Как суперкомпьютеры помогают познавать окружающий мир: незаменимые машины современности
В дополнение и в некоторых случаях даже на смену натурному эксперименту приходит эксперимент вычислительный. В этой концепции мы имеем дело не с реальным объектом, а с его проекцией в виртуальное пространство – с цифровым двойником, который наследует все основные свойства и качества своего «материального» прародителя.
Созданием и исследованием цифровых двойников передовой техники и сложных инженерно-физических процессов занимаются в Центре суперкомпьютерного моделирования Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».
О дивный мир
Окружающий нас мир поистине многообразен, и счастлив тот, кто умеет это созерцать и осознавать. Даже самая привычная картина, которую мы можем наблюдать изо дня в день, пестрит обилием физических процессов, заполняющих пространство и перетекающих друг в друга. Свет, который является одновременно и электромагнитной волной, и потоком элементарных частиц – фотонов, стимулирует сетчатку нашего глаза, а возникшие при этом электрические импульсы, добежав до мозга, возбуждают его нейронные связи. Так мы способны видеть. Звук, который представляет из себя колебания атомов и молекул воздуха, приводит к механическим вибрациям барабанной перепонки в нашем ухе, которые затем трансформируются в электрические сигналы и возбуждают слуховые центры мозга. Поэтому мы способны слышать.
В двигателе автомобиля, которым мы управляем, происходят процессы горения, при этом высвободившаяся энергия частично переходит в механическое движение деталей машины, частично – в тепловую энергию, которая есть не что иное как хаотическое блуждание молекул и атомов, соударяющихся друг с другом. Летящий в небе самолёт «разрезает» своими крыльями воздушное пространство, и за счёт большой скорости давления воздуха на нижнюю часть крыла достаточно, чтобы преодолевать гравитацию планеты. Приводить примеры можно бесконечно.
Математика – язык природы
Удивительно, но всё это многообразие проявлений окружающего мира поддаётся описанию: наблюдая за природой, мы обобщаем закономерности в виде всем известных физических законов. Но мало качественно описать эти законы: их нужно сформулировать универсальным способом, закодировать, и здесь на помощь приходит царица всех наук – математика. Как говорил Галилео Галилей: «Математика – это язык, на котором написана книга природы».
Именно математика позволяет объективным образом описать процессы, которые происходят в окружающем мире. Физические законы, которые мы так упорно изучаем ещё со школьной скамьи, представляют собой не что иное как математические уравнения, которые отражают баланс числовых величин, описывающих параметры исследуемого процесса.
Всё сущее есть число
Эта идея, впервые озвученная Пифагором и с новой силой приобретающая актуальность в современном «количественном» мире, лежит в основе концепции цифровых двойников, математического моделирования и вычислительного эксперимента. За описывающими окружающий мир законами стоят числа, и чем сложнее явление, тем «тяжелее» набор чисел, которые его отображают. Эти числовые массивы имеют динамический характер и с течением времени трансформируются, тем самым описывая, как эволюционирует исследуемый процесс или технология.
Суперкомпьютерные вычисления
Справиться с обработкой такого большого объёма цифровых данных, которые ещё и постоянно меняются, а также произвести расчёты с ними по заранее запрограммированным алгоритмам призваны суперкомпьютеры. Эти высокопроизводительные вычислительные устройства – мощные аналоги привычных нам персональных компьютеров и ноутбуков. Они состоят из огромного числа соединённых друг с другом в единую вычислительную сеть процессоров и способны проводить триллионы операций в секунду.
Самый мощный на данный момент суперкомпьютер в мире, японский суперкомпьютер Fugaku, имеет в своём распоряжении около 7.5 миллионов процессорных ядер и вычислительную мощность порядка пятисот квинтиллионов операций в секунду. Из российских суперкомпьютеров гражданского назначения в мировой рейтинг суперкомпьютеров топ-500 попадают только два: «Кристофари», принадлежащий Сбербанку, и «Ломоносов-2» Московского государственного университета.
Цифровые двойники в промышленности
Реализация концепции цифровых двойников, в отличие от классического натурного подхода, значительно экономит расходы при разработке и вводе в эксплуатацию новой техники. Для натурного эксперимента нужно пройти множество затратных этапов – это и выбор площадки для его проведения, и закупка дорогостоящего оборудования, и осуществление монтажных работ, и содержание команды инженеров, и многочисленные серии запусков. Если при этом возникнет потребность модернизировать собранную ранее установку, то весь цикл придётся проходить заново. Немаловажным также является вопрос об обеспечении сохранности окружающей среды.
