Профессор РАН Михаил Марченко: Математика и вычисления — от звёзд до атомов

О том, как современная математика меняет картину мира и выступает катализатором научных знаний накануне 60-летия Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН рассказал директор института доктор физико-математических наук профессор РАН Михаил Александрович Марченко.

— Михаил Александрович, почему, на ваш взгляд, при создании новосибирского Академгородка упор был сделан на привлечение к этой работе именно представителей точных наук, ведь и Михаил Алексеевич Лаврентьев, и Сергей Львович Соболев, и Сергей Алексеевич Христианович были исследователями именно из этой сферы?

— Думаю, что важную роль сыграло участие выдающихся советских математиков в реализации стратегически важных для нашей страны проектов — атомного и космического. Именно математика стала тем связующим звеном, которое позволило объединить учёных разных сфер: химии, физики, астрономии, метеорологии, механики, медицины. Потому что это единый язык, понятный всем, и к тому же способный описать практически все процессы, происходящие в этом мире. Даже если что-то пошло не так, математическая наука позволяет сделать обоснованную оценку возможных отклонений. Сегодня мы ещё раз можем убедиться в правильности сделанного выбора: при всем многообразии направлений исследований, которые проводятся научно-исследовательскими институтами, математика остается главным языком общения, при этом он постоянно развивается и совершенствуется. Более того, с помощью математики и математического моделирования во много раз увеличивается скорость получения новых знаний в разных областях наук. Это ученые поняли сразу, как только появились компьютеры. Ещё один показательный пример — наш парк мощных вычислительных машин коллективного пользования. К нему всегда были подключены десятки научных институтов и университетов, это происходит и сейчас. Всё это говорит о том, что без математики и больших вычислений в современной науке обойтись невозможно.

— Гурий Иванович Марчук часто называл созданный им институт кузницей научных кадров.

— Совершенно верно! Однажды даже подсчитали — из него вышло 28 руководителей научных организаций и специализированных конструкторских бюро. Можно назвать ряд выдающихся учёных, которые работали в нашем институте. Причем многие из них начинали у нас свою научную карьеру, став впоследствии членами Академии наук. Это академики Гурий Иванович Марчук, Анатолий Семёнович Алексеев, Борис Григорьевич Михайленко, Валентин Павлович Дымников, Андрей Петрович Ершов, Василий Михайлович Фомин, Сергей Константинович Годунов, Анатолий Николаевич Коновалов, Михаил Михайлович Лаврентьев, Владимир Гаврилович Романов, Юрий Иванович Шокин, Николай Николаевич Яненко, Умирзак Махмутович Султанганзин и члены-корреспонденты Геннадий Алексеевич Михайлов, Сергей Игоревич Кабанихин, Вадим Евгеньевич Котов, Геннадий Павлович Курбаткин, Василий Николаевич Лыкосов, Сергей Иванович Смагин, Владимир Викторович Шайдуров. 

ИВМиМГ стал преемником ВЦ, и это связано с математическими школами, которые создали и возглавили наши выдающиеся учёные. Это, во-первых, сам Гурий Иванович Марчук, организовавший две научные школы: по вычислительной математике и по математическому моделированию в физике атмосферы и океана. Член-корреспондент РАН Геннадий Алексеевич Михайлов — создатель научной школы методов Монте-Карло и их применения для решения важнейших задач математической физики. Благодаря академику Анатолию Семёновичу Алексееву появилась научная школа по математической геофизике, далее её развивал академик Борис Григорьевич Михайленко. Все они в разное время были директорами нашего института.

Ключевую роль в развитии математического моделирования и обработки данных в Академгородке играет находящийся в нашем институте Сибирский суперкомпьютерный центр, в создании и развитии которого принимали участие известные отечественные учёные. Совершенно точно можно сказать, что до середины 1970-х годов советские вычислительные комплексы по всем своим показателям были на мировом уровне. В середине 1980-х годов Вычислительный центр коллективного пользования был связан кабельной сетью между институтами — это также была уникальная разработка. И, если бы эта работа была должным образом продолжена, Советский Союз, Россия могли бы стать законодателями мод  в этой важнейшей сфере.

