Лаборатория вычислительной физики

Лаборатория вычислительной физики

Зав. лабораторией канд. физ.-мат. наук Николай Иванович Горбенко, эл. адрес: nikolay.gorbenko@sscc.ru. В составе лаборатории 4 кандидата и 4 доктора наук, 3 молодых научных сотрудника.

От лаборатории автоматизации построения алгоритмов – к вычислительной физике

Лаборатория вычислительной физики получила современное название в 90-е годы по предложению Бориса Григорьевича Михайленко, бывшего тогда директором ИВМиМГ СО РАН. До этого она имела длинную и успешную историю как лаборатория автоматизации построения алгоритмов, которой ее молодые сотрудники дали ласковую аббревиатуру ЛАПА. Ее крестным отцом был Гурий Иванович Марчук, подчеркивавший, что такой лаборатории нет нигде в мире. Она была создана на заре ВЦ СО АН СССР в 1967 г., а ее первым заведующим стал Владислав Леонидович Катков, незадолго до этого защитивший кандидатскую диссертацию, посвященную, что может показаться удивительным, искусственному интеллекту, точнее, системе КИНО (координаты инфинитезимального оператора), реализующей идеи будущего академика Льва Васильевича Овсянникова – соратника основателя СО АН СССР Михаила Алексеевича Лаврентьева. ЛАПА входила в состав возглавляемого Андреем Петровичем Ершовым отдела программирования, и его сотрудники активно дискутировали на тему: как системные программисты могут помочь прикладным математикам решать большие практические задачи. Это было время зарождения технологий пакетов прикладных программ (ППП), впоследствии продвинутых Николаем Николаевичем Яненко и его учениками.

В 1968 г. В. А. Катков был назначен директором созданного Новосибирского филиала института точной механики и вычислительной техники, Гурий Иванович предложил возглавить лабораторию Валерию Павловичу Ильину, только что защитившему диссертацию по методам расчета электронно-оптических систем. Первыми сотрудниками нового состава ЛАПА были выпускники НГУ Евгения Ицкович, Борис Голубцов и Виктор Свешников, являвшиеся первопроходцами математического и программного обеспечения для моделирования электрофизических процессов в СВЧ-электронике и смежных областях, зачастую имеющих оборонное значение. Лаборатория быстро укреплялась количественно и качественно: Николай Горбенко, Михаил Урев, Анатолий Урванцев, Валентин Иванов, Валерий Карначук, Александр Гаврилин, Владимир Катешов, Евгений Рапоцевич, Александр Кузнецов, братья Сергей и Игорь Кузнецовы, Светлана Петрова (Гололобова), Галина Перекрестова (Куклина), Галина Попова, Людмила Голубева – составили первую волну быстро развивавшегося коллектива.

Основное содержание работ сотрудников заключалось в разработке алгоритмов и программ расчета многомерных электрических и/или магнитных полей, электронных и ионных пучков, возникающих в электронных устройствах, разрабатываемых многочисленными предприятиями-заказчиками из различных министерств и ведомств. Массовые расчеты на вычислительных системах типа М-220 и БЭСМ-6 требовали значительного искусства и энтузиазма в условиях постоянного дефицита машинного времени. Сотрудниками лаборатории было создано семейство ППП для моделирования вакуумных и полупроводниковых устройств, которые активно внедрялись в Москве, Ленинграде, Киеве, Алма-Ате, Ташкенте, Томске и других городах.

Сотрудниками лаборатории активно проводились исследования в области методов решения дифференциальных и интегральных уравнений, вычислительной алгебры, вычислительной электрофизики, технологий прикладного программирования. Результаты докладывались на конференциях, публиковались в статьях и монографиях, регулярно защищались в диссертациях. Следует отметить методологическое значение совместных работ В. П. Ильина и А. П. Ершовым в 1975 г. по технологии решения больших задач, с Г. И. Марчуком по распараллеливанию алгоритмов (результат докладывался в 1980 г. на конгрессе IFIP в Токио), с Н. Н. Яненко и В. П. Шапеева по оптимизации методов аппроксимации краевых задач (публикация в Докладах РАН в 1980 г.). Большой успех был достигнут В. А. Катешовым и М. В. Уревым совместно с В. П. Ильиным в задаче оптимизации характеристик приборов ночного видения: в результате многосуточных численных экспериментов на М-220 была решена с высокой точностью сложнейшая обратная задача, а результаты расчетов подтвердились на новых приборах. Разработанные методы были опубликованы в монографии, переведенной на английский язык в 1991 г. Заметным событием в конце 1980-х годов стали защиты кандидатских диссертаций Валентиной Алеевой и Игорем Кузнецовым по распараллеливанию алгоритмов на отечественной многопроцессорной ЭВМ ПС-2000, сделанной в Донецке, возможно, это были первые защиты по данной тематике в стране.

