Подготовка кадров на факультете ВМК МГУ им. М. В. Ломоносова

№ 3 (27) 2010

Е. И. Моисеев, В. В. Тихомиров

Подготовка кадров на факультете ВМК МГУ им. М. В. Ломоносова

Обзор подготовлен к 40-летию факультета Вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. В статье отражены основные направления и результаты деятельности факультета по обеспечению фундаментального образования выпускников.

На факультете реализуются два направления высшего профессионального образования: «Прикладная математика и информатика» и «Информационные технологии». Образовательная программа специалиста «Прикладная математика и информатика» успешно реализуется в российских вузах свыше 35 лет. По инициативе факультета ВМК, начиная с 2004 года, открыто образовательное направление «Информационные технологии». Сложившаяся система подготовки специалистов по прикладной математике и информатике отличается соединением глубокого уровня математических знаний с высоко квалифицированной подготовкой в области компьютерных технологий. Подготовка кадров проводится в соответствии с основными видами профессиональной деятельности специалиста (магистра), которые коротко можно сформулировать следующим образом.

Научная и научно-исследовательская деятельность:

• изучение новых научных результатов, литературы и научно-исследовательских проектов в соответствии с профилем объекта будущей профессиональной деятельности;

• исследование наукоемких технологий и пакетов программ для решения прикладных задач в области физики, химии, биологии, экономики, медицины, экологии и др.;

• изучение информационных систем и их исследование методами математического моделирование и системного анализа,

• изучение больших систем современными методами высокопроизводительных вычислительных технологий, применение современных суперкомпьютеров в проводимых исследованиях;

• изучение современных методов прикладной математики, исследование и разработка математических моделей, алгоритмов, методов, программного обеспечения, инструментальных средств по тематике проводимых научно-исследовательских проектов;

• составление научных обзоров, рефератов и библиографии по тематике проводимых исследований;

• участие в работе научных семинаров, научно-тематических конференций, школ;

• подготовка публикаций в студенческих сборниках, научных математических и научно-технических журналах.

Проектная

и производственно-технологическая деятельность:

• исследование математических методов моделирования информационных и имитационных моделей по тематике выполняемых научно-исследовательских прикладных задач или опытно-конструкторских работ;

• исследование автоматизированных систем и средств обработки информации, средств администрирования и методов

№ 3 (27) 2010

управления безопасностью компьютерных сетей;

• изучение элементов проектирования сверхбольших интегральных схем, моделирование и разработка математического обеспечения оптических или квантовых элементов для компьютеров нового поколения;

• применение высокопроизводительных вычислительных методов в области информационных технологий, нанотехнологий;

• разработка программного и информационного обеспечения компьютерных сетей, автоматизированных систем вычислительных комплексов, сервисов, операционных систем и распределенных баз данных;

• разработка математических методов решения задач защиты информации;

• разработка архитектуры, алгоритмических и программных решений системного и прикладного программного обеспечения;

• разработка языков программирования, алгоритмов, библиотек и пакетов программ, продуктов системного и прикладного программного обеспечения;

• изучение и разработка систем цифровой обработки изображений, средств компьютерной графики, мультимедиа и автоматизированного проектирования;

• развитие и использование инструментальных средств, автоматизированных систем в научной и практической деятельности.

Организационно-управленческая деятельность:

• разработка систем управления качеством предприятий;

• внедрение процессов управления качеством производственной деятельности, связанной с созданием и использованием информационных систем;

• планирование научно-исследовательской деятельности и ресурсов, необходимых для реализации производственных процессов.

Педагогическая деятельность: ü

I

• разработка методов и механизмов мо- ^ ниторинга и оценки качества процессов обучения; *

• участие в работе семинаров, школ, ig конференций и в проведении практических j| занятий по профилю специализации; ^

• умения использовать возможности ^ и средства электронного (e-learning) и мобильного (m-learning) обучения.

Большое значение факультет придает развитию высокопроизводительных вычислений в ИТ-области. 2008 год стал знаковым — в МГУ установлены и введены в эксплуатацию два суперкомпьютера — многопроцессорный кластер СКИФ «Чебышев» и система IBM Blue Gene/P c максимальной производительностью 60 T_flops и 27,8 T_flops, соответственно. Система Blue Gene/P является вычислительной базой, на которой ученые МГУ могут проводить свои исследования, участвуя в международных проектах. Эта система активно используется и в учебном процессе. Разработан практикум по решению задач на суперсистеме.

