Щур Л.Н.: Роль инфокоммуникационных технологий в развитии процесса глобализации научных исследований

Роль инфокоммуникационных технологий в развитии процесса глобализации научных исследований

____________________

Л.Н. Щур

Исследования по разработке ИТ-систем для науки и образования и их практическое воплощение проводятся при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, ГК № 07.514.11.4041.

Статья рекомендована А.М. Елизаровым 22.08.2012

Аннотация. Статья посвящена важной роли систем обработки и передачи информации в развитии глобализации научных исследований. В статье обсуждается сегодняшний феномен построения глобального финансово-экономического общества, который существенным образом опирается на развитие информационных и телекоммуникационных (ИТ) технологий. Подчеркивается лидирующая роль научного сообщества в процессе развития глобальных ИТ-ресурсов. Приводятся примеры успешного построения и использования таких систем.

Ключевые слова: научные исследования, глобализация, научные коллективы, научные публикации, распределенные вычислительные ресурсы, распределенные информационные ресурсы, системы совместной работы.

Изменение геополитической обстановки, произошедшее около 20 лет назад, привело к переосмыслению процессов организации современного общества. На смену военно-политическим блокам, противостоявшим друг другу на всей территории планеты, стали формироваться региональные и глобальные финансово-экономические союзы. Показателен пример стран БРИКС (BRICS) – группы из пяти быстроразвивающихся стран: Бразилии, России, Индии, Китая и Южно-Африканской Республики. Другой пример глобального изменения современного общества, который настолько значителен, что о нем часто забывают, – это Европейский союз, объединение, насчитывающее на сегодня 27 стран. Происходит мощное перераспределение финансовых, промышленных и людских ресурсов, задействованных в экономике планеты [1]. Глобальные масштабы процессов требуют новых эффективных механизмов управления такими процессами. Технологическая реакция на эту необходимость выразилась, в частности, во взрывном росте индивидуальных средств коммуникаций. По-видимому, удовлетворение индивидуальных потребителей вышло на стадию насыщения. Акцент переносится на проблему синхронизации деятельности отдельных работников, объединения сотрудников в эффективно действующие группы, проблему координации деятельности таких групп и управления этими группами. Иными словами, становится все более актуальным применение новых информационных технологий для организации совместной работы распределенных и виртуальных коллективов.

Стоит отметить, что понятие глобальности общества претерпевало изменения в процессе его развития. Например, понятие «tous le monde» (фр.: весь мир) использовалось не в масштабах всего мира, а лишь в пределах французского королевского двора. Масштабы«глобального» общества претерпевали существенные колебания. Достаточно вспомнить империю времен Александра Македонского, Римскую империю, империю Наполеона, Российскую империю, когда-то простиравшуюся на три части света, и т.п. Кроме того, «глобальность» империй и обществ прошлого никогда не достигала размеров земного экватора. Только после распада Советского Союза в 1991 г. стали формироваться финансовые и экономические корпорации и объединения действительно глобального масштаба. Именно в 21 веке глобальность финансово-экономических корпораций достигла всепроникающего размаха и глубины, преодолевая административные, политические, государственные и географические границы на нашей планете.

Неудивительно, что немедленной технологической реакцией на смену геополитического равновесия стал процесс развития информационных и телекоммуникационных технологий, создания информационного общества. Одним из существенных толчков послужила инициатива администрации президента США Б. Клинтона и вице-президента А. Гора по развитию интернета. Тогда была разработана Белая книга «The National Information Infrastructure: Agenda for Action» [2], которая дала импульс к свободному распространению информации в сети Интернет. В 1996 г. ими была предложена инициатива «Next Generation Internet Initiative» [3], которая была встречена с большим энтузиазмом в Северной Америке. Помимо обычных для инициатив правительства налоговых льгот участвующим в них компаниям появилась программа бесплатного образования по новым информационным технологиям в университетах, причем без ограничений на возраст учащихся. Известны случаи, когда успешными выпускниками становились люди под восемьдесят. Как результат, сегодня мы имеем североамериканское доминирование как в области системного программного обеспечения так и в области прикладных систем и новых информационных систем глобального масштаба.

