Физики из МГУ научили «персоналку» решать сложные задачи в десятки раз быстрее суперкомпьютеров

Старшие научные сотрудники Владимир Померанцев и Ольга Рубцова, работающие под руководством профессора Владимира Кукулина (НИИЯФ МГУ имени М.В.Ломоносова) сумели применить персональный компьютер с графическим процессором для решения сложнейших уравнений квантовой механики — ранее для этого использовались только мощные и дорогие суперкомпьютеры. По словам Владимира Кукулина, персональный компьютер справляется с задачей в разы быстрее: за 15 минут он выполняет работу, на которую суперкомпьютер тратит 2-3 дня.

«Мы добились скорости, которая и присниться не может, — рассказал Владимир Кукулин. – Программа работает так, что 260 миллионов сложных двойных интегралов на настольном компьютере она считает за три секунды. И никакого сравнения с суперкомпьютерами! Мой коллега из Бохумского университета в Германии (к сожалению, недавно скончавшийся), лаборатория которого занималась тем же, проводил расчеты с помощью одного из самых больших суперкомпьютеров Германии с известной архитектурой BLUE GENE, что на самом деле очень дорогое удовольствие. И то, чего его группа добивается за двое-трое суток, мы делаем за 15 минут, не потратив ни копейки».

Самое удивительное заключается в том, что и графические процессоры нужного качества, и огромное количество программного обеспечения к ним существуют уже десять лет , но на Западе никто не использовал их для таких расчетов, отдавая предпочтение суперкомпьютерам. Так или иначе, наши физики сумели изрядно удивить своих западных коллег.

«Эта работа, на наш взгляд, открывает совершенно новые пути в анализе ядерных и резонансных химических реакций, — говорит Владимир Кукулин. — Она также может оказаться очень полезной для решения большого числа вычислительных задач в физике плазмы, электродинамике, геофизике, медицине и множестве других областей науки. Мы хотим организовать что-то наподобие учебных курсов, где исследователи самых разных научных направлений из периферийных университетов, не имеющие доступа к суперкомпьютерам, смогли бы научиться делать на своих «персоналках» то же самое, что делаем мы».

Уравнения, о которых идет речь, были сформулированы еще в 60-х годах прошлого века российским математиком Людвигом Фаддеевым. Уравнения описывали процесс рассеяния нескольких квантовых частиц, то есть представляли собой некий квантовомеханический аналог ньютоновой теории трех тел. В результате быстро возникла целая область квантовой механики под названием "физика малочастичных систем".

Эта область представляет огромный интерес для ученых, занимающихся квантовой механикой и теорией рассеяния. Главной их целью в течении нескольких десятилетий после пионерской работы Фаддеева было научиться решать эти уравнения. Однако из-за своей невероятной сложности для расчета уравнения в случае полностью реалистических взаимодействий между частицами системы долгое время не поддавались исследователям — до тех пор, пока не появились суперкомпьютеры.

Ситуация резко изменилась после того, как группа из НИИЯФ МГУ решила использовать в своем персональном компьютере один из новых графических процессоров корпорации Nvidia, разработанный для работы в игровых приставках. Как утверждает первый автор статьи Владимир Кукулин, заведующий лабораторией теории атомного ядра, процессор был не самый дорогой — из тех, что можно купить в магазине за 300-500 долларов.

Главной проблемой при решении уравнений рассеяния для нескольких квантовых частиц было вычисление интегрального "ядра" – громадной двумерной таблицы, состоящей из десятков и сотен тысяч строк и столбцов, причем каждый элемент такой огромной матрицы был результатом очень сложных вычислений. Но эта таблица представляла собой как бы экран с десятками миллиардов пикселей, и с помощью хорошего графического процессора ее вполне можно было построить. Воспользовавшись софтом, разработанным в Nvidia, и написав собственные программы, ученые разбили свои вычисления на много тысяч потоков и смогли блистательно разрешить задачу.