Московский университет выступил с инициативой организации Консорциума по высокопроизводительным вычислениям, который насчитывает уже более 30 вузов. Многие вузы участвуют в проведении научных исследований с использованием суперкомпьютеров МГУ, актуальным является проект создания GRID системы на базе более мощной суперсистемы (500 T_flops) с участием Консорциума.

В октябре 2008 г. между факультетом ВМК МГУ и научно-исследовательской лабораторией IBM в Цюрихе заключено соглашение о совместных исследованиях. В рамках проекта будут проводиться научные исследования в области нанотехнологий, разрабатываться стратегии масштабирования и отображения задач моделирования на архитектуру Blue Gene/P, в частности, многомасштабного моделирования и методы расчетов молекулярных логических переключателей.

№ 3 (27) 2010

Перечислим некоторые актуальные научные проекты факультета ВМК, имеющих связь с учебным процессом и важный прикладной характер.

Кафедра автоматизации научных исследований

Здесь разработаны математические модели кинетических, магнитогидродинами-ческих и диффузионных процессов в термоядерном реакторе, созданы уникальные трехмерные коды для решения обратных задач диагностики плазмы.

Разработанные на кафедре корпускулярные методы компьютерного моделирования находят широкое применение при решении других актуальных задач, таких как:

• исследование задач солнечной активности и магнитной динамики процессов ионосферы;

• численное моделирование взаимодействия мощного лазерного излучения с газовыми и твердотельными мишенями для создания компактных лазерных ускорителей для широкого применения адронной терапии при лечении онкологических заболеваний;

<о • проектирование компактного и недо-| рогого радиационного ускорителя быстрых | частиц (ионов и электронов); ¿э • проектирование масс-спектрометров оо нового поколения, позволяющих с чрез-

^ вычайно высокой степенью точности оп-§

* ределить массы составных частей биомолекул;

|| • решение задач протеомики и исследо- вания структур протеинов для моделировали ния и разработки новых лекарственных препаратов, действующих на клеточном уровне .<! (создан новый код идентификации протеи-§ нов, превышающий по эффективности су-§ ществующие аналоги); Ц • разработка квантово-механических ко-| дов молекулярной динамики и методов Мон-§ те-Карло для расчета полупроводниковых || гетероструктур и электронного строения молекул.

Кафедра математических методов прогнозирования

На кафедре проводится работа над развитием современной алгебраической теории алгоритмов и методов решения задач прогнозирования по прецедентам, а также других проблем, связанных с интеллектуальной обработкой неполной, плохо формализованной, частично противоречивой информации. Разработанные методы применяются для прогнозирования в экономике, медицине, технике и т. д.

Одна из созданных технологий — автоматизированная система определения стадии митоза (деление клеток) для клеточной культуры дрожжей. Данная технология используется для исследования новых противораковых препаратов.

Проводятся исследования трехмерного моделирования мозга животных (мышей) по набору экспериментальных срезов. Особый интерес представляют гистологические и анатомические модели, позволяющие ассоциировать данные по активности (экспрессии генов) клеток в разных анатомических структурах мозга.

Предложен и реализован подход к решению сложной современной задачи поиска крупных неточных тандемных повторов в ДНК (от 1000 пар и более), основанный на применении ОСАМ. Оригинальная идея метода состоит в оценке степени автокоррелирования различных фрагментов профиля (числовой последовательности, построенной на ДНК).

Разработана база данных структурно-функциональных элементов геномов, позволяющая хранить и легко добавлять информацию о различных типах структурных элементов геномов разных организмов, имеющая разнообразные возможности поиска (http://www.jcbi.ru/genrev/).

Кафедра вычислительных методов

На кафедре вычислительных методов разрабатываются математические модели и программные коды для решения ак-

№ 3 (27) 2010

туальных задач современной астрофизики — газодинамических процессов в двойной звездной системе и при образовании газовых дисков.

Разработан компьютерный диалоговый комплекс моделирования сердечно-сосудистой системы человека, позволяющий исследовать влияние различных факторов на систему кровообращения в целом, как в научных, так и практических целях, например, моделирование последствий патологических изменений в топологии сосудов и их свойств (стенозы, тромбозы магистральных артерий и т. д.).

Кафедра теории вероятностей и математической статистики

Получены новые результаты в области теории массового обслуживания, теории надежности, стохастической томографии, разработана асимптотическая теория обобщенных процессов риска, описывающих динамику резерва страховых компаний.

Разработаны конкретные процедуры для вычисления вероятностных характеристик катастроф, в частности, «ожидаемого времени» катастрофы и продолжительности периода, в течение которого вероятность катастроф пренебрежимо мала. Эти методы применены к вычислению временных характеристик глобальных катастроф, связанных со столкновением Земли с потенциально опасными небесными телами (астероидами, кометами).

