"Uważa się, że programy komputerowe to najbardziej skomplikowane artefakty inżynieryjne na Ziemi. Nie ma nic, co byłoby bardziej skomplikowane. Rakiety kosmiczne, broń jądrowa, reaktory atomowe - wszystko to nie dorównuje stopniem komplikacji niektórym programom, które liczą miliony linijek kodu" - mówi dyrektor Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego UW dr Marek Michalewicz.

Jak mówi, komputery stanowią uniwersalne narzędzie badawcze. "Nie ma drugiego takiego urządzenia, instrumentu naukowego, który może służyć wszystkim dziedzinom nauki. Począwszy od astronomii, geologii, biologii, geografii - a na archeologii czy kulturoznawstwie kończąc. Nie ma dziedziny, w której komputerów się nie używa. Są najwyżej dziedziny, w których komputerów używa się za mało " - uważa naukowiec.

Dr Marek Michalewicz. Materiały: ICM UW. 

KOMPLEKSOWOŚĆ OBLICZENIOWA - BEZ KOMPLEKSÓW

Dodaje, że kompleksowość obliczeniowa to jedna z najszybciej rozwijających się dziedzin na świecie. "W ciągu 80 lat istnienia tej dziedziny pokonaliśmy 17 rzędów wielkości: doszliśmy do setki milionów miliardów FLOPSÓW" - mówi. FLOPSY (floating points operations per second) to jednostki mocy obliczeniowej komputerów. Wskazują liczbę operacji arytmetycznych na sekundę. I porównuje, że w tym czasie ani wysokość budynków, ani wytrzymałość materiałów czy szybkość pojazdów nie zmieniła się więcej, niż stukrotnie.

"Co 8 lat możliwości obliczeniowe superkomputerów rosną aż o trzy rzędy wielkości. A to oznacza, że najlepszy superkomputer świata jest tysiąc razy mocniejszy niż superkomputer sprzed 8 lat. To niewyobrażalnie szybki postęp!" - komentuje badacz.

WYŚCIG SUPERKOMPUTERÓW

"Wyścig o to, kto zbuduje najszybszy komputer, jest nieporównywalny z żadnym innym wyścigiem" - mówi naukowiec. Podaje, że koszt budowy w 2011 r. największego superkomputera - K-computer, jest szacowany na 1 mld dolarów. Maszyna była tak złożona, że zajmowała aż 800 szaf. Ale najmocniejszą na świecie była tylko przez 1 rok. Wyprzedził ją superkomputer Sequoia, który zajmował już tylko 124 szafy. "K-computer zaś już 8 latach użytkowania został wycofany z użytkowania, bo obliczenia na nim przestały się opłacać" - mówi badacz.

Wyjaśnia, że postęp w elektronice, w procesorach, mierzony jest prawem obserwacyjnym Moore`a. Mówi ono, że co 18 miesięcy na danej powierzchni można upakować 2 razy więcej tranzystorów. "A dzięki temu komputery nowszej generacji nie tylko są gęściej upakowane, szybsze, ale i zużywają na te same obliczenia o wiele mniej energii" - tłumaczy naukowiec.

GDZIE DOCIERAJĄ SUPERKOMPUTERY

Dzięki takiemu postępowi technik obliczeniowych można używać komputerów do badania coraz bardziej skomplikowanych problemów, a nauka posuwa się szybko do przodu.

"Komputery pozwalają nam badać i najmniejsze cząstki materii i największe struktury wszechświata. Możemy analizować ekstremalnie długie odcinki czasu i niewyobrażalnie małe odcinki sekund" - zauważa naukowiec.

Ogromne moce obliczeniowe - niemożliwe do osiągnięcia wcześniej - przydają się w obliczaniu właściwości molekuł i ciał stałych, a także symulowania przebieg reakcji chemicznych. Dzięki temu można stwierdzić, czy jakiś związek będzie się wiązał z innym. To cenna wiedza przydaje się w chemii, katalizie, badaniach materiałowych, biochemii, badaniach nad nowymi lekami...

Wyzwaniem jest też dynamika płynów czy powietrza. A dzięki temu obszarowi wiedzy można chociażby obliczać, jak rozprzestrzenia się powietrze w szpitalu albo jak projektować kabiny samolotów - aby powietrze, którym oddychają osoby w pierwszych rzędach, nie mieszało się z powietrzem w dalszych rzędach.

Superkomputery w inżynierii przydają się zaś np. do budowania cyfrowych bliźniaków fizycznych modeli. Wirtualny układ to może być kadłub samolotu, reaktor jądrowy albo całe miasto. Do tego są potrzebne olbrzymie moce obliczeniowe.

Wyzwaniem jest też policzenie tego, jak przepływa krew w żyłach. Przydaje się to np. w podejmowaniu decyzji, w którym miejscu zakładać stenty.

ZAMIAST DOŚWIADCZEŃ - SYMULACJE

"W nauce dzięki komputerom przeszliśmy do innego sposobu rozwiązywania problemów, niż było to znane od czasów oświecenia" - uważa dr Michalewicz. Dodaje, że tradycyjnie metoda naukowa polega na tym, że przeprowadza się eksperyment w laboratorium, dokonuje obserwacji i wyciąga się wnioski. A potem można odtworzyć te warunki i powtórzyć eksperyment, aby potwierdzić wyniki doświadczenia. Komputer zaś daje możliwość przeprowadzania symulacji zamiast eksperymentów. I stosowania hipotez w sytuacjach, kiedy eksperymentu nie da się przeprowadzić.

"Przykładem jest choćby powstanie Wszechświata. Nie możemy sprawić, żeby Wszechświat powstał jeszcze raz. A dzięki wykorzystaniu symulacji komputerowych można odtwarzać warunki, jakie wtedy panowały tuż po jego powstaniu i prowadzać symulacje, jakie zjawiska mogły wtedy następować. Kolejna rzecz: układ międzynarodowy zabrania testowania broni jądrowej. A jednak broń jądrową testuje się codziennie: w komputerach" - podaje przykłady naukowiec.

KTÓRA DZIEDZINA ZA MAŁO LICZY NA SUPERKOMPUTERY?

"Jeśli spojrzeć na rozwój dyscyplin, wyznacznikiem postępu jest matematyzacja, sformalizowanie wiedzy w postaci teorii, modeli, które można zastosować. To samo jest możliwe z humanistyką. Możemy dojść do renesansu humanistyki, jeśli oprzemy się na obliczeniach. Jest już absorpcja metod w muzealnictwie, kulturoznawstwie, archeologii. Ale to dopiero początki. A najciekawsze rzeczy dzieją się na styku dziedzin.

O tym, co może przynieść dla nauki przyszłość, jeśli chodzi o obliczenia wykonywane na superkomputerach, mowa będzie na konferencji Supercomputer Frontiers Europe 2020, która odbędzie się między 23 a 25 marca. Z powodu zagrożeń związanych z epidemią koronawirusa, konferencja odbędzie się w zmienionej formule – uczestnicy, zarówno wykładowcy jak i słuchacze będą w niej brać udział za pośrednictwem Internetu, w przestrzeni wirtualnej.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/