В Сарове создают миди-сайенс-лаборатории и мегасайенс-установки мирового уровня.
Стартовавший пять лет назад федеральный проект «Создание Национального центра физики и математики» объединил более 70 научных и научно-образовательных центров страны. В нем участвуют: Минобрнауки РФ, гос-корпорация «Росатом», Российская академия наук (РАН), МГУ им. М.В.Ломоносова, НИЦ «Курчатовский институт», Объединенный институт ядерных исследований, Российский федеральный ядерный центр «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (РФЯЦ - ВНИИЭФ). Определено, что территориально центр расположится в Сарове, вблизи РФЯЦ - ВНИИЭФ, сильного научного центра с известными научными школами в области физики и математики.
Основные цели Национального центра физики и математики (НЦФМ) - укрепление технологического суверенитета и обороноспособности страны, генерация принципиально новых знаний, развитие уникальных экспериментов для проверки теоретических концепций современной науки, а также воспитание нового поколения научно-технологических лидеров.
Недавно в Росатоме прошла стратегическая сессия, на которой подводились итоги пятилетней работы НЦФМ и обсуждались планы дальнейшего развития.
Первая пятилетка
Научная программа НЦФМ, стартовавшая в 2021 году, сегодня включает в себя 11 направлений, среди которых: «Математическое моделирование на супер-ЭВМ экса- и зеттафлопсной производительности», «Газодинамика и физика взрыва», «Физика высоких плотностей энергии», «Ядерная и радиационная физика», «Цифровое материаловедение» и др.
Среди достижений центра - создание демонстрационного образца аналогового фотонного вычислительного устройства с рекордной производительностью обработки входящего видеопотока 1017 бит в секунду; не имеющая аналогов адаптивная оптическая система, позволяющая достичь рекордного быстродействия - свыше 2 кГц; уникальная установка мирового уровня для исследований в сверхсильных магнитных полях. Создана и испытана отечественная технология метеоустойчивой лазерной связи в среднем инфракрасном диапазоне, не имеющая аналогов в России. Кроме того, ученые кооперации НЦФМ вплотную подошли к созданию суперточных ядерных часов. И это далеко не все.
Как подчеркнул научный руководитель НЦФМ академик Александр Сергеев, результаты исследований уже внедряются в проекты Росатома. Вот только некоторые из них: «Цифровой профиль здоровья» для атомных городов; система автономной навигации космических аппаратов по рентгеновским пульсарам; лунная электростанция на основе ядерной энергетической установки; технологии искусственного интеллекта (ИИ) для научных исследований, включая проектирование экспериментов и обработку результатов, полученных с использованием научной инфраструктуры НЦФМ.
Поблизости от РФЯЦ - ВНИИЭФ в Сарове в 2021 году вырос филиал МГУ им. М.В.Ломоносова - МГУ Саров. Это настоящая кузница научных кадров с прекрасными условиями для учебы и исследовательской работы студентов, аспирантов и преподавателей. И рядом идет большое строительство лабораторий и корпусов НЦФМ.
На площадке центра с 2022 года проведено более 30 всероссийских и международных школ по научным направлениям НЦФМ, в которых приняли участие более трех тысяч человек. Фото предоставлено пресс-службой НЦФМ
За последние три года в рамках центра созданы 18 молодежных лабораторий. Пока что они работают на базе входящих в НЦФМ организаций. Но собранная кооперация научно-исследовательских структур из Москвы, Таганрога, Новосибирска, Нижнего Новгорода и других городов уже решает общие научные задачи. Планируется, что со временем эти исследования продолжатся в новых корпусах НЦФМ, где будут созданы семь миди-сайенс-лабораторий.
До 2030 года главный приоритет для центра - разработка и создание трех масштабных научных установок класса мегасайенс: мощной гибридной вычислительной системы с фотонным ускорителем, центра изучения экстремальных световых полей на базе лазерного комплекса эксаваттного класса (XCELS) и источника комптоновского излучения.
– Мы планируем ввести в строй первую очередь источника квазимонохроматического гамма-излучения на основе обратного комптоновского эффекта и начать экспериментальные исследования по проблемам ядерной фотоники. Нам также важно достичь производительности гибридной оптоэлектронной вычислительной системы на базе оптических сопроцессоров не менее 1021 операции в секунду. Помимо этого, мы должны обеспечить уникальные научные лаборатории НЦФМ всем необходимым оборудованием. И сделать это к 2027 году, когда завершится строительство Центра коллективного пользования, чтобы после этого можно было начать в НЦФМ полномасштабную научную деятельность, - подчеркнул А.Сергеев.
ИИ и зоопарк суперкомпьютеров
Академик РАН Игорь Каляев и член-корреспондент РАН Вячеслав Соловьев - сопредседатели научного направления НЦФМ «Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах». В его рамках развиваются три больших проекта.
