В ТГУ создают цифровые модели человеческого мозга, луноходов и защитных систем для спутников

Все знают о том, что в ТГУ есть суперкомпьютер, но для чего конкретно его используют – об этом ведают только работающие на СКИФе. А между тем суперкомпьютер СКИФ Cyberia, занимающий 204 квадратных метра в НИИ ПММ, тестирует спутники и создает подробные модели головного мозга.
Суперкомпьютер – это большое количество высокопроизводительных серверов, объединенных в кластер. Задача, которая поступает на суперкомпьютер, делится между его составляющими и, таким образом, решается в сотни раз быстрее. За несколько дней работы он может выдать результат того, что обычный компьютер считал бы годы.
Вся современная наука делается на суперкомпьютерах: ученые создают новые материалы, ищут лекарства, предсказывают землетрясения и моделируют полеты космических тел. И не только наука – знаменитые 3D-фильмы «Аватар» и «Жизнь Пи» авторы «нарисовали» с помощью суперкомпьютеров.
Моделирование – основная работа супервычислительной техники. Прежде чем создать что-то новое, ученые «представляют» это в виде модели, которую разрабатывает суперкомпьютер, решая уравнения математической физики. Прогнозируют всю «жизнь» предмета, каждую наносекунду, начиная от его появления до утилизации.
– Если мы хотим полететь в космос, создать новое лекарство, придумать новый материал, нужно сначала разработать модель этого. Если при моделировании на каком-то этапе что-то пошло не так, мы меняем параметры, начинаем считать заново, – объясняет директор суперкомпьютерного центра Сергей Орлов. – И таких операций – сотни тысяч.
Суперкомпьютер СКИФ Cyberia одновременно считает десятки, а то и сотни проектов, которые ведут студенты и ученые ТГУ и других научно-исследовательских организаций. О некоторых из работ мы расскажем подробнее.

Полеты в космос
Каждую ночь мы видим в небе спутники. Каждую минуту можем получить прогноз погоды, узнать последние новости из телепередач или определить свое местонахождение с помощью устройств GPS. Над тем, чтобы мы могли это делать, работают тысячи людей и десятки научных организаций.
Создание спутника – довольно длительный и сложный процесс. Участие в этом принимают и ученые научно-исследовательского института прикладной математики и механики ТГУ. Они сотрудничают с ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева – организацией, которая выпускает сегодня две трети российских спутников.
В Центре проектирования НИИ ПММ моделируют процессы и элементы спутника: например, антенны, приборные отсеки, систему терморегулирования.
– Допустим, нужно проверить, будет ли функционировать в какой-то конкретный день, при каких-то определенных условиях система терморегулирования – для этого мы моделируем процесс: описываем его уравнениями, создаем расчетную модель и отправляем эти данные на суперкомпьютер, – объясняет профессор Владимир Бутов. – Это все надо сделать на Земле, до того, как спутник запустили на орбиту, – там с ключом не подъедешь, не поправишь, если что не так.
И так можно проверить будущую работу любого элемента или целого спутника или «протестировать» его при определенных условиях. В день весеннего равноденствия, например, спутник заходит за Землю и в течение 72 минут находится в полной темноте, а когда выходит – мгновенно оказывается освещенным Солнцем. Температура за секунду меняется от минус 120 до плюс 150 градусов. Спутник должен выдержать эти термические напряжения. Как проверить, сможет ли он это сделать? Создать математическую модель.
В НИИ ПММ работают и с другой «космической» организацией – НПО имени Лавочкина. В 2016-2017 годах НПО отправит на Луну два космических устройства: «Луна-Глоб», который будет вращаться вокруг спутника, и посадочный аппарат «Луна-Ресурс». Они исследуют космическое тело, его орбиту, грунт, плазменную и пылевую экзосферу, образующуюся при воздействии на поверхность Луны космических лучей, электромагнитных изучений и микрометеоритов. НИИ ПММ принимал участие в работе над «Луна-Ресурс», а именно – над процессом его посадки. На Луне, как известно, меньшее гравитационное притяжение, чем на Земле, а модуль прилуняется на достаточно большой скорости и должен точно сесть на «лапки», не перевернуться. Над этой работой в НИИ ПММ при помощи суперкомпьютера трудились несколько месяцев, сейчас все результаты уже сданы в НПО.

Медицина будущего
– Был у нас интересный проект с медицинским университетом по созданию системы построения трехмерных изображений, – рассказывает Сергей Орлов. – Суть его сводилась к следующему. Томограф сканирует часть тела, например, мозг, и передает данные на суперкомпьютер. Тот строит трехмерную картинку, которую пользователь – врач – может вращать, сканировать по слоям, находить проблемные места.
Когда мы встретились с доцентом СибГМУ Константином Бразовским, оказалось, что построение 3D-моделей на основе томографических данных – только малая часть того, что можно сделать. Общий смысл работы – в создании портала для медико-биологических исследований. Сегодня во многих лечебных учреждениях есть высокотехнологичное оборудование, которое получает медицинские изображения высокого качества. В том числе трехмерные томографические картинки с высоким пространственным разрешением. Но есть проблема – чтобы обработать такие изображения, нужно выполнить сложные вычисления.
– Пользователь заходит на этот портал, загружает свои данные, запускает определенную программу, и задача начинает решаться, – объясняет Константин Бразовский. – Фактически это инструмент для вычислений, на базе которого можно решать любые сложные задачи в области медицины и биологии, чтобы любой исследователь мог воспользоваться ресурсами суперкомпьютера.
При обработке изображений все происходит так, как объяснил Сергей: томограф сканирует, передает картинку на суперкомпьютер, и тот строит модель с субмиллиметровым разрешением. После этого с моделью можно работать, как с виртуальным анатомическим объектом, например, планировать сложные хирургические операции и обсуждать их с коллегами в режиме реального времени. Возможности портала могут использовать и молодые ученые для обработки данных медико-биологических исследований – часто у студентов и аспирантов не хватает для этого вычислительных ресурсов, а специальные программы стоят дорого.
Сейчас портал существует в виде пилотного проекта, работать с ним могут высококвалифицированные научные сотрудники. После решения ряда юридических и административных вопросов портал можно будет использовать и в практическом здравоохранении.
– В мире подобное есть у трех-четырех организаций, крупных международных консорциумов. Для России этот проект уникален, – отмечает Константин.

Марина Сенинг