Расчетами с помощью компьютеров занимаются представители всех областей науки: астрономы и физики, биологи и химики и даже искусствоведы. Очевидно, что для реализации сложных проектов требуются мощные вычислительные ресурсы, которые должны быть задействованы не время от времени, а постоянно — до получения результата. Конечно, в крупных научных центрах имеются суперкомпьютеры, но их использование расписано на годы вперед. В 1995 году, когда появилось много персональных ПК, родилась идея привлекать к расчетам их ресурсы. Программы распределенных вычислений работают в фоновом режиме, решая научные задачи во время простоя компьютера.

Однако существуют такие вопросы, в которых люди ориентируются лучше самой мощной машины. Например, человек быстрее подберет правильную структуру молекулы вещества: отфильтровать лишние конфигурации человеку помогает более гибкое мышление, чем у работающего по алгоритмам компьютера.

Сложность заключается в том, что вовлечь сколько-нибудь существенное число энтузиастов и волонтеров в сугубо научный проект чрезвычайно сложно. Однако ученые-разработчики нашли решение: они поставили на службу науке две человеческие черты — стремление играть и желание состязаться. Так родилась идея вычислений в игровой форме. Сегодня создатели многих проектов, где используются распределенные вычисления, предлагают пользователям игровые формы участия. Участникам крупных проектов предлагается посостязаться в прохождении различных игр-головоломок, решение которых позволяет получить дополнительные баллы или укрепить свой авторитет.

Мы представим вам несколько наиболее интересных игровых приложений и сервисов, которые помогут совместить приятное с общественно полезным — развлечься и помочь науке. В качестве «пропуска» в научную игровую лабораторию требуются только компьютер с доступом в Интернет (через него передаются данные на серверы создателей проектов) и бесплатное приложение, которое обычно бывает выполнено в виде головоломки или аркадной игры.

Виртуальная химическая лаборатория: Foldit

Играть в Foldit так же увлекательно, как и в другие игры-головоломки, но при этом вы помогаете искать лекарство от СПИД

Что отличает современные компьютерные игры? Конечно же, это и красивая графика, и обучающие миссии, и возможность кооперативной игры через Интернет. Всеми этими чертами обладает и приложение Foldit (есть на CHIP DVD). Оно представляет собой игру-головоломку, цель которой заключается в создании молекулы белка со стабильной формой. Результаты каждой игры используются при создании лекарств от болезней, связанных с нарушением нормальной функции белка, — коровьего бешенства, рака, болезни Альцгеймера и ряда других. Осенью этого года сообщество игроков Foldit решило задачу, над которой ученые бились многие годы, — им удалось раскрыть структуру протеинов вируса M-PMV. Это стало большим шагом вперед в деле создания лекарства от ВИЧ.

Интерфейс приложения позволяет крутить, гнуть и встряхивать трехмерную структуру белка. За удачные решения игроку начисляются очки. Все действо сопровождается фейерверками и звуковыми эффектами. Игровой процесс не уступает по увлекательности многим казуальным играм. Поскольку приложение кросс-платформенное, попробовать помочь биохимикам могут пользователи Windows, Mac OS X и Linux.

Сделай сам: музыкальный интерфейс

D-touch (www.d-touch.org) — проект, созданный для исследования человеко-машинных интерфейсов и основанный на анализе поведенческих сценариев. Он представляет собой систему распознавания образов на основе обычной веб-камеры, объединенной с музыкальной программой. Кубики-маркеры, размещенные на поле со специальной разметкой, интерпретируются программным обеспечением как музыкальные инструменты (сейчас доступна барабанная установка и секвенсер). Переставляя эти маркеры в режиме реального времени, можно изменять ритмический рисунок, записывать семплы и размещать их в произвольном месте композиции.

Сборка собственной «компьютерноаналоговой» музыкальной установки подкупает своей простотой. Вам потребуются веб-камера с хорошим разрешением, установленное приложение, распечатки маркеров и игрового поля и час времени. Распечатайте на белой бумаге выкройки (они есть на CHIP DVD в разделе «Бонус | Наука»). Вырежьте маркеры и склейте из них прямоугольные блоки. Затем установите программное обеспечениеанализатор, подсоедините веб-камеру и активируйте ее в настройках клиента. Включенную камеру необходимо направить на поле, на котором вы будете расставлять и перемещать маркеры. Программа-клиент будет интерпретировать эти перемещения и создавать на их основе музыкальные лупы (зацикленные фрагменты).

