Современные исследования в области нанотехнологий все чаще требуют дополнения физического эксперимента «численным» - компьютерныммоделированием атомарной структуры и эволюции нанообъекта, основанным на базовых физических законах. При условии доступности вычислительных ресурсов достаточной мощности моделирование даёт исследователю то, что часто невозможно в эксперименте: возможность проследить и понять, какие именно фундаментальные факторы обусловливают те или иные особенности поведения системы. Без использования действительно мощных суперкомпьютеров крайне затруднительно реализовать «инженерный» подход к нанотехнологиям - создание наносистем с чётко заданными произвольными свойствами и возможностями. Для поддержки современных исследователей, открывающих для себя возможности суперкомпьютерного моделирования, ведущий российский разработчик суперкомпьютерных систем компания «Т-Платформы» приняла решение выступить спонсором в одной из номинаций творческого тура интернет-олимпиады «Нанотехнологии – прорыв в Будущее!», проводимой Московским Государственным Университетом при поддержке госкорпорации РОСНАНО.
Возможность работы с материей на уровне индивидуальных атомов представляет собой важнейшую цель прикладной науки. Однако современное представление о нанотехнологиях, в первую очередь, ассоциируется с такими областями, как миниатюризация полупроводниковой электроники или разнообразные наночастицы (нанотрубки, нанокластеры, нанокристаллы), применяемые самостоятельно, например, в качестве катализаторов, или для создания композитных материалов с улучшенными свойствами. В то время как сами по себе такие приложения обладают огромной важностью для развития промышленности, в большинстве случаев они всё же не достигают полностью масштабов прецизионных манипуляций с веществом с атомной точностью. Их эффективность, хотя она и высока по сравнению с "обычными" технологиями, составляет довольно небольшую долю от того, что теоретически может быть достигнуто при полной реализации потенциала нанотехнологий (см., напр., K. E. Drexler, Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation).
Колоссальная разница в масштабах между объектами привычного нам мира, с одной стороны, и объектами атомарного масштаба — с другой, делает чрезвычайно затруднительными экспериментальные исследования в области нанотехнологий. Получаемая в экспериментах с атомарным разрешением информация имеет всё более косвенный характер, а сами эксперименты часто не позволяют получить достаточное количество информации о сколько-нибудь сложных наноразмерных системах, состоящих из большого числа различных, сложным образом взаимодействующих друг с другом частей. Ещё сложнее дело обстоит с временным разрешением экспериментов: химические и физические процессы, происходящие в наноструктурах, обычно имеют характерные времена от фемтосекунд до наносекунд; детальное слежение за процессами, протекающими за такие времена, обычно невозможно — просто потому, что экспериментальные устройства точно так же состоят из атомов и молекул, и их временное разрешение ограничено теми же временными масштабами.
Дополнительную сложность представляет собой интерпретация экспериментальных результатов. Дело в том, что наноструктуры относятся к "промежуточному" диапазону размеров, на котором всё ещё определяющее значение имеет атомарная структура объектов, но сами объекты уже состоят из большого количества атомов. Из-за последнего обстоятельства соображения "химической (физической) интуиции" часто уже не позволяют хорошо понять поведение наноструктур, а первое обстоятельство затрудняет (часто — до невозможности) построение более-менее простых феноменологических математических моделей.
Как и в других случаях, когда постановка прямого эксперимента или разработка простой модели затруднительна или невозможна (будь то астрофизика, исследование процессов в недрах планет при сверхвысоких температурах и давлениях, изучение сейсмической активности или разработка ядерного оружия), в такой ситуации незаменимым методом исследования и проектирования является компьютерное моделирование. При этом вместо информативных высокоуровневых феноменологических моделей, разработанных под конкретную задачу, используются более универсальные принципы (например, фундаментальные законы квантовой механики). За счёт такого "отката назад" по лестнице уровней описания системы, вычислительная сложность задачи сильно возрастает; однако, колоссальное превосходство вычислительной мощности компьютеров над возможностями человека часто позволяет решить задачи, принципиально неразрешимые на уровне "карандаша и бумаги".
