В МГУ посчитали квантовые уравнения вместо суперкомпьютера на ПК с графическим процессором

Техника
мобильная версия
, Текст: Сергей Попсулин
Российские физики смогли запустить расчет уравнений квантовой механики на ПК с процессором Nvidia. При этом на вычисление квантовых уравнений уходит всего 15 минут, тогда как суперкомпьютеру на ту же работу требуется 2-3 дня.

В разы быстрее на ПК

Исследователи из Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ) смогли применить персональный компьютер с графическим процессором для решения уравнений квантовой механики — ранее для этого использовались только суперкомпьютеры. По словам руководителя группы Владимира Кукулина, персональный компьютер справляется с задачей в разы быстрее.

Уравнения Людвига Фаддеева

Уравнения, о которых идет речь, были сформулированы в 60-х годах прошлого века российским математиком Людвигом Фаддеевым. Они описывают процесс рассеяния нескольких квантовых частиц, то есть представляют собой некий квантовомеханический аналог ньютоновой теории трех тел. В результате быстро возникла целая область квантовой механики под названием «физика малочастичных систем».

Эта область представляет интерес для ученых, занимающихся квантовой механикой и теорией рассеяния. Главной их целью в течение нескольких десятилетий после работы Фаддеева было научиться решать эти уравнения. Но из-за своей сложности для расчета уравнения в случае полностью реалистических взаимодействий между частицами системы долгое время не поддавались исследователям — до тех пор, пока не появились суперкомпьютеры.

ПК с процессором за несколько сотен долларов

Группа из НИИЯФ МГУ решила вычислять уравнения на персональном компьютере «с одним из новейших графических процессоров корпорации Nvidia», разработанных для работы в игровых приставках. Как утверждает Кукулин, процессор был не самый дорогой — из тех, что можно купить в магазине за $300-500.

Ученые заменили суперкомпьютер ПК с графическим процессором Nvidia

Основная сложность вычислений

Главной проблемой при решении уравнений рассеяния для нескольких квантовых частиц было вычисление интегрального «ядра» – большой двумерной таблицы, состоящей из десятков и сотен тысяч строк и столбцов. Но эта таблица представляла собой как бы экран с десятками миллиардов пикселей, и с помощью хорошего графического процессора ее вполне можно было построить. Воспользовавшись софтом, разработанным в Nvidia, и написав собственные программы, ученые разбили свои вычисления на много тысяч потоков и смогли разрешить задачу, рассказали в пресс-службе МГУ. 

«Мы добились скорости, которая и присниться не может, — заявил Кукулин. — Программа работает так, что 260 млн сложных двойных интегралов на настольном компьютере она считает за три секунды». «Мой коллега из Бохумского университета в Германии (к сожалению, недавно скончавшийся), лаборатория которого занималась тем же, проводил расчеты с помощью одного из самых больших суперкомпьютеров Германии с известной архитектурой Blue Gene, что на самом деле очень дорогое удовольствие. И то, чего его группа добивается за 2-3 суток, мы делаем за 15 минут, не потратив ни копейки», — добавил он. 

Другие возможные сферы применения

Эта работа открывает новые пути в анализе ядерных и резонансных химических реакций. Она также может оказаться полезной для решения большого числа вычислительных задач в физике плазмы, электродинамике, геофизике, медицине и множестве других областей науки, добавили исследователи.

Графические процессоры на службе HPC

Графические процессоры часто используются в качестве вспомогательных элементов в суперкомпьютерах, позволяющих повысить скорость вычислений. В первой десятке самых мощных суперкомпьютеров в мире, согласно рейтингу Top500.org, находятся две системы, в которых используются графические процессоры Nvidia. Одна из них — на третьем месте, вторая — на восьмом. Активное продвижение «персональных суперкомпьютеров» в России компания Nvidia начала в 2009 г.