Заседание научного семинара в ИМВиМГ СО РАН

— Михаил Александрович, в самом названии института есть две составляющие: вычислительная математика и математическая геофизика. Какие у вас основные научные направления?

— Название института — наша особая гордость. Пожалуй, в мире не так много научных организаций, в названии которых была бы чётко обозначена научная и прикладная сфера. При этом они очень тесно взаимосвязаны со всем комплексом научных исследований, в основе которых, и это тоже отмечено в названии, находится вычислительная математика. 

Сегодня в ИВМиМГ исследования ведутся по четырём основным научным направлениям. Это вычислительная математика, математическое моделирование и методы прикладной математики, параллельные и распределённые вычисления и информационные системы. В институте пятнадцать научных лабораторий, в которых ведутся фундаментальные поисковые исследования в области методов Монте-Карло и их приложений, обратных задач, вычислительной физики, математических задач химии. Ведётся работа по математическому моделированию процессов в атмосфере и гидросфере, методам природоохранного прогнозирования, моделированию волн цунами. Занимаемся мы вычислительными задачами геофизики, геофизической информатикой. Ведутся исследования по автоматическому синтезу параллельных программ, технологиям суперкомпьютерного моделирования, системному моделированию и оптимизации, методам искусственного интеллекта, информационной безопасности и цифровыми двойниками.

— Как у вас сочетается академическая наука и практическое применение полученных знаний?

— Чтобы лучше представлять практическую деятельность нашего института на современном этапе, перечислю лишь некоторые программы и проекты, в которых мы участвуем. У нас есть контракт с Российским федеральным ядерным центром — Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики по разработке программного пакета ЛОГОС. Это полностью отечественная вычислительная платформа для мультифизичного моделирования, которая призвана прийти на замену зарубежных разработок.

Мы ведем разработку цифрового двойника городской атмосферы — в рамках консорциума Центра компетенции НТИ «Геоданные и геоинформационные технологии» при Московском государственном университете геодезии и картографии и консорциума Исследовательского центра в сфере искусственного интеллекта. Ещё одно важное направление — обработка актуальных геофизических данных, связанных с исследованием земных оболочек: литосферы, гидросферы, атмосферы, и теперь к ним добавляется ещё биосфера. По этой задаче активно работаем с научной станцией РАН в Бишкеке.

Создан пакет программ для расчётов распространения цунами в океане с реальным рельефом дна и глобальная база данных по наблюдениям цунами. Эти компоненты составляют основу Информационно-экспертной системы «Цунами», которая используется для решения широкого круга задач по совершенствованию оперативного прогноза цунами и оценке цунамиопасности побережья.

Мы разрабатываем методы информационной безопасности. Совместно с нашим технологическим партнером ООО «СИБ» разработали систему защиты научной информации в институте, что обеспечило задел для начала фундаментальных исследовательских работ по этой тематике. Результаты таких исследований востребованы и нашим партнёром, и в Центре компетенций НТИ «Технологии доверенного взаимодействия», участником которого мы являемся.

И у нас действует Центр коллективного пользования «Сибирский суперкомпьютерный центр СО РАН», который стараемся развивать изо всех сил. На нем мы проводим работу со своими проектами, им пользуются другие институты, индустриальные компании, которым оказываем научную и образовательно-методическую поддержку.

Экскурсия в Сибирский суперкомпьютерный центр СО РАН

— Какие новые результаты вы получили в последнее время, с кем вы сотрудничаете?

— Мы создали консорциум научных организаций Академгородка по разработке цифрового двойника Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). В него вошли разработчики проекта, организации, осуществляющее разработку и изготовление научного оборудования, и он быстро расширяется за счёт новых участников. За год до сдачи этого объекта мы уже проводим исследования, связанные с управлением работой оборудования и обработкой научных данных, чтобы обеспечить бесперебойную и безопасную работу установки и повысить научную отдачу СКИФа.

Наш институт вошел в состав консорциума научных организаций из Иркутска и Улан-Удэ по цифровым исследованиям Байкальской природной территории в рамках крупного научного проекта Минобрнауки. В рамках этого проекта мы занимаемся разработкой математических моделей, сервисов и технологий для экологического мониторинга, анализа и прогнозирования развития территории на основе цифровой платформы.

