«Суперкомпьютерное моделирование — это мощнейший инструмент исследования окружающего мира»

Суперкомпьютеры — это титаны вычислений, их производительность значительно превосходит характеристики персональных аналогов. Своя сеть суперкомпьютеров есть и в российских вузах.

Например, в 2019 году в НИЯУ МИФИ был создан Центр суперкомпьютерных вычислений или, точнее, Центр инженерно-физических расчетов и суперкомпьютерного моделирования. Об обучении студентов суперкомпьютерным вычислениям и о том, в каких сферах ждут на работу таких специалистов, в рубрике сайта РСР «Практикум» рассказал заместитель директора Центра Евгений Стёпин.

— Евгений, расскажите, пожалуйста, что из себя представляет суперкомпьютер и почему он «супер»? Какими особенностями обладает суперкомпьютер МИФИ?

— Слово «компьютер» происходит от латинского computare — «вычислять»; и на протяжении всей истории вычислительной техники всегда были такие устройства, которые отличались от своих аналогов рекордными скоростями расчетов и обработки информации, но называть их «суперкомпьютерами» никому не приходило в голову вплоть до 1964 года, когда появился Control Data Corporation (CDC) 6600, ставший номинально первым суперкомпьютером в истории. И это несмотря на то, что сам термин «super computing» впервые был использован в газете New York World в 1929 году применительно к табуляторам IBM, сделанным на заказ для Колумбийского университета.

В современном мире под суперкомпьютерами (их еще называют высокопроизводительными вычислительными кластерами) понимаются такие устройства, которые объединяют внутри себя большое число процессоров (в топовых моделях это число достигает несколько миллионов) в единую электронно-вычислительную систему и которые на многие порядки превосходят параметры обработки информации, доступные для привычных нам персональных компьютеров.

В нашем университете имеется целая серия таких устройств, а главной особенностью некоторых из них является то, что они построены на основе современных технологий высокопроизводительных вычислений (HPC — high performance computing), т. е. сконструированы и работают так же, как и самые мощные суперкомпьютеры мира.

— Для решения каких задач сегодня применяется суперкомпьютер в МИФИ? И чем занимается Центр суперкомпьютерных вычислений вуза?

— Центр суперкомпьютерных вычислений нашего университета (мы еще называем его «Суперцентр») создавался как открытая экосистема для выполнения научно-исследовательских задач и подготовки высококвалифицированных кадров в области инженерно-физических расчетов и суперкомпьютерного моделирования в решении актуальных вопросов науки, техники и промышленности. Спектр этих задач весьма разнообразен и касается исследований поведения вещества и физических процессов в экстремальных условиях в терминах вычислительного эксперимента: на площадке Суперцентра мы занимаемся моделированием ударно-волновых процессов детонации, горения и взрыва, процессов сверхпроводимости, взаимодействия лазерного излучения с веществом, а также решением задач прикладной физики плазмы, связанных с плазменными двигателями и управляемым термоядерным синтезом.

Решение этих задач состоит из целого комплекса работ и сопряжено с разработкой физико-математических моделей исследуемых процессов, их численной и программной реализацией с применением суперкомпьютерных технологий, верификацией и валидацией для оценки их адекватности и применимости, а также последующей интерпретацией полученных результатов расчетов. Фактически речь идет о реализации концепции цифровых двойников исследуемых явлений и процессов.

— Как работа с суперкомпьютерными вычислениями применяется в обучении студентов? 

— Для подготовки кадров по тематике суперкомпьютерных вычислений в решении прикладных задач науки и техники в контуре Суперцентра была создана профильная кафедра (№  97) «Суперкомпьютерное моделирование инженерно-физических процессов» Института лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз). Обучение студентов на кафедре, безусловно, предполагает освоение ими профильных дисциплин, связанных с данной тематикой: математическое моделирование и математическая физика, численные методы и алгоритмы, языки программирования, технологии распараллеливания, архитектура высокопроизводительных вычислительных систем, современные CAD/CAE-системы, а также специальные разделы физики — вот та база, которую получает выпускник нашей кафедры для своей последующей профессиональной реализации.

Помимо освоения основной учебной программы, подготовка дипломных проектов студентов предполагает выполнение ими учебно-исследовательских и научно-исследовательских работ, тематики которых напрямую связаны с задачами и направлениями деятельности нашего Суперцентра, о которых было сказано выше. Ребята напрямую подключаются к актуальной исследовательской повестке Центра и способствуют решению поставленных перед ним задач.

