Šiuolaikinė fizika – tai sudėtingas ir kompleksiškas mokslas, todėl tyrimai ir skaičiavimai čia paprasčiausiai neįmanomi be aukščiausio lygio įrangos. Vilniaus universitete (VU) veikiantis superkompiuteris – vienas galingiausių mokslinių įrenginių Lietuvoje, leidžiantis fizikos, chemijos ir kitų sričių tyrėjams spręsti uždavinius, kurių be tokios įrangos nebūtų įmanoma įveikti. Už jo veikimą atsakingas „HPC Saulėtekis“ centro vadovas, kvantinės chemijos tyrėjas, dirbantis su superkompiuteriais ir aktyviai populiarinantis kvantinę biologiją doc. Mindaugas Mačernis sako, kad ši sistema keičia ne tik patį mokslinį procesą, bet ir supratimą, ką turi gebėti šiuolaikiniai fizikai – tiek eksperimentatoriai, tiek teoretikai, tiek astrofizikai.

Nepalyginamai galingesnis už įprastus kompiuterius ar telefonus

VU superkompiuteris veikia Nacionalinio fizinių ir technologijos mokslų centro (NFTMC) pastate, kuriame įsikūrusios dvi institucijos – VU ir Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC). VU Fizikos fakulteto (FF) mokslinėse patalpose esantį įrenginį iš pradžių išgirsite, o tik tada pamatysite. Galingiausia šalyje skaičiavimo sistema stovi kruopščiai saugomame kambaryje, nuolat aušinama specialia skysčių sistema – be jos jis greitai perkaistų ir nebegalėtų būti naudojamas.

Kaip teigia FF Cheminės fizikos institute dirbantis vienas iš superkompiuterio architektų doc. M. Mačernis, superkompiuterio įdiegimas mokslininkų bendruomenei tapo neišvengiama būtinybe. Šiuolaikinėje kvantinėje chemijoje, norint nuveikti ką nors naujo ir įdomaus, būtini milžiniški skaičiavimo ištekliai.

„Todėl mums reikėjo sugalvoti, kaip susikurti savąjį įrenginį. Taip viskas ir prasidėjo. Iš pradžių turėjome tik vieną serverį. Po truputį mokėmės iš pasaulio patirties, kur kvantinės chemijos tyrėjai jau seniai dirba su galingais superkompiuteriais. Augome žingsnis po žingsnio – vis sudėtingesni uždaviniai, vis geresnė įranga, vis daugiau mūsų pačių kompetencijos“, – sako jis.

VU superkompiuterį galima vadinti tradicine skaičiavimo sistema. Pagal galingumą jis priskiriamas vidutinei kategorijai – jis maždaug 7 tūkstančius kartų atsilieka nuo galingiausio pasaulyje superkompiuterio. Vis dėlto toks vertinimas gana reliatyvus: jeigu palygintume jį su brangiausiu nešiojamuoju kompiuteriu, kurį galite įsigyti parduotuvėje, jis bus bent keliasdešimt ar net kelis šimtus kartų pajėgesnis. Tai reiškia, kad su juo skaičiavimai gali būti atliekami nepalyginamai greičiau ir daug didesnėmis apimtimis.

Svarbu suprasti, kokia reikšminga yra visų superkompiuterio elementų sąveika. Kvantinės chemijos ar molekulinės dinamikos skaičiavimams reikia didelio procesorių taktų dažnio, daug atminties, galimybės sujungti visus procesorius ir greitai įrašinėti duomenis į diskų sistemas. Jei tik kuris nors elementas bus lėtesnis, iškils problemų – uždaviniai gali tapti neišsprendžiami arba jų sprendimas smarkiai sulėtės“, – pasakoja doc. M. Mačernis.

Šiuolaikinis fizikas turi būti ir programuotojas

VU FF Cheminės fizikos institute superkompiuteriu naudojasi ne tik universiteto kolegos, bet ir mokslininkai iš visos Lietuvos. Dažniausiai juo sprendžiami kvantinės chemijos ir molekulinės dinamikos uždaviniai, bet savo kompetencijas reguliariai augina ir astrofizikai bei kitų sričių fizikai. Superkompiuteris taip pat naudojamas tarptautiniuose „Horizon“, „Eureka“ ir „DIGITAL“ projektuose.

