Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» Состояние научно-исследовательской деятельности на кафедре САПР и её развитие. - презентация

1 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» Состояние научно-исследовательской деятельности на кафедре САПР и её развитие в краткосрочной перспективе (в контексте сфер деятельности научно-педагогических школ ФКТИ) заведующий кафедрой САПР СПбГЭТУ «ЛЭТИ», д.т.н., проф. Герасимов И.В. Доклад на научном семинаре заведующих кафедрами СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 5 июня 2014 г. Факультет компьютерных технологий и информатики (ФКТИ) Кафедра Систем автоматизированного проектирования (САПР)

2 Содержание 1. Ведущие научно-педагогические школы (НПШ) ФКТИ 2. Предметные области исследований НПШ ФКТИ 3. Концепция «NET - WEB – GRAPH» (в контексте Giant Global Graph - G3) 4. Базовый тезис исследований 5. Модель интеллектуального агента 6. Возникновение и развитие в СПбГЭТУ научного направления в области систем автоматизированного проектирования 7. Основные научные результаты, полученные за последние 5 лет 8. Типология проблем АИ 8.1. Полный цикл генерации и применения знаний в инновационных решениях 8.2. Шестой технологический уклад (с точки зрения модели «волны Кондратьева») 8.3. Современная мировоззренческая ситуация 8.4. Гипотеза B.S. Brooks 8.5. Академический и проектный дискурсы 8.6. Модель восприятия человеком реальности 8.7. Междисциплинарные отношения при компьютерном моделировании сферы явлений и систем существенно языковой природы 8.8. Молекулярные машины 8.9. Целеобслуживающий и целеполагающий подходы при создании САИПР

3 Содержание 9. Развитие идеологии архитектур САПР 9.1. Этапы развития архитектур 9.2. Типовой маршрут проектирования компании Synopsys 9.3. Типовой маршрут проектирования компании Cadence Design Systems 10. Технологическая платформа «Компьютерные технологии инжиниринга» (ТП КТИ) Цели создания ТП КТИ Задачи, решаемые с использованием ТП КТИ Технологии, развиваемые в рамках ТП КТИ Рынки и сектора экономики, на которые предполагается воздействие технологий, развиваемых в рамках ТП КТИ 11. Значение САИПР для нанотехнологий 12. Генерация и применение знаний в образовательных программах IT-сферы Пространство задач профессиональной деятельности Методика "проектного обучения" 13. Интеллектуальная собственность Резюме

4 1. Ведущие научно-педагогические школы (НПШ) ФКТИ п/п Руководитель НПШ Научная область деятельности НПШКафедра 1Геппенер Владимир Владимирович Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ МО ЭВМ 2Герасимов Игорь Владимирович Конвергентные системы и технологии автоматизированного проектирования в средах виртуальных инструментов САПР 3Куприянов Михаил Степанович Теория проектирования и применение электронных устройств и систем ВТ 4Советов Борис Яковлевич Теория и практика информационных технологийАСОИУ 5Терехов Валерий Александрович Нелинейные динамические и интеллектуальные системы управления и обработки информации АПУ

5 21 2. Предметные области исследований НПШ ФКТИ... DS AL softwaresoftware hardware brainware Дискретные структуры Алгоритмы и теория сложности Распределенные вычисления Управление информацией Человеко-машинное взаимодействие Графика и визуализация Ядро Информационные технологии NC PL PF AR IS IM SP SE OS GV HC C&IT Управление и информационные технологии

6 21 3. Концепция «NET - WEB – GRAPH» (в контексте Giant Global Graph - G3)...

7 4. Базовый тезис исследований Информатика (как фундаментальная дисциплина компьютерных наук) не является наукой в традиционном академическом смысле и её значение мало связано с собственно компьютерами. Исследования по информатике отличаются от исследований, проводимых в рамках естественнонаучных дисциплин, тем, что они не столько пытаются открывать, объяснять или использовать законы и явления окружающего мира, а, в первую очередь, изучают свойства машин, созданных человеком для "усиления его интеллектуальных способностей". Работа таких машин представляет собой языковую деятельность в широком смысле этого слова. Возможность её машинного отчуждения вызвала не только научный, но и огромный общественный интерес. Математика даёт нам структуру, в которой мы можем точно описывать знания типа "что такое". Вычислительная наука даёт нам структуру, в которой мы можем описывать понятия типа "как".