Кафедра математической кибернетики

Реализуется магистерская программа «Математическое и программное обеспечение защиты информации». Организован диссертационный совет по этой специальности. Разработаны оригинальные специальные курсы по различным аспектам информационной и компьютерной безопасности. Проводятся НИР по защите информации (госзаказ). Кроме того, проводятся исследования по специальному проекту со-

вместно с Академией Криптографии РФ для Ц решения прикладных задач. g

Реализуется магистерская программа ^ «Математические модели и методы проектирования сверхбольших интегральных схем * (СБИС)». Научное направление составляют g классические и самые современные резуль- j| таты в области дискретной математики, ло- ^ гики, теории синтеза и сложности управляю- ^ щих систем, сложности алгоритмов и вычислений, математического моделирования процессов. Организована совместная лаборатория с фирмой Intel.

Кафедра нелинейных динамических систем и процессов управления

На кафедре проводятся научные исследования по актуальным направлениям теории нелинейных динамических систем, хаотической динамики, теории управления, теории выбора и принятия решений, дифференциальных игр и теории информации.

Сюда относятся: теория систем переменной структуры, теория новых типов обратной связи, ориентированные на решение всего спектра проблем стабилизации движения при наличии существенной нестационарности, неустранимой неопределенности или активного противодействия.

Кафедра математической физики

Исследован класс обратных задач для уравнений математической физики, возникающих при разведке полезных ископаемых, в медицине и других сферах научной и практической деятельности.

Совместно с Научным центром сердечно-сосудистой хирургии имени А. Н. Бакулева разработаны устойчивые методы решения задачи Коши для уравнения Лапласа в трехмерной области, предназначенные для исследования сердечной активности.

Создан и реализован итерационный метод определения неоднородного проводящего тела Земли по известному магнитному полю на земной поверхности.

№ 3 (27) 2010

На основе метода решения прямых и обратных задач для двумерного уравнения диффузии со специальным коэффициентом диффузии и источником разработаны методы диффузионной фильтрации для повышения резкости изображений.

Разработаны методы численного исследования задач о трехмерном течении вязких несжимаемых жидкостей и газов на основе модифицированной системы уравнений На-вье-Стокса, возникающих при создании летательных аппаратов. Создано программное обеспечение для моделирования трехмерных турбулентных течений на многопроцессорных суперсистемах с общей и разделенной памятью.

Кафедра оптимального управления

Для моделирования динамики движения систем автомобиля используется отечественный «Программный комплекс автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем EULER» (разрабатываемый совместно с ЗАО «Авто Механика»). Он позволяет находить оптимальные значения конструктивных параметров внедорожных автомобилей <о (например, угловая скорость, угол бокового | крена и др.), обладающих заданными дина-| мическими свойствами управляемого дви-¿э жения с использованием методов матема-

00 тического моделирования. Этот комплекс ^ успешно используется для учебного про* цесса.

1

| Кафедра общей математики

»

ц Разработаны методы решения задач оптимального граничного управления волно-.<! выми процессами для произвольного дос-§ таточно большого промежутка времени, § основанные на минимизации соответст-Ц вующего интеграла граничной энергии и ^ переводящие процесс колебаний из произ-| вольно заданного начального состояния в || произвольно заданное финальное состояла ние.

Кафедра системного анализа

Разработана теория синтеза управлений по данным измерений, позволяющая формировать управление по принципу обратной связи, используя информацию, как правило, неполных измерений. При неполной статистической информации о помехах (или в отсутствии таковой) «движение» системы описывается многозначными функциями — трубками траекторий, параметры которых уточняются по ходу «движения» на основе измерений.

Разработаны методы, позволяющие осуществлять управление движением в пространстве, автоматическими устройствами, медико-биологичесими, экологическими, экономико-финансовыми и многими другими процессами в условиях непредсказуемых помех различной природы.

Кафедра вычислительных технологий и математического моделирования

Исследуется совместная модель атмосферы и океана, разработанная в Институте вычислительной математики РАН. Модель климатического моделирования реализована численно на суперкомпьютере «Чебышев».

Модель используется для воспроизведения современного климата, а также для оценки будущих изменений климата при различных сценариях изменения содержания парниковых газов (численные эксперименты — на срок 200-500 лет).

Кафедра алгоритмических языков

Разработка общенационального веб-ресурса http://www.glossary.ru/ — «Служба тематических толковых словарей». В рамках этого проекта сделана попытка построить единое терминологическое пространство научной и деловой терминологии.