— Нужно ли студентам пройти специальный отбор, чтобы участвовать в работе Центра? 

— В Институте ЛаПлаз распределение студентов на профильные кафедры происходит после окончания второго курса бакалавриата и по его окончании при поступлении в магистратуру; закрепление на нашу кафедру, конечно, также предполагает специальный отбор. Тематика суперкомпьютерного моделирования лежит на пересечении таких областей знаний, как математика, физика и информационные технологии, поэтому при отборе мы оцениваем навыки и компетенции ребят именно по этим направлениям.

Обычно к нам на кафедру поступают ребята, которые проходят или проходили подготовку по направлениям «Прикладные математика и физика» и «Прикладная математика и информатика», но бывает и такое, что студенты приходят к нам и с других направлений, совершенно не связанных по своему содержанию с тематикой работы кафедры. В этом случае ребята закрывают так называемую «академическую разность» и после прохождения собеседования официально включаются в список группы.

Отдельно стоит отметить, что в последнее время наблюдается и другая позитивная тенденция: послушать и изучить некоторые наши специализированные предметы приходят ребята с других профильных кафедр, чтобы более качественно выполнить свою научно-исследовательскую работу. Это отражает тот факт, что тематика вычислительного эксперимента и инженерно-физических расчетов стала универсальным инструментом исследования, находящим свое применение практически во всех сферах фундаментальной и прикладной науки.

После поступления на кафедру и освоения первого блока профильных дисциплин происходит следующий этап отбора — распределение студентов по тематике учебно-исследовательских и научно-исследовательских работ, после прохождения которого ребята сразу подключаются к задачам Центра и его партнеров и применяют приобретаемые в процессе обучения знания и навыки в деле. Безусловно, выполнение студентами учебного плана и поставленных задач находится под контролем Суперцентра и кафедры.

— Над какими проектами работают студенты в Центре суперкомпьютерных вычислений? 

— Темы проектных работ наших студентов напрямую соответствуют актуальной научно-исследовательской повестке Суперцентра: ребята занимаются моделированием ударно-волновых процессов детонации, горения и взрыва, задачами сверхпроводимости и вычислительной физики плазмы, взаимодействия лазерного излучения с веществом, астрофизикой, молекулярной динамикой и процессами фильтрации, тепло- и массообмена, разработкой прикладных программных комплексов и их модулей для инженерно-физических расчетов (например, таких, как ПП «Логос»). Каждое из этих направлений имеет свою значимость и актуальность, поэтому выделить какое-то одно представляется весьма затруднительным — решение каждой из этих задач приближает нас к технологическому суверенитету, а также способствует развитию нашего общества, страны, да и мира в целом.

Такой богатый спектр тематик работ связан еще и с широким перечнем партнеров, с которыми сотрудничает наш Центр: например, это институты Российской академии наук — Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша, Математический институт им. В. А. Стеклова и Объединенный институт высоких температур, а также предприятия контура ГК «Росатом» — ядерные центры в Сарове и Снежинске РФЯЦ-ВНИИЭФ и РФЯЦ-ВНИИТФ.

Конечно, работа наших студентов и аспирантов над каждым из обсуждаемых выше направлений сопряжена с высокопроизводительными вычислениями, и обучающиеся не только имеют приоритетную возможность, но и с очевидной необходимостью используют суперкомпьютерные ресурсы Суперцентра и нашего университета в решении поставленных перед ними задач.

— Как навыки суперкомпьютерных вычислений в дальнейшем пригодятся студентам? В каких сферах есть запрос на таких специалистов?

— Приобретенные в процессе обучения знания, навыки и компетенции по тематике суперкомпьютерного моделирования позволяют выпускникам реализовать себя практически во всех востребованных сейчас цифровых сферах деятельности. Все высокотехнологичные отрасли промышленности, которые разрабатывают и выпускают сложную продукцию, остро нуждаются в квалифицированных специалистах, способных разрабатывать физико-математические модели процессов, проводить вычислительные эксперименты с использованием суперкомпьютерных технологий и интерпретировать их результаты. Авиастроение, судостроение, машиностроение, ракетно-космическая отрасль, ядерная и термоядерная энергетика — вот далеко не весь перечень отраслей, для которых цифровые двойники и суперкомпьютерное моделирование являются важнейшей и неотъемлемой частью деятельности.

