Компьютерное моделирование, использующие параллельные вычислительные алгоритмы, возникло примерно в конце 40-х — начале 50-х годов XX века. Тогда компьютерная эра только начиналась: появился первый компьютер ENIAC в Америке, а также первая советская ЭВМ, которая была разработана группой академика Лебедева. Однако самые первые электронные устройства использовались очень ограниченно, в основном вычисления проводились с помощью большого количества девушек, которые с арифмометрами в руках сидели в большой комнате, напоминавшей спортзал.
Разумеется, осуществлять таким образом последовательные вычисления для решения сложных математических задач было очень тяжело. Поэтому математикам пришлось задуматься над тем, как наиболее эффективно «распараллеливать» вычислительный процесс. Все современные суперкомпьютерные системы используют распараллеленные алгоритмы. Но зародились они именно тогда, еще в начале 1950-х годов с помощью арифмометров, так как другого варианта просто не было. Вычислительная техника развивалась одновременно с вычислительными методами.
Сильным толчком к этому развитию стала в первую очередь работа над ядерными программами.
Для создания атомного оружия пришлось задействовать очень большие силы не только физиков, но и математиков-вычислителей, а также разработчиков компьютерной техники.
Первая советская электронно-вычислительная машина была создана в 1951 году школой академика Лебедева. Почти через год аналогичный — полностью электронный — компьютер знаменитого фон Неймана появился в Америке. Тут же возникла задача о последствиях распространения ядерного взрыва, которая решалась параллельно и у нас, и за океаном. Но, конечно, все исследования и разработки велись в рамках совершенно секретных программ.
Тогда же фактически начала развиваться так называемая теория разностных схем и решение дифференциальных уравнений в частных производных. А это основа уравнений математической физики, которые описывают основные физические процессы. Выдающимися исследователями в этой области стали Лакс, Вендрофф, Курант, Гельфанд, академики Белоцерковский, Годунов, Самарский, Дородницын, Яненко. Все эти люди параллельно развивали вычислительную технику и вычислительные методы. Именно тогда появились знаменитые схемы Лакса, Лакса — Вендроффа, метод Годунова, который до сих пор не потерял актуальность, хотя прошло уже более 60 лет. Белоцерковский стал первым ученым, который смог численно решить задачу об обтекании спускаемого в атмосфере Земли аппарата. Кроме того, был создан знаменитый метод Белоцерковского — Дородницына, который используется и сейчас. Тогда же были предложены схемы академика Самарского, по которым сейчас решаются многие математически сложные задачи.
Конечно, наличие всех этих и подобных им задач стимулировало развитие вычислительной техники. И в Советском Союзе она развивалась очень неплохо. Примерно до середины 1960-х годов мы шли параллельно с американцами. Но потом некоторые не совсем профессиональные решения на самых верхах государства привели к тому, что развитие нашей электронной техники и ее финансирование стали сокращаться, а был взят курс на закупку американской вычислительной техники.
Это стало очень большой ошибкой.
Современные суперкомпьютеры — это очень мощные вычислительные системы. Скорость их работы уже достигает десяти и более петафлопс. Хотя буквально 3-5 лет назад речь шла о терафлопсах (1 петафлопс = 1015 операций в секунду, 1 терафлопс = 1012 операций в секунду. – Forbes). Сейчас уже идет речь о создании первого экзафлопсного (1018 операций в секунду) компьютера.
Мощность вычислительной техники в наши дни увеличивается с поразительной скоростью. Правда, физики тоже не отстают и ставят задачи соответствующей сложности. Последнее десятилетие дало удивительный скачок в решении сложнейших задач.
Основное применение вычислительных систем — это моделирование разнообразных физических явлений и процессов. Это нелинейные трехмерные динамические задачи, решать которые стало возможно буквально в последние десятилетия. Это задачи вычислительной аэродинамики (обтекания потоком воздуха самолетов и спускаемых в атмосфере планет аппаратов), гидродинамики (обтекание кораблей, подводных лодок, других плавающих объектов), магнитной гидродинамики, физики плазмы, звезд, сейсморазведки полезных ископаемых и др. С этими задачами связаны такие области информатики, как 3D-компьютерная графика, без которой невозможен анализ результатов расчетов, сетевые технологии, оптимизация программ, интегрирование больших программных комплексов, создание параллельных алгоритмов и распределенные системы.
Специалист в нашей области должен быть прекрасным программистом, знать практически всю информатику, также он должен быть отличным математиком, знать численные методы и предметную область, в которой он работает. Сейчас наши суперкомпьютеры также позволяют решать такие задачи, о которых раньше тяжело было говорить, например климатические, в частности, задачи о движении воздушных масс в атмосфере Земли, океанических течений, взаимодействия океана и атмосферы, образования цунами, действия землетрясений и других природных явлений.