Можно выделить пять полезных для всего общества результатов упомянутых инициатив. Во-первых, были заложены юридические основы свободного распространения информации в мультимедийных средах, что привело к ускоренному обмену результатами интеллектуальной деятельности [4]. Во-вторых, были созданы предпосылки для финансирования разработки свободно распространяемого программного обеспечения (СПО), что способствует быстрому построению на этой основе эффективных информационных систем [5]. В-третьих, был создан новый сектор экономики по продаже услуг через интернет, который уверенно растет [6]. В-четвертых, появились качественно новые услуги, которые еще 20 лет назад казались лежащими в сфере научной фантастики, например услуги GPS (Global Positioning System) [7, p. 16]. В-пятых, была создана ИТ-инфраструктура для науки и образования, которая предоставляет возможность проведения научных исследований на новом уровне и разработки новых методов, подходов и программно-аппаратных устройств, которые затем внедряются в различные сферы экономики и общественной деятельности.

Все вместе кардинально изменило стиль работы, досуга и повседневной жизни значительной части населения планеты.

Наша статья посвящена рассмотрению пятого пункта из приведенного списка. Его важность обусловлена несколькими фактами. Во-первых, именно в научном сообществе была разработана концепция Всемирной паутины . Во-вторых, именно использование созданной инфраструктуры для науки и образования, использование разработанного СПО и новых информационных технологий позволяют делать новые научные открытия. Так, построение международным сообществом масштабной экспериментальной установки Большого адронного коллайдера и создание глобальной распределенной вычислительной системы по обработке экспериментальных данных недавно привело к обнаружению новой частицы в области энергии 125-126 гигаэлектронвольт [8]. Свойства этой частицы, которая, возможно, и есть разыскиваемый бозон Хиггса, изучаются усилиями нескольких тысяч специалистов, рабочие места которых разбросаны по всему миру.

Научная деятельность имеет два глобальных аспекта. С одной стороны, это аккумуляция исследователем накопленного сообществом научного багажа с целью создания нового знания. С другой стороны, это распространение полученного исследователем нового знания среди всех членов научного сообщества. Следовательно, глобальность научной деятельности тесно связана с глобальностью научного сообщества. Научное знание было глобальным даже в далекие времена. Например, Великий шелковый путь во времена Александра Македонского соединял не только торговые площадки Южной Европы, Средней Азии и Южной Азии, но и способствовал обмену знаниями между математиками и астрономами Великой Греции, Ферганской долины и Китая. Еще один пример: во времена строжайшей секретности при работе над атомными и ракетными проектами в 20 веке также существовал обмен научным знанием, хотя и не традиционными для науки средствами [9].

Полученное в результате научной деятельности знание рано или поздно находит практическое применение. Это, видимо, общий феномен целесообразности познания и развития. Ярким примером этому выступает новшество рубежа 20 и 21 веков, когда в обыденную жизнь миллионов людей по всей планете вошла практика использования системы навигации GPS. Вопреки распространенному мнению, что теория относительности − это просто красивая абстрактная выдумка физиков-теоретиков и математиков, именно ее применение указывает нам точное местоположение и позволяет уверенно водить автомобиль по незнакомому городу. Например, если я сегодня измерю с помощью системы GPS свое положение на крыльце моей подмосковной дачи, то без учета эффектов теории относительности через неделю эти координаты будут указывать на то, что я нахожусь на высоте 5 километров над дачей моего друга на берегу Финского залива [10]. Оценить экономический эффект от внедрения общей теории относительности невозможно. Как и оценить размер авторского гонорара Альберту Эйнштейну. Новое знание невозможно измерить в количественных показателях – оно качественно меняет деятельность человеческого общества. Это еще одна особенность научного знания и роли фундаментальной науки в обыденной жизни.

