Совершенствование суперкомпьютеров, наращивание их#nbsp;мощностей#nbsp;— магистральное направление научно-технического развития страны. Лауреат Демидовской премии 2023 года академик Борис Четверушкин имеет самое прямое отношение к#nbsp;этой тематике.
Борис Николаевич#nbsp;— заместитель академика-секретаря Отделения математических наук РАН, научный руководитель Института прикладной математики им.#nbsp;М.#nbsp;В.#nbsp;Келдыша РАН, который возглавлял в#nbsp;2008—2015 годах, он#nbsp;также заведует базовой кафедрой Московского физико-технического института и#nbsp;кафедрой вычислительных методов факультета вычислительной математики и#nbsp;кибернетики МГУ им.#nbsp;М.В.Л омоносова, возглавляет редакцию журнала «Математическое моделирование».
За#nbsp;ним#nbsp;— научная школа создания моделей, алгоритмов и#nbsp;математического обеспечения для моделирования сложных научно-технических задач на#nbsp;высокопроизводительных вычислительных системах. Одним из#nbsp;первых в#nbsp;стране он#nbsp;стал использовать многопроцессорные системы с#nbsp;распределенной памятью.
При его активном участии был разработан и#nbsp;введен в#nbsp;эксплуатацию оригинальный гибридный вычислительный комплекс К-100. А#nbsp;еще раньше лауреат разработал алгоритмы для решения задач динамики излучающего газа, предложил новый подход к#nbsp;решению задач газовой динамики#nbsp;— кинетически-согласованные разностные схемы. На#nbsp;его счету выдающиеся достижения в#nbsp;области математического моделирования субмикронных полупроводниковых приборов, важный вклад в#nbsp;создание квазигидродинамической модели, позволившей корректно описывать электронно-дырочную плазму в#nbsp;новой области.
—#nbsp;Борис Николаевич, какие свои научные результаты вы#nbsp;считаете, как говорят математики, нетривиальными?
—#nbsp;В#nbsp;1985 году вышла моя книга «Математическое моделирование задач динамики излучающего газа». Мне удалось разработать простой и#nbsp;эффективный алгоритм для решения таких задач, требующих большого объема вычислений из-за сложной зависимости коэффициента поглощения от#nbsp;час тоты фотона. Академик Андрей Тихонов, с#nbsp;которым мне довелось работать в#nbsp;Институте прикладной математики, всегда говорил, что математика должна идти от#nbsp;физики, от#nbsp;природы, не#nbsp;быть совсем абстрактной. Не#nbsp;буду утверждать, что это единственно возможный взгляд на#nbsp;царицу наук, но#nbsp;идея мне очень нравится, именно ею#nbsp;я#nbsp;руководствовался в#nbsp;своих исследованиях.
Эффективным инструментом решения задач гидро- и#nbsp;газовой динамики оказались кинетически согласованные схемы. В#nbsp;отличие от#nbsp;других методов этот алгоритм в#nbsp;явном виде использует связь между кинетическим и#nbsp;газодинамическим описаниями сплошной среды. Кинетически-согласованные разностные схемы оказались эффективными также для решения задач магнитной гидродинамики и#nbsp;высокотемпературной газодинамики и#nbsp;для параллельных вычислений.
—#nbsp;Каким образом разработанный вами алгоритм связан с#nbsp;многопроцессорными расчетами?
—#nbsp;Как известно, параллельные вычисления сейчас бурно развиваются, идет фантастический рост производительности вычислительной техники, преодолен уже экзафлопсный барьер, через десять лет мощность суперкомпьютеров будет измеряться зетафлопсами.
Но#nbsp;этот стремительный прогресс таит все в#nbsp;себе и#nbsp;проблемы. Когда в#nbsp;решении задачи одновременно используется огромное количество ядер и#nbsp;процессоров (а#nbsp;это необходимо, чтобы подробно описывать сложные процессы, например, турбулентность), происходит резкое падение эффективности.
Чтобы решить эту проблему, нужны логические простые и#nbsp;при этом эффективные алгоритмы.
Кинетические алгоритмы, разработанные для решения задач гидрогазовой динамики, легко адаптируются к#nbsp;архитектуре систем с#nbsp;экстрамассивным параллелизмом.
Первые многопроцессорные расчеты мы#nbsp;провели с#nbsp;помощью наших кинетически-согласованных разностных схем. А#nbsp;первую в#nbsp;России вычислительную машину на#nbsp;графических платах (гетерогенную систему) установили в#nbsp;нашем институте в#nbsp;2010 году.
Этому очень способствовал тогдашний президент РАН академик Юрий Осипов, который, в#nbsp;свою очередь, обратился за#nbsp;поддержкой к В. Путину, и#nbsp;нам выделили необходимые средства#nbsp;— 65 миллионов рублей.
