Академик Борис Четверушкин (ФИЦ «ИПМ имени М.В. Келдыша РАН») – о вычислительных технологиях в атомной отрасли. Доклад подготовлен совместно с членом-корреспондентом РАН Сергеем Лебедевым (РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск) и доктором физико-математических наук Рашитом Шагалиевым (РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров)
Если обратиться к истории, очевидно, что понимание важности роли расчетов, математического моделирования присутствовало с самого начала реализации советского атомного проекта. Целый ряд расчетных групп под руководством академика Мстислава Келдыша был создан в МИАН. В Геофизическом институте в 1948 году появилась группа Андрея Тихонова, которая работала в районе станции метро «Кировская», в здании под вывеской «Мелкооптовая торговая база»; на проходной «базы» сидел старичок-вахтер, работник спецслужб, который объяснял случайным посетителям, что они не туда попали… В КБ-11 в Сарове работала группа Николая Боголюбова и будущего академика Василия Владимирова, в Курчатовском институте – группа под руководством Сергея Соболева, в Институте физических проблем – группа Нохима Меймана, в Обнинске – группа Дмитрия Блохинцева и Гурия Марчука, в Ленинградском отделении Математического института – группа Леонида Канторовича.
Работы велись на трофейных немецких арифмометрах «Мерседес»; за ними сидели группы девушек – выпускниц различных вузов, которые передавали друг другу расчеты; таким образом организовывался процесс параллельных вычислений. Аналогичным способом, кстати, выполнялись работы в те годы и в США, до появления первых вычислительных систем.
О важности этих вычислений для развития советского атомного проекта говорит хотя бы обширный список участвовавших в нем математиков, которые впоследствии стали Героями Социалистического Труда. Академик Мстислав Келдыш был удостоен этого звания трижды, академик Андрей Тихонов – дважды.
Еще один штрих: иногородним математикам, которые были привезены в Москву, выделяли комнаты в коммунальных квартирах. Те, кто знает ситуацию с жильем в Москве в конце 40-х – начале 50-х годов, понимает, чего это стоило. Косвенным отражением важности этих работ было и то, что в Институте прикладной математики до конца 60-х годов сотрудников не посылали на овощные базы…
Суть в том, что за короткое время были созданы основы современной прикладной вычислительной математики – той самой, которой мы активно пользовались последующие 50 – 60 лет. Это был настоящий революционный прорыв! То же самое параллельно происходило и в США. Была разработана методология математического моделирования в том современном понимании, когда идет постоянное взаимодействие данных расчета и эксперимента. Хорошо помню, что в Институте прикладной математики (ИПМ) дневали и ночевали Яков Зельдович и Андрей Сахаров – они непосредственно работали над всеми проблемами вместе с нашими сотрудниками, и по сути дела были соавторами вычислительных работ.
Были созданы мощные коллектива специалистов в области прикладной математики и программирования. В 1956 году в ИПМ была командирована группа из сорока молодых сотрудников; они прошли обучение (порядка 8-10 месяцев) и были направлены всем десантом в Снежинск, где создали основу замечательного и хорошо известного ныне математического коллектива. Во главе этой группы стоял сотрудник ИПМ Николай Яненко, впоследствии академик; из нее вышли академик Анатолий Сидоров и член-корреспондент Геннадий Михайлов.
«Атомными» вычислениями, действительно, занимались замечательные специалисты. Не случайно математическому коллективу в Сарове было поручено создание отечественного пакета программ «Логос», который позволяет моделировать сложные технические устройства, например, осуществлять расчет аэродинамических характеристик маневренного самолета на закритических углах атаки и создавать его обтекание. Применение программ из этого пакета дает возможность ускорить в два и более раза создание сложных технических устройств и, соответственно, во столько же раз уменьшить расходы. Это касается не только самолето-, но и автомобилестроения, нефтедобычи и других направлений промышленности. Существование отечественного пакета программ также играет важную роль при импортозамещении; таков наш ответ на санкционное давление.
Эти расчеты ведутся на неструктурированных сетках, которые позволяют хорошо описывать сложные технические конструкции. Сама проблема создания таких сеток для расчета – одна из новейших; это одна из дополнительных проблем современной прикладной вычислительной математики.
Хотел бы остановиться на проблеме лазерного термоядерного синтеза, с точки зрения проблем вычислительных технологий, которые здесь возникают. Эта идея была предложена нашими учеными Николаем Басовым и Олегом Крохиным, а впоследствии дополнена идеями и работами Эдварда Теллера, отца американской водородной бомбы. Особенности моделирования задач лазерного термоядерного синтеза обуславливаются значительной размерностью фазового пространства: 10-50 млн пространственных ячеек, 100-1000 энергетических групп, 500 направлений полета частиц, => от 500 миллиардов неизвестных, что требует для полномасштабного численного описания протекающих процессов применения вычислительных систем эксафлопсного класса. Помимо соответствующих вычислительных машин нужны алгоритмы, которые позволят их использовать. Создание логически простых, но эффективных алгоритмов – одна из важнейших задач современных вычислительных и информационных технологий.