Pašnekovas pabrėžia, kad tobulinant superkompiuterį labai svarbi buvo Švietimo, mokslo ir sporto ministerijos (ŠMSM) parama. Be jos Lietuvai būtų buvę daug sunkiau tapti EGI debesijos ir EuroHPC superkompiuterių infrastruktūros nare. Be to, kompetencijų centro (NCC Lithuania) plėtra Lietuva tapo pasaulinio lygio žaidėja skaičiavimų srityje.

Svarbu turėti omenyje tai, kad net ir tokia galinga sistema savaime naudos nesuteikia – ja dar reikia mokėti naudotis. Tą patį uždavinį superkompiuteris gali išspręsti tiek per parą, tiek per valandą – viskas priklauso nuo to, kaip mokslininkas jį suformuluos. Norint tinkamai išnaudoti jo atmintį, valdyti resursus ir gauti atsakymą operatyviai, būtinos specialios žinios ir įgūdžiai. Kitaip tariant, du sujungti kompiuteriai nebūtinai skaičiuos dukart greičiau – priešingai, jie gali būti net dukart lėtesni, ypač jei stokojama realios patirties ir remiamasi tik savo supratimu.

„Pavyzdžiui, tam, kad viskas veiktų taip, kaip turi veikti, programinis kodas negali turėti daugiau nei 1 proc. nelygiagretaus kodo. Tai reiškia, kad iš 100 eilučių vos viena gali būti skirta tik vienam konkrečiam procesoriui. Kitaip tariant, sklandžiam veikimui procesoriai tuo pačiu metu turi vykdyti tas pačias instrukcijas. Galite įsivaizduoti, kiek ilgai užtrunka pats uždavinio paruošimas ir koks jis yra svarbus. Tam reikia labai gerų programavimo įgūdžių“, – tikina vienas iš VU superkompiuterio architektų.

Anot VU FF mokslininko, tokių gebėjimų mokslininkams ateityje reikės vis daugiau. Jau dabar beveik kiekviena laboratorija stengiasi įsigyti bent minimalių gebėjimų superkompiuterio klasės serverį. Skaičiuojamoji fizika iš esmės jau tapo trečiąja šio mokslo šaka – greta teorinės ir eksperimentinės. Ji leidžia simuliuoti sudėtingas sistemas ir modeliuoti eksperimentus, kuriuos kitaip atlikti būtų praktiškai neįmanoma.

„Šioje srityje be kompiuterių dirbti būtų tiesiog neįmanoma, o tam, kad dirbtum efektyviai, turi mokėti derinti aparatūrą ir suprasti, kaip vyksta procesai tiek aparatinėje įrangoje, tiek programiniame lygmenyje. Kitaip tariant, tai labai kompleksinis uždavinys, kurį reikia spręsti vienu metu galvojant apie visus komponentus. O įsivaizduokit, kad tuo pat metu dar bandau perprasti ir kvantinės biologijos paslaptis…“, – sako doc. M. Mačernis.

Skaičiuojamąją fiziką ateityje į naują lygį turėtų pakelti kvantiniai kompiuteriai apie kuriuos diskutuojama jau daugybę metų. Nors universalus kvantinis kompiuteris vis dar atrodo gana tolima perspektyva, jo principai naudojami jau dabar – pavyzdžiui, finansų technologijose ar kriptografijoje. Visgi tikrasis proveržis būtų gebėjimas spręsti uždavinius, kurių šiuo metu negali išspręsti net superkompiuteriai. Beje, VU HPC „Saulėtekis“ superkompiuteriu galima modeliuoti idealią iki 40 kubitų kvantinę sistemą.

„Garsusis Richardas Feynmanas neatsitiktinai ragino kvantinius uždavinius spręsti su kvantiniais kompiuteriais. Tiesa, kol kas turime tik idėjas ir užuomazgas, kaip galima rašyti tokius algoritmus, tačiau fizikai jau gali nagrinėti tokius kvantinius reiškinius kaip superpozicija ar kvantinis susietumas. Faktas tas, kad pats principas veikia ir gali būti panaudotas. Dabar tai jau tik laiko klausimas, kada surasime tinkamas technologijas“, – įsitikinęs VU FF mokslininkas.