Доклад М.П. Федорука в формате mp3 (20.64 МБ)

На  заседании Президиума Сибирского отделения Российской академии наук 7 апреля 2011 г. с научным докладом «Новые перспективы моделирования сложных физических систем: от сверхскоростных телекоммуникационных линий связи до нанооптики» выступил заместитель директора ИВТ СО РАН д.ф.-м.н. М. П. Федорук.

Кратко охарактеризовав инфраструктуру высокопроизводительных вычислительных систем в масштабах Новосибирского научного центра, докладчик остановился на основных результатах, которые получены в Институте вычислительных технологий с их использованием.

Подробно были рассмотрены вопросы математического моделирования высокоскоростных волоконно-оптических линий связи.

Сегодня протяжённость только магистральных трансокеанических подводных линий связи составляет 600 тыс. км (нетрудно подсчитать, что этими линиями можно 15 раз обмотать Земной шар), а протяжённость всех наземных линий — более 1 млрд км. К 2015 году ожидается удвоение этой цифры. В настоящее время Интернетом пользуется примерно 1 млрд человек, причём 75 % всего трафика осуществляется с помощью волоконных линий связи. По прогнозам, в 2015 году Интернетом будет пользоваться порядка 5 млрд человек, поэтому задача дальнейшего наращивания волоконно-оптических линий связи остаётся на повестке дня.

В настоящее время скорость передачи по магистральным волоконно-оптическим линиям связи составляет от 1 до 2 терабит в секунду. Такая высокая скорость обусловлена использованием технологии спектрального уплотнения каналов, когда информация одновременно передаётся на разных частотах, разделённых примерно на 100 ГГц.

Но уже сейчас на всех серьёзных международных научных конференциях, посвящённых волоконной оптике, активно обсуждаются вопросы о новых принципах передачи информации со скоростью 50–100 терабит в секунду по одному волоконному световоду. Начинают уже говорить о петабитных гиперскоростях передачи информации с использованием технологии спектрального уплотнения.

Чтобы показать, что означает 1 петабит в секунду, достаточно сказать, что при такой скорости за две минуты можно передать всю информацию, накопленную человечеством за всю его историю. Вследствие дороговизны натурных экспериментов задачи математического моделирования волоконно-оптических линий связи являются весьма актуальными.

Вообще, современные волоконно-оптические линии связи представляют собой довольно сложные системы. Они состоят из множества устройств: передатчиков оптических сигналов, приёмников, самих каналов связи, коими являются волоконные световоды, различных фильтров, мультиплексоров, демультиплексоров, оптических усилителей и т.д. Все эти устройства описываются своими математическими моделями.

Только один из примеров. В волоконно-оптических линиях связи при увеличении скорости распространения существенное влияние начинают оказывать нелинейные эффекты, и основным параметром, характеризующим ту или иную линию связи, является коэффициент ошибки. В докладе показан пример прямого моделирования статистики ошибок, выполненный на кластере Информационно-вычислительного центра НГУ, когда пик и величина ошибки существенным образом зависят от вида битовой последовательности. Например, в случае амплитудно-модулированного формата наиболее опасным с точки зрения возникновения ошибки является сочетание 101, а для фазово-модулированного формата существуют два основных ошибочных триплета: 010 и 101. В настоящее время разработан адаптивный блочный код с ограничениями, предназначенный для удаления определённых битовых сочетаний из передаваемого потока данных, который позволяет существенным образом подавить коэффициент ошибки.

От линий связи докладчик плавно перешёл к математическому моделированию волоконных лазеров, работа над которыми очень эффективно развивается в рамках Сибирского отделения. Достаточно упомянуть институты Автоматики и электрометрии, Лазерной физики, лабораторию лазерных систем НИЧ НГУ, которые имеют результаты мирового уровня.

В настоящее время волоконные лазеры, особенно непрерывные, составляют уже серьёзную конкуренцию газовым и твердотельным лазерам и используются в различных технологиях: сварки, резки металлов, плавления вещества и т.п. А фемтосекундные волоконные лазеры начинают активно использоваться в микрообработке прозрачных материалов, в биологии, медицине. Если же говорить о бизнес-составляющей, то в 2007 году рынок волоконных лазеров в США составлял порядка 240 млн долларов.