8 5. Модель интеллектуального агента Согласно новой парадигме, основным объектом исследований в BW является группа (или сообщество), вообще говоря, неоднородных, взаимодействующих агентов, а основное содержание разработок связано либо с синтезом индивидуальных свойств и поведения агентов, исходя из заданной групповой динамики, определяемой отношениями кооперации и конкуренции, конфликта и сотрудничества, субординации и координации и пр. (нисходящее проектирование), либо с построением организационных структур из агентов на базе анализа основных функций организации, определения состава агентов и их ролей (восходящее проектирование). Четыре важнейших аспекта модели интеллектуального агента заслуживают пристального внимания: когнитивный аспект; коммуникативный аспект; технологический аспект; прикладной аспект.

9 6. Возникновение и развитие в СПбГЭТУ научного направления в области систем автоматизированного проектирования История кафедры начинается с возникновения научной школы под руководством заслуженного деятеля науки и техники профессора В.И. Анисимова, создавшего в 1973 кафедру Электронных и магнитных цепей (ЭМЦ). В 1984 году, в связи с открытием в СССР инженерной специальности «Системы автоматизированного проектирования», кафедра была переименована в кафедру САПР.... В гг. был создан авторизованный учебно-научный центр корпорации «National Instruments», включающий: учебную лабораторию «Технологии виртуальных инструментов»; учебную лабораторию Схемотехники и проектирования микропроцессорных систем; научно-исследовательскую лабораторию «Компьютерные технологии проектирования». В 2008 г. совместно с Центром информационных технологий в проектировании (ЦИТП) РАН на базе кафедры САПР был создан учебно-научный центр «Информационные технологии инжиниринга». В 2009 г. на базе ЦИТП РАН (входящего в состав Отделения нано- и информационных технологий (ОНИТ) РАН) был создан филиал кафедры САПР.

10 7. Основные научные результаты, полученные за последние 5 лет переориентация автоматизированного инжиниринга на новые принципы и подходы в плане определения базовой основы и философии проектирования высокотехнологичных изделий; развитие на основе парадигмы конвергентного проектирования общей методологии процесса создания наукоёмких изделий; введение в проектную деятельность концепции масштабной виртуализации как особого стиля компьютерного моделирования; построение моделей проблемно-ориентированного знания в сетецентрических системах автоматизации совместной проектной деятельности с позиций современного проектного дискурса; создание теоретического базиса и соответствующего инструментария для проекта замкнутой системы управления «Природа-Техногеника».

11 8. Типология проблем АИ 8.1. Полный цикл генерации и применения знаний в инновационных решениях Интеллектуальные ресурсы (базы знаний) Закономерности в инновационных решениях 1. Формирование видения проблем 2. Формирование контекстов проблем 3. Генерация системных решений 4. Системная экспертиза решений 5. Синтез решений 6. Предметная экспертиза решений 7. Оформление закономерностей 8. Генерация поведения решений 9. Оформление решений Цели и проблемы « Сырые » данные Информационные ресурсы Технологические ресурсы Инновационные ресурсы Проекты инновационных решений Инновационные стратегии, политики, решения Поведенческие портреты инновационных решений

12 8. Типология проблем АИ 8.2. Шестой технологический уклад (с точки зрения модели «волны Кондратьева») Кондратьевские циклы Персональные компьютеры Мультимедиа Интернет Нано- технологии TV Атомная энергетика 4-й цикл Кондратьева 5-й цикл Кондратьева Биотехнологии Компьютеры Авиатран- спорт Авиа- строение

13 8. Типология проблем АИ 8.3. Современная мировоззренческая ситуация Современная мировоззренческая ситуация характеризуется тем, что на смену контрадикторной логике мышления, оказавшейся неспособной адекватно отобразить реальный мир и мир искусственных объектов (артефактов), составить целостное представление об этих мирах при помощи дихотомических парных категорий, приходит новая познавательная стратегия многомерного методологического мышления. Становление такого стиля методологии является прямым следствием достижений в области современных наук: квантово-релятивистской физики, биологии, компьютерных наук, информатики, математической логики и дискретной математики, лингвистики, нейропсихологии и т.д.

