Конференции

Смоделировать наш мир

Эту непростую задачу пытались решать в Дубне
250 специалистов из разных стран

С 3 по 7 июля Лаборатория информационных технологий ОИЯИ проводила конференцию "Математическое моделирование и вычислительная физика ММСР2017". Соорганизаторами конференции стали Национальный институт имени Х.Хулубея (Румыния) и словацкие Институт экспериментальной физики, Технический университет и Университет имени П.Шафарика в Кошице. Участники конференции обсуждали проблемы распределенного и параллельного компьютинга в науке и технологиях, математических методов и прикладного программного обеспечения для моделирования сложных систем, биоинформатики и вычислительной биофизики, математических методов и программного обеспечения для экспериментальной обработки данных, компьютерной алгебры и квантового компьютинга.

Участников конференции приветствовал вице-директор ОИЯИ М.Г.Иткис, рассказавший об основных проектах нового Семилетнего плана Института. В завершение он сказал: "Я не затрагиваю тему информационных технологий, вы это будете обсуждать. Для нас вычислительная инфраструктура, информационные технологии - такие же базовые установки, как Нуклотрон, Фабрика сверхтяжелых элементов, ИБР-2. Успешной вам работы!"

- Эти конференции по математическому моделированию и вычислительной физике мы организуем каждые два года, - рассказывает председатель оргкомитета конференции В.В.Кореньков. - В последнее время сложилась такая тенденция, что эти конференции мы проводим по очереди со Словакией, так что теперь в Дубне встречаемся только раз в четыре года. За это время происходит очень много изменений. В том числе и количественные: если раньше в этой конференции участвовали чуть больше ста человек, то в этом году зарегистрировались 257 участников. Количество, я надеюсь, переходит в качество. Мы такого прироста участников не ожидали. На других конференциях по компьютингу: NEC, GRID, - 250 участников это норма, математическое моделирование же считалось элитной, не очень распространенной сферой деятельности. Сейчас с распространением суперкомпьютеров, гибридных вычислений современные методы моделирования сложных систем становятся очень актуальны. Нам было сложно составить программу, поскольку были заявлены 211 докладов, у нас прекрасные докладчики.

Если раньше задачи решались на 5-10 процессорах, и это позволяло получить ускорение в несколько раз, что уже считалось хорошим результатом, то сейчас, как рассказывал в своем докладе Борис Николаевич Четверушкин, одну задачу распараллеливают на 150 тысяч узлов! Можете себе представить, насколько это сложно. Кроме обычного интереса со стороны физиков к этой конференции, в этом году приехало много биологов и тех, кто занимается медициной. Компьютерная медицина, биоинформатика и биология сегодня находятся на подъеме, используют самые современные методы математического моделирования очень сложных процессов. Биоинформатика стала на конференции отдельным направлением: если раньше приезжали два-три человека, то сейчас участвуют около 30 специалистов. Первая лекция на конференции профессора П.Карлони из Юлиха по биоинформатике была очень интересной.

Вместе с конференцией мы организуем студенческую школу - к нам приехали около 40 студентов из МИФИ, МФТИ, МГУ, СПбГУ, Тверского, Дубненского и других университетов. Они будут участвовать в пленарных заседаниях, а также в специальной программе: для них будут читаться обзорные доклады, организованы практические тренинги, в основном, по проекту NICA. Я думаю, они получат хорошую практику. Студентов мы отбирали, их приглашали из тех вузов, которые мы знаем, особенно тех, у кого есть хороший потенциал и кого мы хотели бы видеть в наших рядах. Мы хотим, чтобы люди, занимающиеся моделированием, приезжали к нам отовсюду и участвовали в проекте NICA. Специалистов, занимающихся моделированием сложных процессов на NICA, пока не достаточно.

- Это некое лукавство, когда некоторые ученые говорят, что нет задач для новых суперкомпьютеров, - продолжил тему, поднятую в своем выступлении на конференции, академик РАН Б.Н.Четверушкин (Институт прикладной математики РАН). - Есть. Мы их решать не можем. Мы в России в этом плане в более выигрышном положении, поскольку таких крупных суперкомпьютеров, как за рубежом, у нас нет. Но это дело поправимое, и соответствующий тренд появился. Если мы овладеем алгоритмикой и соответствующим математическим обеспечением, то имеется еще очень много проблем с визуализацией данных сверхбольшого объема, генерацией расчетных сеток и другим. Все эти аспекты находятся на пересечении прикладной математики и программирования. А я уже не один раз на международных конференциях говорил, что необходимо впрыскивать прикладную математику в физическую информацию. Тогда мы сможем преодолеть те барьеры, которые существуют в замкнутой системе, и двигаться дальше. Но здесь имеется много вопросов, связанных и с теоретической математикой, и не только. Мы сейчас в Академии наук создали программу "Исследования, алгоритмы и программное обеспечение для систем с экстрамассивным параллелизмом", где будут затронуты вопросы в том числе и теоретического исследования этих аспектов, к программе подключается Математический институт РАН.