Работы по математическому моделированию волоконных лазеров выполняются ИВТ в рамках двух совместных проектов с ИТПМ, ИАиЭ и рядом зарубежных институтов. Отличительной особенностью разрабатываемых моделей является подход, основанный на амплитудных нелинейных уравнениях Шредингера.

Теперь о некоторых новых технологиях, которые возможны с использованием лазерных систем. В рамках развития Национального исследовательского университета НГУ совместно с Центром волоконной оптики и автоматики создаётся практически единственная в России установка, позволяющая записывать любые прозрачные трёхмерные структуры показателя преломления в прозрачных материалах (например, в стекле). Дело в том, что если интенсивность фемтосекундного лазерного излучения превышает примерно 10 тераватт на кв. см, то тогда в прозрачной структуре возможны необратимые изменения показателя преломления. Такие технологии начинают уже активно использоваться для записи брэгговских решёток, показателя преломления волоконных световодов и т.д.

Физика процесса до конца не понятна, поэтому очень важным является использование методов математического моделирования. Простейшая математическая модель, тем не менее, достаточно сложная в исполнении, представляет собой нелинейное уравнение Шредингера для амплитуды огибающей электрического поля и уравнение непрерывности для плотности плазмы, которая возникает в процессе записи.

Ещё одна технология, где собираются использовать волоконные и вообще лазерные системы — это технология сбора и конвертации солнечного излучения в лазерное излучение и его транспортировка на Землю. Сегодня это кажется фантастикой, однако японцы собираются к 2030 году построить орбитальную станцию, которая работала бы на этих принципах. В совместной работе ИВТ с Ливерморской лабораторией показана принципиальная возможность сжатия лазерного пучка по сравнению с дифракционным пределом без его филаментации и разрушения.

После того как была понята аналогия между распространением лазерного излучения с орбиты на земную поверхность и распространением оптического излучения в усиливающих средах, была построена точная теория развития модуляционной неустойчивости в лазерных и оптических усилителях, подтвержденная численными расчётами.

Интереснейшее направление — моделирование задач нанофотоники. Известно, что исследования в области наноструктурированных материалов ведутся во многих странах. На их основе можно создавать уникальные приборы. Например, сейчас серьёзно говорят о создании линз с разрешением меньше дифракционного предела в оптическом диапазоне, всенаправленных оптических концентраторов, которые называют ещё «оптическими чёрными дырами», фотонных кристаллов, на основе которых можно управлять нелинейностью и дисперсионными свойствами.

Для целей моделирования наноструктурированных материалов развиваются эффективные алгоритмы численных решений нестационарных уравнений Максвелла с учётом дисперсности, анизотропии, нелинейности. Докладчик продемонстрировал принципиальную схему развитого в ИВТ конечно-объёмного метода и примеры расчётов некоторых наноструктурированных материалов: гиперлинзы, т.е. линзы с разрешением менее дифракционного предела, и так называемой оптической ловушки — концентратора световых импульсов, который может полностью поглотить световое излучение.

Наконец, сравнительно недавно стала развиваться тематика, связанная с математическим моделированием наноструктур с квантовыми точками (совместно с ИФП). Здесь также разрабатываются некоторые эффективные численные алгоритмы, как, например, алгоритм расчёта локальных упругих деформаций в системе германий — кремний.

В заключение М. П. Федорук констатировал, что в Сибирском отделении есть уникальные условия для эффективного сотрудничества в самых разных областях и реализации совместных проектов: интеграционных, федеральных и международных. Но для дальнейшей интеграции в области решения сложных вычислительных задач в СО РАН необходимо создать распределённый вычислительный кластер мирового уровня. Пока же суммарная мощность всех вычислительных кластеров ННЦ на одном уровне с суперкомпьютером, который находится в Топ-500 на последнем месте.

Важнейшей целью является также подготовка междисциплинарных специалистов, способных применять технологии высокопроизводительных вычислений для решения различных физических и инженерных задач.

В оживлённом обсуждении доклада приняли участие академики В. Н. Пармон, Э. П. Кругляков, Б. Г. Михайленко, В. Ф. Шабанов, А. Л. Асеев, профессора С. Г. Псахье и В. А. Собянин. Все выступавшие дали высокую оценку полученным результатам. Особо подчёркивалось, что данные натурных экспериментов и численных расчётов очень хорошо согласуются между собой, а все результаты имеют практическую направленность и могут быть использованы при создании принципиально новых устройств и технологий.