С другой стороны, детальное моделирование атомарной структуры и эволюции нанообъекта позволяет исследователю проследить буквально за всеми аспектами поведения модельной системы с любым нужным ему пространственным и временным разрешением (при условии наличия достаточных вычислительных ресурсов) — от макроскопических параметров вроде общей формы частицы и до локальных характеристик отдельных атомов. При этом тот факт, что моделирование основывается на базовых физических законах, позволяет обнаружить новые (эмерджентные) особенности поведения модельной системы, которые, по самому построению, в высокоуровневых теориях должны вводиться "руками" на основе уже имеющихся знаний. В этом отношении моделирование весьма схоже с реальным физическим экспериментом, и во многих случаях исследователь, проводящий моделирование на компьютере, ощущает себя подобно экспериментатору, работающему со сложным измерительным прибором. Однако, доступность детальной информации о системе даёт исследователю то, что часто невозможно в эксперименте: возможность проследить и понять, какие именно фундаментальные факторы обусловливают те или иные особенности поведения системы.
Наконец, компьютерное моделирование оказывается поистине незаменимым инструментом при решении “инженерных” задач, целью которых является оптимизация тех или иных наноструктур и наноматериалов под заданное приложение. При этом большую выгоду можно получить с помощью “виртуального прототипирования”, рассчитывая характеристики объектов-кандидатов без необходимости их реального синтеза, что подчас является слишком дорогостоящей задачей, чтобы отбор можно было произвести на основании реальных измерений. Пользу от такого подхода в значительной мере уже ощутила фармакология: “виртуальный скрининг” малых молекул на предмет сродства к белку-мишени уже сейчас позволяет сэкономить миллионы долларов на разработке препаратов и сократить сроки выхода препарата на рынок на многие месяцы. В случае нанотехнологий такой подход осложняется большим разнообразием возможных физических, химических и биологических приложений, каждое из которых требует своего уникального подхода, а также – большим разнообразием и сложностью неорганической химии по сравнению с биоорганической.
Применение методов компьютерного моделирования в нанотехнологиях уже зарекомендовало себя как важнейший исследовательский инструмент, что видно по лавинообразному росту числа публикаций в научных журналах нанотехнологической тематики, посвящённых расчётам свойств наноструктур – как самостоятельным, так и в тесном сотрудничестве с экспериментаторами. Моделирование позволяет в мельчайших деталях предсказать и проследить за атомарной структурой и динамикой наночастиц и наноматериалов, исследовать процессы химического катализа на наноуровне, изучать электронную структуру и транспортные свойства молекулярных электронных устройств – и так далее. Фактически, на сегодняшний день, именно нанотехнологии и смежные области являются основными потребителями машинного времени во всех мировых суперкомпьютерных центрах широкой специализации.
Доступность вычислительной техники петафлопсного масштаба (производительностью более квадриллиона операций в секунду) постепенно позволяет исследователям переходить от моделирования “по аналогии” на примерах простых модельных систем к вполне реалистичным расчётам на размерных и временных масштабах, действительно имеющих значение в нанотехнологиях. С другой стороны, большая важность методов компьютерного моделирования в нанотехнологиях стимулирует чрезвычайно активную разработку новых параллельных вычислительных алгоритмов, необходимых для использования столь больших мощностей. Наглядной иллюстрацией служит тот факт, что первые два прикладных научных расчёта, в ходе которых был преодолён рубеж производительности в 1 петафлопс, представляли собой исследования по молекулярному моделированию: расчёты электронной структуры высокотемпературных сверхпроводников (купратов) квантовым методом Монте-Карло и изучение эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитных наночастицах. Оба рекорда производительности были поставлены на суперкомпьютере Jaguar, установленном в Национиальной лаборатории Оак Ридж в США и занимающем второе место в последней редакции списка Top500 самых высокопроизводительных суперкомпьютеров мира (суммарная производительность суперкомпьютерного комплекса составляет 1,64 Петафлопс).
