„Mi nem tudunk élni szuperszámítógépek nélkül” – interjú Nyári Bendegúz Tamás HPC-ösztöndíjas PhD hallgatóval

Hogyan mutatná be magát, mi a kutatási területe?

A BME Természettudományi Karán, az Elméleti Fizika tanszéken vagyok végzős doktorandusz, az elkövetkező egy évben fogom megírni a disszertációmat. Az elméleti fizikán belül szilárd testek elektronszerkezetének ab initio szimulációjával foglalkozom. Ez olyan módszerek gyűjtőneve, melyekkel, ahogy a latin név is mutatja, a kezdetektől, a fizikai alapelvekre építve van lehetőség szimulációkat végezni. Maguk a módszerek persze meglehetősen bonyolultak, összetettek, de általuk lehetőségünk nyílik anyagspecifikus szimulációkat végezni. A pályázatom keretében különböző szupravezető-fém heteroszerkezetek felületén mesterségesen kialakított mágneses atomi struktúrák kvantumállapotait vizsgáltam.

Mi a célja ennek a kutatásnak?

Olyan izgalmas fizikai jelenségek vizsgálata és megértése, amelyek az információs technológia szempontjából relevánsak lehetnek, és egy napon a jövő eszközeinek alapjait képezhetik. Az előbbiek alapján pedig akár az, hogy javaslatot tudjunk megfogalmazni, mik lehetnének azok az anyagok, melyek adott célokra a legjobban használhatóak. Erre egy példa a szupravezető nióbium felületének vizsgálata, különböző fedőrétegek és felületi mágneses szennyezők esetére, ahol célunk, hogy olyan kombinációkat találjunk, melyekben lehetséges az úgynevezett Majorana-állapotok kialakulása. Ugyanis, ha sikerülne olyan anyagokat találni, melyekben ezek a Majorana-állapotok megjelennek, akkor ezek lehetőséget biztosítanának egy új, sokkal kisebb hibával működő kvantumbit megalkotására.

_{Vaslánc spinspirál állapotban, az egy atomi réteg arannyal borított Nb(110) felületén}

Hogyan hasznosulnak ezek az eredmények?

Mi alapkutatást végzünk, de később természetesen meglesznek ezeknek a számításoknak az ipari alkalmazásai is, csak nagyobb kontextusban, jelen esetben egy a Majorana-állapotokon alapuló kvantumszámítógép formájában. Rövidtávon azonban a fő örömöt és motivációt a látott fizikai jelenségek megértése, és az így elérhető tudás megszerzése okozza.

Mikor találkozott először a szuperszámítástechnikával?

Ugyanabban a kutatócsoportban írtam a BSc szakdolgozatomat és az MSc diplomamunkámat, ahol jelenleg a doktorimat is csinálom. Kezdetben papíron végeztem elméleti számításokat, ebből született a BSc szakdolgozatom. Utána a kapott eredményeket tesztelni és implementálni kellett, ekkor végeztem először konkrét számításokat, amire még a tanszék kis számítógépklaszterét használtam. Majd a mesterdiplomámhoz már egy adott anyagcsalád vizsgálatát végeztem el, melyek már nagyobb erőforrásigényű számolások voltak éstúlmutattak egy asztali számítógép kapacitásán.

Korábban nem szerepelt a tanulmányaiban a HPC?

Az egyetemen nem volt tananyag a szuperszámítástechnika. Nálunk a BME-n biztos, hogy nem oktatják, legalábbis a fizikusképzésben nem, pedig véleményen szerint szükség lenne rá. Jelenleg az a gyakorlat, hogy akinek szüksége van rá, az autodidakta módon, az internet vagy a munkatársai segítségével megtanulja.

Mi a HPC szerepe a szakterületén?

A szűk értelemben vett szakterületem nem is nagyon tudna létezni szuperszámítógép nélkül. Olyan programkódjaink vannak, amik egy PC-hez viszonyítva sokkal nagyobb erőforrásigényűek, egy tipikus számítás akár 100 processzormagot is igénybe vehet. Mi nem tudunk élni szuperszámítógépek nélkül, ha lenne is alternatívája, az merőben más módszertant igényelne.

Hol értesült a Kompetencia Központ ösztöndíjpályázatáról?

