Содержание

что это такое? — статьи на Skillbox

UX (англ. user experience) — дословно означает «опыт пользователя». В более широком смысле это понятие включает в себя весь опыт, который получает пользователь при взаимодействии с вашим сайтом или приложением.

UX-дизайн отвечает за функциональность, адаптивность продукта и то, какие эмоции он вызывает у пользователей. Чем проще ваш интерфейс, тем проще пользователю получить результат и совершить целевое действие.

UX-дизайн — это проектирование интерфейса на основе исследования пользовательского опыта и поведения.

Одним из ярких примеров работы UX-дизайнеров можно назвать первый персональный компьютер компании Apple — Macintosh. Идея использовать окна вместо командной строки существовала и до1984 года, но именно инженеры и проектировщики Apple сделали графический интерфейс массово доступным.

Графический интерфейс Macintosh в 1984.

Некоторые дизайнеры считают, что UX — это только про посещение сайта или работу с приложением. На деле же опыт пользователя этим не ограничивается. Например, если клиент оставил заявку, но не получил смс с подтверждением или звонок от менеджера, — это симптомы плохого UX. Если же пользователь легко и без преград сделал заказ, оплатил сервис или купил товар, — это положительный UX.

UX не заканчивается на красивой и понятной форме на сайте. UX — это путь пользователя от точки входа до точки выхода, из пункта А в пункт&nbspБ. 

Сергей Попков

шеф-дизайнер AIC

Другими словами, UX — это впечатления, которые клиент получает от работы с интерфейсом. Опыт пользователя зависит от различных компонентов: архитектуры сайта, графического дизайна, понятного текста и отзывчивости интерфейса на конкретные действия пользователя.

Так как впечатления пользователей абстрактны, в UX-дизайне нужно изучать их привычки, разрабатывать прототипы поведения и проводить тестирования. Всей этой работой занимается UX-дизайнер.

UX-дизайнер (англ. user experience designer) — это проектировщик, который изучает потребности пользователей, строит логические схемы работы интерфейса, тестирует прототипы на целевой аудитории и составляет техническое задание для UI-дизайнера.

По сути, это инженер-маркетолог, который исследует опыт пользователей: изучает аналитику, продумывает логические связи между элементами интерфейса и их расположение, составляет техническое задания для редакторов. И на основе исследования разрабатывает наиболее эффективный прототип.

UI (англ. user interface) переводится как «пользовательский интерфейс». Он может быть не только графическим, но и тактильным, голосовым, аудио-. Мы рассмотрим только графический интерфейс, так как дизайнеры в основном работают с ним.

UI-дизайн — процесс визуализации прототипа, который разработали на основании пользовательского опыта и исследования целевой аудитории.

UI-дизайн включает в себя работу над графической частью интерфейса: анимацией, иллюстрациями, кнопками, меню, слайдерами, фотографиями и шрифтами.

UI-дизайнер определяет цветовую палитру и расположение объектов в интерфейсе: удобно ли попасть пальцем по кнопке «Заказать», правильно ли работает выпадающее меню, удобно ли заполнять форму, хорошо ли читается текст со смартфона, какое сообщение выдает сайт при том или ином действии.

UI-дизайнер (англ. user interface designer) — дизайнер интерфейсов, который визуализирует рабочий прототип, отрисовывает кнопки, иконки, формы и другие его компоненты и собирает их в гармоничный работающий макет.

UI-дизайнер отвечает за то, как выглядит интерфейс продукта и как пользователь взаимодействует с его элементами. Для этого необходимо грамотно организовать элементы интерфейса и выдержать единые стиль и логику их взаимодействия.

Концепция интерфейса для мобильного приложения Clean & Clear. Автор Абир Махмуд.

Главная задача UI-дизайнера — помочь пользователю быстро и без стресса понять, как пользоваться вашим продуктом: сайтом, приложением, программой, платежным терминалом, микроволновкой или пультом от телевизора. Для этого дизайнер следит, чтобы интерфейс соответствовал восьми требованиям.

В интерфейсе нет двусмысленности, а текст и структура направляют пользователя к цели.

Важно не перегружать интерфейс подсказками, всплывающими окнами и анимацией. Задавайте себе вопросы: «А нужно ли это здесь? Для чего?» Это поможет не перегрузить страницу и сфокусировать внимание пользователя на конкретном элементе.

Элементы должны быть узнаваемыми, даже если пользователь видит ваш сайт впервые. Для этого делайте интерфейс интуитивно понятным. Например, не нужно делать оранжевой кнопку подтверждения, если на большинстве сайтов она зеленая. Или не стоит использовать горизонтальную прокрутку, если ваши клиенты привыкли скроллить сверху вниз.

Хороший интерфейс реагирует на действия пользователя мгновенно. Человек должен понимать, что происходит на экране прямо сейчас: прошла ли оплата, получил ли менеджер заявку, отправилось ли сообщение? За это отвечают понятный текст, иконки и анимация.

Соблюдайте постоянство для всех разделов сайта и приложения. Элементы интерфейса — меню и слайдеры — должны вести себя одинаково на любой странице.

