Веление времени – моделирование сложных физических задач, процессов, активное применение вычислительных систем в интересах Минобороны.
В рамках научно-деловой программы Международного военно-технического форума «АРМИЯ-2023» прошёл 8-й ежегодный круглый стол «Технологии суперкомпьютерного моделирования в интересах Министерства обороны Российской Федерации». Мероприятие, традиционно проводимое 12-м Центральным научно-исследовательским институтом (12-м ЦНИИ) Минобороны, нацелено на совершенствование применения суперкомпьютерных технологий в прикладных исследованиях по проектам для военного ведомства России.
В работе круглого стола приняли участие представители органов военного управления, научно-исследовательских и военных образовательных организаций Минобороны, высших учебных заведений, Госкорпорации «Росатом», Российской академии наук (РАН), предприятий оборонно-промышленного комплекса (ОПК), которые имеют опыт использования современных суперкомпьютерных технологий.
Во вступительном слове начальник 12-го ЦНИИ Владимир Чипко отметил для собравшихся главные акценты в тематиках, предложенных для обсуждения.
Модератор круглого стола доктор технических наук, профессор Анатолий Донченко способствовал соблюдению установленных временных рамок и тому, чтобы вопросы обсуждались в виде коротких докладов экспертов-специалистов продолжительностью 10–15 минут и свободной дискуссии.
Исторический экскурс
Начало отечественного суперкомпьютерного моделирования относится к 1945 году, когда гениальный Сергей Лебедев создал первую в стране электронную аналоговую вычислительную машину для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Затем под руководством Лебедева, одного из основоположников советской вычислительной техники, в 1948–1952годах была создана первая в СССР и Европе малая электронно-счётная машина. Всего же академик Герой Соцтруда Лебедев сконструировал 15 типов ЭВМ. Почти всю его работу скрывала завеса секретности, которую обуславливала реализация проектов, нацеленных на создание и функционирование щита безопасности от планов Соединённых Штатов нанесения ядерных ударов по городам Советского Союза.
Производительность компьютеров оценивается во флопсах (FLOPS – FLoating-point Operations Per Second). Это количество операций над числами с плавающей точкой в секунду. В цифровом значении оно из года в год увеличивается с поразительной скоростью. Советская БЭСМ-2 в 1957 имела производительность 10 килофлопсов, а БЭСМ-6 в 1968 году вышла на уровень 1 мегафлопс (флопс 10 в 6-й степени). В 1996 году считался высокомощным суперкомпьютер 1 терафлопс (флопс 10 в 12-й степени). Сегодня же 4,2 терафлопса имеет процессор персонального компьютера, а вот у суперкомпьютеров это значение вышло на уровень 1,194 эксафлопса (флопс 10 в 18-й степени). Из-за столь высоких производственных мощностей суперкомпьютеры получили обиходное прозвище «числогрызы».
Правда, не отстают от специалистов вычислительной техники и их научные коллеги из прикладных дисциплин, в том числе физики, химии, материаловедения, аэродинамики, машиностроения. С учётом развития вычислительной техники они предлагают к решению всё более сложные задачи. За два десятилетия XXI века совершён удивительный скачок по решению сложнейших задач в различных научно-практических областях.
Эксперты отмечают, что в настоящее время происходит смещение приоритетов использования суперкомпьюторов из области математических расчётов и различных симуляций физических процессов к выполнению глубокой аналитики данных через обучение машин.
Сегодня, по данным из официальных открытых источников, в России насчитывается семь суперкомпьютеров. Наша страна укрепляет свои позиции в этой области и готовится к технологическому прорыву. «Задача нового этапа в горизонте текущего десятилетия – обеспечить именно массовое внедрение искусственного интеллекта, оно должно охватить все отрасли экономики и социальной сферы и систему госуправления», – заявил осенью 2022 года на международной конференции «Путешествие в мир искусственного интеллекта» Президент России Владимир Путин. Он отметил, что «сегодня у России есть научные достижения, уникальные исследователи, создающие прорывные технологии новой эпохи, накоплен первый опыт их практического применения».