Первый - создание нейроморфной элементной базы, имитирующей принципы обработки информации, присущие человеческому мозгу, на основе мемристорных структур.
– Мемристор - сопротивление с эффектом памяти, его функционирование напоминает работу синапсов нейронов мозга человека. С использованием мемристоров можно строить различные нейросетевые вычислительные системы, в том числе спайковые нейросети, - поясняет И.Каляев.
Головная организация в этом проекте - Нижегородский государственный университет (ННГУ) им. Н.И.Лобачевского. Уже созданы макеты такой элементной базы на базе мемристорных структур. Использованы технологии нижегородского НИИ измерительных систем им. Ю.Е.Седакова, филиала РФЯЦ - ВНИИЭФ. Нейроморфные микросхемы и вычислители на их основе обладают целым рядом преимуществ, в первую очередь для решения задач ИИ. В планах - к 2030 году выйти на их серийное производство.
Второй проект связан с разработкой технологий предиктивного моделирования для прогноза состояния и возможных неисправностей сложных технических объектов, прежде всего Росатома: токамаков, мощных лазерных установок и т. д.
Третий - применение технологий ИИ для профилактической медицины, здоровьесбережения - идет в тесном взаимодействии с ФМБА. Отдельный проект - оценка психоэмоционального состояния сетевых сообществ моногородов Рос-атома, таких как Саров, Удомля, Снежинск, с целью помочь администрациям этих моногородов правильно оценивать эффективность своих действий и решений с точки зрения жителей и в случае необходимости корректировать их.
Кроме того, академик И.Каляев вместе с членом-корреспондентом РАН Рашитом Шагалиевым - сопредседатели направления НЦФМ «Национальный центр исследования архитектуры суперкомпьютеров».
По словам И.Каляева, на базе НЦФМ в Сарове планируется создание так называемого зоопарка суперкомпьютеров с различной архитектурой, которые имеют различную производительность при решении одних и тех же задач.
Поэтому целесообразно иметь гетерогенную вычислительную среду, включающую в свой состав суперкомпьютеры (СК) различных типов и архитектур. А чтобы такая вычислительная среда эффективно работала, нужен «интеллектуальный диспетчер» - это программные средства, с помощью которых осуществляется распределение поступающих прикладных задач на те или иные суперкомпьютеры гетерогенной вычислительной среды в зависимости от того, на каком из них данная задача будет решаться наиболее эффективным образом. Иными словами, «интеллектуальный диспетчер» должен уметь оценивать, какая задача и на каком СК будет в данный момент решаться лучше всего на основе технологий ИИ.
Пригодится для «Ионосферы-М»
Это направление работы НЦФМ - «Экспериментальная лабораторная астрофизика и геофизика» (ЭЛАГ) - казалось бы, космически далеко от жизненных потребностей человека. Однако и оно решает вполне практические задачи.
– Из 11 направлений, которые развиваются на базе НЦФМ, наше, пожалуй, - одно из самых фундаментальных, - отметил сопредседатель направления академик РАН Лев Зеленый, научный руководитель Института космических исследований (ИКИ). - По его тематике работают более десяти научных центров из разных городов страны, и у каждого свои достижения.
На недавней конференции в ИКИ корреспондент «Поиска» познакомился с представителями этих организаций.
Михаил Викторов, старший научный сотрудник Института прикладной физики (ИПФ) им. А.В.Гапонова-Грехова РАН в Нижнем Новгороде, декан факультета «Высшая школа общей и прикладной физики» ННГУ им. Н.И.Лобачевского, возглавляет миди-сайенс-лабораторию моделирования плазменных геофизических и астрофизических явлений. По его словам, в научной программе ЭЛАГ задействованы все ведущие ученые, которые занимаются в стране лабораторным моделированием ближнего и дальнего космоса. «Важно понять, какие задачи, связанные с функционированием в космосе как аппаратуры, так и живых организмов, мы можем решить на Земле с помощью лабораторного моделирования. В лаборатории развиваются три направления: пылевая плазма, биофизика, экспериментальная физика плазмы. Все они связаны с научным сопровождением пилотируемой и автоматической космонавтики», - отметил М.Викторов.
– Мы занимаемся моделированием явлений в атмосфере и ионосфере Земли на крупномасштабных лабораторных установках с объемом камер в десятки кубических метров. Моделируем высоковольтные разряды молний и разряды, которые происходят в верхней атмосфере, мезосфере например, джеты и спрайты. Надеемся, то, что сейчас исследуется в лабораториях, пригодится в новых космических миссиях, таких как недавно запущенная группировка «Ионосфера-М». Польза лабораторного подхода очевидна. При этом мы не теряем связи с конкретной инструментальной космической наукой, - подчеркнул завлабораторией ИПФ РАН, заместитель директора Научно-исследовательского радиофизического института ННГУ Михаил Гущин.
