История одного ядра от Александра Спивакова

Я родом из города Горького. Жил там до 26 лет, учился в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского на факультете с зубодробительным названием ВШОПФ – Высшая школа общей и прикладной физики. Это такой факультет для «маньяков» с набором всего 25 человек. Обычно оттуда активно выгоняют разгильдяев, но вот меня почему-то оставили. После шести лет основного обучения было ещё три года аспирантуры в Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН), но защиты не произошло. Итого я покинул стены вуза в 2007 году, а уже в 2010 году переехал жить и работать в Коломну.

Мое первое направление обучения – это спектроскопия газоразрядной плазмы. Вторая специальность связана с твёрдым телом, с полупроводниками. Получение сразу двух специальностей обусловлено спецификой нашего факультета, где после 4 курса ты обязан менять тему исследований. Эта практика уходит корнями в историю факультета как кузницы кадров для Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) и его дочерней организации ИФМ РАН. Образовательный процесс на ВШОПФе так устроен, что на 3 курсе обучения студент выбирает себе научного руководителя, который постепенно включает его в реальный научно-практический процесс. Затем студент точно также меняет тему, приходит в новую лабораторию и начинает заниматься конкретными задачами, не забывая при этом о процессе обучения: лекциях, практических занятиях, экзаменах.

В школьные годы я подрабатывал на Горьковском автомобильном заводе благодаря тому, что предприятие организовывало летом трудовое времяпрепровождение для детей сотрудников. Обычно ребята поливали цветы, следили за клумбами, пропалывали землю и т.д. Но мне повезло, и после 9 класса школы я попал в отдел, где заводские специалисты работали на компьютерах в системе AutoCAD. Тогда я в первые узнал, что такое «САПР». Два лета подряд я выполнял черновую работу по созданию планов цехов и обучению практикантов основам работы в CAD-системе. Уже в студенческие времена я работал летом на стройках разнорабочим, электромонтажником. Ну, а первая запись в трудовой книжке у меня появилась только после 3 курса института, когда я подрабатывал системным администратором на велозаводе.

Моим первым местом работы стал ИПФ РАН. Так уж совпало, что там я занимался и своими первыми научными исследованиями, общей тематикой которых была визуализация СВЧ-излучения в газоразрядной плазме. Что это такое? С помощью электрического разряда в газе создаётся плазма с заданными характеристиками, а затем на неё светят СВЧ-излучением. В результате получается визуальный образ, который можно запечатлеть на камеру оптического или инфракрасного диапазона. Преимущество данного подхода состоит в том, что при помощи достаточно простых средств можно решать задачи, для которых обычно требуются гораздо более серьёзные приборы. Например, можно экспериментировать с нагревом какого-нибудь материала, но тогда вряд ли получится отследить динамику процесса, так как нагрев протекает слишком медленно. Другой вариант – поставить дорогие СВЧ-диоды, но тогда появляются дополнительные риски: такие диоды легко спалить. В нашем же случае использование газоразрядной плазмы как своеобразного преобразователя позволяло проводить исследования с помощью такого сравнительно дешёвого инструмента, как камера. Надо сказать, что она была изготовлена по специальному заказу, так как нам требовался особый режим работы фотоприёмной матрицы. В моих экспериментах в качестве регистратора излучения применялся фотоэлектронный умножитель.

Но, как обычно, всё хорошо и гладко звучит только на словах. Например, если мы хотим извлечь конкретные параметры, то нужно хорошо разбираться в физике фундаментальных процессов, которые проистекают в газоразрядной камере. Моя научная работа как раз этому и посвящалась. После разогрева плазмы при помощи СВЧ наблюдалось усиление излучения в оптическом диапазоне. При этом полученный спектр можно было разделить на 2 части – линии и континуум (непрерывное излучение). Отслеживать линии – плохо. Они хоть и яркие, но зависимость их интенсивности от мощности СВЧ-излучения нелинейна. А вот континуум обладает более линейными характеристиками, и проектировать приборы на его основе намного проще.