Визуально интерфейс должен быть привлекательным. Хороший интерфейс тот, где пользователю приятно работать, ничто не раздражает и не отвлекает его от решения задачи.

Эффективность

Помимо внешней привлекательности, хороший интерфейс экономит время пользователя и доставляет его в нужную точку с минимальными усилиями.

Снисходительность

Даже при самом продуманном интерфейсе ни один пользователь не застрахован от ошибки. Продумайте заботливые сообщения на случай, если что-то пошло не так. Это поможет сохранить деньги, время и лояльность клиентов в случае сбоя.

Разница между UX и UI — в том, что UX-дизайнер планирует, как пользователь будет взаимодействовать с интерфейсом, какие шаги ему нужно предпринять, чтобы достичь цели. А UI-дизайнер продумывает, как будут выглядеть эти шаги и путь к цели в целом.

На деле UX и UI так тесно связаны, что иногда грань между понятиями размывается. Поэтому обычно проектированием интерфейсов занимается один дизайнер и его профессия пишется через слеш.

Пользовательский опыт — это впечатления пользователя от взаимодействия с интерфейсом. UX-дизайнер работает с абстрактной информацией: схемами, таблицами, данными — на их основе проектируется интерфейс сайта, приложения или программы.

Пользовательский интерфейс — это конечный результат работы дизайнера, то, что увидит пользователь. UI-дизайнер визуализирует пользовательский опыт и «оживляет» интерфейс продукта. Интерфейс создается на основе пользовательского опыта — UX.

Для начала нужно понять, кем вы хотите быть: UX- или UI-дизайнером. Сати Тачиба, старший дизайнер в Wargaming, советует, как легко и быстро выбрать между UX и UI.

Если вам нравится работать над визуальной частью дизайна, — занимайтесь UI или визуальным дизайном. Если вам больше нравится продумывать логику взаимодействия пользователя с продуктом, анализировать, тестировать и делать интерфейс удобным,  —  вам в дизайнеры пользовательского опыта или UX.

На курсе «UX-дизайн» вы научитесь проектировать удобные и функциональные интерфейсы сайтов, приложений и программ. Вы узнаете не только, как разрабатывать визуально привлекательные проекты, но и создавать новый положительный опыт пользователей и менять мышление бизнеса об интерфейсах.

После прохождения курса по UX-/UI-дизайну вы получите диплом, пополните портфолио сильными работами и сможете пройти стажировку в одном из топовых дизайн-агентств России.

Курс «UX-дизайн»

Создавайте эффективные и полезные решения при помощи нового уникального подхода в дизайне. В течение курса вы узнаете, как сделать не просто визуально привлекательные проекты, но и кардинально изменить мышление бизнеса в диджитал, оцифровать любой продукт и сделать его максимально конкурентоспособным.

  • Живая обратная связь с преподавателями
  • Неограниченный доступ к материалам курса
  • Стажировка в компаниях-партнёрах
  • Дипломный проект от реального заказчика
  • Гарантия трудоустройства в компании-партнёры для выпускников, защитивших дипломные работы

  Что такое UX и UI — бесплатный вебинар Skillbox+AIC.

  Что такое UX-дизайн в блоге Tilda.

  Что такое UX и UI на примере средневековых профессий.

  Чем отличается UX-дизайнер и UI-дизайнер в блоге ADN.

  Зачем учить UX, или почему простые дизайнеры скоро станут не нужны.

  Как стать UX/UI-дизайнером без образования и опыта.

  Карта талантов UX-дизайнера: что стоит развивать.

  Прошлое, настоящее и будущее UX: что ждет дизайн интерфейсов в 2018 году.

  52 термина из области UX-исследований.

  Бесплатный курс «Дизайн интерфейсов для нормальных людей» Антона Жиянова.

Дизайн взаимодействия с пользователем — Википедия

Дизайн взаимодействия с пользователем (UX, UXD, UED or XD) .[1]

Дизайн взаимодействия с пользователем включает в себя традиционное взаимодействие человек-компьютер (HCI) и расширяет его путем рассмотрения всех аспектов продукта или услуги, как это воспринимается пользователями.[2]

Область дизайна взаимодействия с пользователем есть дисциплина концептуального (эскизного) дизайна (англ.)русск. и имеет свои корни в человеческих факторах (англ.)русск. и эргономики (англ.)русск., область, что после 1940-х сосредоточена на взаимодействии между человеческими пользователями, машинами, и контекстными средами в проектируемых системах, что адресованы к взаимодействию с пользователем.[3] С распространением компьютеров на рабочих местах в начале 90х, пользовательский опыт стал важной заботой для дизайнеров. Это был Дональд Норман, архитектор пользовательского опыта, который ввёл термин «пользовательский опыт» и привёл его к большей аудитории.[4]

Я придумал термин потому что я думал человеческий интерфейс и юсабилити были слишком узкими. Я хотел покрыть все аспекты персонального опыта с системой включающей в себя индустриальную дизайн графику, интерфейс, физическое взаимодействие и руководство пользователя. С тех пор этот термин широко распространился, так что он начал терять своё значение.