14 8. Типология проблем АИ 8.4. Гипотеза B.S. Brooks Знания и информация имеют "одинаковую размерность". Эта гипотеза была выражена B.S. Brooks в форме равенства, демонстрирующего, что структура знаний заменяется новой, модифицированной структурой при обработке порции информации. Здесь обозначает результат модификации структуры знаний. Иначе говоря, всё, в конечном итоге, сводится к эффективной системе репрезентации знаний (артефактов) о картине мира.

15 8. Типология проблем АИ 8.5. Академический и проектный дискурсы Академический (классический) дискурс строится через такие категории как "истина", "картина мира", "всеобщее". Академический дискурс позволяет построить объектно- онтологическое содержание с фундаментальной позиции "всеобщего начала", но исключает постановку вопроса о знаниях в системах деятельности: знания как бы изымаются из сферы человеческих дел, не воплощаются в востребованные обществом продукты и технологии. Современный дискурс строится через категории "средства", "инструменты", "технологии", "компетенции" и прочие. Знание выступает в качестве интеллектуального капитала, представляется как то, что проявляется в акте действия, существует через деятельность.

16 8. Типология проблем АИ 8.6. Модель восприятия человеком реальности Формальный язык будет пригоден для использования правильно сконструированной машиной. Машина подобного вида становится объективной моделью реальности независимо от интеллекта человека, создавшего её. Это делает возможной серию последовательных метасистемных переходов, где каждый последующий уровень имеет в качестве основы хорошо определённую виртуальную реальность предыдущих уровней. Так, информационная машина, осуществляющая языковую деятельность, становится ультраметасистемой, демонстрируя взрывной рост объёма и мощности.

17 8. Типология проблем АИ 8.7. Междисциплинарные отношения при компьютерном моделировании сферы явлений и систем существенно языковой природы данные информацион- ные процессы КОГНИТИВНЫЕ НАУКИСЕМИОТИКАМАТЕМАТИКАИСЧИСЛЕНИЕ (ЛОГИКА) Предметная область реального мира Информаци- онная модель априорная (данные + семантика) Модель данных (математи- ческая модель) Информацион- ная модель (апостериорная) ПРАГМА- ТИКА (реальный мир) КОМПЬЮТЕР Манипуляция символьными структурами (данные данные) АЛГОРИТМ ИНТЕЛЛЕКТ ЧЕЛОВЕКА ИСЧИСЛЕНИЕ (ЛОГИКА) МАТЕМАТИКА АЛГОРИТМ ИНФОРМАТИКА ЯЗЫК СЕМАНТИКА СИМВОЛ СТРУКТУРА СИНТАКСИС ИСПОЛНИТЕЛЬПРОЦЕСС Химия занимается существенно стохастическими процессами, а биология - существенно алгоритмическими (всё выглядит как вычисления). Виртуализация - это особый стиль компьютерного моделирования с привлечением методов и средств искусственного интеллекта (ИИ).

18 8. Типология проблем АИ 8.8. Молекулярные машины Итак, с точки зрения классической биологии, живая природа - это мир организмов, разнообразие которых определяется наследственностью, изменчивостью, естественным отбором. А, с точки зрения молекулярной биологии, живая природа - это мир операциональных систем химической природы, построенных на основе молекулярных машин и производящих молекулярные машины.