Совершенно новое и перспективное направление, на которое просто огромный спрос, — математическая, или, как её ещё называют вычислительная химия. Разработка численных методов моделирования химической кинетики в газовых потоках в сложной геометрии — это передний край науки. Этим мы занимаемся с РФЯЦ — ВНИИЭФ из Сарова и химическими институтами Академгородка. 

Был разработан новый класс явно-неявных алгоритмов для моделирования фильтрации двухфазной жидкости. Данная проблематика является важной составляющей математического обеспечения технологии нефтедобычи для процессов вытеснения нефти водой и очень востребована в нефтегазовой отрасли. 
Очень активно развивается направление по статистическому моделированию распространения излучения в неоднородной атмосфере. Эта задача напрямую связана с дистанционным зондированием Земли из космоса и основана на сотрудничестве с космическим ведомством. 

Созданы новые методы Монте-Карло для моделирования транспорта электронов в низкоразмерных гетероструктурах, что открывает новые возможности для их улучшения и повышения производительности СВЧ-транзисторов. Здесь развито сотрудничество с институтами физического профиля.

Наши исследователи создали методы анализа изменений климата в Арктике и Восточной Сибири на основе математического моделирования взаимодействия атмосферы, океана и льда Северного Ледовитого океана, основанного на актуальных и исторических данных. Эти результаты получены в сотрудничестве с институтами Москвы и Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет).

Разработаны новые алгоритмы решения обратных задач и задач усвоения данных для многомерных моделей переноса и трансформации примесей в атмосфере, в том числе и гибридные, совмещающие более традиционные подходы с методами машинного обучения.

У нас активно развиваются методы моделирования процессов распространения волн в земной коре, разрабатываются методы обработки больших геофизических данных. Это важно для изучения возможностей построения прогноза землетрясений. Сюда же можно отнести важные результаты по геоэкологии техногенных шумов в интересах безопасности инфраструктуры города и его населения.

Разработаны новые алгоритмы оценивания надёжности беспроводных сетей передач данных, а также методы структурной оптимизации таких сетей.

Суперкомпьютерное моделирование в астрофизике, модели рождения и взаимодействия галактик — у нас есть важные результаты по такой интересной задаче, полученные в сотрудничестве с отечественными и зарубежными астрономическими институтами. 

И ещё очень многообещающие результаты: разработка баз знаний и системы автоматического конструирования параллельных программ, она называется LuNA. Эта разработка очень востребована научными организациями и ИТ-компаниями.

Перечисленное мной — только часть наших результатов! И очень жаль, что могу рассказать лишь о некоторых из них.

Вычислительный кластер в Сибирском суперкомпьютерном центре СО РАН

— Михаил Александрович, это — сегодня. А что у вас в перспективных научных исследованиях?

— Сегодня можно говорить о четырёх важных прорывных направлениях института, которые базируются на наших фундаментальных исследованиях в области вычислительной математики, математического моделирования и обработки данных. 

Первое — цифровые двойники технических и природных систем. Это качественно новый уровень математического моделирования, связанный с обработкой больших данных и применением методов искусственного интеллекта.

Второе направление — вычислительная химия. Это математическое моделирование химических реакций, разработка и создание вычислительной платформы, в которой будут содержаться методы моделирования химических реакций в разных постановках и их константы. Не так давно, выступая в Новосибирске, академик Валентин Павлович Анаников привёл такой пример: химические эксперименты, на которые раньше уходило три года, сегодня обсчитываются на суперкомпьютере за пару месяцев! Представляете, какой это прорыв?

Третье направление — обработка больших геофизических данных, их усвоение и разработка динамических моделей земных недр и методов прогнозирования катастрофических событий.

Четвёртое — это численные методы биоинформатики и анализа больших генетических данных. Мы занимаемся этим направлением совместно с ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН». Здесь планируется создание отечественной алгоритмической базы и универсальной вычислительной платформы, где будут храниться большие геномные данные, численные методы по их обработке и методы искусственного интеллекта. Это настоящее импортозамещение, платформа видится универсальной и для генетики, и для химии, и для геофизики.

— Наука о вычислениях стремительно изменяется. Что вы, как исследователь, видите в перспективе ее дальнейшего развития?