- Дональд Норман.[5]

Термин также имеет ещё недавнюю связь ориентированного на пользователя проектирования, человеко-компьютерного взаимодействия, и так же включает в себя элементы из аналогичных областей ориентированного на пользователя проектирования.

Дизайн взаимодействия с пользователем включает в себя элементы взаимодействия дизайна, информацию архитектуры, пользовательские исследования и другие дисциплины, и является заинтересованной всеми аспектами общего опыта предоставленного пользователям. Далее приведен короткий анализ его составных частей.

Визуальный дизайн[править | править код]

Визуальный дизайн также широко известный как графический дизайн, дизайн пользовательского интерфейса (англ.)русск., коммуникационный дизайн и визуальная коммуникация, представляет эстетику или вид и восприятие (англ.)русск. и ощущение внешнего интерфейса любого пользовательского интерфейса. Графическая обработка элементов интерфейса часто воспринимается как визуальный дизайн. Цель визуального дизайна — использовать визуальные элементы как цвета, изображения, так и символы, чтобы передать сообщение к их аудитории. Основные принципы гештальтпсихологии и зрения человека дают когнитивную точку зрения на то, как создавать эффективную визуальную коммуникацию.

[6]

Информационная архитектура[править | править код]

Информационная архитектура есть искусство и наука о структурировании и организации информации в продуктах и сервисах, поддерживающих юзабилити и находимость (англ.)русск. (информация на сайтах может быть найдена). В контексте информационной архитектуры, информация отделяется как от знаний так и от данных и располагается неясно между ними. Это есть информация об объектах. Объекты могут варьироваться от веб сайтов до программных приложений, изображений и т. д. это также относится к метаданным: сроки, используемых для описания и представления объектов таких как, документация, люди, процесс и организации.

Структуризация, организация и маркирование[править | править код]

Структуризация (англ.)русск. уменьшает информацию до её основных строительных блоков, и затем связывая их друг с другом. Организация включает в себя группировку этих единиц уникальным и осмысленным способом. Маркирование означает использование соответствующей формулировки для поддержки лёгкой навигации и поиска.

Обнаружение и управление[править | править код]

Поиск является наиболее важным фактором успеха для информационной архитектуры. Если пользователи не способны найти нужную информацию без просматривания, запросов к строке поиска, тогда находимость информационной архитектуры терпит неудачу. Навигацию необходимо четко передать, чтобы облегчить нахождение содержания.

Проектирование взаимодействия[править | править код]

Существует много ключевых факторов к пониманию проектирования взаимодействия и как это может дать возможность наслаждения и опыта взаимодействия. Хорошо известно, что построение большого опыта взаимодействия требует проектирование взаимодействия чтобы играть центральную роль в содействии дать определение, что работает лучше всего для пользователей. Высокий спрос на улучшенный опыт взаимодействия и сильное внимание на конечных пользователях сделали проектирование взаимодействия критичным в осмыслении дизайна, который соответствует пользовательским ожиданиям (англ.)русск. и стандартам последних шаблонов пользовательских интерфейсов и компонентов. Во время работы, дизайнеры взаимодействия принимают несколько вещей в рассмотрение. Некоторые из них:[7]

  • Определение шаблонов взаимодействия, лучше всего подходящих в контексте
  • Включение пользовательских потребностей собранных в ходе исследования пользователя проектах
  • Функции и информация, которые важны для пользователя
  • Интерфейсное поведение, как перетаскивание, выделение и действия мышью
  • Эффективно сообщая сильные стороны системы
  • Создание интерфейса интуитивно с помощью построения возможностей
  • Поддержание согласованности во всей системе.

В последние несколько лет роль дизайнеров взаимодействия сместилась от того, чтобы быть просто сфокусированным на точном определении деталей пользовательского интерфейса и передовая их инженерам к ситуации, где сейчас дизайнеры имеют больше свободы в проектировании контекстных интерфейсов, которые основаны на помощи удовлетворить пользовательские потребности.[8] По этой причине, дизайн взаимодействия с пользователем эволюционировал в междисциплинарную ветвь дизайна, которая включает междисциплинные технические аспекты от проектирования анимационного дизайна (англ.)русск. и мультипликации к программированию.

Юзабилити[править | править код]

Юзабилити — степень, в которой продукт может быть использован определёнными пользователями для достижения определённых целей с эффективностью, производительностью и удовлетворенностью в заданном контексте использования.[9]

Юзабилити прикрепляется со всеми инструментами используемые людьми и распространяется как на цифровые так и не на цифровые устройства. Таким образом, это подмножество опыта взаимодействия, но не полностью. Раздел юзабилити, который пересекается с дизайном взаимодействия с пользователем, который относится к способности людей использовать систему или приложение. Хорошее юзабилити имеет важное значение для позитивного опыта взаимодействия, но это само по себе не гарантирует его.[10]

Доступность[править | править код]

Доступность системы описывает её легкость досягаемости, использования и понимания. С точки зрения дизайна взаимодействия с пользователем, она может также быть связана с общей удобопонятностью информации и функций. Она способствует сокращению кривой обучаемости ассоциированной с системой. Доступность во многих контекстах может быть связана с легкостью использования для людей с ограниченными возможностями и происходит согласно юзабилити.[11]

Человеко-компьютерное взаимодействие[править | править код]

Человеко-компьютерное взаимодействие (HCI) исследует дизайн и использование компьютерных технологий, ориентированных на взаимодействие между людьми (пользователями) и компьютерами.