Наша цель – сделать эффективным массовый параллельный трехмерный счет на компьютерах экзафлопной производительности гибридной архитектуры. В связи с этим ИПМ РАН и РФЯЦ-ВНИИТФ осуществляют сотрудничество в создании программ для оптимальной декомпозиции расчетных сеток, динамической балансировки загрузки. В РФЯЦ-ВНИИТФ внедряется параллельный алгоритм динамического разбиения графов адаптивных неструктурированных сеток для задач описания турбулентных течений при сферическом сжатии. Перспективная разработка ИПМ РАН – система автоматического распараллеливания. Результат совместных работ: при сохранении точности в области сильных деформаций веществ скорость счета увеличена на порядок.
Для нас важны динамические адаптивные сетки, которые автоматически сгущаются на больших градиентах и разряжаются там, где больших градиентов нет. Это серьезная проблема синтетической прикладной математики и программирования. Одна из проблем, которая возникает при этом: в некоторых вычислительных узлах скапливается большое количество расчетной работы, а в других ее становится меньше; резко падает вся эффективность параллельной обработки. Создание инструмента динамической балансировки загрузки – очень серьезная задача, которая сейчас решается; особенно важно добиться создания систем с использованием ускорителей на графических платах.
Еще одна проблема – построение визуализаций расчетов в систем ах сверхвысокой производительности; эти работы тоже крайне важны и осуществляются в настоящее время.
Некоторые большие проблемы, которые мы сегодня решаем, например, моделирование переноса радиоактивных загрязнений, требуют привлечения всего инструментария Института прикладной математики и вычислительных технологий.
Если говорить о расчете реакторов, здесь те же самые проблемы – сложная геометрия с учетом поглощающих и энерговыделяющих стержней. Это работы по расчету уравнения переноса на подробнейших сетках с учетом больших машин. Развиваются различные методы решения подобных задач, а начиналось все, конечно, с работ Гурия Марчука, Василия Владимирова, Владимира Гольдина, Александра Самарского; сейчас это направление – в повестке нашего института, институтов в Сарове и Снежинске.
Нам необходимо решать проблемы моделирования свойств материалов по термоядерному реактору. Это огромная работа, требующая привлечения такого инструмента, как молекулярная динамика, решения огромного количества уравнений. Конечно, расчетами мы много получаем, но есть еще эксперименты и теоретические воззрения, и если объединить данные расчетов и экспериментов и сделать их в качестве вводных для нейронных сетей, с целью машинного обучения, то наибольшая информация сейчас может быть получена именно таким образом.
Хотел бы остановиться и на некоторых вопросах, связанных с применением искусственного интеллекта. Кибербезопасность в атомной отрасли – в финансах, управлении и так далее. Здесь самое важное – найти «окна уязвимости». Аналоги имеются в компьютерных играх, где злоумышленник пытается пробраться к объекту. Вторая тема – оценка рисков и парирование непредвиденных ситуаций, в частности, возможных техногенных катастроф. К счастью, техногенные катастрофы редко происходят, но именно поэтому информации по ним у нас мало. А важно нарабатывать дополнительную информацию для искусственного интеллекта, с помощью математического моделирования различных ситуаций; включать эти данные и смотреть, что можно делать.
Наконец, у нас есть проблема «умного реактора» и обеспечения штатной работы в нем. Есть проблема планирования создания АЭС. Этот длительный процесс требует привлечения огромного количества смежников, ритмичности работы предприятий. Если мы строим АЭС за рубежом, то это еще и проблема локализации производства в стране-заказчике. А еще здесь возникают проблемы, связанные с дополнительным созданием энергоемких производств, которые позволят использовать мощности АЭС. Все это увеличивает объем информации, объем обработки. Мы знаем, что при создании Белорусской АЭС страны Балтии отказались от покупки электроэнергии; если бы были созданы электроемкие производства, наверное, этот вопрос не стоял бы столь остро.
В заключение отмечу: атомная отрасль была, есть и будет наиболее квалифицированным и требовательным потребителем достижений в области информационных технологий, прикладной математики, математического моделирования. Это является стимулом к их развитию – напомню высказывание Маркса о том, что реальная потребность общества двигает науку быстрее, чем десяток университетов. Эти достижения в дальнейшем распространяются на все народное хозяйство страны.
Вместе с тем, мне кажется, необходимо усиливать взаимодействие между институтами, находящимися под научно-методическим руководством РАН и предприятиями атомной отрасли. Мы, безусловно, сотрудничаем, но если вспомнить ситуацию, которая была в 1950 – начале 1960-х годов, все-таки видна разница. Надо вспомнить и воспринять этот полезный опыт; для прикладной математики и информационных технологий это тоже будет только полезно. И, естественно, не надо скупиться на создание высокопроизводительной вычислительной техники. После войны, в разоренной стране, денег на созидание не жалели; без этого не обойтись и сегодня, хотя бы в силу геополитического положения России. И, конечно, необходимо внимание к этой теме со стороны руководства атомной отрасли: от этого будет лучше всем.
Алексей Комольцев (по материалам доклада)