— Современные вычислительные системы, платформы математического моделирования, методы искусственного интеллекта выводят науку в любой ее сфере на совершенно новый уровень. Думаю, что будущее за созданием гибридных вычислительных схем, сочетающих традиционные вычисления с активным использованием нейросетевых алгоритмов. Нейросети уже сейчас широко применяются, но есть одна фундаментальная проблема: такие алгоритмы не обоснованы с математической точки зрения, они являются эвристическими. И вот здесь нужна специальная методология обоснования этих алгоритмов, работа математиков. Этим мы и занимаемся, это технология будущего. 

Если же говорить о том, куда вообще идет вычислительная математика… Мы следим за научными разработками в разных странах, как и они за нами. И мы видим по научным журналам, что очень часто иностранные учёные ссылаются в своих статьях именно на нас. Это говорит о том, что мы сегодня находимся в авангарде научного поиска по многим направлениям, и именно наш институт, наши исследования определяют то, как будет развиваться вычислительная математика в будущем. Это не просто слова: математика — наука точная, а понимание своей роли в сложившейся системе и наших возможностей по определению путей её развития для нас очень важно.

— Для решения прорывных задач необходимы специалисты. Как институт участвует в подготовке научных кадров?

— В Академгородке помнят, что именно академик Андрей Петрович Ершов еще в 1970-х годах возглавил созданную в стенах ВЦ сибирскую группу школьной информатики, которая многое сделала для развития национальной программы компьютеризации. В начале 1980-х он разработал концепцию школьного учебника информатики, и тогда началось её преподавание как отдельного предмета во всех школах страны.

Эта традиция выстраивания научной траектории молодого ученого — работа с молодыми людьми, начиная от школьной скамьи до институтской лаборатории, — существует и поддерживалась всеми руководителями института. Уже много лет в лицее № 130 имени академика М. А. Лаврентьева в Академгородке существует лаборатория математического моделирования. Её возглавляет наш сотрудник профессор доктор физико-математических наук Антон Вацлавович Войтишек. Благодаря его самоотверженной работе учащиеся лицея принимают участие не только в студенческих, но и во взрослых математических конференциях и в написании научных статей. Затем такие мотивированные ребята поступают в Новосибирский государственный и Новосибирский государственный технический университеты — в них руководителями и преподавателями базовых кафедр являются наши сотрудники. Студенты приходят к нам на практику, наши учёные рассказывают о своих задачах, и у молодых людей загораются глаза: им это интересно! Для повышения интереса у студентов мы проводим дни карьеры, на которые приглашаем учащихся всех факультетов. Это очень хорошая академгородковская практика — вовлечение специалистов из разных сфер в междисциплинарную научную работу. Самых способных, самых мотивированных ребят мы приглашаем на работу, причём выдвигаем их на научные ставки, когда они ещё являются студентами или аспирантами. Сразу после университета они становятся нашими сотрудниками, уже имеющими свою исследовательскую историю.

У нас действует два диссертационных совета, издается три научных журнала, работает большой спектр семинаров по нашим научным направлениям. Организуем площадки для научного общения: международные научные конференции, в числе которых Марчуковские научные чтения — наша визитная карточка. Считаю, что у сотрудников ИВМиМГ СО РАН имеется всё необходимое для успешной научной карьеры.

— Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН отмечает свое 60-летие. Что бы Вы, как директор, назвали самым главным в его сегодняшней научной деятельности?

— Самое главное, и я не раз в этом убедился, — с нашими научными школами мы умеем собирать междисциплинарные команды для решения прорывных задач, стоящих перед российской наукой и индустрией. Я уверенно могу сказать, что мы умеем моделировать сложные системы на разных масштабах, от атомов до звёздных систем. Для новых научно-технологических направлений успешно готовим высокообразованную молодежь и включаем ее в рабочие команды. Мы готовы к любым вызовам, и чем сложнее задача, тем интереснее её решать! Причем сделать это изящно, тонко, красиво — по-академгородковски. Так, как не умеет больше никто в мире.

Текст: Станислав Белых, пресс-служба ИВМиМГ СО РАН.
Источник: «Наука в Сибири».