Математика и IT

Сотрудники Группы собирают, структурируют и анализируют информацию о биологических объектах на самых разных уровнях: от белков и молекул ДНК до целых экосистем. Одни занимаются молекулярным штрихкодированием — помечают стволовые клетки сложных организмов и отслеживают их развитие в организме, другие же ищут молекулы, которые можно использовать как лекарство.

Анализ больших данных в биологии позволяет выявлять риски для разнообразия организмов, а математическое моделирование — проектировать биологически активные молекулы и упаковывать ДНК в разные формы (технология ДНК-оригами). Усилиями биоинформатиков МГУ самые современные геномные технологии находят свое применение на практике.

Послушайте, как большая команда ученых работает сообща, чтобы заполучить ценные знания, заглянув в лабораторию.

До недавних пор большинство новых материалов открывали либо случайно, либо методом проб и ошибок, но оба этих подхода непродуктивные и дорогостоящие. Поэтому возникает задача теоретического предсказания новых материалов с нужными свойствами.

Несмотря на очевидность этой задачи, до недавнего времени не существовало методов ее эффективного решения. Однако стремительный прогресс систем искусственного интеллекта, а также увеличение компьютерных мощностей на рубеже нового тысячелетия позволили во многом продвинуться вперед. Сегодня алгоритмы машинного обучения позволяют изучать вещество в экстремальных условиях, которых трудно добиться в эксперименте в лаборатории — например, при очень высоком давлении, как в недрах Земли и других планет, или в низкоразмерных состояниях (двумерные материалы, наночастицы и др.).

Лаборатория компьютерного дизайна материалов Сколтеха занимается поиском новых материалов с уникальными свойствами: сверхпроводников, сверхтвердых материалов, термоэлектриков и т. д., а также разрабатывает методы для их поиска. Посетите тур, чтобы увидеть один из суперкомпьютеров Сколтеха и узнать, как ученые «предсказывают» материалы.

Лаборатория была создана в Сколтехе в 2013 году по инициативе профессора Евгения Николаева. Здесь ученые разрабатывают современные методы масс-спектрометрии для биомедицины, экологии, агробиотехнологии, включая создание миниатюрных масс-спектрометров для полевых и космических исследований.

Чтобы расширить области применения приборов и повысить эффективность извлечения информации из регистрируемых данных, сотрудники лаборатории систематически развивают новые аналитические подходы, включая количественные и структурные методы анализа биомакромолекул (белков, пептидов, липидов, метаболитов) и низкомолекулярных соединений в составе сложных природных систем, например вечной мерзлоты и других геологических источников. Исследователи работают на переднем крае науки, применяя методы машинного обучения в своей работе.

Загляните в лабораторию и посмотрите, как ученые проводят эксперименты.

Представители разных лабораторий Института коротко рассказывают, над решением каких задач они работают и почему результаты этой работы будут полезны обществу.

В Центре обработки данных находится серверное, вычислительное и другое оборудование для приема, передачи, хранения и обработки информации, которую используют сотни ученых, решающих задачи в разных областях науки.

Загляните в центр, где можно послушать не только шум от работающих серверов, но и ученых, рассказывающих о том, какие вопросы удается решать при помощи размещенных здесь технологий.

Этим вопросом занимаются сотрудники нескольких лабораторий Института. Они изучают математические вопросы гидродинамики, теории ударных волн, динамики многофазных сред, теории относительности, статистической физики, а также разные задачи в области гамильтоновой механики, теории динамических систем, эргодической теории и теории оптимального управления.

В основе задач – дифференциальные уравнения. Такие уравнения нужны для построения моделей, описывающих эволюционные процессы, происходящие в природе, экономике и других областях. Цель исследователей – предсказать, как будет развиваться система и что в ней будет происходить.

Посетите тур, чтобы узнать больше о задачах, которые ставят перед собой исследователи.

Большинство участников коллектива по этому направлению – признанные эксперты в своих областях. В частности, некоторые из них являются мировыми лидерами в производной и некоммутативной алгебраической геометрии, классической алгебраической геометрии, теории чисел и арифметической геометрии.