Кстати говоря, умение решать большие задачи много полезного дает для развития элементной базы - поверьте мне, я с этим немного связан. Когда люди создают схемотехнику, когда вы вместе с ними работаете, пускаете задачу, вы всегда находите какие-то ошибки или предлагаете пути оптимального решения. Это как с графоплатами. В нашей стране мы первыми стали заниматься графическими платами, очень многие говорили, что это тупиковый вариант, но мы начали делать, увидели на небольшом макетике, что это проходит. И наша первая машина К100, производительностью 100 терафлоп, которая до сих пор активно работает, была создана именно за счет взаимодействия специалистов в области архитектуры и специалистов в области вычислительной математики. Это очень важно, сотрудничество необходимо. Так что в каком-то смысле мы можем помочь в создании отечественной вычислительной техники. Настроение есть, а, самое главное, сдвиг в головах произошел. Это важнее, чем деньги, хотя, если поставить машину порядка 10 петафлоп, это по нынешним временам потребует 4-6 млрд рублей. Но это окупаемые вещи, такие затраты необходимы, потому что, на мой взгляд, суперкомпьютерные технологии и их использование - это важнейший фактор научно-технического прогресса и безопасности страны не только в военном плане, но, в первую очередь, в экономическом.

Доклад члена-корреспондента РАН В.В.Воеводина (НИВЦ МГУ) был посвящен технологиям суперкомпьютерного кодизайна: Математическое моделирование без компьютеров и суперкомпьютеров сегодня практически нереально. И даже если кто-то не использует суперкомпьютеры, он использует параллельную вычислительную систему. Сегодня компьютерный мир стал полностью параллельным. И с этой точки зрения уже нужно думать, как писать программы, как решать задачи, поскольку традиционные подходы, которым нас учили предыдущие 30 лет, теперь не совсем работают. В противном случае КПД от использования вычислительной техники будет крайне малым. Если мы говорим про математическое моделирование и вычислительный эксперимент, то понятие суперкомпьютерного кодизайна первично. Кодизайн означает, что нужно согласовать всю вертикаль: постановка задачи, метод, алгоритм, технология программирования, сама платформа. Как сделать так, чтобы на каждом этапе выбиралось не то чтобы оптимальное, об этом мы сейчас даже не мечтаем, а пристойное решение, чтобы эта вертикаль была бы эффективной? Если об этом не думать, мы будем получать жалкие доли процента от того, на что современные суперкомпьютеры в принципе способны.

- Ваше сотрудничество с ОИЯИ продолжается?

- Мы уже многие годы работаем вместе. Сейчас говорить о том, что есть какой-то конкретный проект, не приходится, так уж сложилось, но совместных работ с разными коллегами много. Мы постоянно чувствуем влияние друг друга, потому что Московский университет и ОИЯИ - два крупных компьютерных центра, перед которыми стоят схожие задачи. Мы должны думать о пользователях, мы должны думать о решении реальных задач. То, что делается здесь и то, что делается у нас, подчиняется одним законам.

- Наверное, уже возникла необходимость применения других подходов в подготовке специалистов?

- Да, этому не учили, но этому учить нужно. В чем изюминка суперкомпьютерного кодизайна и почему мы должны думать об эффективности всей вертикали? Потому что все упирается в возможности современных платформ: их степень параллельности - это сотни тысяч, миллионы. Этот ресурс должен быть сохранен по всей вертикали: если хоть где-то ошиблись, то хорошего решения задачи не получим. А это означает, что учить надо везде - и в методах, и в алгоритмах, и в системном программировании, и в знании архитектуры. Студент, который сейчас выходит из вуза, должен понимать, что он будет жить в суперпараллельном компьютерном мире, а поскольку компьютеры сейчас везде: в телефонах, датчиках, где угодно, - то это все становится параллельным.