Вопрос организации взаимодействие человека с компьютером сегодня становится интегральной задачей многих разработок в самых разных областях. На первый уровень здесь выходит организация удобного пользования и дружественного интерфейса, так как технические устройства усложняются, их функционал становится шире, необходимо обеспечить сохранение и даже повышение эффективности применения технологий. [12][13]

Общий процесс проектирования[править | править код]

Проектирование — термин, который приобрел особую популярность в последнее десятилетие и стал одной из составляющих разработки пользовательского дизайна (UX). Основная проблему проектирования взаимодействия: как именно спроектировать поведение сложных интерактивных систем. Для решения этой задачи будет полезно рассмотреть сходство между организацией пространства для действий клиента в физическом магазине и воплощением пользовательского опыта с интерактивным продуктом. [14]

Необходимо работать в направлении, чтобы дизайн взаимодействия с пользователем стал основой культуры, ориентированной на разработчиков.[15]

Процессы проектирования описывают, как понимать и определять требования пользователей, как преобразовать эти требования в структуру дизайна и, наконец, как наилучшим образом применять принципы и шаблоны дизайна в конкретных условиях.[16]

Основная цель UX-дизайнеров — решить проблемы конечных пользователей и обеспечить возможность удобной работы с ресурсом, таким образом, важно доносить концепцию дизайна до заинтересованных сторон и разработчиков — это имеет решающее значение для успеха проекта в целом.[17] Что касается документов спецификации UX, эти требования зависят от клиента или организации, участвующей в разработке продукта. Четыре основных документа: титульный лист, введение, прототипы и история версий.[18] В зависимости от типа проекта, документы спецификации могут также включать модели потока, культурные модели, персонажей, истории пользователей, метки, навигацию, меню, пустое пространство, сценарии и любые предшествующие исследования пользователей.[19]

Для финального одобрения проекта UX-дизайна требуется:

  • Пользовательское тестирование / юзабилити-тестирование;
  • A / B тестирование;
  • Информационная архитектура;
  • Файлы Site-map и пользовательские потоки;
  • Дополнительный прототип в результате результатов испытаний и точной настройки.[20]

Подход графических дизайнеров[править | править код]

Графические дизайнеры фокусируются на эстетической привлекательности дизайна. Информация передается пользователям через текст и изображения. Большое значение уделяется тому, как текст и изображения выглядят и привлекают пользователей. Графические дизайнеры определяют стилистический набор цветов, шрифтов, типа шрифта и расположение изображений. Графические дизайнеры сосредоточены на том, чтобы привлечь внимание пользователя тем, как выглядит дизайн. Они создают визуальные концепции, используя компьютерное программное обеспечение или вручную, для передачи идей, которые вдохновляют, информируют и очаровывают потребителей. Они разрабатывают общий макет и производственный дизайн для различных приложений, таких как реклама, брошюры, журналы и корпоративные отчеты.[21]

Подход визуальных дизайнеров[править | править код]

Визуальный дизайнер (VisD) гарантирует, что визуальное представление дизайна эффективно передает данные и намекает на ожидаемое поведение продукта. В то же время визуальный дизайнер отвечает за передачу идеалов бренда в продукте и за создание положительного первого впечатления; эта ответственность разделяется с промышленным проектировщиком, если продукт связан с оборудованием. По сути, визуальный дизайнер должен стремиться к максимальному удобству использования сайта в сочетании с максимальной привлекательностью.[22]

Подход дизайнеров взаимодействия[править | править код]

Дизайнеры взаимодействия (IxD) в некотором роде координаторы. Они несут ответственность за понимание и определение того, как продукт должен вести себя. Эта работа частично совпадает с работой визуальных и промышленных дизайнеров в нескольких важных аспектах. При разработке физических продуктов дизайнеры взаимодействия должны на раннем этапе работать с промышленными дизайнерами, чтобы определить требования к физическим ресурсам и понять поведенческие воздействия механизмов, стоящих за ними. Работа дизайнеров взаимодействия пересекается с визуальными дизайнерами на протяжении всего проекта. Визуальные дизайнеры ведут дискуссии о бренде и эмоциональных аспектах опыта, дизайнеры взаимодействия сообщают приоритет информации, потока и функциональности в интерфейсе.[23]

В разработке дизайна важно документировать все договоренности и вести спецификации. Они сообщают о дизайне разработчикам, заинтересованным сторонам и часто самим дизайнерам всю информацию о принятых решениях с момента обсуждения задач по проекту.[24][25]

Юзабилити-тестирование — самый распространенный метод, используемый дизайнерами для тестирования своих проектов. Основная идея проведения юзабилити-теста — проверить, хорошо ли работает дизайн продукта или бренда с целевыми пользователями. При проведении юзабилити-тестирования проверяются две вещи: удачен ли дизайн продукта и если нет, как его можно улучшить. Пока дизайнеры тестируют, они тестируют дизайн, а не пользователя. Кроме того, каждый дизайн развивается. Проектировщики проводят тестирование юзабилити на каждом этапе процесса проектирования.