Фундаментальные исследования в ЛВФ успешно сочетаются с договорными работами (Газпромнефть, ВНИЭФ) и грантами РНФ, осуществляется сотрудничество с ИЯФ и ИАЭ СО РАН. Ряд сотрудников имеет опыт работы в таких крупных IT-компаниях, как Интел (США) и Хуайвей (Китай).

Ведущие сотрудники читают лекции и спецкурсы в НГУ, ведут семинарские занятия и обучающие проекты.

Научные исследования в традиционных для лаборатории направлениях вычислительной физики сейчас ведутся под руководством д-ра физ.-мат. наук В. М. Свешникова, в 2023 г. в соавторстве с В. А. Сыровым и своим учеником А. Н. Козыревым опубликовавшим монографию "Аналитическое и численное моделирования интенсивных пучков заряженных частиц".  

Разрабатываемый здесь комплекс математического и программного обеспечения (ППК ЭРА 3Д) по моделированию плотных пучков заряженных частиц в экстремальных полях является перспективным инструментом для работ по платформе ЦКП "СКИФ".

Группа под руководством В. П. Ильина (Я. Л. Гурьева, А. В. Петухов, Г. А. Омарова и другие) в течении более чем 10 лет ведет исследования по вычислительным методам и технологиям решения систем линейных алгебраических уравнений СЛАУ больших порядков (10⁸–10⁹ и выше) с разреженными матрицами, возникающими при сеточных аппроксимациях многомерных краевых задач из разных приложений: гидрогазодинамика, упругопластичность, электомагнетизм, многофазная фильтрация и т. д. Численное решение СЛАУ – узкое место суперкомпьютерного моделирования, на которое затрачивается более 80 % машинного времени. В ЛВФ на основе разработанных быстрых алгоритмов создается современная библиотека KRYLOV, включающая базу активных знаний (БАЗ), предназначенную для интеллектуализации не только интерфейсов конечных пользователей, но и для развития функционального накопления, призванного в разы поднять производительность труда математиков-программистов.

В целом весьма обширная тематика лаборатории включает методы интегральных уравнений для расчета электронных полей (А. О. Савченко), схемы высокой точности для уравнений Шредингерова типа (Н. И. Горбенко), обратные задачи для параболических уравнений (С. Б. Сорокин), методы теории графов в химической кинетике (Г. А. Омарова), концепцию прикладного программирования на новых архитектурных принципах и интеллектуальных методологиях обучения.

Наиболее значимые публикации:

Ильин В. П. Методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Новосибирск: РИЦ НГУ, 2017. 509 с.

Ильин В. П. Математическое моделирование. Ч. 1. Непрерывные и дискретные модели. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2017. 428 с.

Ilyin V., Batalov M., Gurieva Y., Petukhov A. On parallel multigrid methods for solving systems of linear algebraic equations / Sokolinsky L., Zymbler M. (eds.) Parallel Computational Technologies (PCT 2023). Communications in Computer and Information Science. Vol. 1868. Springer, Cham., 2023. P. 93–109. 

Il'in V. P. Programming for the near future: Concepts and pragmatic considerations // Vestnik Rossiiskoi Akademii Nauk. 2023. Vol. 93, No. 2. P. 150–161. DOI 10.1134/S1019331623010112.

Сыровой В. А., Свешников В. М., Козырев А. Н. Аналитическое и численное моделирование интенсивных пучков заряженных частиц. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2023.

Кузнецов Ю. А., Сорокин С. Б. Метод двусторонних приближений в задачах на собственные значения // Дифференциальные уравнения. 1979. Т. 15, № 5. С. 914-920.

Сорокин С. Б. Построение экономичных дискретных моделей в задачах теории пластин // Доклады Российской академии наук. 2014. Т. 454, № 4. С. 392–395.

Sorokin S. B. An efficient direct method for numerically solving the Cauchy problem for Laplace's equation // Numerical Analysis and Applications. 2019. Vol. 12, iss. 1. P. 87–103.

Савченко А. О. Функции ортогональные к многочленам, и их применение в осесимметричных задачах физики // Теоретическая и математическая физика. 2014. Т. 179, № 2. С. 225–241.

Савченко А. О. Матрица моментов от полиномов Лежандра и приложение ее свойств в задачах электростатики // ЖВМиМФ. 2017. Т. 57, № 1. С. 163–175.

Савченко А. О., Савченко О. Я. Проводящее осесимметричное тело в соосном переменном магнитном поле // Журнал технической физики. 2014. Т. 84, № 1. С. 18–27.