Чего удается достичь во время таких исследований и как таким образом развивать современную теоретическую математику, узнайте из этого тура.

В части дискретной математики сотрудники исследуют свойства случайных деревьев и лесов, ищут похожие последовательности, например, образованные в ДНК аденином, тимином, гуанином и цитозином. Эти задачи возникают при анализе моделей популяций, алгоритмов и некоторых свойств булевых функций.

В части исследований по математической логике сотрудники Института изучают актуальные вопросы теории доказательств, коммуникационной сложности, теории сложности булевых схем, экстремальной комбинаторики и теории бесконечных групп. Например, исследователи изучают сложность вычислений, то есть оценивают скорость и ресурсозатратность работы алгоритмов. Кроме того, они решают задачи, связанные с онтологическими базами данных и языками запросов.

В этом туре исследователи увлекательно рассказывают о прикладных значениях своей работы.

Многофункциональный информационно-вычислительный комплекс (МИВК) – это технологическая база для проведения научных исследований в единой информационно-вычислительной среде. Здесь находится большое количество компьютеров, часть из которых обеспечивает хранение полученных данных, а другая часть – их обработку.

МИВК объединяет в себе четыре ключевые составляющие: грид-инфраструктуру, центральный вычислительный комплекс, облачную инфраструктуру и высокопроизводительную платформу HybriLIT, в состав которой входит суперкомпьютер «Говорун». Такое разнообразие компонентов нужно для решения широкого спектра актуальных задач: от теоретических исследований до обработки, хранения и анализа экспериментальных данных. Суммарная мощность всего оборудования составляет около 30 тысяч процессорных ядер. Общий объем доступной памяти на дисковых и флеш накопителях – порядка 40 петабайт, то есть 40 миллионов гигабайт!

В МИВК хранятся и обрабатываются данные, поступающие с экспериментальных установок российских и международных научных проектов, в которых ОИЯИ принимает активное участие: например, с Байкальского нейтринного телескопа – обсерватории, которая находится на дне озера Байкал, экспериментов коллайдера NICA, от экспериментов ATLAS, ALICE и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе и так далее. Сотрудники лаборатории помогают коллегам из ОИЯИ адаптировать их программы под вычислительные ресурсы комплекса.

Посетите тур, чтобы узнать больше о вычислительном комплексе.

Фурье-дифрактометр высокого разрешения (ФДВР) — это уникальный инструмент для исследований кристаллических материалов в виде порошка. Он находится на реакторе ИБР-2 Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований. ФДВР отличается от других нейтронных дифрактометров высоким разрешением, что позволяет исследовать структуру веществ с особо высокой точностью.

Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому рассеиваются они в основном ядром, а не электронами в атоме. Как следствие, “барьеров” на их пути становится меньше, что позволяет частицам проникать гораздо глубже в вещество, чем другие виды излучений (включая хорошо знакомое нам рентгеновское). Этот эффект дает возможность охарактеризовать интересующий материал по всему объему, а не только его поверхность. С помощью нейтронов ученые могут получать информацию о материале, находящегося внутри какого-то устройства или оболочки — например, внутри металлического кейса — не разбирая саму оболочку. Это делает их удобным инструментом для исследования многокомпонентных реальных объектов, таких как аккумуляторы. Кроме того нейтроны имеют магнитный момент, что позволяет исследовать некоторые магнитные свойства вещества.

Нейтроны, как и рентгеновское излучение, при выполнении ряда условий, могут дифрагировать на кристалле , то есть рассеиваться по определенным законам: например, усиливаться или ослабляться в зависимости от направления рассеяния. Такое рассеянное излучение можно регистрировать и затем анализировать, получая информацию об атомном строении исследуемого вещества: симметрии кристалла, расположении и типе атомов, дефектах кристаллической решетки и многом другом. Эти данные нужны, чтобы ответить на фундаментальные вопросы — например, как работает материал и какие процессы в нем происходят. Особенно это актуально для создания аккумуляторов нового поколения.

Загляните в комнату, чтобы узнать, как работает фурье-дифрактометр!