Частицы живут в узлах, поля – на ребрах

Недавно в Москве, в городском автобусе услышала разговор двух продавцов из магазина электроники о том, как они представляют себе будущее компьютеров. Один сказал: «Нотики стали совсем плохо продаваться, они мало кому нужны. Однозначно, будущее – за планшетами». Другая ответила: «Даже не за планшетами, а за смартфонами. Они удобнее, в карман помещаются, все игрушки на них есть, и музыка. Что еще надо?» Ну,  я и подумала: «А слышали эти молодые люди что-нибудь о другом назначении компьютеров? Скажем, о том, что с их помощью рассчитывают аэродинамику самолетов и автомобилей, конструкции двигателей, взаимодействие элементарных частиц». 

Планшет и смартфон для этого не очень подходят. Хотя, некоторые забавные люди даже на смартфоне симулируют физические системы с помощью программ для графических процессоров. Но это скорее в шутку, чем всерьез.

А хороший ноутбук для расчетов, в общем, сгодится. По крайней мере, для испытания алгоритмов. Не говоря уже о суперкомпьютерах. Хотя... суперкомпьютеры ведь в магазинах электроники не продаются. Откуда же продавцам электроники о них знать? Судя по их беседе, о достижениях науки техники  они точно ничего не читают.

Вот и захотелось рассказать немного о том, как видится будущее компьютеров  с позиции не продавцов их, а пользователей,  скажем, физиков-теоретиков. Тем более, что и повод для этой темы обозначился вполне подходящий. В Дубне как раз закончила работу Гельмольцевская летняя школа для молодых теоретиков, которые уже вовлечены или еще собираются быть вовлеченными в компьютерные вычисления «на решетках».

Говорю  «в Дубне», подразумеваю «в Объединенном институте ядерных исследований  – в ОИЯИ».  Лаборатория теоретической физики ОИЯИ традиционно уже давным-давно сотрудничает с немецкими теоретиками из университетов и научно-исследовательских институтов Общества Гельмгольца.

Общество Гельмгольца представляет собой сеть научных внеуниверситетских организаций, которым федеральное правительство Германии поручило взяться за фундаментальные исследования в естественнонаучного, технического и медицинского профиля. В состав Общества Гельмгольца, кроме прежних 18 научных центров, недавно вошли еще шесть институтов со своей «внешней» политикой в качестве «внешних членов».

Прошлым летом в Дубне президент Общества Гельмгольца Юрген Млынек подписал в Дубне соглашение о сотрудничестве руководимой им организации с Объединенным институтом ядерных исследований. Наряду с материальным сотрудничеством соглашение предусматривает взаимное содействие в области повышения квалификации студентов и молодых ученых.

Объединенный институт ядерных исследований и  Общество Гельмгольца, имеющее свое представительство в Москве, в большой степени являются мостиками взаимопонимания и общения Европы с Россией.

С 2004 года серия международных летних школ для молодых ученых в Дубне поддерживалась на средства импульсно-сетевого фонда президента Общества Гельмгольца, центров Гельмгольца DESY (Немецкий электронный синхротрон) в Гамбурге и Цойтене и GSI (Институт физики тяжелых ионов)  в Дармштадте. Суть работы фонда можно описать короткой фразой: «Давать импульсы, объединять в сеть».  Импульсно-сетевой фонд дает импульсную финансовую поддержку там, где в кратчайшие сроки нужно достигнуть стратегической цели.

Начало двухтысячных было временем расширения усилий и надежд на огромные перспективы взаимодействия Германии и России. Ожидания партнерства в модернизации России возросли в связи с так называемым Петербургским диалогом.  Этот форум гражданских обществ России и Германии был создан в 2001 году по инициативе Владимира Путина и Герхарда Шрёдера для углубления взаимопонимания и сотрудничества во всех сферах между Германией и Россией.

И несмотря на сегодняшние политические  осложнения немецко-российских взаимоотношений, научные связи двух стран до сих пор процветают.

В 2014 году дан новый старт Гельмольцевской летней школе для молодых физиков-теоретиков в ЛТФ ОИЯИ.  Новый старт ознаменовался новой схемой финансирования.

Теперь финансировать программу этих международных школ в Дубне будут не только традиционные партнеры Дубны DESY и GSI, но и институты Гельмгольца в Йене, Майнце, Дрездене-Россендорфе, Юлихе, Карлсруэ – те, что работают в фокусной программе «Структура материи».

Все эти исследовательские центры, включая дармштадский FAIR (строящийся комплекс ускорения тяжелых ионов при низких энергиях), привлекает в Дубне научный мегапроект коллайдера NICA. Другой российский мегапроект «Специализированный источник синхротронного излучения четвертого поколения», который будет реализовываться на базе НИЦ «Курчатовский институт», тоже представляет для Германии большой интерес.

А фокусирует намерения на развитие научного сотрудничества Общества Гельмгольца в России Объединенный институт ядерных исследований в Дубне.

Что касается Гельмголцевских школ в Дубне, то их поставит на прочную основу кооперационное соглашение между немецкими институтами и ОИЯИ.