В наше время наиболее интенсивные и многообещающие научные исследования происходят на стыке традиционных дисциплин естествознания, в междисциплинарных областях. Успешное получение нового знания требует интеграции усилий специалистов в этих областях и наличия своевременного доступа к научным результатам, полученным в других учреждениях и организациях. Можно выделить следующие черты, характерные для современной научной деятельности:

1) глобализация исследовательского процесса, в который вовлекаются ученые разных стран и лабораторий;

2) необходимость обучения и воспроизводства специалистов для быстро возникающих новых областей знаний;

3) высокая конкуренция исследований, особенно по хорошо финансируемым тематикам, таким как исследования в области новых источников энергии, разработки новых материалов, физики наносистем, создания новых информационных технологий;

4) жесткие временные рамки на проведение исследований вследствие высокой конкуренции исследовательских групп, высокие требования к самим группам;

5) большой объем данных и информации, на которых базируются поисковые исследования.

Успешное выполнение научной деятельности в наше время невозможно без применения новых информационных технологий. Современные аспекты проблемы применительно к практическому обеспечению инфокоммуникационными технологиями коллективов исследовательских центров обсуждается в статье [11]. Здесь мы акцентируем внимание на общих проблемах научной деятельности и обосновании, что именно развитие инфраструктуры, построенной на новых информационных технологиях, является важным фактором для успешного решения проблем по вышеназванным направлениям эволюции современной научной деятельности.

1. Одна из причин глобализации исследовательского процесса состоит в необходимости выполнения работ на стыке различных областей знаний. В то же время каждая научная лаборатория стремится иметь все более узкую специализацию для обеспечения конкурентоспособности. Совмещение этих тенденций приводит к тому, что успешные коллективы ищут успешных партнеров по всему миру. Физики А. Гейм и В. Новосёлов исследовали физические свойства открытого ими нового материала, графена, имеющего толщину в один углеродный слой. Для физического эксперимента нужны две составляющие: исследуемый образец и инструмент исследования. Гейм и Новосёлов имели хорошую экспериментальную установку для исследований низкотемпературных свойств графена в Манчестерском университете (Великобритания). При изготовлении экспериментальных образцов оказалось, что целесообразно заказать припайку контактов к монослойным листам графена у коллег-физиков в Институте проблем микроэлектроники РАН (ИПТМ РАН) Научного центра в Черноголовке (Россия), где А. Гейм когда-то работал научным сотрудником, а Новосёлов учился в аспирантуре. Опубликованные совместно сотрудниками Манчестерского университет и ИПТМ РАН результаты экспериментальных исследований (см., например, [12]) оказались настолько важными для научного сообщества, что А. Гейму и В. Новосёлову присудили Нобелевскую премию по физике за 2010 год

2. Для успешной работы в новых областях знаний недостаточно ученых, специализация которых, как правило, достаточно узка. Необходимы специалисты, способные найти общий язык с коллегами из других областей естествознания, чтобы обеспечить работу распределенного и виртуального коллектива как единого целого. Для поиска путей перевода нового научного знания настадию опытных разработок необходимы также специалисты в области внедрения и инноваций. Характерно, что в ведущих вузах России (например, МГУ, ВШЭ, МФТИ) ведется обучение таких специалистов, которые, несомненно, будут востребованы.

3. Высокая конкуренция в сфере исследований по актуальным научным направлениям требует быстрого распространения научного знания. Процесс распространения знаний двунаправлен: это распространение знаний исполнителем проекта с целью популяризации исследования и доступ самого исполнителя проекта к научным результатам других исследователей. В глобальном мире только ИТ-технологии способны обеспечить выполнение такого требования в режиме 24/7.

4. Успешность научных исследований до недавнего времени нередко связывалась с лидерами. Проведенные учеными Великобритании и Франции исследования показали важность совместной деятельности научного коллектива, кооперации исследователей (см. [13]). Оказалось, что особо конкурентным является исследовательский коллектив, насчитывающий определенное количество исследователей, включая аспирантов. Это примерно 18 ученых для коллектива химиков, 10 для биологов, 12 для физиков-экспериментаторов, 6 у физиков-теоретиков, два у математиков. Меньший по размеру коллектив получает меньше грантов и признаний, а эффективность работы большего коллектива растет медленно. Иными словами, существует оптимальный, или «критический», размер успешного и конкурентоспособного научного коллектива. Для доказательства гипотезы Пуанкаре (связное замкнутое трехмерное множество гомеоморфно сфере) математик Григорий Перельман использовал идеи Ричарда Гамильтона, с которым он познакомился в университете Колумбии, что подтверждает достаточность тесного научного общения всего лишь двух математиков даже для решения важной и сложной научной проблемы.