Наиболее показательные результаты с использованием суперкомпьютеров в области нанотехнологий продемонстрированы именно на Западе, где уже наработан большой опыт применения высокопроизводительных вычислений в области нанотехнологий. Использование возможностей суперкомпьютеров является широко применяемой практикой при разработке новых перспективных материалов и устройств и опирается на серьезную поддержку ведущих лабораторий, располагающих мощными суперкомпьютерными ресурсами. Так, например, для поддержки исследования свойств воды в малоразмерных системах на суперкомпьютере Национальной Лаборатории Argonne, США (производительность – 557 триллионов операций в секунду или терафлопс) в 2008-2009 г.г. выделено 8 млн. процессорных часов. На проект развития интегрального подхода к рациональной разработке химических катализаторов на суперкомпьютере Jaguar Национальной Лаборатории Оук Ридж, США в 2008 году выделено 10 млн. процессорных часов, а в 2009 – уже 30 млн. часов. Поддержка ряда подобных исследований в области нанотехнологий осуществляется в рамках программы INCITE Министерства Энергетики США, а также в рамках родственных программ.
В России с развитием отрасли нанотехнологий использование высокопроизводительных вычислений также приобретает все большее значение для научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, и ряд научных коллективов уже активно применяет методы компьютерного моделирования.
Коллектив физического факультета Южно-Уральского государственного университета использует суперкомпьютер "СКИФ Урал" производительностью 15,9 Тфлопс, разработанный и поставленный компанией «Т-Платформы», для исследований в области компьютерного материаловедения на атомном уровне. В ходе проекта ведется многомасштабное моделирование процессов формирования (самосборка) металлических наночастиц из расплавов, моделирование энергии адсорбции молекул внутри углеродных нанотрубок, а также моделирование потока молекул через нанотрубки. В результате исследований построены межчастичные ЕАМ - потенциалы взаимодействия для чистой меди, обеспечивающие реалистичное моделирование процессов образования наночастичных кластеров Cu; проведено моделирование и определены зависимости энергии адсорбции молекул AlH3 внутри углеродных нанотрубок от радиуса и дефектности последних; определена атомная и электронная структура, распределение по размерам и энергетические характеристики наночастиц, образующихся внутри расплавов жидких металлов в области близкой к критической.
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики (головной исполнитель проекта) использует суперкомпьютер T-Edge128, разработанный компанией «Т-Платформы», производительностью 2,7 Тфлопс, установленный в Нижегородском государственном университете им.Н.И.Лобачевского (соисполнитель проекта), для разработки программного комплекса для квантово-механических расчетов и моделирования наноразмерных атомно-молекулярных систем и комплексов. Разрабатываемый комплекс обеспечит компьютерное моделирование и расчёт наноструктур и наноматериалов по таким направлениям как наноэлектроника; наноматериалы для сверхпроводящих, магнитных и оптических систем; диагностика и контроль свойств наноструктур; вычисления электронной структуры наноматериалов и тонких плёнок; моделирование наноструктур конструкционного назначения, наноструктур защитных покрытий, наноматериалов функционального назначения со специальными физическими свойствами (поглощающие, отражающие или пропускающие излучения различной природы); исследования гетероструктур; наноматериалы для фотоники и телекоммуникаций, включая оптическую связь, спецсвязь, оптическую запись, хранение и обработку информации; наноматериалы для лазерной техники; наноматериалы для медицины.
В Волгоградском государственном университете на кафедре теоретической физики и волновых процессов установлен "персональный суперкомпьютер" «Т-Платформы» T-EdgeMini (производительность - 150 Гфлопс, планируется увеличение до 250 Гфлопс). Авторский метод расчета пьезоэлектрических констант позволил разработать физические принципы создания пьезоэлектрического трансформатора на основе бор-нитридных нанотрубок. Трансформатор может применяться для преобразования энергии в качестве пьезоэлектрического сенсора и в качестве элемента сканирующего туннельного микроскопа. Использование многопроцессорной техники позволило коллективу кафедры на основе высокоточных квантовых химических методов провести компьютерное моделирование трансформатора, который сможет работать с очень малыми напряжениями - до 1 мкВ. Авторским коллективом была предложена кубитовая ячейка на основе бор-нитридных нанотрубок, заполненных ионами щелочно-земельных или атомами щелочных металлов. Ячейка позволит моделировать логические операции Not и Control-Not в квантовом компьютере. Использование многопроцессорной техники позволит провести компьютерное моделирование наноструктуры, содержащей около десятка кубитовых ячеек, и применить высокоточные неэмпирические квантово-химические методы для их изучения.