- Наверное, в первый раз на этой конференции организуется секция по биоинформатике и вопросам вычислительной радиационной биофизики, - рассказал О.В.Белов (ЛРБ ОИЯИ). - Последние годы биоинформатика стала достойным направлением в области анализа данных, больших данных прежде всего. Известна проблема большого информационного взрыва, который произошел несколько десятков лет назад. Но сейчас эта проблема встала так, что, в общем-то, препятствует дальнейшему пониманию и анализу огромного количества данных. Данные накапливаются, но как их анализировать и применять без специальных методов, прежде всего, биоинформационных, - непонятно. Именно поэтому биоинформатика сейчас заняла важное место во всех очень разных направлениях современной биологии и медицины, потому что везде есть данные: экспериментальные, медицинские, - их надо как-то обрабатывать, чтобы извлекать из них полезную информацию. Примерно половина нашей секции посвящена вопросам биоаналитическим, это работа с данными, а вторая - исключительно вычислительным методам, это более фундаментальная часть исследований, направленная на различные аспекты моделирования и предсказания тех эффектов, которые происходят в биологии и медицине.

Участников конференции приветствует представитель компании Intel.

Конечно, традиционно достойное место здесь заняла радиационная биофизика, у нас в ОИЯИ достаточно давний опыт работы в области математического моделирования радиационных эффектов в биологических объектах, биологических структурах. В частности, в своем докладе я представил обзор тех наших исследований в области моделирования радиационных эффектов, которые мы выполняли на протяжении последних пяти-семи лет, - как они вписываются в современную концепцию биоинформатики, методов моделирования в биологии.

Хочу представить проект Geant4-DNA - один из главных на сегодня проектов в области радиационной биофизики, который работает с техникой моделирования структуры трека в биологических объектах.

Руководитель проекта Geant4-DNA Себастиен Инсерти (Университет Бордо, Франция, на фото слева): Проект Geant4-DNA создан для работы специалистов широкого профиля в области биологии, и он основывается на свободном доступе к нему мирового научного сообщества. Главная цель этого проекта - интерполировать те вычисления, которые делаются в области ядерной физики, на радиобиологические эффекты. Это мультидисциплинарный проект, который аккумулирует усилия специалистов разных направлений: физиков, химиков, биологов. В следующем году проект будет отмечать десять лет с момента создания. Сейчас мы работаем над тем, чтобы предсказать очень ранние эффекты - порядка одной микросекунды после радиационного воздействия. Мы понимаем, что это недостаточное время для исследования каких-то более поздних эффектов, и думаем сейчас о том, как рассматривать времена позже одной микросекунды. Эти подходы, которые позволяют моделировать эффекты повреждения ДНК на дальних временах, порядка минут и часов, позволяют сравнить наши данные с экспериментом.

Около двух лет назад мы встретились с доктором О.В.Беловым из ЛРБ ОИЯИ и обнаружили, что модели, которые он разрабатывает вместе с коллегами, обладают уникальной возможностью расширить Geant4-DNA на дальние времена. Эта коллаборация уникальна для нашего проекта потому, что немногие специалисты занимаются такими задачами и возникла редкая возможность интегрировать эти модели в Geant4-DNA, направляя тем самым наш проект в будущее.

Наши институты, CNRS и ОИЯИ, взаимодействуют достаточно давно в области ядерной физики, есть специальное соглашение о сотрудничестве. Эта коллаборация открывает новое поле деятельности в области биологии и радиобиологии. Мы ожидаем, что она продлится несколько лет и мы получим значимые результаты.

Драгош Виктор Ангел (Национальный институт физики и ядерных технологий, Бухарест, Румыния, на фото справа): Я приезжаю в Дубну регулярно, начиная с 2007 года. Сотрудничаю с коллегами из ЛТФ, у меня там много друзей и коллег. Мне нравятся эти конференции, я был и на предыдущей в Словакии. В организации этой конференции участвуют мой друг профессор Георге Адам и доктор Санда Адам. Это еще одна причина побывать в Дубне. Обе эти конференции, в Дубне и Словакии, удобны для общения, комфортны. Встречаешься с экспертами в своей области исследований, слушаешь интересные доклады. Социальная программа, немаловажная часть конференции, тоже прекрасно организована. Ученые знают, как важно общаться в неформальной обстановке: когда вы общаетесь напрямую, вы можете выяснить именно то, что вас интересует, обмениваетесь идеями, так зарождается новое сотрудничество. Кто-то вам даст совет, кому-то вы поможете - это важно.

Ольга ТАРАНТИНА,
перевод Олега БЕЛОВА, фото Елены ПУЗЫНИНОЙ