Наши выпускники могут найти себя и как ученые, и как цифровые инженеры, и как разработчики продвинутых прикладных программных комплексов, и как архитекторы высокопроизводительных вычислительных систем. И даже предприятия банковской сферы, цифровой экономики и цифровой трансформации, работа которых сопряжена с анализом и обработкой большого количества данных, также являются площадкой для трудоустройства таких специалистов.

—  Есть ли у вас примеры успешного трудоустройства выпускников МИФИ, изучавших это направление?

— Таких примеров много. Например, Владислав Иванов, молодой доктор физико-математических наук, работает в Федеральном исследовательском центре химической физики им. Н. Н. Семенова РАН и занимается реактивными двигателями на новых принципах энерговыделения: от разработки математических моделей до создания реально работающего макета двигателя и проведения его испытаний. Кабанов Дмитрий, который занимается численным моделированием процессов детонации и является научным сотрудником технического университета Ахена в Германии. А также ваш покорный слуга, который в нашем университете МИФИ и Институте прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН развивает тематику суперкомпьютерных вычислений и занимается моделированием процессов в плазменных двигателях для космических аппаратов и магнитных ловушках для удержания плазмы, создаваемых для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза.

— Реализуете ли вы целевые программы обучения по данной тематике?

— В целях подготовки кадров для нужд ядерного центра в Сарове — Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики РФЯЦ-ВНИИЭФ — мы реализуем сразу две программы обучения магистратуры: «Высокопроизводительные вычисления и технологии параллельного программирования» направления «Прикладная математика и информатика» и «Суперкомпьютерные технологии в инженерно-физическом моделировании» направления «Прикладные математика и физика». Поступая к нам на кафедру, ребята сразу распределяются на актуальные тематики научно-исследовательских работ ядерного центра, связанные с суперкомпьютерным моделированием и разработкой модулей отечественного CAD/CAE-комплекса «Логос», а также каждый год проходят там практику и готовят свои выпускные квалификационные работы.

— Повлияли ли санкции и ограничение доступа к иностранному ПО и оборудованию на вашу работу с суперкомпьютерами? 

— Текущая ситуация, безусловно, внесла коррективы в деятельность нашего Суперцентра, но ни в коем случае не приостановила работу, а наоборот, поспособствовала правильному целеполаганию нашей деятельности и расстановке приоритетов. Например, в части импортозамещения иностранных прикладных программных комплексов для инженерно-физического моделирования (таких, как Ansys или STAR CCM+) мы сконцентрировали свое внимание на отечественном продукте — программном пакете «Логос», навыкам использования которого мы обучаем наших студентов и преподавателей университета, а также способствуем его внедрению на всю сеть филиалов НИЯУ МИФИ в России и за рубежом. В ближайшем будущем это будет способствовать переходу нашей промышленности на российское инженерное программное обеспечение, что является крайне важной задачей в достижении технологического суверенитета нашей страны. А возникающие проблемы с поставкой оборудования для наших суперкомпьютеров поднимают вопрос о необходимости развития аппаратной и программной базы комплектующих для развития отечественных высокопроизводительных вычислительных систем.

— Как вы считаете, если будущий выпускник школы намерен обучаться и развиваться в сфере суперкомпьютерных технологий в инженерии, какие знания и навыки ему следует получить и изучить, чтобы потом успешно поступить в вуз на соответствующее направление?

— Тематика суперкомпьютерных вычислений и инженерно-физического моделирования лежит на пересечении таких областей знаний, как математика, физика и информатика, поэтому будущим студентам нашего направления необходимо обратить свое внимание именно на эти предметы, при этом стараться уловить их синергию, соединение и взаимодополнение, понять, что цифровые двойники и суперкомпьютерное моделирование — это мощнейший инструмент исследования окружающего мира, позволяющий понимать его закономерности и использовать их в создании технологий для его освоения. «Дорогу осилит идущий!» — таков девиз нашего университета. «Особенно если у него есть суперкомпьютер», — дополняет его наш Суперцентр.

ФОТО: Пресс-служба НИЯУ МИФИ

Рубрика сайта РСР «Практикум» — это возможность для представителей российских высших учебных заведений, студентов и компаний-работодателей рассказать о своих лучших практиках выстраивания научно-образовательной деятельности, а также взаимодействия между высшей школой, бизнесом и обществом. Желающие поделиться своими лучшими практиками могут прислать запрос на почту редакции сайта: rsr@raex-a.ru.