Современная наука и инженерия все чаще сталкиваются со сложными нелинейными (хаотическими) динамическими системами, поведение которых не всегда поддается интуитивному прогнозированию. В отличие от простых процессов, где небольшое изменение условий вызывает столь же небольшое изменение результата, в нелинейных системах даже незначительное воздействие может привести к резкой смене режима работы или совершенно иному сценарию развития событий. Именно поэтому такие системы способны демонстрировать сложные колебания и другие эффекты, которые на первый взгляд кажутся случайными, хотя подчиняются строгим математическим законам.
Подобные явления встречаются в самых разных областях – от климатических процессов и движения космических объектов до работы электронных схем, лазеров, нейронных сетей и биологических систем. Исследование их поведения необходимо для создания новых электронных устройств, повышения надежности технических систем и понимания фундаментальных природных процессов. Однако анализ таких моделей требует выполнения огромного количества вычислений и использования специализированных инструментов. Не меньшую роль играет опыт и научная интуиция самого исследователя: для поиска интересных режимов необходимо грамотно выбирать параметры модели, интерпретировать фазовые портреты и бифуркационные диаграммы, а также понимать, какие изменения могут привести к качественно новому поведению системы.
Существующие программные средства, как правило, ориентированы на проведение длительных численных расчетов и последующий анализ уже полученных данных. Однако при исследовании сложных нелинейных систем ученому зачастую необходимо в режиме реального времени изменять параметры модели, наблюдать, как меняется ее поведение, и сразу проверять новые гипотезы. Именно для решения этой задачи в Лаборатории нелинейной динамики и нейроморфных систем Молодежного НИИ (МолНИИ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» разработали интерактивный программный комплекс CUDAynamics, объединяющий высокопроизводительные GPU-вычисления с инструментами визуального анализа нелинейной динамики.
Старший научный сотрудник МолНИИ, доцент кафедры систем автоматизированного проектирования (САПР) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Валерий Юрьевич Островский:
Для решения обозначенной проблемы мы разработали и успешно испытали интерактивную программу CUDAynamics – инструмент, обеспечивающий «замкнутый цикл» между расчетом и анализом нелинейных динамических систем. Ключевое достижение – интеграция массово-параллельных расчетов с интерфейсом немедленного режима, позволяющим исследователю менять параметры модели, численный метод и условия симуляции «на лету», наблюдая за откликом системы в фазовом пространстве и на параметрических диаграммах в реальном времени.
CUDAynamics является модульной структурой, где вычислительное ядро на C++/CUDA выполняет параллельный расчет тысяч траекторий с разными начальными условиями или параметрами, а CPU-часть обеспечивает интерактивный интерфейс на базе библиотек Dear ImGui/ImPlot и визуализацию результатов. В среду включены более 30 известных моделей нелинейной динамики и нейроморфных систем, реализованных несколькими численными методами интегрирования (от явного Эйлера до метода Дорманда-Принса 8-го порядка).
В качестве демонстрации возможностей программного обеспечения ученые ЛЭТИ успешно провели детальный анализ перспективной модели электронного элемента, сочетающего свойства сверхпроводящего контакта Джозефсона и мемристора. Результаты исследований опубликованы в научном журнале Chaos, Solitons & Fractals.
Валерий Юрьевич Островский:
Разработанная среда способна ускорить проектирование мемристивных нейронов и синапсов для энергоэффективных систем искусственного интеллекта, позволяя исследовать их динамику в режимах, близких к биологическим прототипам. Кроме того, интерактивный интерфейс CUDAynamics снижает порог входа в исследование сложной нелинейной динамики, делая передовые вычислительные методы доступными для студентов и исследователей без глубоких знаний в области параллельного программирования.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-79-10151) «Методы и средства автоматизации исследовательского проектирования мемристивных систем».
Источник: Минобрнауки России
