Результаты выполнения работ по теме: «Создание мультидисциплинарного эмуляторного комплекса для информационно-аналитического сопровождения подготовки кадров и поисковых разработок в области математического моделирования наноустройств и наноматериалов (графенная электроника, фотоника, мезомеханика, молекулярные машины и приборы)»

Результаты выполнения работ по теме:

«Создание мультидисциплинарного эмуляторного комплекса для  информационно-аналитического
сопровождения подготовки кадров и поисковых разработок в области математического моделирования наноустройств и наноматериалов
(графенная электроника, фотоника, мезомеханика, молекулярные машины и приборы)»

Государственный контракт № 16.647.11.2017 

Этап № 2
(заключительный)

Целью работ по данному госконтракту является обеспечение информационно-аналитического сопровождения подготовки кадров и поисковых разработок путем организации узла имитационных программных средств на основе гибридного вычислительного кластера как базового элемента мультидисциплинарной информационно-образовательной среды в области математического моделирования наноустройств и наноматериалов.

На втором этапе выполнения госконтракта были получены следующие результаты: завершено формирование серверно-вычислительной системы, созданы программные эмуляторы, разработаны интерфейсные модули для эмуляторов, завершена разработка и обоснование содержания ресурсов эмуляторного комплекса, создан информационный сайт и сетевой доступ к нему, разработано информационно-коммуникационное и компьютерное обеспечение комплекса,  разработаны методики организации работ студентов и курсов повышения квалификации кадров, завершена разработка семи электронных учебных модулей, созданы материалы для демонстрационных занятий, произведено размещение результатов проекта в сети, 10 статей  приняты к публикации и представлению на сайте журнала «Наноструктуры. Математическая физика и моделирование»,  разработан регламент оказания услуг, проведено тестирование электронных учебных модулей, проведена апробация комплекса, проведена работа по  устранению ошибок и недостатков, произведено рецензирование комплекса.

1. Формирование серверно-вычислительной системы

В соответствии с результатами разработки концепции и архитектуры аппаратно-программного комплекса была сформирована первичная серверно-вычислительная система, которая включает в себя:
1. три вычислительных узла
2. вычислительная коммутирующая среда
3. управляющая коммутирующая среда
4. система бесперебойного энергоснабжения и монтажное оборудование
5. базовое системное программное обеспечение
6. специализированное программное обеспечение
7. рабочие места операторов

2. Создание эмуляторов

Разработаны программные эмуляторы, имитирующие свойства наноструктур и нанопроцессы, c использованием алгоритмов параллельных вычислений на графических ускорителях, для:

• нового типа нанотранзисторов, квантовых точек, наноемкостей, наноэлектромеханических систем, оптических нанопереключателей, фильтров на основе фотонных кристаллов с использованием нанотрубок и графена;
• нового типа наноустройств для оптической нанолитографии, оптического анализа наноструктур со сверхвысоким пространственным разрешением, сверхплотной записи информации с помощью апертурных и безапертурных ближних оптических полей;
• холестерических жидкокристаллических фаз ДНК;
• подвижности белковых структур с помощью ультраметрической диффузии, и функционирования прототипа молекулярной наномашины;
• сборки молекулярных трехмерных структур и функционирования биомембран;
• кристаллических наноматериалов и процессов взаимодействия нанообъектов с поверностью, позволяющих определить адгезионные и диффузионные характеристики;
• наносистем с кулоновским взаимодействием, в т.ч., наноразмерных плазменных образований.

Описание методик и программной части эмулятров приведено на сайте http://emulator.miem.edu.ru  в разделе «Методики»

3. Разработка интерфейсных модулей для программных эмуляторов

Проведена разработка интерфейсных модулей эмуляторов, адаптированых к учебным и  исследовательским целям,  которые поддерживают функции интерактивного взаимодействия с пользователями, обеспечивают реализацию заданных сценариев применения эмуляторов  в  дистанционных учебных курсах, лабораторных практикумах и исследовательских разработках. Унифицированные интерфейсные модули совместимы с операционной средой размещения ЭУМ на информационном сайте и обеспечивают сетевой доступ к ресурсам ЭУМ. Описание  интерфейсных модулей дано на сайте http://emulator.miem.edu.ru  в разделе «Методики».

