Введение в суперкомпьютерные вычисления, квантовую информатику, нейросетевые и генетические алгоритмы
Факультет вычислительной математики и кибернетики

Курс посвящен обзору современных подходов к организации вычислений с использованием существующих и перспективных высокопроизводительных вычислительных систем. Основное внимание в курсе будет уделено суперкомпьютерным технологиям, квантовой информатике, методам решения задач на основе нейросетевых и эволюционных алгоритмов.

Наука тысячелетиями держалась на двух основаниях: науке теоретической и науке экспериментальной. За последние 30-40 лет ситуация изменилась, появилась третья составляющая, которая полностью подтвердила свою необходимость на многие годы вперед – это наука вычислительная, дополняющая теорию и эксперимент недостающими знаниями о природе и обществе.

Сегодня вычислить можно всё или почти всё. Основной вопрос в адекватности модели и доступности вычислительных средств. А вот тут-то как раз и возникает необходимость в новых методах и средствах вычислений. Как вычислять быстро? Существуют ли альтернативные подходы к организации вычислений? Можно ли отойти от сложившихся в информатике традиций? Об этом и поговорим в рамках данного курса: о суперкомпьютерных технологиях, квантовой информатике, нейросетевых и генетических алгоритмах. Курс будет своего рода введением в предмет, но основы математики, физики, информатики все же потребуются.

Отличительная особенность суперкомпьютеров в том, что они “супер” во всем: вес, размеры, стоимость, энергопотребление, производительность, все эти параметры у них находятся на грани возможного. По сравнению с основной массой привычных нам компьютерных устройств, суперкомпьютеров не много, они не очень заметны, и доступ к ним имеет лишь небольшое число специалистов. Несмотря на явную принадлежность к элите компьютерного мира, суперкомпьютеры крайне востребованы на практике. Нефтяная и газовая промышленность, авиация, машиностроение, фармакология и криптография, нанотехнологии и климат, прогноз развития общества и анализ корпусов исторических текстов, кинематограф и игровая индустрия – в этих, как и многих других областях науки и промышленности использование суперкомпьютеров является вполне обычным явлением. В курсе будут рассмотрены основные архитектурные принципы построения суперкомпьютеров, будут приведены примеры задач, для решения которых требуются суперкомпьютерные мощности, будет дан обзор технологий параллельного программирования, рассмотрены методы организации решения задач на суперкомпьютерах. Рассматриваемые в курсе примеры и задачи будут демонстрироваться на примере их реализации на параллельных вычислительных системах суперкомпьютерного комплекса МГУ.

Возросшие вычислительные способности современных компьютеров позволили по- новому взглянуть и на методы обработки данных. Получившие широкую популярность в последние годы нейросети и их современные реализации – глубинные нейросети, реализованные на новых аппаратных платформах с использованием графических ускорителей, позволяют решать задачи по распознаванию объектов на изображениях, обработки сигналов и многих других областей, требующих интеллектуальной обработки данных. В курсе будут рассмотрены основные принципы построения нейросетей, области их применения, будут проанализированы возможности их реализации на современных высокопроизводительных системах.

Особый вызов нашим вычислительным возможностям исходит из микромира, где действуют законы квантовой механики. Размерность пространства состояний квантовой системы n частиц растет как экспонента от n, что делает невозможным моделирование этих процессов «в лоб». Кроме того, рост производительности наших компьютеров связан с уменьшением величины ячейки памяти, которая уже приблизилась к нескольким нанометрам. Это — предел, за которым законы классической физики перестают работать, и нам придется заняться квантовой физикой сложных систем. Р.Фейнман в середине прошлого века выдвинул революционную идею: использовать сами квантовые процессы для организации информационных процессов особого рода: квантовых вычислений. Квантовые компьютеры стали сейчас интереснейшей областью фундаментального знания, лежащей на стыке физики и теории алгоритмов. Сама природа дает нам возможность построить суперкомпьютер, основанный на квантовой механике, суперкомпьютер, превосходящий все, что мы видели до сих пор. Этот путь — далеко не прост, потому что он касается того, что мы пока не знаем полностью. Но он реален, и обещает нам найти способ исследования и управления даже биологическими процессами; это находится сейчас в фокусе исследований, ведущихся в мировых научных центрах, в том числе и в МГУ.

В конце прошлого века было экспериментально обнаружено предсказанное квантовой физикой явление нелокальности запутанных квантовых состояний. Это удивительное свойство ставит наше воображение в тупик, но — в точности подчиняется законам квантовой физики. Недавно было открыто и первое серьезное практическое применение квантовой информатики: квантовая криптография. Использование квантовых состояний для передачи информации по каналу связи позволяет создать абсолютную защиту: такой канал нельзя взломать, потому что на страже секретов стоит сама Природа. Квантовые криптографические протоколы уже работают: с их помощью защищают самые серьезные секреты в развитых странах мира. Квантовая информатика еще очень молода, но у нее — огромное будущее.

Знания, полученные в результате прослушивания курса, будут полезны как для общего образования, так и могут быть использованы для решения задач в конкретных научных областях.