«Нам интересно всё то, что нам интересно!»
Профессор МИЭМ Лев Николаевич Щур отмечает юбилей – 70 лет. Как создавалась ещё в СССР первая научная интернет-сеть, что такое современная вычислительная физика и как организована работа научной группы с участием студентов и преподавателей, офлайн или онлайн – вопросы, которые мы задали учёному накануне юбилея.
Профессор МИЭМ, доктор физико-математических наук, видный российский учёный в области вычислительной физики Лев Николаевич Щур отмечает юбилей – 70 лет. Лев Николаевич - главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН, заведующий отделом прикладных сетевых исследований НЦЧ РАН, создатель первой в России научной компьютерной сети, построенной с использованием оптоволоконных каналов связи в научном центре в Черноголовке.
В НИУ ВШЭ Лев Николаевич руководит магистерской программой «Суперкомпьютерное моделирование в науке и инженерии», объединяющей не только студентов магистратуры, но также бакалавров и аспирантов, для которых вычислительная физика является главной образовательной предметной областью.
От имени коллектива сотрудников и студентов МИЭМ поздравляем юбиляра и желаем новых творческих достижений и озарений! Накануне юбилея Лев Николаевич любезно ответил на вопросы новостной службы МИЭМ.
Лев Николаевич, Вы являетесь создателем первой в России научной компьютерной сети, построенной с использованием оптоволоконной связи. По сути это была первая научная корпоративная интернет-сеть. Расскажите, почему пришло такое решение в то время, когда слова "Интернет" еще никто не знал. И как шла реализация такой идеи?
История началась в 1989 году, когда мы в Институте теоретической физики имени Ландау начали активно общаться с зарубежными коллегами с использованием электронной почты. У нас уже была внутренняя сеть, точнее - две. Сеть DECnet была основана на кластере VAX 11/780, вторая объединяла персональные компьютеры IBM. Между ними был шлюз (самодельный).
Письма можно было отправлять с каждого терминала, они собирались на сервере и отправлялись через другой шлюз в сеть X25, которую организовал Курчатовский институт для связи с внешним миром.
Отправка во внешний мир осуществлялась несколько раз в день. Медленно, но это уже обеспечивало регулярное научное общение, давало возможность быстро организовывать начавшиеся в это время регулярные и взаимные научные визиты.
За время относительно длительной научной работы в Италии в 1991 году я оценил возможности работы на удаленных компьютерах в режиме онлайн и решил сделать такую же возможность для себя и своих коллег по институту.
Было понятно, что будущее развитие сети будет основано на протоколах TCP/IP (IP - Internet Protocol). Именно из последнего и появилось название для будущей глобальной сети Internet.
Разработка новых технологий оказалась увлекательным процессом, и в мою деятельность добавилось ещё одно направление на много лет вперед. Следующим шагом стало создание оптоволоконной сети научных учреждений Черноголовки. Здесь уместно поблагодарить за доверие академика Ю.А. Осипьяна, который руководил в то время Научным Центром в Черноголовке, и академика В.Е. Фортова, который, как председатель РФФИ, одобрил финансирование этого проекта. Ключевой разговор с ними состоялся 7 ноября 1993 года. Во время этой встречи я продемонстрировал старшим коллегам интерактивную работу в Интернет. В то время все браузеры были алфавитно-цифровыми (текстовыми). Первый графический браузер появился в бета-версии только к концу того года. В мире насчитывалось всего лишь 50 вэб-сайтов - первые шаги в виртуальном пространстве. В то время электронная почта считалась пределом развития IT-технологий, и мало кто видел последующие перспективы. Так Черноголовка стала лидером Интернета в России.
- Вы специалист в области вычислительной физики. Современные вычисления производятся на мощнейших компьютерах. Кто такой современный физик в области вычислений? И какие задачи, если обобщенно, такая физика сегодня решает?
Современный вычислительный физик работает на стыке прикладной математики и конкретной области физики. Сложность состоит в необходимости профессионального знания предметной области физики и глубокого знания математических методов и программных систем. Из этого уже следует, что решаемые задачи покрывают все области физики. Вычислительная физика является третьим научным подходом, дополняющим экспериментальные и теоретические исследования. В последние пять лет намечается формирование четвертого подхода – извлечение нового знания из данных большого объема.
- Вы упомянули третий и четвертый подходы, а потому невозможно не уточнить про первые два.
Теория и эксперимент!