Совместная работа с плазменными установками способствовала более тесной кооперации нескольких институтов. Целый куст диагностик, методик, подходов апробируется сразу в нескольких ситуациях при протекании сходных явлений в различных диапазонах физических параметров.
Как отметил М.Гущин, это хорошая, по-научному говоря, верификация, которая способствует развитию и передаче знаний. Ученые многому учатся друг у друга, особенно молодежь. «До НЦФМ попытки такой интеграции были, но с весьма туманными перспективами. И только в рамках центра фактически удалось наладить кооперацию, нарушенную еще с советских времен», - подчеркнул главный научный сотрудник завотделом лазерной плазмы Института лазерной физики СО РАН (Новосибирск) Ильдар Шайхисламов. Это, по его словам, способствует генерации новых идей.
Кроме того, лабораторные эксперименты важны с практической точки зрения, например, для создания прогнозных моделей явлений в ионосфере и магнитосфере. Такая задача стоит перед РФЯЦ - ВНИИЭФ, где для развития этого направления используют результаты, полученные сибиряками.
Попытки точно воспроизвести в лаборатории какое-то космическое явление - вчерашний день, считает М.Гущин. Сейчас моделирование проводится на другом уровне. Теоретики разрабатывают физико-математические модели достаточно сложных процессов в космосе, и важно понять, насколько эти модели адекватны, работают ли на практике. Иными словами, определить, могут ли они что-то объяснять и предсказывать.
– Нормально проверить это, по сути, можно только на лабораторных данных, потому что в космосе условия плохо контролируются и не могут быть «заданы руками». Именно поэтому современный тренд - валидация расчетных моделей на лабораторных данных. А для этого нужны данные очень высокого качества, чего мы и добиваемся в рамках НЦФМ, - подчеркнул М.Гущин.
Нетронутое поле
В молодежной лаборатории ЭЛАГ проводятся прорывные исследования по биофизике. В ННГУ и ИПФ РАН построено несколько уникальных установок, позволяющих моделировать воздействие на растения экстремальных условий космического пространства, прежде всего облучения и отсутствия магнитного поля. Молодые ученые под руководством младшего научного сотрудника Марины Гринберг изучают не только результаты воздействия, но и пытаются определить его механизм.
– В мировой науке тут пока нетронутое поле, устоявшихся гипотез и теорий на этот счет нет. А в нашей коллаборации есть уникальная экспертиза в части диагностики состояний живых организмов, клеток. И есть уникальные люди и уникальное оборудование, - отметил М.Викторов.
Одно из самых актуальных направлений сегодня связано с изучением лунной пыли. Размеры лунных микрочастиц - от единиц нанометров до сотни микрон, они острые по краям, а при отрыве от поверхности Луны еще и вращаются, проникая повсюду. Защититься от них полностью невозможно, поэтому стоит задача минимизировать их воздействие на технику и людей.
Исследования лунной пыли ведут все державы, планирующие изучение и полеты на Луну. Есть такие планы и в Роскосмосе, поскольку в России планируется большая лунная программа.
В рамках НЦФМ лунную пыль изучают в ИКИ и ИПФ РАН. Как рассказал главный научный сотрудник ИКИ Александр Захаров, в лабораторных установках на образец материала, имитирующего лунную пыль, оказывается воздействие электрическим полем, ультрафиолетом, электронами, ионами, его помещают в плазму и смотрят, как он себя ведет. На следующем этапе планируется работа над созданием уже конкретных инженерных систем защиты космических аппаратов от воздействия лунной пыли.
По теории подобия
Кроме экспериментальных в ЭЛАГ есть и теоретические направления, мостиком к которым является численное моделирование. Его используют в физике плазмы и астрофизике. Прежде всего в изучении генерации джетов - струйных выбросов, истечений вещества из молодых звезд, активных ядер галактик. Диаметр таких струй на несколько порядков меньше, чем их длина. Вопрос, почему они имеют такую форму, пока открыт.
– Протяженность астрофизических джетов может составлять сотни килопарсек - это очень много. Но их можно экспериментально смоделировать в лабораторном эксперименте и получить джеты настольного масштаба, после чего, используя теорию подобия и соответствующее масштабирование, сопоставить результаты астрономических наблюдений, численных и лабораторных экспериментов, - рассказал ведущий научный сотрудник ИКИ Сергей Моисеенко.
Татьяна УШАНОВА
Обложка: соленоид для создания магнитного поля в плазменной камере стенда «Крот», в которой моделируется динамика потоков плазмы в околоземном космическом пространстве и в астрофизических объектах. Фото Михаила Гущина