A csoportunkban volt már egy KIFÜ-s projekt, pontosabban van, mert még mindig fut. Abban én is végeztem számításokat, tehát már felhasználó voltam, és így megkapom a KIFÜ hírlevelét. De a BME belső hírlevelében is szerepelt.

Milyen projekttel pályázott?

Egy már futó projektemmel. Voltak már korábbi eredményeim, ezért minden elő volt készítve, viszont az infrastrukturális lehetőségek hiányoztak. Megvolt minden, megvolt, hogy mit kellene számolni, megvoltak a programkódok, csak gépidőre lett volna szükségem. Amikor elolvastam a kiírást, rögtön láttam, hogy nekem ez teljes mértékben profilba vág. Röviden úgy tudom összefoglalni, hogy a kvantumszámítógép alapjául szolgáló kvantumbitekre vonatkozó számítások, illetve különböző kvantumbit-megvalósításokhoz szükséges kutatások szerepeltek a pályázatomban. Remélem, hogy az eredményeim egy napon a különböző hardverekben is meg fognak jelenni.

Sikerül elérnie a kitűzött célt?

Ez egy nehéz kérdés, mert rengeteg eredmény van. De a kutatásoknál mindennapos, hogy ahogy megyünk előre, úgy nyílnak meg az újabb és újabb lehetőségek, jönnek az új ötletek. Összességében azt tudom mondani, hogy a februárban kitűzött céljaim legtöbbjét elértem, de látva az eredményeket, rengeteg új irányba mehetek tovább.

Tervezi a folytatást?

Igen, határozottan tervezem továbbvinni, mert sok mindent lehetne még csinálni. Nem is nagyon tudok erre a projektre egy kerek, lezárt egészként tekinteni. Számomra ez inkább egy folyamatban lévő dolog, aminek ez a pályázat egy mérföldköve volt, amire építve tovább lehet lépni újabb, izgalmas irányokba.

Milyen volt használni a KIFÜ szuperszámítógépet?

A máshol már működő kódok áthozása, konfigurálása volt a feladatom, ebben a pályázati mentorom, dr. Szeberényi Imre is sokat segített, kisebb nehézségekkel, de mindent sikerült rövid idő alatt működésre bírni.

Mennyire tartja kihívásnak a szuperszámítógép használatát?

Felhasználói szinten gyorsan elsajátítható, ha vannak programozói, számítástechnikai alapok. Az elsődleges kihívás az, hogy ma már mindenki grafikus felületeket használ, ezért, ha kap egy terminált, lefagy, nehezen tud ”vele mit kezdeni”. Aki viszont otthonosan mozog a Linux terminálban, hamar megérti a HPC működését is, és gyorsan tud boldogulni, mindez pedig elsajátítható egy asztali számítógépen is. Ami újdonságot tud még okozni egy HPC-környezetben, az az ütemező használata, ezzel tényleg csak HPC-n találkozik az ember, de úgy gondolom, erre is léteznek kiváló oktatóanyagok, ahol az alapok pár óra alatt elsajátíthatóak. A problémák akkor jönnek, ha valami esetleg nem működik. Ha mélyebben kell belenyúlni dolgokba, az már kihívást jelenthet. De ha van egy jól működő programkód, ami telepítve van, akkor felhasználóként gyors és egyszerű a HPC kezelése.

Mi kell ahhoz, hogy valaki hatékony szuperszámítógép-felhasználó legyen?

A felsőoktatásban a számítógép háttérbe szorul, vagy legalább is a képzések nagyon lassan követik le a számítástechnika területén bekövetkező fejlődést. Nagyon kevés programozást tanítanak, illetve tanítottak, amikor én a BSc-met csináltam. Ahhoz azonban, hogy valaki hatékonyan tudja használni a szuperszámítógépet, először is hatékony kódokra van szükség. A felhasználó azonban már a legtöbbször kész kódokkal dolgozik, így az a legfontosabb, hogy ismerje a kezében lévő programot, és tudja, hogyan működik, hogyan lehet vele a legjobban kihasználni a rendelkezésre álló erőforrásokat.

Kinek ajánlaná a szuperszámítógépet?