- Вы объединяете в МИЭМ вокруг себя и магистерской образовательной программы большое количество студентов, рабочих групп. Какова область их исследований? Как строится научная работа со студентами? Может быть, какие-то конкретные кейсы студенческих научных текущих исследований, которые, на Ваш взгляд, самые интересные?
Да, по сути это неформальная лаборатория вычислительной физики. Исследования покрывают несколько предметных областей. В области статистической механики мы проводим исследования по разработке эффективных алгоритмов проведения компьютерных экспериментов - это эксперименты по исследованию фазовых переходов в моделях как классической, так и квантовой механики. Можно провести сравнение с реальными экспериментами, для получения новых результатов в которых требуются и новые приборы, и новые методы измерений. При проведении компьютерных экспериментов для получения новых результатов требуются мощные компьютерные ресурсы (суперкомпьютерные мощности) и новые методы проведения вычислений. Для реализации первого фактора мы проявили инициативу по организации суперкомпьютерного центра в НИУ ВШЭ. Последний фактор включает уже творческую работу по созданию новых идей, по разработке новых методик и алгоритмов, а также по разработке эффективных методов распараллеливания, включающих особенности аппаратной реализации суперкомпьютерных мощностей, что необходимо для использования всей мощности суперкомпьютера для проведения вычислительных экспериментов передового уровня. Для этого была создана магистерская программа по суперкомпьютерному моделированию.
В последние годы программа расширена на изучение студентами методов глубокого машинного обучения и обработки данных большого объема.
Мы работаем со студентами и аспирантами по индивидуальным планам, в рамках проектной деятельности. Например, я и мои коллегии в настоящее время руководят научной работой двух десятков студентов и аспирантов. Тематика исследований у всех разная.
Это течение сложных жидкостей в сложной геометрии и при малых размерах – с объяснением экспериментов микрофлюидики и переноса частиц в кровеносных сосудах. Это магнитные особенности пенных структур, которые проявляют хорошие свойства в качестве водородных резервуаров для водородной энергетики. Это разработка контролируемых методов оценки плотности состояний статистических моделей. Это методы прямой оценки энтропии при исследовании мульти-критических точек на фазовых диаграммах веществ. Это разработка методов определения свойств фазовых переходов методами глубокого машинного обучения.
Мы начали успешно в прошлом году проект по исследованию свойств твердых сплавов методами машинного зрения и глубокого обучения. Другой успешный проект со студентами бакалавриата состоит в применении методов статистической физики при исследовании социальных и экономических моделей. Также ведется работа по физико-химическим системам, квантовым вычислениям и физике элементов квантовых компьютеров.
Кроме того, совместно с моим коллегой и бывшим учеником из Курчатовского института мы приступили к проекту по обработке научной информации методами NLP (Natural Language Processing) c элементами искусственного интеллекта. Тематика не ограничена – важно, что это актуальные и передовые исследования, которые получают поддержку научных фондов, и результаты которых публикуются в ведущих научных журналах.
Нам интересно все то, что нам интересно!
Для работы со студентами мы с коллегами выработали многоуровневую и параллельную систему.
Мы приглядываемся к студентам с первого курса и даем возможность им проявить себя в научной работе. Раз в неделю проводится групповой митинг, в котором участвует почти три десятка преподавателей, аспирантов и студентов.
Главная задача регулярного мероприятия состоит в поддержании общего тонуса научной работы – каждый коротко информирует о состоянии проводимых исследований. Более подробное обсуждение проводится в рамках тематических групп, объединенных в Telegram – в них входят преподаватели и студенты-аспиранты, работающие над определенной группой задач. Детальное обсуждение проводится индивидуально, по мере необходимости. Новые идеи и результаты обсуждаются в рамках семинара «вычислительные среды», который проводится по средам. Это детальный разбор конкретной статьи или результата длительностью полтора часа. На этот семинар приглашаются и наши студенты, и исследователи из других научных учреждений, в том числе из-за рубежа. Наконец, мы также проводим семинары по высокопроизводительным вычислениям примерно раз в месяц. Это как правило обзорные доклады специалистов из НИУ ВШЭ и России по актуальным проблемам и ярким достижениям.
Таким образом формируется атмосфера коллективной научной работы.
- Работа с большими данными требует умения владеть новым инструментарием. С недавних пор даже в названии магистерской программы присутствует слово «суперкомпьютер». Какие особые навыки, знания требуются для работы на таком сверхмощном вычислительном оборудовании?