Буквально за день до круглого стола на форуме «АРМИЯ-2023» Президент России Владимир Путин провёл с кабмином совещание, на котором рассмотрено состояние дел в ИТ-отрасли.
«Потребность в кадрах сохраняется, но кадровая база отрасли тоже растёт – на 13 процентов увеличилось количество сотрудников за прошлый год – всего это почти 740 тысяч человек у нас работают в ИТ-отрасли. Но дефицит разработчиков мы оцениваем в 500–700 тысяч человек, которые нам нужны, чтобы поддерживать высокие темпы развития отрасли», – сказал министр цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Максут Шадаев. Министр заявил, что отрасль информационных технологий продолжает расти и активно развиваться: за прошлый год на 22 процента вырос объём продаж российских ИТ-решений. «Для расширения кадровой базы Минцифры реализует целый комплекс кадровых мероприятий, которые охватывают основные возрастные группы: школьников, студентов и взрослых», – добавил он.
Особое внимание министерство уделяет вопросам подготовки ИТ-специалистов. «У нас сейчас в вузах обучается порядка 350 тысяч будущих специалистов в сфере ИТ – это очень важно, мы добавили фактически 150 тысяч за счёт увеличения контрольных цифр приёма», – отметил министр.
В вузах России обучается порядка 350 000 будущих специалистов в сфере ИТ
Суперкомпьютерное образование
12-й ЦНИИ ещё на этапе планирования повестки мероприятия именно кадровый вопрос сделал отправной точкой круглого стола на форуме «АРМИЯ-2023». Директор НИВЦ МГУ имени М.В. Ломоносова, директор филиала МГУ в городе Сарове член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Владимир Воеводин в докладе «Суперкомпьютерное образование – основа современных вычислительных технологий» обозначил одну из важных задач, которую необходимо решить в кратчайшие сроки, – подготовка специалистов.
На сегодняшний день суперкомпьютерные технологии базируются на трёх китах: математическое моделирование, технологии больших данных, технологии искусственного интеллекта. Важно, что они сосуществуют вместе, не заменяя, а дополняя друг друга. В их основе лежит высокопроизводительная вычислительная инфраструктура.
Суперкомпьютерные технологии универсальны: посчитать, смоделировать, спрогнозировать, воспроизвести… сегодня можно практически всё, поэтому и востребованность технологий высока. Однако всё это верно только для тех, кто понимает значение этих технологий и умеет ими пользоваться, для тех, кто имеет суперкомпьютерное образование. Оно начинается не со студенческой скамьи, а со специальных мероприятий для школьного учителя информатики, который должен не только научить, но и выявить учащихся для дальнейшего специалитета. Не секрет, что любая специальность требует от человека предрасположенности, определённой склонности к тем или иным действиям, способности выработать необходимые определённые навыки. В данном случае большое значение имеет даже ознакомительный этап. Поэтому не случайно около 600–700 школьников и студентов приходят ежегодно на экскурсии в Суперкомпьютерный комплекс МГУ.
В России реализуется комплексная программа, которая приносит хорошие плоды. Например, филиал МГУ в Сарове занимается подготовкой специалистов по прикладной математике.
Первая программа – «Вычислительные методы и методика моделирования» – предназначена для подготовки специалистов в области вычислительного эксперимента и математического моделирования физических, технологических и природных процессов. Изучаются современные численные методы различных типов для решения интегральных и дифференциальных уравнений, в том числе для решения многомерных задач в области механики и электродинамики сплошных сред, тепломассопереноса, конвекции-диффузии и в других, практически интересных областях.
Следующая программа – «Суперкомпьютерные технологии и фундаментальная информатика» – направлена на подготовку специалистов, обладающих широким спектром теоретических знаний и практических навыков в области фундаментальных основ вычислительного моделирования, разработки системного и прикладного программного обеспечения суперкомпьютерных систем, современных подходов к использованию высокопроизводительных систем для интеллектуального анализа данных большого объёма.