Szerintem mérnöki irányban is bőven vannak lehetőségek, arra lehetne nyitni. Az áramlástani szimulációk számítási igénye például óriási. Ugyanez vonatkozik az iparra is, az autógyártók, a gépgyártók biztos használnak akár saját szuperszámítógépeket is szimulációkra. A szűk keresztmetszetet esetükben a szoftverlicencek jelentik. Sok tudományterületnek megvannak a saját licences programkódjai, amik nélkül nem tudnak létezni, ugyanakkor ezeknek a licenceknek komoly anyagi vonzata is van. Mi egy saját fejlesztésű programcsomaggal dolgozunk, ami elég szerteágazó, és rengeteg témával tudunk vele foglalkozni.

Ez a sokrétűség a kutatási projektére is igaz?

Igen. Egyrészt mi is fejlesztünk, másfelől látjuk, milyen irányba megy tovább a tudomány, azt is követjük. A témavezetőm, dr. Szunyogh László és a társai a ’90-es évek elején kezdték el ezt a területet kutatni, lassan 30 éve. Ekkor kezdték fejleszteni a ma használt programcsomagot is, ezeknek a kódoknak a felhasználásával azóta már több száz szakcikk született.

Hogyan látja a szuperszámítástechnika jövőjét?

Rengeteg gépet adnak át, ez egy nagyon komolyan fejlődő ágazat, ami számunkra viszonylag régóta elérhető. A több számítási lehetőség, a több processzor, a nagyobb memória nagyobb rendszereket eredményez, növeli a komplexitást. Általánosságban pedig jól látható, hogy a big data felé megy a világ, ami ezekre a hatalmas gépekre van kitalálva. Ehhez szorosan kapcsolódik a mesterséges intelligencia, ami nagy adathalmazokból jó algoritmusokkal megdöbbentő dolgokra képes, és egyre több területen jelenik meg. Ezek az alkalmazások leszivárognak a hétköznapi emberek szintjére, izgalmas termékekként és szolgáltatásokként jelennek meg a mindennapokban. Ilyen például önvezető autó, vagy a különböző személyre szabott hirdetések, illetve minden, ami arra épül, hogy a rólunk gyűjtött adatok alapján a mesterséges intelligencia segítségével próbálják a viselkedésünket és a döntésinket megjósolni.

Mit gondol a kvantumszámítógépről?

Ebben az irányban végzünk alapkutatást, de a végtermék számunkra is egy távoli rejtély. A különböző kvantummechanikai rendszereken végzett számítások egy jól működő és megfelelő méretű kvantumszámítógépen nagyságrendekkel gyorsabbak tudnak lenni. Ez azonban még a jövő, jelenleg csak nagyon kevés, és a valóságban nem túl praktikus algoritmusra sikerült a jelenlegi eszközökkel megmutatni a kvantum felsőbbrendűségét. Ahhoz, hogy a valós fizikai problémákra is jól alkalmazható eszközt kapjunk, még rengeteg kutatásra van szükség. A legnagyobb aggodalom az, hogy az összes digitális kommunikációnál használt titkosítás másodpercek alatt feltörhető lesz, ha elkészül. A másik probléma az, hogy a klasszikus számítógépek és a kvantumszámítógépek sokszor majdhogynem egymás komplementereiként működnek, ami az egyiken gyors, az a másikon lassú, és ez fordítva is igaz. Intenzíven dolgoznak azon kutatók, hogy olyan titkosítási algoritmusokat találjanak ki, amik mindkettővel nehezen törhetőek fel.

Ez megoldható?

Valószínűleg igen. Ezek matematikai problémakörök, matematikusok szokták azt vizsgálni, mi lehetséges. Én azt gondolom, hogy megoldható, különben kongatnák már a vészharangokat, és nem beszélnének arról, hogy ezen a téren is folynak kutatások. Maga a kvantuminformatika is egy külön kutatási terület, az, hogy olyan problémákat találjanak, és olyan algoritmusokat fejlesszenek ki, amik egy ilyen hardveren jól számolhatóak, jól szimulálhatóak. Viszont a kvantumszámítógép még messze van, és nem nagyon tudjuk, hogy pontosan mire és mikor lesz majd jó. Sőt jelenleg ott tartunk, hogy ahhoz, hogy kvantumszámítógépet építhessünk rengeteg HPC-szimulációra van szükség. De ez még a távoli jövő, most a HPC korszakába léptünk be.