19 8. Типология проблем АИ 8.9. Целеобслуживающий и целеполагающий подходы при создании САИПР В проектировании известно два подхода, которые изначально определяют как формы ведения рассуждений, так и схемы проектной деятельности. В целеобслуживающем подходе цель проектирования ставит заказчик, в целеполагающем подходе цель проектирования формулируется самим проектировщиком. В случае целеобслуживающего подхода, проектировщик несёт ответственность за качество спроектированного изделия и его работоспособность. За реализацию продукции отвечает заказчик. В случае целеполагающего подхода, проектировщик отвечает за всё. Первый подход более характерен для случая госзаказа, второй - для рыночных отношений. Хотя жёсткого разграничения здесь нет. Целеобслуживающий подход был характерен для многих ведомственных предприятий СССР. В тот период вели активную работу в выборе направлений перспективной деятельности отраслевые научно- исследовательские институты, головные организации, ведущие предприятия и т.п.

20 9. Развитие идеологии архитектур САПР 9.1. Этапы развития архитектур Идеи, заложенные в архитектурах современных САПР, в своём развитии прошли четыре этапа: логический; логико-математический; математико-физический; инженерный. На кафедре САПР в настоящее время предпочтение отдаётся развитию специализированных САПР, а также библиотекам IP-блоков, ориентированных на поддержку технологий комплементарного проектирования (Complement Design Technology - CD-technology). Современный уровень твёрдотельной технологии обусловил архитектурный кризис специализированных интегральных схем по технологии "Система на кристалле" (СнК). Обоснована смена базовой концепции построения СнК. Синхронность современных процессоров есть прямое следствие использования исключительно двоичной булевой логики. "Врождённый порок" (согласно В.И. Варшавскому), которым страдает двоичная логика, состоит в том, что она не включает в себя условие завершения выполнения функции; она существует только на фоне соответствующей временной диаграммы, развёртывающей процесс выполнения во времени. Булева логика не представляет собой символически законченную логическую систему (symbolically completed).

21 9. Развитие идеологии архитектур САПР 9.2. Типовой маршрут проектирования компании Synopsys

22 9. Развитие идеологии архитектур САПР 9.3. Типовой маршрут проектирования компании Cadence Design Systems Системное проектирование Библиотеки и стандартыIP блокиC, C++, SystemC Аппаратное проектирование Программное проектирование Цифровые блоки Заказные блоки Verilog, VHDL AMS Системное прототипирование, эмуляция Логический синтез FPGA ASIC Библиотеки производителя Физическое прототипирование Проектирование топологии Верификация топологии Производство Корпусирование Разработка печатной платы PCB Разработкатестов Разработкатестов

23 10. Технологическая платформа «Компьютерные технологии инжиниринга» (ТП КТИ) Цели создания ТП КТИ Главная цель ТП КТИ - обоснование, гармонизация и координация инновационных процессов в инженерии на базе активных информационных ресурсов, обеспечение лидерства в сфере автоматизированного инжиниринга. Основные цели создания ТП КТИ включают в себя: обеспечение национальной экономической безопасности страны в части повышения конкурентоспособности отечественной промышленности, как следствие этого, технологической независимости; повышение производительности труда специалистов, использующих средства автоматизации инженерной деятельности; резкий рост уровня и объёмов использования активных информационных ресурсов и технологий в инженерной деятельности, промышленности в целом, а также в государственном управлении и общественной жизни; повышение уровня высшего технического и естественнонаучного образования, а также прикладных и фундаментальных исследований и разработок в области инфокоммуникационных технологий, связанных с автоматизацией инженерной деятельности; развитие и повышение эффективности отечественных центров разработки и внедрения инфокоммуникационных технологий автоматизированного создания средств и инструментов обеспечения инженерной деятельности; рост уровня конкурентоспособности отечественных систем CAD/CAM/CAE на отечественном и мировых рынках.