Эти две программы имеют единую базовую часть, а вот их вариативная часть разнится в плане специализации студентов.
Кстати, на суперкомпьютерах МГУ работает порядка 3000 пользователей из двух десятков подразделений этого учебного заведения, а также более 100 институтов РАН и свыше 100 университетов России. Выполняется решение задач по магнитной гидродинамике, гидро- и аэродинамике, квантовой химии, сейсмике, моделировании лекарств, геологии и науке о материалах, криптографии.
Антихакеры в погонах
Высокий отечественный научный потенциал необходимо защищать, помимо всего прочего, и в информационной среде суперкомпьютеров. В данном случае по линии Минобороны главное слово за представителями Краснодарского высшего военного училища имени генерала армии С.М. Штеменко. Здесь несколько десятилетий готовят специалистов по комплексной защите информации для Вооружённых Сил. Противодействие компьютерным атакам любого уровня – это лишь крупица разноплановой подготовки суперпрофессионалов в училище, где собран сильнейший профессорско-преподавательский состав, использующий уникальную учебно-материальную базу.
В докладе на тему «Направления исследований информационной безопасности вычислительных сетей военного назначения с использованием технологий машинного обучения и суперкомпьютеров» заместитель начальника кафедры защищённых информационных технологий кандидат военных наук, доцент Виктор Починок тезисно обозначил основные аспекты темы.
В 2022 году зафиксировано свыше 220 атак, реализованных злоумышленниками со средним и высоким уровнем квалификации. В прошлом году 92 процента атак пришлось на объекты критической информационной инфраструктуры (КИИ). В приоритете у хакеров – медицинские структуры, государственные учреждения и объекты ОПК. В 18 процентах случаев за атаками стояли профессиональные преступники: кибернаёмники и антироссийские группировки.
Поэтому в задачах обеспечения кибербезопасности возрастает роль применения вычислительных комплексов. Необходимость применения суперкомпьютеров для методов глубокого обучения обусловлена вычислительной и ёмкостной сложностью моделей, противоречивыми требованиями к значениям показателей качества, высокой скоростью обучения и вычислений. Применение глубокого обучения в задачах кибербезопасности с большим количеством необработанных данных позволит избежать предварительной обработки подобной информации в, так скажем, ручном режиме с использованием простейшего программного обеспечения.
Одно из перспективных направлений, развиваемое военно-научными школами училища, – разработка моделей, алгоритмов и способов проактивной защиты (противодействие вредоносным программам, ещё не внесённым в базы данных) вычислительных сетей. В частности, одним из подходов данной базовой защитной установки служит маскирование структуры и процесса функционирования вычислительных сетей КИИ.
Применение маскирования вычислительных сетей прежде всего позволяет обеспечить ослабление влияния или нейтрализацию систем компьютерной разведки и компьютерных атак злоумышленника за счёт снижения доступности элементов вычислительных сетей и процессов их управления. Происходит лишение хакера необходимой информации о структуре распределённой нагрузки вычислительных сетей или затрудняет ему анализ за счёт снижения информативности демаскирующих признаков. Хорошие перспективы имеет формирование ложных стереотипов и информации относительно информационных направлений вычислительных сетей, состава их элементов, функционально-логической структуры и алгоритмов функционирования.
Цели развёртывания имитационных моделей вычислительных сетей – анализ динамических характеристик сетевого трафика в системах различной конфигурации и режимов функционирования, основанный на синтезе моделей и алгоритмов машинного обучения, аппроксимирующих многомерные временные ряды статистических наблюдений, полученных при анализе свойств трафика. При этом проводится анализ устойчивости средств защиты, основанных на алгоритмах искусственного интеллекта, при реализации информационно-технического воздействия противника; оценка качества имитации и мимикрии перспективными системами защиты с использованием алгоритмов машинного обучения с учителем и без него. Для этого статистические наблюдения относительно ложных систем и их прототипов подлежат разделению посредством классификации и кластеризации при анализе неструктурированных и неразмеченных данных на предмет выявления методами интеллектуального анализа демаскирующих признаков перспективных средств защиты.
