то спросил Эйнштейна, где можно применять его теорию, он бы развел руками. В этом смысл фундаментальной науки - она пригождается всегда, но, сколько пройдет лет, никто не знает. Может, пять, может, десять, а может, и больше. С транзисторами мгновенно все пошло.
- А бывает у вас так, чтобы сразу “пригождалось”?
- Да вот только что, в марте, в журнале Computer Physics Communications была опубликована такая работа. Дело в том, что для эффективных вычислений на компьютере нам нужны длинные последовательности случайных чисел. А так как на нашем кластере мы можем одновременно запустить 240 параллельных потоков, в каждом из них должны быть такие последовательности, не скоррелированные между собой. Мы создали и запатентовали такую библиотеку чисел. Она гарантирует то, что мы можем запустить параллельно десять в девятнадцатой степени потоков. Такого количества узлов на компьютерах пока нет. Максимальная задача, на которой мы это проверяли, была решена три года назад на компьютере “Ломоносов” - работали три тысячи графических ускорителей параллельно. В выходной день нам дали возможность “поиграть” такой игрушкой, и мы установили всероссийский рекорд по количеству используемых одновременно графических карт. Разработчик графических карт фирма NVIDIA вручила мне и моему сотруднику Льву Барашу дипломы за решение самой большой задачи. После публикации библиотеки все могут использовать нашу библиотеку случайных чисел на любых компьютерах.
По словам Щура, его команда ежегодно публикует не менее 15 статей в рамках только одного этого проекта.
- Да это же больше чем одна публикация в месяц! - удивляюсь я.
- У нас внушительный коллектив, около 20 человек, - отвечает он и добавляет: - Примерно два раза в три года мы проводим международные конференции в Тарусе, участвуем в конференциях, которые проходят в других научных организациях. Два раза в неделю учим студентов на спецсеминарах. У меня есть второкурсники, третьекурсники, студенты четвертого курса, аспиранты. У каждого - своя работа, но уровень знаний у всех разный. В Институте Ландау всегда было принято работать в режиме многозадачности, такая традиция.
Когда студентам на лекциях я начинаю объяснять, что такое вычислительная физика, то часто обнаруживаю, что они инфантильны и дезориентированы. Бывает смешно слышать их наивные рассуждения о том, что все в мире делается во благо человечества и удовольствия. Первые работы по математическому моделированию были связаны с созданием ядерного оружия. Они проводились в Лос-Аламосской лаборатории в Америке и у нас в Сарове. А из знаменитых советских физиков только один не был причастен к работам по созданию ядерного оружия - академик Петр Леонидович Капица. Все остальные, абсолютно все, этим занимались. Это нужно знать, особенно сейчас, когда в России идет интеграция всех сил для восстановления страны.
Елена МОРГУНОВА
Фото автора