Мероприятие 7.2.1. Выполнение научных исследований и практических работ

В 2013 г. проект ННГУ «Суперкомпьютерные технологии в нелинейной оптике, физике плазмы и астрофизике» вошел в число победителей третьего открытого конкурса на получение грантов Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих учёных в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования, научных учреждениях государственных академий наук и государственных научных центрах Российской Федерации. Конкурс проводился в рамках постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 220.

Проект выполняется на кафедре электродинамики радиофизического факультета (заведующий кафедрой профессор Кудрин Александр Владимирович) под руководством ведущего ученого, профессора Университета Дюссельдорфа Пухова Александра Михайловича. Для выполнения проекта создана учебно-научная лаборатория суперкомпьютерных технологий в нелинейной оптике, физике плазмы и астрофизике в качестве структурного подразделения радиофизического факультета в составе научно-исследовательской части ННГУ. Целью работы лаборатории определено проведение комплексных научных исследований в области разработки и внедрения суперкомпьютерных технологий для решения широкого круга актуальных фундаментальных и прикладных проблем нелинейной оптики, физики плазмы и астрофизики.

Основными задачами данного проекта являются разработка вычислительных программных комплексов, численных моделей и алгоритмов для моделирования с использованием суперкомпьютерных технологий нелинейно-оптических, плазменных и астрофизических процессов и явлений, характеризуемых высокой плотностью электромагнитной энергии, включая: 1) взаимодействие ионизирующих ультракоротких лазерных импульсов с различными средами; 2) радиационные и квантовые процессы в экстремально сильных электромагнитных полях; 3) формирование лазерно-плазменных источников электромагнитного излучения в труднодоступных спектральных диапазонах; 4) ускорение заряженных частиц в плазме; 5) быстрый поджиг в инерциальном термоядерном синтезе; 6) нелинейно-оптические процессы в наноструктурных материалах; 7) динамика плазмы и излучения вблизи нейтронных звезд; 8) ускорение частиц в активных ядрах галактик, микроквазарах и источниках гамма-всплесков.

Кроме того, в рамках мероприятия 7.2.1. выполняются научные и прикладные исследования по следующим направлениям.

1. Суперкомпьютерные вычисления в задачах глобальной оптимизации (руководители — проф. Стронгин Р.Г., проф. Гергель В.П.).
2. Топологический синтез многослойных сверхбольших интегральных схем с использованием высокопроизводительных вычислений (руководитель — проф. Прилуцкий М.Х.).
3. Многомасштабное моделирование лазерной плазмы с использованием высокопроизводительных вычислений (руководители — доц. Мееров И.Б., к.ф.-м.н. Гоносков А.А., ИПФ РАН).
4. Разработка высокопроизводительных технологий моделирования электронных состояний в наномасштабных полупроводниках и квантовых устройствах на их основе (руководитель — проф. Сатанин А.М.).
5. Исследования в области системной медицины для поиска и разработки новых высокопроизводительных вычислительных технологий для приложений в биоиндустрии, ранней диагностики и терапии (руководитель — проф. Иванченко М.В.).
6. Суперкомпьютерное моделирование сердечной активности (руководитель — проф. Осипов Г.В.)
7. Высокопроизводительное трехмерное моделирование и научная визуализация (руководитель – проф. Турлапов В.Е.)
8. Суперкомпьютерные технологии вычислительного эксперимента при проектировании амфибийных скоростных судов (руководитель – проф., вед.н.с. Шабаров В.В.).
9. Высокопроизводительные вычисления при исследованиях в области современных мобильных систем сотовой связи (руководитель – проф. Мальцев А.А.).
10. Суперкомпьютерное моделирование плазменных процессов и явлений в интенсивных электромагнитных полях (руководитель – проф. Кудрин А.В.).
11. Проектирование радиционно-стойких полупроводниковых приборов и мощных субтерагерцовых источников электромагнитного излучения с использованием высокопроизводительных вычислений (руководитель – проф. Оболенский С.В.).
12. Компьютерная технология прочностных расчетов сложных технических аппаратов при многофакторных воздействиях на многопроцессорных вычислительных системах (руководитель – проф. Абросимов Н.А.).
13. Высокопроизводительные вычисления в задачах моделирования нелинейной динамики сложных осцилляторных систем и сред системах (руководитель – проф. Матросов В.В.).

Среди значимых результатов выполнения научных и прикладных работ можно выделить:

• Разработана высокомасштабируемая схема параллельных вычислений, обеспечивающая эффективное использование суперкомпьютерных систем нового – экзафлопсного – уровня производительности при решении масштабных задач глобальной оптимизации.
• Разработан метод моделирования роста наночастиц кремния и золота в диоксидной матрице на системах с графическими ускорителями. Изучена зависимость времени работы параллельного GPU-алгоритма на конфигурации из 4 млн. атомов (40% кремний, 40% кислород, 20% золото) в зависимости от числа используемых графических процессоров. В запуске с максимальным количеством узлов (128) вычисления производились на 57344 графических ядрах с суммарной производительностью 164,9 TFlops.
• Разработаны модели, алгоритмы и программное обеспечение для моделирования динамики двух квантовых частиц, взаимодействующих на пространственно-неоднородных одномерных решетках, в том числе, реализованы быстрые симплектические интеграторы. В систематических численных экспериментах с использованием высокопроизводительных кластерных систем впервые достигнуты сверхбольшие пространственные и временные масштабы (порядка 10⁴ узлов решетки, порядка 10⁷ шагов интегрирования, порядка 10⁴ численных экспериментов, каждый из которых содержал порядка 10¹⁶ операций с плавающей точкой). Было показано, что в режиме слабого пространственного беспорядка, соответствующем одночастичной андерсоновской локализации, взаимодействие между частицами разрушает локализацию и приводит к субдиффузионному расплыванию изначально локализованного волнового пакета.
• Разработана одна из первых в мире реализаций программного обеспечения, оптимизированных для нового сопроцессора Intel Xeon Phi. Первые результаты представлены на международной конференции International Conference on Numerical Simulation of Plasmas (Пекин, Китай, август 2013г., invited presentation).
• Разработаны компоненты программного комплекса для трехмерного моделирования процесса в живых системах, в том числе, в сердечной мышце.  Данный комплекс  можно  использовать  в  научных  исследованиях  для  проведения крупномасштабных  вычислительных  экспериментов  по  анализу  пространственно-временной  динамики как в  сердце, так  и в отдельных частях мозга.  Комплекс  позволяет  рассчитывать  как  текущее  состояние сердечной  активности,  его  эволюцию,  так  и  интегральные  характеристики,  например,  виртуальную  электрокардиограмму (ВЭКГ).
• Разработан алгоритм реализации поглощающих граничных слоев для численного моделирования динамики волновой функции электрона в открытой расчетной области при решении задач отыскания нелинейного поляризационного отклика атома на воздействие интенсивного электромагнитного поля. С использованием этого алгоритма созданы вычислительные программы для расчёта на основе квантовомеханических подходов поляризационных токов, наводимых ионизирующими лазерными импульсами, и выполнены полномасштабные численные расчеты процессов ионизации атомов и генерации поляризационных токов при взаимодействии интенсивных предельно коротких лазерных импульсов с различными газами.
• Разработан алгоритм моделирования дозовых эффектов в радиационного поражения МДП полевых транзисторов – элементов цифровых интегральных схем на объемном кремнии и структурах типа «кремний на сапфире» (КНС)

и др.

Ежегодно в рамках работ по мероприятию 7.2.1 публикуется более 30 статей, индексируемых в базах Web of Science и Scopus.