Нас поддержало и#nbsp;научное сообщество, хотя не#nbsp;все сразу приняли наш подход. Впрочем, критика, даже несправедливая, помогает находить весомые аргументы, и#nbsp;если серьезно обосновать свою точку зрения, то#nbsp;она обязательно будет воспринята,#nbsp;— в#nbsp;научной среде истина превыше всего.
—#nbsp;Какие задачи стоят перед прикладной математикой сегодня?
—#nbsp;Президент РАН Геннадий Красников в#nbsp;блестящем докладе на#nbsp;декабрьском Общем собрании РАН обозначил многие из#nbsp;таких задач. Например, важно очертить область, где квантовые вычисления эффективны, а#nbsp;где#nbsp;— нет. Перед прикладной математикой стоит задача создания алгоритма для квантового компьютера, а#nbsp;в#nbsp;перспективе и#nbsp;для фотонного.
Огромное поле деятельности сегодня#nbsp;— создание нейронных сетей. Под некоторые задачи вычислительную систему приходится обучать несколько месяцев. Чтобы ускорить этот процесс, требуется серьезная математика.
У#nbsp;нас в#nbsp;институте выполняются многие прикладные исследования, например, цифровое моделирование керна#nbsp;— образца горной породы, который геологи извлекают при бурении, чтобы получить данные о#nbsp;структуре самой породы и#nbsp;пустотного пространства, элементном, химическом и#nbsp;минеральном составе вещества, коэффициенте проницаемости и#nbsp;т.#nbsp;д. Это необходимо, чтобы оптимизировать стратегию разработки месторождения.
Но#nbsp;в#nbsp;ходе различных лабораторных анализов образцы быстро загрязняются и#nbsp;становятся непригодными для дальнейшего изучения. Цифровой керн, то#nbsp;есть его компьютерная модель, позволяет проводить цифровые эксперименты на#nbsp;одном и#nbsp;том#nbsp;же образце с#nbsp;различными условиями, моделировать процессы, которые невозможно воспроизвести в#nbsp;лаборатории, и#nbsp;многое другое. Для создания качественной цифровой модели нужны вычислители очень большой мощности, на#nbsp;64 миллиарда расчетных точек. У#nbsp;нас пока таких машин нет.
Вообще для успешного решения названных задач необходима государственная программа фундаментальных исследований в#nbsp;области алгоритмов и#nbsp;матобеспечения для систем с#nbsp;экстрамассивным параллелизмом. И, конечно, нужно оснастить ведущие научные центры вычислительными системами высокой и#nbsp;сверхвысокой производительности. Экономить на#nbsp;этом нельзя.
—#nbsp;Вы#nbsp;много лет преподаете в#nbsp;Московском физико-техническом институте и#nbsp;в#nbsp;МГУ. Что скажете о#nbsp;нынешних студентах?
—#nbsp;Сейчас многие подрабатывают в#nbsp;коммерческих структурах, где платят хорошие деньги. Бывает, студент не#nbsp;является на#nbsp;экзамен, а#nbsp;после приходит на#nbsp;пересдачу, потому что по#nbsp;«основному» месту работы его отправляли в#nbsp;командировку.
В#nbsp;наше время подобное было немыслимо. Другой настрой был в#nbsp;обществе, другие ориентиры. Позитивная аура вокруг науки, профессии ученого создавалась литературой, кино, вспомним, к#nbsp;примеру, замечательный фильм «Девять дней одного года».
А#nbsp;какой был всеобщий подъем, когда стало известно, что Гагарин полетел в#nbsp;космос! Помню тот день, я#nbsp;был первокурсником, лекцию нам читал известный ученый профессор Л.#nbsp;Д.#nbsp;Кудрявцев. И#nbsp;вот в#nbsp;аудиторию неожиданно входит один из#nbsp;членов комитета комсомола и#nbsp;сообщает об#nbsp;этом эпохальном событии.
Лектор замечает: «Сегодня не#nbsp;1#nbsp;апреля, а#nbsp;12-е». Ему отвечают: «Это не#nbsp;шутка. Это правда!» Ликовали все, правда, мы, физтеховцы, тогда считали, что в#nbsp;космос должны были запустить ученого. У#nbsp;нас были большие научные амбиции, нам хотелось добиться каких-то значимых результатов, что-то сделать для своей страны.
Сегодняшние студенты очень хорошо чувствуют изменившуюся ситуацию, а#nbsp;также перспективные, прорывные направления в#nbsp;науке и#nbsp;технологиях. Оптимизм вселяет и#nbsp;недавнее сообщение о#nbsp;том, что Президент России поручил правительству в#nbsp;очень сжатые сроки разработать и#nbsp;реализовать меры, направленные на#nbsp;увеличение вычислительных мощностей отечественных суперкомпьютеров. Это сегодня остро необходимо.