  1. Kujala, Sari; Roto, Virpi; Väänänen-Vainio-Mattila, Kaisa; Karapanos, Evangelos; Sinneläa, Arto. UX Curve: A method for evaluating long-term user experience (англ.) // Interacting With Computers : journal. — 2011. — Vol. 23, no. 5. — P. 473—483. — DOI:10.1016/j.intcom.2011.06.005.
  2. ↑ design in motion (неопр.). IBM Design. Дата обращения 18 июня 2015.
  3. ↑ environmental context «THE INTERACTION DESIGN FOUNDATION», by Karen Holtzblatt and Hugh R., Retrieved 2016-08-26
  4. uxdesign. "UX Design Defined" (неопр.) (16 августа 2010).
  5. Merholz, Peter (2007). "Peter in Conversation with Don Norman About UX & Innovation (неопр.). Adaptive Path..
  6. Web Style Guide. "Visual Design Web Style Guide 3 (неопр.) (2015-06-18.).
  7. Psomas, Steve. The Five Competencies of User Experience Design, UX Matters.
  8. Lowgren, Jonas Interaction Design - brief intro (неопр.). The Interaction Design Foundation. Дата обращения 18 июня 2015.
  9. ↑ International Standards (неопр.) (недоступная ссылка). UsabilityNet (1998). Дата обращения 18 июня 2015. Архивировано 11 мая 2015 года.
  10. Marcus, Aaron. Design, User Experience, and Usability: Design Discourse (англ.). — 2015. — P. 340. — ISBN 3319208861.
  11. ↑ The Fundamentals of Great UX (16 октября 2014). Архивировано 6 июля 2015 года. Дата обращения 26 июля 2015.
  12. К. Ахметов. [https://foresight-journal.hse.ru/data/2013/06/27/1285998168/6-Microsoft-58-68.pdf Взаимодействие человека и компьютера: тенденции, исследования, будущее] // Форсайт. — 2013. — Т. 7, № 2.
  13. ↑ Curricula for Human-Computer Interaction, Chapter 2. Definition and Overview of Human-Computer Interaction (неопр.) (недоступная ссылка). ACM SIGCHI. Дата обращения 18 июня 2015. Архивировано 17 августа 2014 года.
  14. Cooper, Alan; Reimann, Robert; Cronin, David; Noessel, Christopher. About Face: The Essentials of Interaction Design (англ.). — 4th. — Wiley, 2014. — P. 131. — ISBN 978-1-118-76657-6.
  15. Treder, Marcin Beyond Wireframing: The Real-Life UX Design Process (неопр.). Smashing Magazine (29 августа 2012). Дата обращения 18 июня 2015.
  16. Cooper, Alan; Reimann, Robert; Cronin, David; Noessel, Christopher. About Face: The Essentials of Interaction Design (англ.). — Wiley, 2014. — P. 140. — ISBN 978-1-118-76657-6.
  17. ДМ Дворянин, КС Скубников. К ВОПРОСУ О ПОНЯТИЯХ UX UI ДИЗАЙНА // Научно-практический электронный журнал Аллея Науки. — 2017. — № 15.
  18. Chris Kiess. A Practical Guide to UX Specifications (неопр.). chriskiess.net (7 мая 2014).
  19. Наталья Баранова. UX и UI: основные понятия дизайна цифрового продукта (неопр.) (5 июля 2017).
  20. Мария Чесниша. Пользовательское тестирование дизайна и UX как инструмент в проектировании (неопр.). https://medium.com.
  21. ↑ What Graphic Designers Do (неопр.). https://www.bls.gov (4 сентября 2019).
  22. ↑ Visual Design Web Style Guide 3 (неопр.). Web Style Guide (18 июня 2015).
  23. Cooper, Alan; Reimann, Robert; Cronin, David; Noessel, Christopher. About Face: The Essentials of Interaction Design (4th ed.). — С. 153. — ISBN 978-1-118-76657-6.
  24. Kiess, Chris A Practical Guide to UX Specifications (неопр.). C L Kiess (7 мая 2014). Дата обращения 18 июня 2015.
  25. ↑ What’s the Difference Between a User Experience (UX) Designer and a User Interface (UI) Designer? - Zanthro (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 24 сентября 2015. Архивировано 25 сентября 2015 года.

Лаборатория компьютерного дизайна материалов: что может дать USPEX?