Первой из обновленной серии международных школ была школа для молодых ученых и студентов «Ядерная теория и астрофизические приложения». Она прошла в Дубне в конце июля.

Второй стала как раз Гельмгольцевская летняя школа для молодых теоретиков по теории поля и квантовой хромодинамике на решетках.

На решетках физики моделируют и предсказывают  свойства полей и их поведение, которое иногда похоже на скопление частиц, а иногда скорее напоминает жидкость. Физическая система сама решает, как ей себя показывать в определенных условия.

Представить себе решетку очень просто. Вообразите обыкновенный ящик. Во всех углах ящика расположите по узелку. Тогда получится, что узелки связаны между собой ребрами ящика. Вот вам и простейшая решетка. Любой объем пространства можно разбить взаимно перпендикулярными линиями (как ребра ящика) на большое число таких элементарных клеток. Чем меньше вы выберете длину ребра между двумя узелками (то есть размер клеток), тем точнее такая решетка впишется в реальное сплошное пространство. При этом клетки решетки могут быть и четырехугольником, и шестиугольником, и треугольником, и тетраэдром.

В узелках решетки живут материальные частицы (кварки), на ребрах – калибровочные поля (глюоны). Когда кварки продвигаются вдоль ребер, они испытывают воздействие глюонов. Компьютер случайным образом генерирует флуктуации (возмущения) глюонных полей по заданным правилам, и эти флуктуации влияют на движение кварков и проявление их свойств.

Вот так в наше время физики предсказывают свойства и поведение элементарных частиц.

Решеточные вычисления – одна из самых современных и наиболее сложных областей теоретической физики. Это научное направление тянет за собой развитие вычислительных методов и культуры программирования.

Пополнить свои знания в этой динамично развивающейся ветви науки прибыли на Гельмгольцевскую школу в Дубну почти полсотни молодых физиков. Они слушали лекции очень известных в мире специалистов, учились задавать им вопросы, рассказывали и показывали на постерах, чего добились сами.

– Для нас было бы плохим сигналом, если бы в серию Гельмгольцевских школ мы не вернули тему  решеточных вычислений, которые уже были в программе 2011 года – рассказал председатель оргкомитета, известный немецкий физик Эрнст Михаэль Ильгенфриц.  В ОИЯИ он работает заместителем директора одной из  семи крупных лабораторий этого международного исследовательского центра  –  Лаборатории физики высоких энергий, где сейчас сооружается коллайдер NICA.

Попутно скажу, что решеточные вычисления – одна из трех тем Гельмгольцевских школ. Она тесно связана с двумя другими: сверхплотной материей и тяжелыми кварками. Фактически решетки проникают в эти две темы как общая для них техника расчетов.

– Я абсолютно убежден, – продолжил профессор Ильгенфриц, – что дополнительное обучение по этим темам очень нужно и нам в Дубне, и для студентов российских вузов. К сожалению, тема решеточных вычислений в институте в сравнении с прошлым сейчас мало представлена. Я пытаюсь это изменить. Ведь решетки – единственный подход, который позволяет делать модельно независимое предсказание в квантовой теории поля вне рамок теории возмущений и без применения эвристических моделей. Этот подход имеет свою ценность.

Так что решетки – не просто какая-то программа, загруженная на планшет и требующая просто нажатия на кнопки время от времени. Это даже не программный комплекс типа Solidworks или Flowvision, куда надо подставлять значения переменных и ждать результата. Это солидная работа, где программный комплекс – только небольшая ее часть. Другие части этой работы – создание алгоритмов и методов анализа данных.  Короче, решеточные вычисления – это сложные расчеты, требующие сверхмощных компьютеров, новых алгоритмов и мощных методов анализа полученных данных.

По мнению немецкого физика, решетка служит одним из примеров, что теоретическая физика в наше время без симуляции (в смысле моделирования) почти невозможна. Да и эксперименты для изучения тяжелых ядер при сверхвысокой плотности энергии и заряда тяжелых частиц невозможно проводить в лаборатории в земных условиях. Зато реальные процессы можно моделировать с помощью компьютеров.

– Раньше новые явления в физике искали, пытаясь обнаружить какую-нибудь особенную частицу. Для этого строили ускорители все большего и большего размера. Но увеличение их размеры до бесконечности трудно оправдать, – заметил Михаэль Ильгенфриц. –  Поэтому одна из важных идей этой школы – обращать внимание  молодежи на результаты, которые указывают на существование физики за пределами стандартной модели при низких энергиях. Чтобы обнаружить эти явления, нужны особо точные эксперименты и точные предсказания. Только так можно уловить разницу, которую иначе, как другой, неизвестной нам физикой, невозможно объяснить. Чтобы проводить такие физические эксперименты, нужно очень серьезно убеждать общество, что только таким способом эти явления можно изучать и, значит, надо потратить на это деньги.

Кстати, тот самый коллайдер NICA, который строят в Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ для получения ускоренных пучков тяжелых ионов, нацелен как раз на изучения явлений в сверхплотной материи с высокой плотностью заряда тяжелых частиц. Об этих явлениях физики почти ничего не знают, несмотря на исследования Большого адронного коллайдера в Женеве и эксперименты американского коллайдера RHIC.

