Ученые против пылевых дьяволов: что будут делать в Национальном центре физики и математики

Как защитить «ЭкзоМарс» от космической пыли, а Землю — ​от астероидов, можно ли повысить эффективность суперкомпьютеров, не дожидаясь второй квантовой революции? В «Росатоме» на торжественном заседании, посвященном Дню науки, ученые рассказали о части работ, которые планируют выполнить в рамках программы Национального центра физики и математики. Приводим выдержки из их докладов.

Физика звезд и планет в космосе и лаборатории

Лев Зеленый
Научный руководитель Института космических исследований РАН, академик РАН

— Астрофизика держится на трех китах: космические наблюдения, астрономические наблюдения и лабораторное и численное моделирование. Каждый метод имеет свои ограничения и недостатки, но вместе они позволяют рассматривать явления всесторонне. Лабораторные исследования дают возможность повторять процесс несколько раз, набирать статистику. Мы можем менять входные параметры, использовать внешние поля и получить хорошую модель явлений.

Многие астрофизические явления очень удачно моделируются с помощью лазерных установок. Это формирование новых звезд, звездный «каннибализм», или аккреция (процесс приращения массы небесного тела путем гравитационного притяжения материи из окружающего пространства. — «СР»), расширение сверхновых после взрыва, изменение магнитных полей.

Есть в планах исследования космической пыли. Это основа для формирования звезд и планет, и процесс их формирования мы пока плохо понимаем. Пыль на поверхности небесных тел обладает особыми свойствами. За счет ультрафиолетового излучения Солнца и заряженных частиц солнечного ветра эти частицы набирают большой электрический заряд и создают вокруг небесных тел своеобразную атмосферу, называемую экзосферой. Пыль влияет на космическую технику, изменяет свойства аппаратуры, портит солнечные панели. Это надо учитывать при организации космических миссий. В этом году планируется запуск российско-европейской экспедиции «ЭкзоМарс». У десантного модуля миссии большая научная посадочная платформа, и серьезные опасения вызывает возможное воздействие на нее пылевых дьяволов — ​громадных пылевых вихрей, которые хорошо показаны в известном американском фильме «Марсианин». Этот процесс тоже надо изучать.

Лазеры и физика высоких плотностей энергии

Сергей Гаранин
Директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ, академик РАН

— В развитии лазеров сейчас два основных направления. Первое — ​углубление исследований в области физики лазеров и примыкающей вплотную области оптики. Идут работы по созданию новых типов устройств: лазеров на благородных газах, квантово-каскадных лазеров. Изучается физика коротких импульсов, терагерцевое излучение, лучевая прочность оптических материалов и покрытий и др. Второе направление — ​это применение лазеров, и здесь основной научной задачей является повышение мощности и получение сверхвысокой интенсивности на поверхности исследуемых объектов.

В рамках программы НЦФМ планируется развитие уникальной лазерной установки нового поколения для фундаментальных исследований взаимодействия лазерного излучения с веществом, а также для отработки ключевых технических решений установки XCELS, предназначенной для исследования экстремальных световых полей. В 2021 году мы запустили многофункциональный исследовательский комплекс — ​это часть лазерной установки нового поколения. Уже в этом году планируем проводить на нем исследования нелинейных процессов и кинетических явлений в горячей плазме, моделировать астрофизические объекты с высокими плотностями энергии и сверхсильными магнитными полями, изучать неидеальную плазму и моделировать нестационарные процессы взаимодействия магнитосферы Земли с корональными выбросами солнечной плазмы.

Очень красивая работа — ​лазерное моделирование разрушения астероидов. Рассматриваются различные варианты воздействия на крупные астероиды, которые потенциально опасны для Земли, и надо точно предсказывать результаты этого воздействия. Разработана экспериментальная методика применения лазеров для таких исследований.

Суперкомпьютеры с реконфигурируемой архитектурой

Игорь Каляев
Научный руководитель направления, Южный федеральный университет, академик РАН

— Современные суперкомпьютеры обладают рядом недостатков. Во-первых, они показывают высокую реальную производительность в достаточно узком классе задач, в решении задач других классов их реальная производительность зачастую составляет не более 5–10 % пикового теоретически достижимого уровня производительности. Во-вторых, топовые суперкомпьютеры потребляют уже десятки мегаваттов электроэнергии, в то же время соотношение реальной производительности на ватт потребляемой мощности остается крайне низким. Это порождает необходимость исследовать альтернативные подходы к созданию суперкомпьютеров, в частности такие, как квантовые и фотонные компьютеры. Их разработка планируется в программе НЦФМ. Но давайте говорить честно: пока это стадия НИР, и до внедрения, создания реальных машин еще достаточно далеко. Существует подход, который мы также планируем более подробно исследовать в рамках программы НЦФМ и который уже сейчас позволяет многократно повысить технические характеристики суперкомпьютеров, — ​это так называемые суперкомпьютеры с реконфигурируемой архитектурой. Они могут совместить преимущество современных кластерных суперкомпьютеров, то есть их универсальность, и преимущество специализированных, то есть их высокую реальную производительность.

Нельзя сказать, что идея абсолютно нова. Но до масштабных внедрений дело не дошло. Это было вызвано, с моей точки зрения, отсутствием соответствующей элементной базы. В начале этого века такая база появилась — ​программируемые логические интегральные схемы, ПЛИС. Это полуфабрикат микросхемы, который пользователь может программировать сам, но программировать не с точки зрения последовательности действий, а с точки зрения внутренней структуры. Идея в том, чтобы из ПЛИС создать вычислительное поле, в рамках которого пользователь мог бы формировать проблемно-ориентированные вычислительные структуры под свою задачу. Причем чем больше будет размер такого поля, тем более сложные задачи можно будет решать с его помощью.

Данное направление развивается в Научно-исследовательском центре суперЭВМ и нейрокомпьютеров уже более 15 лет. Первая мощная машина была построена еще в 2009 году — ​ее производительность составляла 10¹⁶ операций в секунду. К 2030 году мы рассчитываем выйти на 2,2×10¹⁸ операций в секунду в одной стойке.