24 10. Технологическая платформа «Компьютерные технологии инжиниринга» (ТП КТИ) Задачи, решаемые с использованием ТП КТИ С помощью ТП КТИ становится возможным решение ряда задач, среди которых: повышение производительности труда специалистов, занятых эксплуатацией инженерных программных комплексов, вследствие автоматизированного формирования инструмента, по функционалу и мощности точно соответствующего текущей решаемой задаче; возможность дистанционного привлечения специалистов соответствующего профиля для решения поставленных инженерных задач; дистанционное интерактивное обучение и подготовка новых специалистов на простых задачах и с использованием простых средств автоматизации инженерной деятельности с возможностью последующего усложнения и того и другого; привлечение специалистов и групп специалистов разного профиля для оперативного решения различных этапов сложных многоэтапных инженерных задач. Одновременно - гибкое изменение конфигурации, функционала и мощности используемых инженерных программных комплексов для каждого такого этапа; более рациональное использование вычислительных ресурсов, доступных через сеть; оперативное использование доступных через сеть фрагментов решений и иной интеллектуальной собственности для решения текущей задачи.

25 10. Технологическая платформа «Компьютерные технологии инжиниринга» (ТП КТИ) Технологии, развиваемые в рамках ТП КТИ технологии создания сред проектирования, управляемых разработкой; технологии виртуализации встраиваемых систем для оборонных и авиационных приложений; CALS-технологии; технологии предоставления дистанционных услуг; технологии распределённых и параллельных вычислений (GRID, облачные вычисления); технологии разработки и создания систем автоматизированного инжиниринга; математическая лингвистика в части формирования свойство- ориентированных языков; технологии создания, сопровождения, использования и организации доступа к базам знаний по различным областям науки, техники, производства и общественной жизни; технологии малоразмерных систем мехатроники; образовательные технологии для подготовки и переподготовки специалистов.

26 10. Технологическая платформа «Компьютерные технологии инжиниринга» (ТП КТИ) Рынки и сектора экономики, на которые предполагается воздействие технологий, развиваемых в рамках ТП КТИ все отрасли разработки и изготовления средств радиоэлектронного оборудования и микропроцессорной техники, независимо от формы собственности; все отрасли машиностроения, независимо от формы собственности; другие отрасли отечественной экономики, которые будут использовать средства автоматизации инженерной деятельности, например: архитектурное проектирование, коммунальное хозяйство, дизайн и выпуск изделий в лёгкой промышленности и т.п.; в части сопровождения, эксплуатации и утилизации разработанных и изготовленных изделий (артефактов) - все отрасли экономики, государственного управления и общественной жизни, использующих выпущенные отечественной промышленностью изделия и предлагаемые ею сервисы; система высшего технического и естественнонаучного образования, а также организации, занятые прикладными и фундаментальными исследованиями и разработками в области инфокоммуникационных технологий, связанных с автоматизацией инженерной деятельности; (в перспективе) - отрасли, занятые исследованиями, разработкой, выпуском и сопровождением изделий с использованием нанотехнологий; (в перспективе) - секторы науки, высшего образования и промышленности, занятые исследованиями, разработкой, выпуском и сопровождением вычислительных средств на базе квантовых эффектов (квантовый компьютинг).

27 11. Значение САИПР для нанотехнологий Направлять развитие нанопроизводства можно только при условии опережающего исследовательского проектирования! Подтверждением служат исторические факты: Нобелевская премия по физике за 2012 год присуждена французу Сержу Арошу (Serge Haroche) и американцу Дэвиду Уайнлэнду (David Wineland) "за новаторские экспериментальные методы, позволяющие измерять и контролировать отдельные квантовые частицы", что служит основой создания квантовых компьютеров. Нобелевская премия по химии в 1996 году была присуждена авторам метода функционала плотности. Этот метод компьютерного моделирования, благодаря уникальному сочетанию высокой точности и эффективности, буквально открыл новые измерения для химиков и физиков, занимающихся вопросами структуры и свойств молекулярных систем. Именно с помощью квантово-химических расчётов за 12 лет до экспериментальной расшифровке структуры была продемонстрирована стабильность фуллеренов. Теоретические расчёты электронной структуры углеродных нанотрубок, а также предсказание о высокой прочности этих наноструктур послужили толчком для взрывного роста интереса к углеродным нанотрубкам сразу после их обнаружения. Отправной точкой для создания квантового компьютера послужило предложение о возложении функции памяти на различные квантовые двухуровневые системы. Задачи моделирования являются наиболее актуальными для продвижения современной нанотехнологии в область нанометровых масштабов. В повестке дня стоит и моделирование физических свойств различных сложных органических, молекулярных и биологических систем, искусственных полупроводниковых материалов и структур и т.д. Специалисты в области теории физики вычислений пришли к признанию того факта, что квантовая физика поддерживает принципиально другую парадигму организации вычислений; её суть состоит в том, что вычисления выполняются цифровым способом, но управление является аналоговым.