4. Разработка и обоснование содержания ресурсов эмуляторного комплекса

Была проведена разработка и обоснование содержания ресурсов эмуляторного комплекса. В качестве основы идеологии построения комплекса был выбран принцип создания системы эмуляторов, которые загружаются на ресурсы серверно-вычислительной системы и эксплуатируются в режиме коллективного доступа в сети internet.  Функциональное обрамление эмуляторов поддерживает функции удалённого доступа и содержит интерфейсные модули, обеспечивающие интерактивный диалог с пользователем.  Таким образом формируются программные и аппаратные ресурсы комплекса, которые позволяют организовать набор электронных учебных модулей (ЭУМ).  В свою очередь наборы ЭУМ являются функциональной основой для формирования информационных ресурсов  в виде базы текстовых документов, содержащих теоретические курсы, аналитические обзоры, методики проведения численных экспериментов, сценарии проведения учебных курсов, лабораторных практикумов и исследовательских программ. Описание содержания ресурсов эмуляторного комплекса приведено на сайте http://emulator.miem.edu.ru

5. Создание информационного сайта и сетевого доступа

Был разработан базовый информационный сайт проекта. Сайт доступен в сети Интернет по адресу: http://emulator.miem.edu.ru. Контентное администрирование сайта осуществляется через автоматизированное рабочее место администратора. Автоматизированное рабочее место администратора реализовано на базе технологии тонкого клиента. Авторизованный доступ к панели управления осуществляется при помощи стандартного интернет-браузера.
Структура сайта - сайт состоит из основных разделов:

• Главная
• Теория
• О проекте
• Авторы
• Контантная информация
• Учебные модули
• Демо (демонстрационные занятия)

В рамках работ по проекту на информационном сайте были опубликованы следующие теоретические материалы:

• Потенциалы взаимодействия молекул воды для атомистического моделирования
• Ионные жидкости: использование в суперконденсаторах, потенциалы взаимодействия и расчет диффузионных характеристик
• Графен и его свойства
• Перспективы наноэлектроники на основе графена
• Краевые эффекты и функционал плотности
• Фотонные кристаллы с нанотрубками

6. Информационно-коммуникационное и компьютерное обеспечение

Проведено информационно-коммуникационное и компьютерное обеспечение функционирования учебных курсов, использующих ресурсы эмуляторного комплекса, электронного журнала с материалами по темам комплекса, применения вспомогательных программных средств для поддержки ресурсов эмуляторного комплекса. Информационно-коммуникационное и компьютерное обеспечение осуществлялось в следующих направлениях.

1. Размещение документов и материалов, разработанных в рамках проекта и необходимых для функционирования учебных курсов, в открытом доступе в сети Интернет.
2. Разработка и внедрение в учебный процесс учебно-методических пособий и других учебных материалов.
3. Обеспечение учебного процесса необходимыми средствами вычислительной и мультимедийной техники, лицензионного программного обеспечения, доступом к сети Интернтет.

7. Разработка методики организации работ студентов и курсов повышения квалификации кадров

Разработаны электронные исследовательские подмодули (ЭИМ), в которых размещаются задания более высокого уровня сложности и пользователю предоставляется возможность самостоятельного исследования модели. Электронные исследовательские подмодули предназначены для научно-исследовательских работ студентов и курсов повышения квалификации кадров, проводимых с использованием комплекса программных эмуляторов. Разработаны методики применения ЭИМ.