Но что это за континуум такой, как оказалось, никто не знал. Возможно, это было связано с выбранным химическим составом: разряд проходил в смеси инертного газа ксенона и паров щелочного метала цезия. Я пытался разобраться в том, как именно светится смесь: задавал различные параметры газоразрядного столба и описывал спектр излучения, после чего сопоставлял экспериментальный спектр с теоретически рассчитанными значениями. Мы ожидали наблюдать в непрерывном спектре резкие границы, характерные для рекомбинационного континуума (это как будто бы идёт процесс фотоионизации, но в обратном направлении), и отсутствие таковых нас поразило. Несмотря на то, что зависимость от различных параметров разряда соответствовала расчётной, сам вид спектра свидетельствовал о том, что изначально была выбрана неверная физическая модель. Хорошее согласование как спектров, так и их динамики дал проведённый впоследствии расчёт по формулам для тормозного континуума.

Первое, что приходит на ум – это проблема зрения в различных диапазонах, в данном случае – сантиметровом и миллиметровом. То есть берём непрозрачный для глаз материал и при помощи СВЧ-излучения просвечиваем его, благодаря чему детектируем металлические предметы или любой другой материал, который для микроволнового излучения непрозрачен. В этом месте стоит сказать дежурную фразу про поиск оружия, взрывчатки, наркотиков и диагностику заболеваний. Но вы и так догадались, я думаю. Ещё одно применение – это изучение выходных характеристик мощных СВЧ-приборов, например, с целью их настройки. ИПФ РАН ведёт и другие научные исследования. К ним относится создание генераторов диапазона СВЧ. И вот здесь вырисовывается заманчивая перспектива: в числе «know how» иметь собственный уникальный диагностический стенд!

Здесь будет уместно немного рассказать об истории института. Сам ИПФ был образован на базе Нижегородского радиофизического института (НИРФИ), среди достижений которого значится изобретение гиротронов. Теперь это уже целый класс генераторов с рекордными характеристиками. Гиротронная тематика перешла к ИПФ по наследству и породила целый ряд исследовательских направлений. Одно из них - электроника больших мощностей. Данное направление тесно связано с решением проблемы управляемого термоядерного синтеза – то, ради чего затеян проект ITER. В этом международном проекте будут использоваться, если уже не используются, гиротроны, разработанные в ИПФРАНе и произведённые НПП ГИКОМ.

С аспирантурой связан мой первый опыт практического программирования. В те годы ИФМ РАН закупил много экспериментального оборудования: из разных блоков как из конструктора собирались установки для исследования фемто- и наносекундных процессов. Одна из установок в базовом варианте состояла из настраиваемого по длине волны лазера и кристалла-поляризатора, который позволял регулировать мощность излучения. Вдобавок к ним прилагался очень навороченный осциллограф, который работал под управлением операционной системы. Осциллограммы сохранялись в файлы на диске. Отдельный компьютер управлял работой спектрального прибора, а впоследствии также лазера и поляризатора. Изначально процесс измерения выглядел следующим образом: при помощи кнопок на пульте мы выставляли поляризатор на нужный угол и записывали значение в журнал (длина волны лазера обычно оставалась неизменной), запускали осциллограф и с клавиатуры вводили в него имя файла для сохранения спектрограммы. В журнале измерений получались такие длинные «простыни», время записи которых иногда превышало время работы оператора. С одобрения коллег я решил автоматизировать этот процесс. Программа была написана на C++. Она позволяла увязать все действия в единый контур измерения, чтобы по истечении заданного промежутка времени автоматически сохранялся файл, но не на осциллографе, а на управляющем компьютере. При этом продолжал крутиться поляризатор и всё работало синхронно. Другая моя инициатива, которую старшие товарищи восприняли поначалу со скепсисом – это наглядное отображение результатов в виде трёхмерной картинки, по сути поверхности, с которой дальше уже можно было проводить различные операции, например, строить сечения. В итоге получались либо мгновенные спектры, либо осциллограммы на заданной длине волны. Для обработки данных это оказалось очень удобно, а время предварительного анализа сократилось с суток до минут.