5. Большинство современных поисковых исследований требуют накопления и обработки значительных объемов числовых данных и мультимедийной информации. Это относится, например, к поиску новых медицинских препаратов, для чего из сотен миллионов возможных химических формул с помощью моделирования отбирается несколько тысяч, в свою очередь из которых успешно синтезируется несколько десятков, а из них для медицинских испытаний отбирается один-два препарата. Требования к большой мощности вычислений и большой емкости хранилищ информации относятся и к упомянутому выше анализу экспериментальных данных, полученных на Большом адронном коллайдере. Потребовался многомесячный анализ данных с использованием распределенной по всему миру сети вычислительных кластеров. При этом из сотен тысяч гигабайт информации было извлечено всего лишь 5 (!) событий, связанных с бозоном Хиггса. Хранение и обработка таких объемов информации требует использования новых информационных и телекоммуникационных технологий.

В Научном центре РАН (НЦЧ) в Черноголовке проводятся работы по развитию ИТ-инфраструктуры для обеспечения работы научных сотрудников, аспирантов и студентов центра. Сеть ChANT (Chernogolovka Academic Network) объединяет 15 академических учреждений и 6 базовых кафедр МФТИ, МГУ и МИСИС. Кратко перечислим возможности информационной, телекоммуникационной и вычислительной составляющих инфраструктуры.

Физически инфраструктура построена на основе оптоволоконной 10-гигабитной сети. Коммутаторы могут обеспечить гибкую сеть с возможностью организации виртуальных высокоскоростных соединений для обеспечения эффективной работы внутри распределенного виртуального коллектива. Создана также мини-облачная инфраструктура для хранения и обработки мультимедийных данных большого объема.

Для отображения графической информации большого масштаба создан программно-аппаратный комплекс из видеокластера и мозаичной видеостены. Составной монитор отображает 50 миллионов точек, и на нем помещается карта всей Московской области в таких деталях, что можно найти не только взлетную полосу аэропорта Шереметьево, но и опознать каждую улицу дачного поселка. Такие системы можно применять в центрах управления сложными распределенными объектами. Технология позволяет изучать, например, детали техники Дионисия и его сыновей на фреске с Ноем, расположенной в барабане Ферапонтова монастыря, без необходимости взбираться на специально построенные леса в храме. Возможность обработки и отображения больших объемов информации дает возможность организации виртуальных музеев.

Технология видеогрид, используемая для работы виртуальных коллективов, позволяет организовывать обсуждения научных работ и конференции одновременно с более чем 20 различными университетами и научными лабораториями мира. Она дает возможность совместно писать статьи, находясь в различных частях света, а также подключать к системе научные приборы для проведения научных исследований. Система используется для проведения научных семинаров по вычислительным аспектам в естественных науках, которые проводятся совместно научным центром в Черноголовке и научным центром в Юлихе. Немецкие докладчики находятся в Юлихе, российские − в Черноголовке, а слушатели могут быть как в конференц-залах, так и в лабораториях за своими ноутбуками. Система установлена в зале заседаний бюро Отделения физических наук РАН и опробована при проведении распределенного заседания, когда часть членов бюро находилась в Институте физики твердого тела в Черноголовке. Качество звука и изображения позволило создать полный эффект присутствия участников заседания в одном зале (см. рисунок).

Рисунок. Пример интеграции трех технологий: видеогрид, облачной технологии и телемедицины

Разрабатываемая в НЦЧ виртуальная библиотека научных трудов сотрудников центра даст возможность быстрого и удобного доступа к полным текстам статей, выполненных в лабораториях центра. Система также позволит узнать текущий индекс цитирования каждой публикации за счет регулярного обновления данных цитирования с помощью автоматической связи с системой Web of Science.