Кафедра системного программирования

Разработаны современные методы контент-инженерии, которые находят примене-

№ 3 (27) 2010

ние в промышленности (в самолетостроении и издательской деятельности).

Создана автоматизированная система подготовки энциклопедических изданий в развитом электронном виде (с предоставлением доступа как на основе Web-техноло-гии в Internet, так и на автономных носителях, таких как CD и DVD).

Лаборатория математического моделирования в физике

Ведутся проекты по разработке элементной базы оптических компьютеров.

На основе теории дифракционных явлений в оптически бистабильных безрезо-наторных системах предложены новые типы оптической бистабильности, имеющие высокое быстродействие и малые затраты энергии на акт переключения, при этом многократно улучшены характеристики известных в литературе оптически бистабильных схем.

Разработаны численные методы для решения задач нелинейного взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с веществом.

Реализован новый подход к моделированию распространения фемтосекундных импульсов в фотонных кристаллах, позволивший существенно упростить построение консервативных разностных схем и визуализировать результаты компьютерного моделирования в интерактивном режиме.

Разработаны алгоритмы динамического анализа спектров отклика среды на тера-герцовое лазерное излучение с целью обнаружения и идентификации различных веществ. Они имеют приложения для решения задач экологии, идентификации и контроля веществ, включая взрывчатые вещества, а также для томографических задач.

На основе компьютерного моделирования нелинейного взаимодействия лазерного излучения с фотонными кристаллами предсказаны следующие эффекты: туннелиро-вание световой энергии через запрещенную зону фотонного кристалла, влияние ан-

дерсоновской локализации на нелинейную Ц локализацию света в фотонном кристалле, § возможность остановки света в одномерном ^ нелинейном фотонном кристалле.

Предложен полностью оптически бис- * табильный переключатель на основе трех- 8 слойной структуры с дефокусирующей нелинейностью. Его преимущества связаны ^ с минимально возможными достижимыми ^ размерами фотонных кристаллов (всего три слоя) и существенно более высоким контрастом переключения из одного состояния в другое.

Лаборатория статистического анализа

Создана программная система «ЭВРИ-СТА» (Экспериментальные Временные Ряды: Интерактивный Статистический Анализ), на основе которой реализуются статистические методы исследования случайных процессов. Этот учебно-научный комплекс позволяет решать реальные задачи, возникающие в медицине (например, при сравнении спектральных и кросскорреляционных характеристик электроэнцефалограмм здоровых людей и страдающих болезнью Альц-геймера), экономике, бизнесе. Он является основой оригинального учебного курса, читаемого студентам факультета ВМК МГУ.

Лаборатория вычислительных комплексов, лаборатория информационных систем в образовании и научных исследованиях

Разработаны математические методы и алгоритмические средства построения математических моделей описания динамики функционирования встроенных систем реального времени, имитационных моделей информационных процессов.

Разработаны системы полунатурного моделирования и интеграции бортовых комплексов современных летательных аппаратов, навигационных комплексов морского базирования, системы обнаружения вторжений.

№ 3 (27) 2010

Лаборатория технологий программирования

Разработаны системы интеллектуального анализа данных (ИАД) — класс программных систем поддержки принятия решений, задачей которых является поиск скрытых, ранее неизвестных, содержательных и потенциально полезных закономерностей в больших объемах разнородных, сложно структурированных данных.

Лаборатория открытых информационных технологий

Разработаны программно-аппаратные решения в области сенсорных сетей, нашедшие практическое применение в медицинских исследованиях. Разработаны эффективные технологические решения в области автоматизации разработки программного обеспечения и сервисов телекоммуникационных систем нового поколения.

Лаборатория ведет большую исследовательскую работу в области новых образовательных технологий, включая разработку учебно-методических решений. В этой сфере получены следующие результаты: <g 1) Разработаны и внедрены в практи-| ку первые на факультете программы маги-| стерского образования (1998 г.). В настояла щее время под руководством профессора ei В. А. Сухомлина лаборатория реализует ^ следующие магистерские программы (http:// * master.cmc.msu.ru/):

• Программное обеспечение вычисли-|| тельных сетей;

• Открытые информационные системы; jS • Инженерия программного обеспечения (3-х летняя программа для иностранных стуЛ дентов);

g • Компьютерные науки (3-х летняя про-§ грамма для иностранных студентов); Ц 2) Разработаны и внедрены в практи-| ку двухлетние программы дополнительно-§ го образования на квалификацию по про-|| грамме «Разработчик компьютерных тех-i§ нологий» (2000 г.) — http://master.cmc.msu.

ru/?q=node/16, в том числе, четыре профиля данной программы, реализуемые совместно с индустриальным учебным центром «Сетевая академия ЛАНИТ» (http://www. hcse.ru/).