Творческий подход: сортируем звездное небо

Если вы понимаете, чем одна туманность визуально отличается от другой, вы можете помочь астрофизикам в рамках проекта Zooniverse

Коллективная работа возможна не только при расшифровке научных головоломок, но и при решении прикладных задач. Например, в рамках Zooniverse (www.zooniverse.org) собраны десять подпроектов, направленных на изучение конкретных вопросов из области астрономии, климата и археологии. Суть помощи «коллективного разума» состоит в сортировке и классификации большого объема графических изображений, собранного при помощи научного оборудования. Например, одно из заданий содержит снимки галактик, сделанные телескопом «Хаббл». Привлекает в сервисе то, что не надо устанавливать никаких клиентских приложений — достаточно зарегистрироваться на главном сайте проекта. Далее пользователю предлагаются фотографии, снятые телескопом, на которых он может выбрать интересующую его область, после чего начать рассматривать артефакты и отвечать на вопросы системы о том, на что они похожи, какими характеристиками обладают и т. д. Накопленный массив данных передается ученым и позволяет упорядочить информацию о коллекции. На сегодняшний день совместными усилиями двух миллионов участников проекта было обработано более 400 000 изображений.

Тренировки в написании научно-фантастических сценариев в Improviso помогают создать совершенных роботов-андроидов

В научных целях пользователей могут попросить принять участие в научных симуляторах, проверяя их поведенческие реакции. На это ориентированы построены игры The Restaurant Game (короткая ссылка для загрузки — www.bit.ly/u8IDrS), Improviso (www.bit.ly/gCyxPI) и Play Mars Escape (www.bit.ly/9Q5EU7), которые представляют собой тренажеры искусственного интеллекта. В первом случае от игрока требуется сыграть в «посещение ресторана», вступая в диалог с компьютером (в роли официанта или посетителя) и создавая одну из множества ситуаций, связанных с обслуживанием клиента. Во второй игре пользователи коллективно пишут сценарий научно-фантастического фильма. В третьем случае игроки разделяются на «людей» и «роботов» и, взаимодействуя во время игровой сессии, координируют свои поступки, убегая с планеты. Все три игры имеют раунды по десять минут, данные из которых отправляются ученым для улучшения моделирования робототехники.

Генетические головоломки: складываем ДНК из кубиков

Phylo. Путем складывания головоломки можно решить проблемы мутаций генов

Phylo (http://phylo.cs.mcgill.ca) — еще одна интерактивная игра для желающих приобщиться к науке в развлекательной форме. Приложение, напоминающее «Тетрис», направлено на исследование генома человека и способов организации ДНК и РНК белка живых существ (человека и животных). С его помощью выявляются общие закономерности и мутации в эволюции, а также изучается возникновение таких заболеваний, как рак груди.

Программа загружает разноцветные квадраты на поле, представляющие собой зашифрованные данные, которые нужно передвигать по ячейкам. В приложении есть специальный обучающий режим, вводящий пользователя в курс дела, а также несколько уровней сложности самой игры. Задача — расшифровать генетические головоломки, которые будут отправлены в UCSC Genome Browser (genome.ucsc.edu) для дальнейшего изучения биологами. В обозримом будущем это приложение будет выпущено и для мобильных платформ — iPhone и Android.

Распределенные вычисления: суперкомпьютер на дому

До красивых интерактивных игр, которые внешне похожи на обычные казуальные и аркадные программы, существовали (и до сих пор существуют) проекты, основанные на использовании мощностей домашних компьютеров по всему миру. Установленные приложения работают под видом скринсейвера в момент простоя ПК, загружая из Интернета задания и отсылая результаты их выполнения.

SETI@Home. Первым из такого рода проектов стал SETI@Home. Все заинтересованные пользователи ПК могли принять посильное участие в поиске внеземных цивилизаций, скачав на свои компьютеры небольшое клиентское приложение, которое обрабатывает математические модели по расчету радиосигналов.