После окончания аспирантуры у меня появилась альтернатива: идти работать программистом в компанию МЕРА, где я впервые познакомился с многопоточными вычислениями в Windows во время студенческой стажировки на 5 курсе вуза, или попробовать себя ещё где-нибудь. Поскольку я уже черпнул немного работы с железом, то я захотел пойти куда-нибудь поближе к инженерному делу. Но так уж вышло, что в Нижнем Новгороде в основном занимаются телекоммуникациями, не считая подразделения Intel, где пишут компиляторы и различные средства ускорения, поэтому ближе всего по моим запросам оказалась работа в Коломне.

Изначально мне приглянулась работа над проектом «КОМПАС-3D», но почти сразу мне посоветовали пойти в математическое подразделение, и я согласился. На испытательном сроке я разрабатывал функции построения поверхностей по 4 кривым и по сети кривых. Моих будущих коллег интересовало, насколько хорошо я справлюсь с этим заданием. Уже после испытательного срока мне поручили работу над конвертерами, чем я до сих пор и занимаюсь.

Главная особенность заключается в том, что в конвертерах нельзя отклонить входные данные. Что пришло из файла – нужно как-то обработать, потому что часто возникают синтаксические ошибки, ошибки и особенности топологии, а также много других случаев, специфичных для разных моделеров и процессоров файлов обменных форматов. Всё это нужно определённым образом анализировать и выдавать конечный результат, либо принимать решение, что результата достичь невозможно и уведомлять об этом. Мне кажется, это и есть основная специфика при работе с конвертерами, потому что при работе с операциями всегда есть возможность вывести пользователю предупреждающее или информирующее сообщение. В случае с конвертерами сообщение вряд ли изменит входные данные. Ещё одна особенность состоит в том, что при пересчёте 3D-модели в архитектуру формата *.c3d стандартные алгоритмы геометрического ядра C3D не всегда работают, поэтому некоторые из них, в частности проецирование, написаны специально для конвертеров. Это была одна из первых проблем, с которой я столкнулся при работе с ядром и над решением которой работал мой коллега Владимир Латышев (прим. математик-программист в C3D Labs).

Интересный вопрос! В первую очередь – думать. Значительная часть рабочего времени у меня уходит на чтение документации и различных пользовательских руководств. Это связано с тем, что при импорте и экспорте данных из форматов STEP, IGES, Parasolid (X_T, X_B), ACIS (SAT), VRML и STL необходимо строго следовать существующим стандартам, в первую очередь ISO. Эти форматы являются общедоступными, документация на них представлена на английском языке с большим количеством иллюстративного материала, и при работе с ней проблем, как правило, не возникает. Остальное время у меня уходит на исправление ошибок и написание нового функционала в C3D Converter.

Обычно это несколько запросов в месяц. Раньше они приходили в базу ошибок, а теперь запросы сразу попадают в Service Desk. Если говорить о тестировании нового функционала, то в предыдущие годы нам сильно помогал КОМПАС-3D, но сейчас это всё чаще наши собственные инициативные разработки. Поэтому и тестировать новые функции конвертеров приходится тоже нам самим.