3) Разработаны концепция и государственные образовательные стандарты нового образовательного направления «Информационные технологии», получившего широкое распространение в ведущих университетах страны (2002 г.), а также стандарты нового поколения для направления «Фундаментальная информатика и информационные технологии», являющегося преемником направления «Информационные технологии».

4) Разработаны и внедрены концепция и поддерживающее программно-информационное обеспечение консорциумного метода сопровождения образовательных стандартов и механизма ежегодных Международных научно-практических конференций «Современные информационные технологии и ИТ-образование» (http://www. it-edu.ru/).

5) Разработаны и внедрены в практику концепция и методическое обеспечение Виртуального национального университета ИТ-образования.

6) Разработаны концепция и учебно-методическое обеспечение центра Интернет-обучения людей с ограниченными возможностями здоровья профессиональным компетенциям для работы в ИТ-отрасли.

7) Разработаны программы дополнительного образования для повышения квалификации (в том числе в режиме дистанционного обучения).

Факультет ВМК придает большое значение модернизации учебного процесса в целях повышения качества образования. На факультете реализуется свыше 15 специализаций и 11 магистерских программ, работает спецотделение по программам второго высшего образования. Следует отметить ряд важных образовательных проектов:

№ 3 (27) 2010

• Учебно-методический совет (УМС) по прикладной математике и информатике разработал федеральные образовательные стандарты 3-го поколения по направлениям ВПО «Прикладная математика и информатика», «Фундаментальная информатика и информационные технологии»;

• Впервые в России открыт сайт кон-сорциумной стандартизации http://www.it-edu.ru/;

• Организован виртуальный университет ИТ-образования, в котором участвует свыше 20 вузов;

• В 2008 году открыты научно-образовательные центры:

о Защита информации в Интернет, о Математические методы вычислительных технологий и их применение,

о Суперкомпьютерные технологии для решения задач обработки, хранения, передачи и защиты информации;

• Реализован проект «Использование массивно-параллельной системы Blue Gene/P в учебном процессе»:

о Ведется активная работа по созданию учебных практикумов по высокопроизводительным вычислениям.С этой целью проведена установка ряда параллельных математических библиотек (PETSc, HYPRE, Scalapack), инструментальных систем для настройки эффективности параллельных приложений.

о Подготовлены и читаются новые спецкурсы:

«Вычислительные нанотехноло-гии»;

«Терафлопные вычисления». В рамках спецкурса выполняются практические задания с выходом на вычислительные системы Blue Gene/P и Чебышев (СКИФ МГУ). Проводится разработка программных систем поддержки учебного процесса на высокопроизводительных вычислительных платформах.

о Планируется модернизация учебных программ и разработка новых курсов по высокопроизводительным вычислениям.

о Реализуется учебная программа для Ц студентов по обучению решению задач на g высокопроизводительных вычислитель- ^ ных платформах; развиваются программы дополнительного профессионального * образования. Факультетом разработано g свыше 40 краткосрочных программ в об- j| ласти ИТ-образования; s^

• Проведен выпуск бакалавров по про- ^ грамме двойных степеней (ф-т ВМК МГУ и SUNY Canton);

• Факультет реализует проект обучения инвалидов для подготовки их к работе в области информационных технологий. Московским университетом совместно с РАН проведена международная научная конференция «Современные проблемы вычислительной математики и математической физики», посвященная 90-летию со дня рождения А. А. Самарского;

• МГУ совместно с РАН организована международная научно-практическая конференция «Графикон», в рамках которой проводится конкурс студентов по номинациям в компьютерной графике;

• В 2009 году была проведена Международная летняя студенческая школа «Современная математическая теория экономического роста».

На пороге своего 40-летия факультет стремится динамично развиваться для того, чтобы выпускники имели фундаментальное образование и отвечали запросам рынка труда.

Список литературы

1. Е. И. Моисеев, В. В. Тихомиров. Подготовка кадров по прикладной математике и информационным технологиям на факультете ВМК МГУ имени М. В. Ломоносова / Сб. трудов IV Международной научно-практической конференции «Современные информационных технологий и ИТ-технологии». Под редакцией В. А. Сухомлина, — М.: ИНТУИТ. РУ. 2009.

2. http://www.cs.msu.su/index.html

3. http://www.cs.msu.su/science/deanreport.html — Отчет декана факультета ВМиК МГУ академика Е. И. Моисеева за 2008 г.