На Биологическом факультете Московского Государственного Университета имени М. В. Ломоносова кластер «Т-Платформы» T-Forge24 (производительность - 460 Гфлопс) помогает ученым вести фундаментальные исследования по таким направлениям как полноатомное молекулярное моделирование функциональных наночастиц и их взаимодействия с биоструктурами, а также моделирование транспорта наночастиц и ионов через биомембраны.
В Центре "Наноструктурные материалы и нанотехнологии" Белгородского государственного университета установлен суперкомпьютер T-Edge64 (производительность – 1,4 Тфлопс), разработанный компанией «Т-Платформы», который используется учеными для исследований структуры и свойств наноструктурных металлических систем методами компьютерного моделирования на атомном уровне. Среди направлений исследований - расчеты из "первых принципов" (пакет ABINIT, VASP), построение потенциалов межатомных взаимодейтвий в рамках метода погруженного атома (ЕАМ), компьютерное моделирование свойств объёмных наноструктурных материалов и наночастиц методами молекулярной динамикии и статики.
Благодаря современным суперкомпьютерам учёным уже доступны квантово-механические расчёты для систем из десятков и сотен тысяч атомов, и миллиардов атомов – методами эмпирической молекулярной динамики. В перспективе с ростом производительности вычислительной техники компьютерное моделирование не только позволит решать всё новые исследовательские задачи, но и станет столь же незаменимым инструментом проектирования наносистем с необходимыми свойствами, каковым сейчас является в современном машиностроении и микроэлектронике, где сложность проектируемых объектов многократно превосходит доступную пониманию инженеров без помощи компьютеров.
Всеволод Опанасенко, Генеральный директор компании «Т-Платформы»: «Использование суперкомпьютеров является определяющим фактором успеха в области исследований объектов наноуровня, и в перспективе – создания новых материалов и устройств на их основе. Ученые получают возможность исследовать целые системы методами компьютерного моделирования, что на порядки сокращает затраты на экспериментальные исследования и сроки завершения проектов, позволяет сделать новые открытия там, где раньше это было невозможно. Поэтому наша компания серьезно заинтересована в поддержке нано-науки средствами высокопроизводительных вычислений. Кроме того, мы активно развиваем собственное сервисное направление в области высокопроизводительных расчетов.
Компания «Т-Сервисы», входящая в состав холдинга «Т-Платформы», помимо предоставления доступа к собственным суперкомпьютерным ресурсам, имеет возможность оказывать квалифицированную поддержку при решении комплексных задач с использованием методов компьютерного моделирования. Мы также открыты для сотрудничества с различными научными коллективами с целью решения вычислительных задач в области нанотехнологий с использованием суперкомпьютеров».
Компания «Т-Платформы» - ведущий российский разработчик и производитель комплексных решений для высокопроизводительных вычислений и центров обработки данных. "Т-Платформы" является единственной отечественной компанией, пять собственных решений которой вошли в список самых мощных компьютеров мира Тор500. Среди них – суперкомпьютер СКИФ МГУ «Чебышев» производительностью 60 Тфлопс на базе российских blade-систем «Т-Платформы», занявший в Тор500 36-ю позицию. Компания специализируется на разработке готовых программно-аппаратных вычислительных комплексов любой сложности с предустановленными специализированными и прикладными программными продуктами, оптимизированные под конкретные задачи заказчика. Компания предлагает широкий спектр продуктов для высокопроизводительных вычислений и центров обработки данных, таких как кластерные системы и суперкомпьютеры с общей памятью, серверы, системы хранения данных, специализированное программное обеспечение, а также полный комплекс услуг Центра Кластерных Технологий для пользователей высокопроизводительных вычислений, включая услуги аренды машинного времени и оборудованных площадей. Более подробная информация о компании и ее продуктах - на сайте компании.
Здесь еще есть опрос "Суперкомпьютеры и нанотехнологии", достаточно показательный...
См. также: МГУ: суперкомпьютер, СуперЭВМ и "Нано"