Обменные форматы постоянно развиваются, отвечая на запросы времени. При появлении программных продуктов с новым функционалом возникают и новые форматы. Старые форматы, соответственно, забываются и уходят в прошлое. В результате такой естественной эволюции обменные форматы STEP и JT научились хранить информацию о производстве изделия (PMI). Поэтому мы решили научить C3D Converter работать с этими данными. Причем, ранее уже в конвертерах был реализован формат STEP с поддержкой PMI. Но разработчики данного формата решили, что PMI недостаточно хорошо поддерживается протоколами 203 и 214, и поэтому разработали новый протокол 242. Его основная задача – гармонизировать предыдущие два протокола так, чтобы не было разночтений, а программистам было проще обмениваться данными. Мне показалась наиболее интересной такая фича STEP 242, как возможность работы с композитными материалами. Протокол умеет записывать и считывать особенности укладки слоёв, компаунда и т.д. Также STEP 242 позволяет записывать типы соединения: резьбовое, клеевое, сварное, паяное, заклепочное. На сегодняшний день часть этого протокола, касающаяся передачи информации о форме 3D-модели, уже реализована в C3D Converter. Что же касается формата JT, то это – бинарный формат, поэтому он должен читаться быстро. JT поддерживает компрессию и послойную загрузку, что позволяет отдельно посчитать триангуляцию 3D-модели, какие-то другие характеристики и быстро показать их на экране. Если не требуется вносить изменения в 3D-модель, то такая схема записи файла оказывается очень удобной. Но если приходится что-то менять, то тогда заново пересчитываются триангуляция и B-Rep представление 3D-модели, а также связи между ними. Видимо, разработчики формата JT определили, что это не настолько частая операция, как просмотр данных, и решили сэкономить на этом вычислительный ресурс. Если сравнивать с другими форматами, то они обычно передают чистый B-Rep, по которому затем вычисляется вторичное представление 3D-модели для её отображения на экране, расчёта МЦХ и т.д. При открытии таких файлов каждый раз тратятся большие ресурсы операционной системы.

X_B является B-Rep форматом, а JT содержит как триангуляцию с уровнями детализации (LOD), так и B-Rep данные, которые могут быть представлены в формате X_T или в собственном сплайновом представлении.

Параметризация – это понятие из математики, а с точки зрения САПР лучше давать терминологию именно в инженерных терминах, тогда разработчики смогут точно реализовать задуманное. Другое дело, что параметрические ядра не всегда совпадают с геометрическими и поэтому неудивительно, что для геометрических ядер та или иная параметризация может попусту отсутствовать в обменном файле.

История построения 3D-модели – это слишком «сапрозависимое» понятие. Граничное представление (B-Rep) в этом смысле передаёт информацию о 3D-модели гораздо более стабильно от версии к версии программного обеспечения, в котором эта модель была создана. Но историю передать, в принципе, тоже можно. Было бы желание! Хотя по факту оказывается, что это – не панацея. Давайте просто попробуем представить: мы передаём B-Rep представление 3D-модели с историей её построения, наложенным плоскогранным вторичным представлением, да ещё и с рассчитанными уровнями детализации – всё это нужно каким-то образом синхронизировать. Получается сложнейшая вычислительная задача с очень непростой системой для отслеживания обратных связей. Обслуживать такую махину готов далеко не каждый разработчик программного обеспечения. Я думаю, что это и есть ответ на поставленный вопрос.

Больше всего я общаюсь с Юрием Козулиным. Он ведёт Service Desk, к которому я был недавно подключен, и ещё курирует вопросы общего характера по C3D Modeler. Юра поясняет мне, что из функционала геометрического ядра C3D я могу использовать в своей работе над конвертерами и какие при этом ограничения будут наложены. Что касается новых функций и документации, то здесь я очень часто контактирую с Николаем Николаевичем Головановым как с руководителем разработки C3D Labs. Будущий облик API C3D – это очень ответственный вопрос, как ни крути.

Мне очень нравится наличие нескольких горизонтов работ. С одной стороны, всегда видно, куда идти и как будет выглядеть система в будущем. Для меня это такая своеобразная программа максимум – то, к чему я должен стремиться. А уже в среднесрочной перспективе идёт самостоятельное планирование работ. Из того, чем я буду заниматься в ближайшее время – это многопоточность. Ведь чем в этой области хороши конвертеры? Они представляют собой отличный полигон для распараллеливания кода! Именно поэтому самые первые результаты в ядре C3D по многопоточным вычислениям были достигнуты именно на конвертерах. Максимальный эффект от ускорения здесь достигается при большом количестве крупных блоков. Например, когда приходит большая и сложная многокомпонентная деталь, то чаще всего оказывается, что каждый компонент – это изолированный набор данных. При обработке таких наборов и получается эффективное распараллеливание.