Лаборатория компьютерного дизайна материалов МФТИ под руководством известного российского ученого Артема Ромаевича Оганова занимается предсказанием кристаллических структур. Ученые, обладая уникальным инструментом для теоретического анализа вещества, работают над колоссальным множеством проектов. Они ищут новые полезные материалы, исследуют содержимое земных недр и других планет, улучшают лекарства и решают задачи по предсказанию структуры белков. В лаборатории трудится большой интернациональный коллектив, часть направлений работы которого описана в этой статье.

XXI век называют «веком живых систем», изучение которых возможно только на стыке наук — математики, физики, химии и биологии. «Биомолекула» представляет серию материалов о том, как занимаются биологией в Московском физико-техническом институте (МФТИ).

Обратите внимание

Нельзя объять необъятное. В рубрике «Места» мы рассказываем только о внутренней жизни лабораторий и их научной работе. За кадром остаются внешние трудности и конфликты, конкуренция между лабами, сложные политические решения и всё такое прочее.

Артем Ромаевич Оганов — всемирно известный российский ученый, разработавший алгоритм предсказания кристаллических структур USPEX [1], сейчас руководит лабораторией компьютерного дизайна материалов в МФТИ. Название алгоритма USPEX расшифровывается как Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography, а читается просто — «успех». И таки да, успех у Оганова есть, т.е. есть настоящие и дивные открытия, уникальная методика, крутые публикации, признание, лаборатории в трех странах мира, много людей и т.д. В рейтинге цитируемости ученых Артем Оганов занимает высокое место: значение его индекса Хирша составляет 50 (по данным google.scholar). Для примера, 84% нобелевских лауреатов имеют значение индекса Хирша выше 30 [2].

Лаборатория компьютерного дизайна материалов в МФТИ была создана в 2013 году. Сейчас в ней работает активный коллектив молодых ученых из разных стран. Основное оборудование, применяемое для исследований, — суперкомпьютер. Некоторые рабочие моменты в лаборатории компьютерного дизайна материалов организованы очень необычно. Например, периодически отчетные семинары проходят в уютной чайной в центре Москвы. Обсуждение проделанной работы совмещается с отдыхом в приятной компании. В такой атмосфере просто невозможно не задать коллегам массу вопросов! Про проекты, которые ведутся под руководством Артема Оганова, и про некоторые открытия лаборатории расскажем ниже.

Секрет USPEXа

В целом, USPEX решает ключевую задачу теоретической кристаллохимии. Эта проблема стояла перед учеными очень давно и считалась неразрешимой. Собственно, вопрос формулируется так: какая структура будет у вещества с известным химическим составом в тех или иных условиях? Лучшие умы ломали над этим голову, а редакторы журнала Nature в свое время сокрушались, что успех так далек [3], [4]. Тем не менее ответ был найден. Сейчас USPEX используют многие ученые мира, и метод продолжает быстро развиваться. Кроме предсказания кристаллических структур, USPEX можно использовать и для других целей: прогнозировать структуру наночастиц, полимеров, поверхностей и 2D-кристаллов. Он может эффективно предсказывать стабильные химические соединения и структуру вещества, имея на входе только названия химических элементов [5]. Например, ученые проанализировали с помощью алгоритма USPEX, какие соединения из марганца (Mn) и бора (B) являются стабильными, и в 2014 году опубликовали об этом статью [6]. Они теоретически доказали, что существует необнаруженное экспериментаторами соединение — борид марганца с формулой MnB3, а также уточнили структуру MnB4 (рис. 1). Оба положения затем полностью подтвердили экспериментально. Про это и многие другие свои открытия Артем Оганов рассказал в предновогодней лекции в Институте биоорганической химии (см. видео 1).

Структура MnB3 и MnB4

Рисунок 1. Структура MnB3(слева) и MnB4(справа). Данные получены с помощью алгоритма USPEX и опубликованы в 2014 году. Первое вещество ранее было неизвестно, структуру второго уточнили.

Видео 1. «Запрещенная» химия. Вы узнаете, как с помощью компьютерных расчетов были открыты новые классы химических соединений, запрещенные «классической» химией, но всё же устойчивые под давлением, — такие молекулы могут существовать в недрах планет.

Предсказание кристаллических структур очень полезно для поиска новых материалов с заданными свойствами. Это намного более эффективный подход, чем традиционный экспериментальный метод проб и ошибок. Также с помощью компьютера можно изучать свойства веществ в экстремальных условиях, например прилагая к ним высокое давление, которое невозможно на поверхности Земли [7].

Как работает USPEX?

Суть поиска наиболее устойчивой структуры сводится к вычислению такого состояния вещества, которое обладает наименьшей энергией. Энергия в данном случае зависит от электромагнитного взаимодействия ядер и электронов атомов, из которых состоит исследуемый кристалл. Ее можно оценить с помощью квантово-механических расчетов, основанных на упрощенном уравнении Шредингера. Так в алгоритме USPEX используется теория функционала плотности, которая получила развитие во второй половине прошлого века. Ее основная цель заключается в упрощении расчетов электронной структуры молекул и кристаллов. Теория позволяет заменить многоэлектронную волновую функцию электронной плотностью, при этом оставаясь формально точной (но на самом деле приближения оказываются неизбежными). На практике это приводит к уменьшению сложности вычислений и, как следствие, времени, которое на них будет затрачено. Таким образом, квантово-механические расчеты сочетаются с эволюционным алгоритмом в USPEX (рис. 2). Как же работает эволюционный алгоритм?

