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