Мне помогает своеобразное представление о красоте: где-то нужно унифицировать код, в другом месте – создать свои объекты; что-то можно взять под полный контроль или же отдать пользователю на откуп. Так формируется облик системы, который напоминает тебе, как конвертеры должны выглядеть в идеале. Ещё очень важно иметь широкий кругозор. Его грамотное применение сильно помогает в любой работе.

Когда я только пришёл в компанию, мне пришлось по-новому взглянуть на организацию рабочего процесса при программировании реальных сложных систем. Ведь если в ИФМ РАН я сам придумывал архитектуру, отказывался от предыдущих версий и переписывал блоки старого кода, то в программном обеспечении C3D Labs существовала уже готовая система, в которой не должно было накапливаться большого числа ошибок. Поначалу мне доставалось от всех и от Николая Николаевича в первую очередь. Но потом я исправился.

В свободное время я занимаюсь туризмом и веду блог в ЖЖ. Поводом его начать послужило желание разобраться с таким явлением, как авторская песня. Меня давно интересовал вопрос, что же мы поём у костра, как сложилась такая традиция, кто это всё придумал, поддерживает и развивает? Мне очень нравится авторская песня, но это не значит, что я поддерживаю всё, что с ней связано. Поэтому я пытаюсь разобраться с некоторыми неоднозначными моментами. Например, у Булата Окуджавы непростое творчество, но нужно отдать ему должное за то, что он не оскоромился привнесением элементов блатной романтики в формирующийся жанр. В отличие, например, от Александра Галича, Александра Городницкого, и, давайте будем откровенны, Владимира Высоцкого. С другой стороны, в песнях Окуджавы подчёркнуто нет героя, и мне это не сильно нравится. В этом плане Высоцкий, который хотя и называет Окуджаву своим духовным отцом, но являет собой его полную противоположность, мне гораздо ближе с его героичностью в песнях, революционным настроем и мятежным духом. По большому счёту, вместо того, чтобы говорить, что хорошо и что плохо, уместнее признать соответствие песен тем или иным ситуациям и настроению. И уже от этого отталкиваться при выборе исполнителя.

С 2009 года я начал заниматься байдарочным туризмом на базе профкома ИФМ. Уже в Коломне я вступил в туристический клуб «Ковчег» и начал посещать Школу спортивного туризма. Я пришёл в этот клуб с хорошим байдарочным опытом, а многие ребята видели средства сплава впервые. Поэтому в течение осени и зимы нас натаскивали, периодически мы ходили в походы выходного дня, а в качестве зачёта нам устроили контрольный поход II категории сложности на катамаранах по Кавказу. В этот тур я ходил писателем. Художественный дневник похода выложен у меня в блоге и на клубном сайте. Вообще, у катамаранов есть своя специфика при походах по бурным рекам, в отличие от экспедиционного байдарочного туризма. Если по более или менее равнинным рекам Карелии или средней полосы России легко можно набрать 200 км маршрута, то по Кавказу приходится идти связками с постоянными переездами между реками. Ощущения совсем иные. На спокойной воде человек использует собственные силы для достижения цели, а на бурной воде нужно уметь использовать силу природы для решения поставленных задач, в частности энергию потока. Это очень трудно и интересно! А ещё можно проложить маршрут так, чтобы он включал в себя разные участки.

Татьяна переехала в Коломну из курганского офиса АСКОН. Мы познакомились в офисе: я зашёл на кухню и увидел её, завязался разговор. Потом мы несколько раз случайно встречались вне рабочей атмосферы и оказалось, что у нас имеется общее увлечение велосипедами и ещё много других совместных интересов. В 2014 году мы сыграли с Таней свадьбу, это было за день до моего тридцатилетнего юбилея. А в прошлом году у нас родилась дочь Варвара.

Мне нравится, что в Коломне нет суеты большого города. С другой стороны, если вдруг захотелось какой-то активности, то Москва всегда рядом. Два часа на электричке или на авто, и ты уже окунаешься в городской ритм жизни с головой. Соседняя с нами Рязань тоже по-своему интересна: это хоть и большой, но всё-таки малоэтажный город. Одним из неоспоримых плюсов Коломны, на мой взгляд, является то, что здесь гораздо проще решить свои житейские задачи.