Схема типичного эволюционного алгоритма

Рисунок 2. Схема типичного эволюционного алгоритма.

Искать структуры с наименьшей энергией можно перебором: случайно располагать атомы друг относительно друга и анализировать каждое такое состояние. Но так как число вариантов огромно (даже если атомов всего 10, то возможностей их расположения друг относительно друга будет порядка 100 миллиардов), то расчет занял бы слишком большое время. Поэтому успеха ученым удалось добиться только после разработки более хитрого метода. Алгоритм USPEX основан на эволюционном подходе (рис. 2). Сначала случайным образом генерируется небольшое количество структур и рассчитывается их энергия. Варианты с наибольшей энергией, то есть наименее устойчивые, система удаляет, а из наиболее устойчивых генерирует подобные и обсчитывает уже их. Одновременно случайным образом компьютер продолжает генерировать новые структуры для поддержания разнообразия популяции, что является неотъемлемым условием успешной эволюции.

Таким образом, решить задачу предсказания кристаллических структур помогла логика, взятая из биологии. Затруднительно сказать, что в этой системе есть ген, потому что новые структуры могут отличаться от своих предшественников очень разными параметрами. Наиболее приспособленные к условиям отбора «особи» оставляют потомство, то есть алгоритм, учась на своих ошибках, максимизирует шансы на успех в следующей попытке. Система довольно быстро находит вариант с наименьшей энергией и эффективно обсчитывает ситуацию, когда структурная единица (ячейка) содержит десятки и даже первые сотни атомов, тогда как предыдущие алгоритмы не могли справиться и с десятью.

Одна из новых задач, которая ставится перед USPEX’ом в МФТИ, — предсказание третичной структуры белков по их аминокислотной последовательности [8]. Эта проблема современной молекулярной биологии входит в число ключевых. В целом, перед учеными задача стоит очень непростая еще и потому, что рассчитать энергию для такой сложной молекулы, как белок, трудно. По словам Артема Оганова, его алгоритму уже удается прогнозировать структуру пептидов длиной примерно 40 аминокислот [9].

Видео 2. Полимеры и биополимеры. Какие вещества относятся к полимерам? Какова структура полимера? Насколько распространено применение полимерных материалов? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

Объяснение USPEXа

В одной из своих научно-популярный статей Артем Оганов (рис. 3) описывает USPEX так:

«Вот образный пример для демонстрации общей идеи. Представьте, что нужно найти самую высокую гору на поверхности неизвестной планеты, на которой царит полная темнота. В целях экономии ресурсов важно понять, что нам нужна не полная карта рельефа, а лишь его самая высокая точка.

Артем Оганов

Рисунок 3. Артем Ромаевич Оганов

Вы высаживаете на планету небольшой десант биороботов, отправляя их поодиночке в произвольные места. Инструкция, которую каждый робот должен выполнять, — идти по поверхности против сил гравитационного притяжения и в итоге достигнуть вершины ближайшего холма, координаты которого он и должен сообщить на орбитальную базу. На большой исследовательский контингент у нас нет средств, а вероятность, что один из роботов сразу же взберется на высочайшую гору, крайне мала. Значит, надо применить известный принцип русской воинской науки: „воюй не числом, а умением“, реализуемый здесь в виде эволюционного подхода. Пеленгуя ближайшего соседа, роботы встречаются и воспроизводят себе подобных, расставляя их вдоль линии между „своими“ вершинами. Потомство биороботов приступает к выполнению тех же инструкций: они двигаются в направлении возвышения рельефа, исследуя область между двумя вершинами их „родителей“. Тех „особей“, которым попались вершины ниже среднего уровня, отзывают (так осуществляется селекция) и десантируют заново случайным образом (так моделируется поддержание „генетического разнообразия“ популяции)» [10].

Как оценить погрешность, с которой работает USPEX? Можно взять задачу с заранее известным правильным ответом и 100 раз независимо решить ее с помощью алгоритма. Если правильный ответ будет получен в 99 случаях, то вероятность ошибки расчетов составит 1%. Обычно правильные предсказания получаются с вероятностью 98–99%, когда число атомов в элементарной ячейке составляет 40 штук.

Эволюционный алгоритм USPEX привел ко многим интересным открытиям и даже к разработке новой лекарственной формы медицинского препарата, о чём будет рассказано ниже. Интересно, что же будет, когда появятся суперкомпьютеры нового поколения? Изменится ли в корне алгоритм предсказания кристаллических структур? Например, некоторые ученые занимаются разработками квантовых компьютеров. В перспективе они будут намного эффективней, чем самые совершенные современные. По мнению Артема Оганова, эволюционные алгоритмы оставят за собой лидирующую позицию, однако начнут работать быстрее.