8. Разработка ЭУМ

Были разработаны семь электронных учебных модулей (ЭУМ):

• Нанотранзисторы, квантовые точки, наноемкости, наноэлектромеханические системы;
• Оптические элементы на основе фотонных кристаллов и устройства для оптической нанолитографии, оптического анализа наноструктур, сверхплотной записи информации;
• Холестерические жидкокристаллические фазы ДНК;
• Подвижность белковых структур и функционирование прототипа молекулярной наномашины;
• Сборка молекулярных трехмерных структур и функционирование биомембран;
• Кристаллические наноматериалы и процессы взаимодействия нанообъектов с поверностью;
• Наносистемы с кулоновским взаимодействием, наноразмерные плазменные образования.

Описание ЭУМ приведено на сайте http://emulator.miem.edu.ru .

9. Создание материалов для демонстрационных занятий

Были созданы учебно-методические и мультимедийные материалы для проведения  демонстрационных занятий на темы: работа растрового электронного микроскопа для анализа наноразмерных структур, работа сканирующего зондового микроскопа для диагностики поверхности, работа рентгеновского рефлектометра для определения параметров наноразмерных пленок, работа технологической установки для нанесения наноразмерных пленок и определения их параметров в реальном времени. Материалы приведены на сайте http://emulator.miem.edu.ru  в разделе «Демо».

10. Размещение результатов в сети

Результаты, полученные при выполнении второго этапа, размещены на сайте МИЭМ http://miem.edu.ru и предоставлены для размещения на федеральном портале. Анонсы событий и мероприятий проходящих в рамках проекта публикуются на указанном сайте МИЭМ. Все документы и материалы разрабатываемые в рамках проекта публикуются на информационном сайте http://emulator.miem.edu.ru Учебные материалы и методические пособия разработанные в рамках проекта публикуются на сайте «Комплекса электронных учебных модулей на базе программных эмуляторов наноустройств и наноматериалов» http://nano.iedu.ru

11. Публикация статей и представление материалов на сайте журнала

Создано 10 обзорно-аналитических и научно-методических статей по тематике эмуляторного комплекса. Эти статьи направлены для публикации во всероссийском журнале по моделированию наноструктур «Наноструктуры. Математическая физика и моделирование» и будут, в частности, представлены на сайте данного журнала.

12. Разработка регламента оказания услуг

Был разработан Регламент, который определяет порядок оказания услуг по использованию эмуляторного комплекса для организации курсов дистанционного обучения, лабораторных практикумов и научных исследований.

13. Тестирование электронных учебных модулей

В соответствии с требованиями Задания было произведено тестирование программной реализации электронных учебных модулей на соответствие описанию содержания, сценариям и функциональному назначению в составе мультидисциплинарного эмуляторного комплекса. Тестирование показало полное соответствие между описанием, сценариями, назначением  и программной реализацией электронных учебных модулей.

14. Апробация комплекса

В соответствии с требованиями Задания была произведена апробация работы комплекса, которая состояла из серии испытаний:

• испытание сетевого доступа и интефейса мультидисциплинарного эмуляторного комплекса,
• тестирование функциональных возможностей программного обеспечения комплекса,
• апробация комплекса в учебных группах двух университетов.

15. Устранение ошибок и недостатков

Было проведено устранение ошибок и недостатков, обнаруженных в результате тестирования функциональных возможностей программного обеспечения комплекса. Тестирование проходило в процессе пробной эксплуатации эмуляторного комплекса на практических занятиях в рамках специальноого учебного курса «Введение в наномоделирование», прочитанного для студентов, аспирантов и сотрудников факультетов прикладной математики и электроники МИЭМ в октябре-ноябре 2011 г. По результатам данной апробации слушатели курса - пользователи эмуляторного комплекса - представили свои замечания и предложения по улучшению его работы. 

16. Рецензирование комплекса

На разработанный мультисервисный информационно-образовательный комплекс поступило две рцензии от:

• ректора МИРЭА, члена-корреспондента РАН, профессора  А.С. Сигова,
• заведующего отделом ОИВТ РАН, профессора МФТИ   Г.Э. Норманна.

ГОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)»