Суперкомпьютеры моделируют будущее

Сергей Варфоломеев, член-корреспондент РАН, директор Института биохимической физики:

Надо сказать, что мы с вами переживаем несколько революций в области современного понимания мира. Вот одна из них - это создание вообще компьютерных систем, компьютерных цепей и Интернета, в котором вы себя позиционировали. А последние несколько лет довольно серьезные усилия человечество затрачивает на создание супервычислителей. Супервычислитель отличается от обычного персонального компьютера тем, что он решает задачи с гигантскими скоростями.

Московский университет и Академия наук являются лидерами в этой области. Но Московский университет в январе этого года ставит машину, которая будет иметь скорости счета, измеряемую в 500 терафлопс, т.е. это 500 на 1012 операций в секунду. И это вообще качественно меняет ситуацию.

Так складывается современная наука, что очень многие явления могут быть математически моделированы, основываясь на фундаментальных законах физики и химии, трансформируя эти законы в уравнения, которые требуют решения. И вот суперкомпьютер отличается тем, что он с гигантскими скоростями находит эти решения. Область применения этих супервычислений самые разнообразные.

Есть как крайне понятные технические применения, как будет вести себя самолет или ракета, как будет вести себя какая-то техническая конструкция, например, инженерный дом, построенный из 150 этажей. А есть применение суперкомпьютеров для решения молекулярных задач. Одна из таких задач, с которой мы не связаны, - это задача вычисления описания поведения биомакромолекул. Наши с вами организмы состоят из белков и нуклеиновых кислот, липидов, клеток. И современный уровень понимания науки позволяет это все экспериментально изучить, смоделировать и предсказать свойства поведения.

Белок - это молекула, состоящая из 10 000 атомов, из 20 000 атомов. Это гигантская такая примерная машина, которая определяет все наше с вами существование. Все химические реакции в организме идут с помощью белков, которые называются ферментами. Они являются катализаторами, ускоряют превращение одной молекулы в другую. Когда химики, физики изучают структуру белка, они получают такую большую, гигантскую молекулу, состоящую из 50 000 атомов. Но в кристалле, а она у нас с вами работает в живом организме. Химические реакции в кристалле она не производит.

И гигантская задача была, и она сохраняется, вообще как они реально функционирует, как они преобразуют. Зная структуру, вы можете вообще предсказать все поведение системы. Вот она - это макромолекулярная структура взаимодействует с низкомолекулярным соединением, например, с глюкозой, которую мы потребляем. Происходят некие движения атомов, которые определяют, с какими скоростями глюкоза превращается, например, в конечный продукт.

Вот это движение может быть получено только с помощью суперкомпьютеров. И вот для того, чтобы это посчитать, например, компьютер работает около двух недель (не персональный компьютер, а суперкомпьютер). Работает около двух недель, чтобы увидеть только одну структуру из десятка, которые есть на поверхности потенциальной энергии. И вот появление таких удивительных возможностей позволяет реально понимать, как структура одного вещества превращается в структуру другого вещества. С какими скоростями? Какие особенности белковые молекулы должны иметь для того, чтобы это произошло? Какие особенности изменений белковых молекул вы должны заведомо видеть для того, чтобы эти химические реакции протекали вот с теми скоростями, о которых мы с вами говорим.

И это, в общем, абсолютная революция в этой области. У нас в Московском университете есть несколько выдающихся, на мой взгляд, исследователей, которые это делают высокопрофессионально, но я назову только два имени - это профессор Немухин и доктор физико-математических наук Белла Григоренко. Назову еще фамилию Сони Лущекиной, которая первая в мире научилась предсказывать реакционную способность вещества, которое называется субстрат, для фермента, который называется холинэстераза, который определяет интеллектуальную деятельность в нашем организме.

Это очень интересный фермент, на который направлены все яды мира. Если вы знаете, что-нибудь про химическое оружие, то зарин, зоман, VX (ви-икс) - это все ингибиторы этого фермента. Т.е. вещества, которые затыкают и блокируют активный центр. Вот Соня, значит, разобралась, как это все происходит и может предсказывать реакционную способность на основе знания структуры белка и структуры исходного соединения.

В природе никогда ничего не бывает строго и линейно. Все природные явления базируются на нескольких фундаментальных законах. Молекулярная механика, вообще механика Ньютоновская, - это взаимодействие масс. Квантовая механика - это взаимодействие электронов и ядер, это другие законы. Любой из этих законов имеет известный вероятностный характер. Поэтому 100% предсказаний ожидать трудно, но если детерминированное начальное условие, граничное условие и есть строгий закон, то вы с очень высокими вероятностями предсказываете поведение системы.

Вот эти вероятности определяются точностью предсказаний. Вот сейчас методы квантовой химии и квантовой механики имеют точность, я приведу энергетическую единицу, порядка полкилокалории на измерение. В то время как измеряемые и вычисляемые реальные величины измеряются десятками килокалорий. Т.е. вот такая статистическая ошибка около 5-10%. И это высокая степень доказательности. Подавляющее большинство задач требует гораздо меньшей точности.

Надо сказать, что здесь эволюция идет так быстро, что, в общем, трудно ощутить пределы этого процесса. Я написал недавно книжку, которая называется «Биокинетика» по динамике биологических явлений. И в качестве эпиграфа к одной из глав придумал вот такое вот выражение: «Когда скорости вычислений превысят скорости реальных событий - у человечества исчезнет будущее». Потому что все остальное станет достаточно понятным. Вот где-то эти волны исследований и волны предсказаний по скоростям должны достичь скоростей реальных процессов. Тогда возникает очень непонятная ситуация. Непонятно, что мы будем думать о будущем, потому что мы его уже заведомо будем знать.

Надо сказать, что отголоски вот этих событий и сейчас проявляются, потому что предрасположенности к болезням это достаточно адекватно предсказывается структурой молекулы ДНК. Конечно, суперкомпьютеры большей частью нужны для теоретических работ. Человечество давно отказалось, например, от проведения ядерных испытаний, а математическое моделирование позволяет это сделать достаточно адекватно, в зависимости от условий, структур, веществ, оболочек и всего остального. Переход от физического, тяжелого, грязного, опасного эксперимента к простому нажатию кнопок на компьютере. Видите, как оно качественно меняет ситуацию.

И таких примеров можно привести десятки и сотни. Человечество отказывается от проведения экспериментов большей частью, потому что многие можно предсказать из теоретических соображений. Но надо сказать, что очень ограниченное число людей может пока, к сожалению, освоить эти области. Слава богу, что в нашей стране есть Московский университет, который изначально людей ориентирует на такого рода задачи. И студенты, которых мы получаем, они, конечно, вполне адекватные. И они вполне активно все эти технологии начинают использовать и, конечно, будут использовать в будущем.