Пока была возможность, мы выбирались в театр или на концерт. Сейчас наиболее доступный вариант - выехать с семьей на природу, если получается, то с палатками. Хорошо, когда выезжаем с друзьями. Красивые места есть под Луховицами на Голубых озёрах, в Моногарово под Зарайском, недалеко от усадьбы Ф.М. Достоевского, а также в Константиново под Рязанью на малой Родине Сергея Есинина. Местные реки в плане сплава мне не особо нравятся. Та же Москва зимой совершенно не замерзает. Наверное, в ней течёт незамерзайка.

Это зависит от того, как компания расставит приоритеты. Если заниматься тем же, что Intel и МЕРА, то, наверное, перспективы будут не особо красочные. А вот если род деятельности будет ближе к инженерному делу, то имеются хорошие шансы преуспеть в данном направлении. Для переезжающих Нижний Новгород может быть интересен тем, что в этом городе имеется большое число вузов и школ, много культурных заведений и молодёжных «тусовочных» мест.

Я считаю, что конвертеры – это тот продукт, который следует использовать как фичу ядра C3D. Модуль C3D Converter предоставляет разработчику приложений на ядре C3D более широкие возможности по обмену данными, чем любые другие ядра. В очень дальней перспективе я вижу появление на рынке сложных гибридных систем, когда делается некая заготовка 3D-модели с низким уровнем детализации. В последствии эта модель отдаётся на специализированные расчёты (динамику, электрику, прочность, усталость, собираемость и т.д.), при этом результаты оперативно прогоняются по различным инженерным системам. Как раз здесь конвертеры будут являться ключевыми элементами, обеспечивающими легкость интеграции различного ПО друг с другом.

Что же касается в целом ядра C3D, то большой вклад в нашу привлекательность вносит возможность разработчиков софта общаться с разработчиками решений, на котором этот софт пишется. Если для кого-то это важно при выборе ядра, то здесь компания C3D Labs готова предложить оптимальные условия. Чувствовать нужды каждого разработчика и быть с ним в плотном контакте – это то, что нам вполне по силам!

В мировой промышленности в последние годы невооружённым глазом наблюдается сильное движение в сторону 3D-прототипирования, кастомизации готовых изделий, оптимизации их структуры с целью экономии материала без ущерба прочности и другим характеристикам. Есть области производства, в которых критически важным показателем для изделия при заданных характеристиках является вес. Полагаю, что такие изделия будет непросто изготовить привычными на сегодняшний день методами. В эти направления развития САПР сейчас вкладываются очень большие средства, что свидетельствует о большой заинтересованности глобальных вендоров в подобных технологиях. Будем надеяться, что в скором времени часть проектов в данной сфере выстрелят и дадут большой стимул для развития рынка!

Если говорить о развитии конвертеров, то я бы отметил материаловедческое направление, так как оно ближе всего к производству. В частности, будут передаваться характеристики различных материалов, что позволит обеспечить данными гибридные инженерно-производные системы. А вот то, что касается сложных сборок – это отправится в область долгосрочного хранения. На сегодняшний день при помощи инженерного ПО мы можем создавать изделия в 3D, проводить для них конструкторскую документацию и спецификации, анализировать результаты сканирования, истории построения и сборки. Однажды мы сможем хранить всю эту информацию в одном файле, при этом использование открытых обменных форматов представляется мне наиболее предпочтительным.

Они слишком зависят от области приложения технологий. В машиностроении имеются одни проблемы, в строительстве – другие, у электриков – третьи, у биологов – четвёртые, и так далее. Прогнозирую появление в ближайшем будущем качественно новых технологических процессов, например, в области биотехнологий, когда соединяется живое тело с неживой 3D-моделью. Возможно даже появится «биологический САПР». Фантастика!

Давайте покажем всем класс!