Своеобразным итогом такой работы становится определение информативности признаков реальных объектов КИИ, подлежащих маскированию, с целью выработки способов и алгоритмов их устранения; разработка способов распределённого хранения больших объёмов данных; создание моделей, алгоритмов и методик, основанных на технологиях машинного обучения, для классификации сведений различной степени конфиденциальности.
Безграничность практики
В ходе работы круглого стола обсуждался широкий круг вопросов, в том числе совершенствования методов применения суперкомпьютерных технологий и новых научно-технических разработок в прикладных исследованиях в интересах Минобороны; численного и имитационного моделирования, виртуальных испытаний перспективных образцов ВВСТ в интересах Минобороны на основе цифровых двойников.
Ведущий научный сотрудник Российского федерального ядерного центра – Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) кандидат физико-математических наук Роман Жучков сделал доклад «Применение суперкомпьютерных технологий для проектирования высокотехнологичных изделий машиностроения», в котором рассказал о практическом опыте использования отечественного многофункционального пакета программ системы инженерного анализа и математического моделирования «Логос». Её ключевые цели – применение расчётных технологий на новом уровне с применением суперкомпьютеров; частичная замена натурных испытаний математическим моделированием. Она применяется в различных высокотехнологичных отраслях, включая авиа-, судо- и машиностроение, ракетно-космическую отрасль, обычные вооружения, индустрию новых материалов.
В период 2018–2021 годов РФЯЦ-ВНИИЭФ в интересах заказчиков из ОПК выполнил шесть масштабных проектов в рамках различных опытно-конструкторских работ, в том числе «Основа-47», «Группировка», Су-57, Ил-112В, изделия 30, 75, 80, 85, «Проект 885М», «Лайка-ВМФ», «Притяжение», «П750-Б».
На период 2021–2024 годов в интересах пяти заказчиков ОПК реализуется семь проектов по ВВСТ в рамках ОКР «Лайка-ВМФ», «Проект 885М», «Группировка», «Кобра», «Основа-47», «Шквал», «Охотник-1».
По заказу ПАО «ОАК» с использованием пакета программ «Логос» реализован проект по созданию единой виртуальной модели функционирования боевого манёвренного самолёта на заданных режимах полёта с учётом внешних воздействий и аэродинамических характеристик. Разработаны и сценарии работы изделия, которые определяют взаимодействие моделей отдельных элементов систем манёвренного самолёта. В «Логосе» проведено моделирование объединённой единой системы функционирования манёвренного самолёта для расчёта и учёта внешних воздействий и аэродинамических характеристик на примере Су-30МКИ при различных условиях на базе сценариев взаимодействия моделей отдельных элементов систем.
Применение цифрового двойника позволяет проводить расчётные исследования в интересах обеспечения и сокращения Государственных сертификационных испытаний по отдельным направлениям. На сегодняшний день в интересах ОКБ «Сухого» определено около двадцати задач, где математическое моделирование позволяет сократить объёмы, сроки и стоимость стендовых, лётных и государственных совместных испытаний. При этом, как отмечают специалисты, использование суперкомпьютерных технологий позволяет оперативно и с минимальными затратами повысить точность эксплуатационных характеристик летательных аппаратов военного назначения, что положительно сказывается на эффективности их применения.
Подводя итоги круглого стола, начальник 12-го ЦНИИ Владимир Чипко отметил, что в рамках работы круглого стола по заявленной теме определены новые точки пересечения интересов и сформулированы предложения по взаимодействию Минобороны, Госкорпорации «Росатом», РАН, предприятий ОПК с целью совместного развития и внедрения суперкомпьютерных технологий. При этом разработаны практические рекомендации по использованию современных суперкомпьютерных технологий, а также программных комплексов для суперкомпьютерного моделирования при проведении научных исследований.