Это хорошее базовое знание математики, которое можно получить на первых трех курсах МИЭМ. Это знание логики языков программирования. Это знание устройства гибридных вычислительных систем. Это умение критически относиться к написанному коду, что дает возможность быстро находить ошибки и исправлять их. И желание постоянно изучать новое и создавать новое.
Система высшего образования в России находится в состоянии перманентных изменений. Какие вызовы высшему образованию в сфере инженерии и ИТ, точных наук Вы бы определили на сегодня как главные?
На мой взгляд, большинство таких изменений - дань современным трендам по красивой упаковке, без которой товар неконкурентоспособен. Еще в 80-е годы прошлого столетия при обсуждении вопроса о модернизации высшего образования известный физик-теоретик в области квантовой физики твердого тела академик А.И. Ларкин заметил на одном из ученых советов: «А что, разве старый способ делать детей уже не годится?». Как создатель одной из сильнейших в мире школ физико-теоретиков, он имел полное основание так говорить.
Я сторонник эволюционного развития системы образования, при которой изменения происходят естественным образом, рождаются внутри научного коллектива и научной школы.
При этом каждая школа имеет свои особенности. Это разнообразие заметно при некотором опыте знакомства с различными университетами. Особенности организации научной и учебной работы являются одной из частых тем бесед в вечерние часы международных конференций.
Безусловно, нужно учить студентов твердому багажу традиционных знаний в бакалавриате. Опираясь на этот багаж, далее учить в магистратуре новым методам, новым подходам, новым алгоритмам, новым платформам организации работы с новыми ИТ-инструментами и вычислительными инструментами. Это довольно общие слова, конкретно в каждой предметной области надо обсуждать современное состояние и от этого строить учебный процесс.
Цитата: Например, в рамках научно-исследовательского цикла с магистрантами мы изучаем работы не старше прошлого года. Исключения только для фундаментальных работ, которые важны для понимания новых трендов.
- Мы пережили непростые два года пандемии. Сейчас потихоньку все возвращаются в аудитории, и можно констатировать, что возвращение в офлайн проходит в определенном смысле даже болезненнее, чем переход в онлайн. Многие - не только студенты, но и преподаватели - привыкли к дистанционным форматам. Что Вы думаете об этом, и каковы Ваши предпочтения в этом плане?
Режим видеоконференций мы опробовали в 2008 году, построив в Инновационном центре РАН в Черноголовке систему Видео-Грид, при консультативном участии группы специалистов из Аргонской национальной лаборатории под руководством одного из создателей архитектуры Грид - профессора Яна Фостера. Это была многосерверная многоэкранная многооконная система, которую мы использовали для международных семинаров и для регулярного ежемесячного семинара с коллегами из передового европейского Суперкомпьютерного центра в Юлихе, Германия. Поэтому переход в онлайн для меня и моих коллег был естественным продолжением уже знакомого метода организации научных исследований.
Применение его в учебном процессе я не приветствую. Мне важен блеск глаз студентов, их реакция на услышанное, их вопросы. Наконец, обучение проходит в коллективе.
Заметьте, что у нас в процессе исследований есть важные интегрирующие механизмы – семинары, групповые митинги, обсуждения. Научный процесс - коллективный. Даже математикам нужно общение, хотя большая часть работы делается в одиночестве. Учебный процесс также коллективный. В режиме онлайн не удается организовать общение студентов между собой, что легко делается опытными преподавателями при живом общении. Сильные студенты обучаются в сильных группах. Практически нет случаев, чтобы сильные студенты появились в слабых группах.
В то же время, при проведении научных семинаров режим онлайн дает возможность расширить круг потенциальных докладчиков, и мы приглашали в эти два года докладчиков из других городов и других стран. Также и групповые митинги предпочтительно проводить в режиме онлайн – это экономит время и увеличивает аудиторию.
- Вы активно преподаете, руководите магистратурой, ведете научное руководство и при этом являетесь сотрудником РАН, крупных научных институтов. Поделитесь, пожалуйста, советами, как успевать всё сочетать. И что в свой юбилей Вы бы пожелали Вашим студентам?
Главное – это любить свою работу (учеба – тоже работа!) и относиться с уважением к коллегам и студентам.
- Лев Николаевич, спасибо большое и еще раз с юбилеем Вас!
- И Вам спасибо!
Автор: Олег Мыслюк