В 1995 году Дэвид Геди, создатель проекта по поиску сигналов от инопланетных разумных существ, предложил не приобретать для обработки данных суперкомпьютер, а объединить вычислительные возможности персональных ПК, подключенных к Интернету. В итоге 17 мая того года стартовал самый известный проект распределенных вычислений SETI@Home, успешно проработавший до конца апреля 2011-го, когда энтузиасты-астрономы из-за проблем с финансированием отключили ретранслятор, который обеспечивал работу проекта.

Тем не менее для проекта SETI@Home ученым удалось привлечь впечатляющие ресурсы: объединенные в сеть персональные ПК обычных пользователей выдавали производительность до 15 терафлопс. Стоимость проекта составила около $500 000, при том что в случае покупки суперкомпьютера аналогичной мощности организаторам пришлось бы потратить $110 млн. Такая экономия достигается прежде всего за счет отсутствия платы (не только арендной) за помещения, где устанавливается научное оборудование, а также более простой разработки ПО. Если для суперкомпьютеров оно пишется на специальных языках программирования, то в случае с обычными пользовательскими машинами вполне достаточно приложений, созданных на основе широко распространенного C/C++.

Наука@Home. Помимо астрофизиков распределенные вычисления используют и другие ученые — например, математики, ищущие простые числа Мерсенна (GIMPS) или взламывающие алгоритмы шифрования RC5. Этим занимаются члены сообщества Distrubuted.net. Они расшифровывают комбинации из 18 квинтиллионов чисел, которые впоследствии применяются в 64-битной версии алгоритма шифрования.

Интересен и проект Оксфордского университета Climateprediction.net (официальный сайт расположен по такому же адресу), в рамках которого компьютеры сети распределенных вычислений помогают прогнозировать изменения климата на Земле до 2100 года. По результатам этого эксперимента ученые получат представление о современной климатической модели и скорректируют ее.

Как выбрать среди многочисленных проектов распределенных вычислений интересный именно для вас и какое ПО использовать?

BOINC и WCG: основа распределенных вычислений

Большинство действующих сегодня проектов распределенных вычислений используют открытую кросс-платформенную разработку BOINC (http://boinc.ssl.berkeley.edu, русскоязычная версия доступна по адресу www.boinc.ru), созданную для проекта SETI@Home в 2006 году. Она состоит из серверной и клиентской частей: на стороне сервера установлены PHP-скрипты, отвечающие за обработку и регистрацию данных в базе, а пользователи, вовлеченные в проект, инсталлируют на свой компьютер специальное приложение, портированное на все существующие сейчас системы (Windows, Linux, Mac, Solaris) с разрядностью как 32, так и 64 бит.

После установки клиента BOINC открывается мастер подключения к проектам (для этого нужно просто выбрать интересующий из списка или добавить свой URL), и пользователь либо вводит существующие логин и пароль участника, либо, в некоторых случаях, проходит процесс регистрации прямо внутри клиента. Запущенное приложение напоминает своим внешним видом программу для кодирования видео. При переключении на расширенный режим открывается пользовательский интерфейс, в котором отображается текущая информация: загружаемые данные, активность выполнения задания, а также список всех служебных сообщений клиента.

Альтернативным ПО для распределенных вычислений являлся клиент WCG. Его можно скачать со страницы www.worldcommunitygrid.org. В настоящее время поддержка большинства работающих на этой платформе проектов заявлена и в BOINC. Для этого в последнем нужно либо выбрать подключение к WCG в мастере проектов, либо, переключившись на расширенный режим, вручную загрузить необходимые модули.

Пользователи Mac OS X (начиная с версии 10.4) также могут обратиться к специальному виджету OpenMacGrid Dashboard, чтобы принять участие в спецпроектах, организованных сообществом ученых, которые используют Mac, — OpenMacGrid (http://www.macresearch.org/openmacgrid).

Для Linux существует платформа Fedora NightLife (www.bit.ly/tWz6kn), где на заработанные очки можно организовать собственный проект или в будущем обменять их на реальные деньги.