Другой пример внедрения новых информационных технологий связан уже непосредственно с выполнением научных исследований. Платформа КомпФиз [14] интегрирует единый программно-аппаратный комплекс – разработанные сотрудниками центра программы и вычислительные ресурсы. Возможно использование не только вычислительных ресурсов институтов центра, но также суперкомпьютеров и облачных систем других учреждений науки и университетов России. Платформа КомпФиз дает возможность проведения вычислительных экспериментов по современным направлениям физики. Она может быть использована при обучении студентов базовых кафедр. Также возможна организация проведения зачетной сессии и принятия экзаменов в виртуальном режиме. Применение Платформы КомпФиз резко повышает эффективность научных исследований и позволяет экономить время при проведении учебно-организационные мероприятия. Использование платформы не требует специальных знаний в области информационных технологий.

Построенные в НЦЧ ресурсы высоко мобильны и легко интегрируются с другими системами. Например, для демонстрации перед членами Совета генеральных и главных конструкторов при правительстве РФ, которая проводилась в ОАО «Российские космические недели» (ОАО РКС), была произведена интеграция программно-аппаратной системы ВидеоГрид с вычислительной облачной системой разработки ОАО РКС и с приборами и компьютерами его медицинских учреждений. В режиме реального времени участникам совещания Совета генеральных и главных конструкторов было одновременно показано УЗИ-исследование пациента из кабинета диагностики, работа врача-консультанта из кабинета врача и продемонстрированы данные медицинского обследования. Работа по созданию интегрированной системы была выполнена четырьмя специалистами НЦЧ РАН и ОАО РКС в течение рабочей недели и была высоко оценена руководством Совета.

Созданная телекоммуникационная, информационная и вычислительная инфраструктура НЦЧ РАН может быть использована для дальнейших разработок в области ИТ-технологий.

Таким образом, мы видим, что глобализация науки требует создания и применения новых видов ПО и разработки на их основе новых программно-аппаратных комплексов для обеспечения проведения современных исследований, в особенности междисциплинарных. Такие комплексы необходимы также при работе с большими объемами информации, для обеспечения эффекта одновременности и присутствия. Внедрение таких систем и их апробация требуют нескольких лет, как правило, трех-четырех, для выхода на полное использование. Возможные варианты такого развития требуют устойчивого финансирования со стороны государственных научных фондов и в рамках программ приоритетного развития.

2. The National Information Infrastructure: Agenda for Action. 15 September 1993. Report, Department of Commerce, USA.

4. Ginsparg P. Creating a global knowledge network // UNESCO Expert Conference on Electronic Publishing in Science. Paris, 19–23 February 2001, Second Joint ICSU Press.

5. Иванников В.П. Что такое СПО // Перспективные компьютерные системы: устройства, методы и концепции /Под ред. Назирова Р.Р. и Щура Л.Н. Москва, 2011. С. 106−114.

7. The global positioning system: a shared national asset: recommendations for technical improvements and enhancements. National Research Council (U.S.). Committee on the Future of the Global Positioning System. National Academy of Public Administration. National Academies Press, 1995. ISBN 0-309-05283-1 // URL: http://books.google.com/books?id=FAHk65slfY4C.

8. CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson. CERN Press Release. Geneva, 4 July 2012.

9. Халатников И.М. Дау, Кентавр и другие. Top non- secret. Москва: Физматлит, 2012.

11. Щур Л.Н., Меньшутин А.Ю., Шикота С.К., Инфокоммуникационное обеспечение исследовательского центра: задачи и инфраструктура // Информационное общество. 2011. №6. С. 58−65.

12. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Katsnelson M.I., Grigorieva I.V., Dubonos S.V., Firsov A.A. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in grapheme // Nature. 2005. V. 438. P. 197−200.

13. Kenna R., Berche B. Critical mass and the dependency of research quality on the group size // Scientometrics. 2011. V. 86. P. 527−540.

14. Щур Л.Н., Меньшутин А.Ю., Шикота С.К. Программно-аппаратная платформа для научных исследований в области вычислительной физики // Программная инженерия. 2012. № 8. С. 14−25.

15. О заседании Совета генеральных и главных конструкторов в ОАО РКС // URL: http://www.comphys.ru/rks.

заведующий сектором вычислительной физики Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН,

заведующий отделом прикладных сетевых исследований Научного центра РАН в Черноголовке