Математическое моделирование подразумевает более красивое и лаконичное решение – создать цифровой двойник исследуемого объекта и с помощью суперкомпьютеров провести над ним серии вычислительных экспериментов. В результате, на экране своего монитора вы можете, в буквальном смысле, видеть, как будет вести себя явление или создаваемая техника в действительности – в реальном мире. В силу своей экономической и финансовой выгоды такой подход востребован практически во всех отраслях высокотехнологичной промышленности.
Цифровые двойники используются в ракетно-космической отрасли, в авиационной промышленности, в энергетике и машиностроении, при разработке лазерных и плазменных технологий.
Вычислительный эксперимент в разработке плазменной техники нового поколения
Суперкомпьютерное моделирование с успехом применяется в создании передовой техники, для работы которой используется вещество в особом экстремальном состоянии (его ещё называют четвёртым агрегатным состоянием вещества) – в состоянии плазмы. Плазма имеет огромную температуру (вплоть до десятков миллионов градусов) и очень редко встречается в земных условиях, зато в космосе практически всё материальное вещество находится в плазменном состоянии. В плазме атомы, в отличие от твёрдого тела, жидкости и газа, уже не представляют собой целостную нейтрально заряженную структуру, а разделены на свободные друг от друга составляющие – положительно заряженные ядра (ионы) и отрицательно заряженные электроны. За счёт этого вещество приобретает два важнейших свойства: проводит электрический ток и поддаётся влиянию магнитных полей. Эти свойства, имеющие особую прикладную значимость, призваны обуздать ту огромную энергию, которой обладает плазма, и пустить её в созидательное русло.
Одно из таких направлений – плазменные двигатели. В этих устройствах вещество в состоянии плазмы, истекающее из двигателя, может ускоряться до сотен километров в секунду и в соответствии с законом сохранения импульса передавать космическому и летательному аппарату энергию движения, многократно превосходящую оную от обычных реактивных двигателей, работающих на химическом топливе. Аппараты, оснащённые плазменными двигателями, призваны решать самые амбициозные космические миссии, и освоение нашей Солнечной системы и даже Галактики уже не кажется такой уж фантастической перспективой.
Другое направление использования плазмы в решении глобальных вызовов, стоящих перед человечеством, – это энергетика нового поколения, создание экологически чистых и безопасных источников энергии. Речь идёт об управляемом термоядерном синтезе, при котором лёгкие ядра таблицы Менделеева сливаются в более тяжёлые с выделением энергии. Такие реакции проходят только при очень больших температурах, при которых вещество находится в состоянии плазмы. В термоядерных реакторах нагретая до миллионов градусов плазма удерживается от соприкосновения с элементами конструкции именно магнитным полем – в магнитных ловушках.
В НИЯУ МИФИ в Институте ЛаПлаз активно разрабатываются экспериментальные и даже промышленные прототипы плазменных двигателей и магнитных ловушек для термоядерных реакторов. И в создании и исследовании этих устройств используются их цифровые двойники, которые имеют дело с приближенными моделями, но позволяют с помощью расчётов сделать предсказательные выводы о поведении процессов в них и тех параметрах, которыми будет обладать реальная установка. В НИЯУ МИФИ такие расчёты ведутся в Центре инженерно-физических расчётов и суперкомпьютерного моделирования совместно с Институтом прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН.
Цифровой десант и инженеры будущего
Актуальность профессии цифрового инженера, способного создавать и исследовать цифровые двойники, проводить вычислительные эксперименты и делать предсказательные выводы о явлении или технологии по их результатам – как никогда высока. Специалист в области суперкомпьютерного моделирования обладает знаниями в области физики, математики, программирования и IT, и каждое высокотехнологичное и наукоёмкое предприятие реального сектора экономики в таких кадрах крайне заинтересовано.
В НИЯУ МИФИ эта тематика активно развивается в Центре суперкомпьютерного моделирования, а подготовка высококлассных специалистов осуществляется на кафедре 97 суперкомпьютерного моделирования инженерно-физических процессов Института ЛаПлаз.
Автор: Евгений Викторович Степин, к.ф.-м.н., доцент, зам. директора Центра инженерно-физических расчётов и суперкомпьютерного моделирования НИЯУ МИФИ
«Под капотом» любого цифрового двойника – огромные массивы чисел, их обработка и сопряжённые расчёты, с чем эффективно справляются высокопроизводительные вычислительные устройства – суперкомпьютеры.