28 11. Значение САИПР для нанотехнологий При выполнении Инновационной образовательной программы (ИОП) на ФКТИ, в целом, и на кафедре САПР, в частности, в результате научно- исследовательских работ, связанных с разработкой волновых и квантовых методов представления и обработки данных для информационно- аналитических систем, была подготовлена монография «Комплементарное моделирование в средах САПР: виртуализация квантовых объектов информации» (издательство «Техномедиа», 2007 г.). В этой монографии в качестве краткосрочной перспективы развития САИПР рассмотрено создание сред виртуальных инструментов (VI-сред), обеспечивающих: возможность самостоятельного тиражирования и поддержку саморазвития исполнительных компонент на базе вариативных виртуальных активностей; расширение числа проектных процедур, основанных на формализованных методах и шаблонах, для формирования оптимальных вариантов n-кубитных преобразований посредством квантовых цепей; развитие аппарата алгебры операторов и векторной алгебры логики для математической платформы как языка функциональных спецификаций квантовых цепей, так и для решения задач их функционально-физического анализа; применение p-адической машинной арифметики в неархимедовом пространстве квантовых вычислений; и др.

29 12. Генерация и применение знаний в образовательных программах IT-сферы Пространство задач профессиональной деятельности

30 12. Генерация и применение знаний в образовательных программах IT-сферы Методика "проектного обучения"

31 13. Интеллектуальная собственность

32 Резюме Конечно, сегодня мы находимся только в начале "большого пути" переориентации автоматизированного инжиниринга на новые принципы и подходы, и до его завершения ещё далеко. Но если принять во внимание, какими темпами развивались и развиваются компьютерные науки и информационные технологии, то становится понятно, что "далеко" вовсе не означает "долго". Поэтому тем, кто хочет не опоздать "не поезд шестого технологического уклада", уже сегодня (а, точнее, вчера) необходимо определиться с базовой основой и философией проектирования высокотехнологичных изделий. Иначе они неминуемо окажутся в положении догоняющего самолёт на велосипеде. Используя в создаваемых информационных технологиях достигнутые на сегодняшний день результаты в области естественных и социальных наук, биологии, наук о человеке, философии и искусства, исследователи нашей кафедры идут на определённый риск, так как не считают себя профессионалами в этих науках, обладающими достаточно высоким для аналитической работы уровнем компетентности. В известной степени, оправданием могут служить слова выдающегося австрийского физика Э. Шредингера: «Мы унаследовали от наших предков острое стремление к цельному всеобъемлющему знанию. Само название высших институтов познания - университеты - напоминает нам, что с давних пор и на протяжении многих столетий универсальный характер знаний - единственное, к чему может быть полное доверие. Но расширение и углубление разнообразных отраслей знания в течение последний 100 с лишним лет, поставило нас перед страшной дилеммой. С одной стороны, мы чувствуем, что только теперь начинаем приобретать надёжный материал для того, чтобы свести в единое целое всё до сих пор известное, а, с другой стороны, становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем одной небольшой специальной частью науки. Я не вижу выхода из этого положения (чтобы, при этом, наша основная цель не оказалась потерянной навсегда), если только кто-то из нас не рискнёт взяться за синтез фактов и теорий, хотя наше знание в некоторых областях неполно и получено из вторых рук. И хотя мы можем подвергнуться опасности показаться невеждами.». Вот такая, стало быть, у нас философия!

33 Благодарю за внимание! Материалы доклада будут доступны на "Портале ЛЭТИ" по адресу: 648f d4d7&verb=view