И чтобы описывать то, что происходит в столкновениях тяжелых ионов, парой программистов не обойдешься. Было бы желательно развивать целую группу специалистов здесь, в Дубне, рядом с коллайдером NICA, считает Ильгенфриц, – хотя бы 15-20 человек, которые серьезно этим занимаются. Как в разных других исследовательских центрах мира.

Но и это еще не все.

Проблема для ОИЯИ – отсутствие в Дубне суперкомпьютера или как альтернативы ему – национальной компьютерной инфраструктуры в России. 

В Москве – в МГУ имени Ломоносова и в Институте прикладной математики имени Келдыша – первые многопроцессорные суперкомпьютеры есть. И там могут вести свои расчеты ученые из разных научных центров.

Например, студенты Гельмольцевской летней школы, которые учились в Москве, а сейчас работают в Германии рассказали, что даже теперь считают свои задачи в Москве, на суперкомпьютере «Ломоносов» в МГУ. Потому что получать вычислительные ресурсы в Германии или других странах ЕС не так-то просто. Другие студенты из Москвы работают на компьютерах в Университете Гумбольдта в Берлине. Возможно все.

– Думаю, Дубне надо узнать, что эти области – решетка и моделирование столкновений  тяжелых ионов – требуют культивирования вычислительной техники, – напомнил профессор Ильгенфриц.  Когда мы в Дубне еще в 1970 году начинали заниматься решеточными вычислениями, тогда в год было всего 200-300 работ в этой области. Мы вступили в эту область не слишком поздно. В те времена потребности в вычислительной технике были не такие громадные. Важнее был энтузиазм.  Эту нашу деятельность в те годы особенно поддерживали энтузиасты-академики Дмитрий Васильевич Ширков и Михаил Григорьевич Мещеряков. Оба они прошли через работу в ядерном проекте, имели видение проблемы и знали, что нужна решительность, чтобы чего-нибудь добиться быстро на передовом крае исследований. Их убежденность значительно влияла на атмосферу работы в решеточной теории в Дубне. И это третий аспект, который я пытался реализовать на школе. Чтобы наши ученики, сделавшие пока еще скромные шаги, или уже более опытные в решеточных вычислениях, узнали, что Дубна развивается в этом направлении. Я убежден, что сотрудники Лаборатории информационных технологий, которые содействовали в проведении на школе лекций по параллельным вычислениям, понимают: их работа на использование новой, гибридной техники, которая ускоряет вычисления с помощью графических процессоров, найдет интерес и скорое широкое применение в руках теоретиков, и что их работа очень важна. Но должен заметить, что от других теоретиков ЛТФ пока недостаточно важных для развития этого направления импульсов.

Пока Лаборатория информационных технологий ОИЯИ мечтает о суперкомпьютере, она активно развивает другое направление: грид – сеть распределенных вычислений. Это важный инструмент для обработки огромных массивов данных, собранных на современных коллайдерах. Однако, по мнению Ильгенфрица,  возможностей грид мало для решеточных расчетов, где нужны параллельные вычисления.

– Конечно, эта сеть тоже увеличивает вычислительные ресурсы, – говорит он, – но грид не решает проблему параллельных вычислений, где, скажем, одна огромная физическая система распределяется на многие процессоры, которые способны мгновенно обмениваться информацией. Я не думаю, что можно решать такие вопросы, когда одна часть решетки вычисляется в Дубне, а другая в Казани. Это не то, там нет синхронизации, а это важные аспекты программирования.

Надо развивать технологию многопроцессорных вычислений и набираться опыта гетерогенных применений на комплексах разного масштаба, считает профессор Ильгенфриц. (Гетерогенные – применяющие процессоры разных типов, в том числе, графические.) Ильгенфриц уверен: благодаря этой школе в ЛИТ ОИЯИ поняли, что по сути они являются ближайшими союзниками решеточного сообщества.

И еще одну важную идею Гельмольцевской школы упомянул Михаэль Ильгенфриц – применение решеточных вычислений в ядерной физике за последние годы интенсивно развивалось и стало их неотъемлемой ветвью.

– В ЛТФ ядерная физика играет важную роль, и я постарался, чтобы на лекциях ядерная физика тоже была в программе, – поделился немецкий физик своим замыслом. – Рассчитывал, что в зависимости от той или иной тематики лекций к нам придут работающие в ЛТФ теоретики и зададут свои вопросы лекторам так, чтобы студентам была понятнее важность материала лекции не только в ядерной физике. К сожалению, это случалось редко. Kроме Олега Теряева, соорганизатора школы (некоторые темы мог сопровождать только он), особую ожидаемую поддержку молодежи оказал один сотрудник ЛТФ – Николай Кочелев.

Ну вот, такое будущее компьютеров видят в своих задачах физики-теоретики. А что думают о компьютерах инженеры, мы расскажем в следующий раз.

Источник: «Открытая Дубна»