Направления работы лаборатории: от термоэлектриков до лекарств

USPEX оказался алгоритмом не только эффективным, но и многофункциональным. На данный момент под руководством Артема Оганова ведется множество научных работ по различным направлениям. Одни из последних проектов — попытки моделирования новых термоэлектрических материалов и предсказание структуры белков.

«У нас есть несколько проектов, один из них — это изучение низкоразмерных материалов, таких как наночастицы, поверхности материалов, — рассказывает А.Р. Оганов. — Другой — изучение химических веществ под высоким давлением. Есть еще интересный проект, связанный с предсказанием новых термоэлектрических материалов. Сейчас мы уже знаем, что адаптация метода по предсказанию кристаллических структур, который мы придумали, к задачам термоэлектрики работает эффективно. На данный момент мы уже готовы к большому рывку, результатом которого должно стать открытие новых термоэлектрических материалов. Уже понятно, что метод, который мы создали для термоэлектриков, очень мощный, проведенные тесты успешны. И мы полностью готовы к тому, чтобы искать собственно новые материалы. Также мы занимаемся предсказанием и изучением новых высокотемпературных сверхпроводников. Задаемся вопросом о предсказании структуры белков. Это для нас новая задача и очень любопытная».

Интересно, что USPEX уже принес пользу даже медицине: «Более того, мы разрабатываем новые медицинские препараты. В частности, нами было предсказано, получено и запатентовано новое лекарство, — рассказывает А.Р. Оганов. — Это гидрат 4-аминопиридина, лекарство от рассеянного склероза».

Речь идет о недавно запатентованном сотрудниками лаборатории компьютерного дизайна материалов Валерием Ройзеном (рис. 4), Анастасией Наумовой и Артемом Огановым препарате, позволяющем симптоматически лечить рассеянный склероз. Патент открытый, что поможет снизить цену на лекарство [11]. Рассеянный склероз — это хроническое аутоиммунное заболевание, то есть одна из тех патологий, когда собственная иммунная система вредит хозяину . При этом повреждается миелиновая оболочка нервных волокон, которая в норме выполняет электроизолирующую функцию. Она очень важна для нормальной работы нейронов: ток по выростам нервных клеток, покрытых миелином, проводится в 5–10 раз быстрее, чем по непокрытым. Потому рассеянный склероз приводит к нарушениям в работе нервной системы.

Валерий Ройзен

Рисунок 4. Валерий Ройзен — один из авторов патента на лекарство от рассеянного склероза, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов, разрабатывающий новые лекарственные формы медицинских препаратов и активно занимающийся популяризацией науки.

Видео 3. Научно-популярная лекция Валерия Ройзена «Вкусные кристаллы». Вы узнаете о принципах работы лекарств, о важности формы доставки медикамента в организм человека и о злом брате-близнеце аспирина.

Формула 4-аминопиридина

Рисунок 5. Общая структурная формула 4-аминопиридина.

Ранее 4-аминопиридин в клинике уже использовали, но ученым удалось, изменив химический состав, улучшить всасываемость этого лекарства в кровь. Они получили кристаллический гидрат 4-аминопиридина (рис. 5) со стехиометрией 1:5 [11]. В такой форме были запатентованы само лекарство и способ его получения. Вещество улучшает выброс нейромедиаторов в нервно-мышечных синапсах, что облегчает самочувствие пациентов с рассеянным склерозом. Стоит отметить, что такой механизм подразумевает лечение симптомов, но не самого заболевания. Помимо биодоступности принципиальным моментом в новой разработке является следующее: так как удалось «заключить» 4-аминопиридин в кристалл, он стал более удобным для использования в медицине. Кристаллические вещества относительно легко получить в очищенном и однородном виде, а свобода препарата от потенциально вредных примесей — один из ключевых критериев хорошего лекарства.

Открытие новых химических структур

Как было сказано выше, USPEX позволяет находить новые химические структуры. Оказывается, даже у «привычного» углерода есть свои загадки. Углерод — очень интересный химический элемент, потому что формирует обширный набор структур, начиная от сверхтвердых диэлектриков, заканчивая мягкими полупроводниками и даже суперпроводниками. К первым можно отнести алмаз и лонсдейлит, ко вторым — графит, к третьим — некоторые фуллерены при низких температурах. Несмотря на широкое разнообразие известных форм углерода, ученым под руководством Артема Оганова удалось открыть принципиально новую структуру: ранее не было известно, что углерод может формировать комплексы по типу «гость-хозяин» (рис. 6). В работе принимали участие в том числе и сотрудники лаборатории компьютерного дизайна материалов (рис. 7).

Метастабильная форма углерода

Рисунок 6. Метастабильная форма углерода, формирующая комплекс по типу «гость-хозяин». Показана в двух проекциях — а и б.

Олег Фея

Рисунок 7. Олег Фея, аспирант МФТИ, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов и один из авторов открытия новой структуры углерода. В свободное время Олег занимается популяризацией науки: его статьи можно прочитать в изданиях «Кот Шрёдингера», «За науку», STRF.ru, «Страна Росатом». Кроме того, Олег — победитель московского Science Slam и участник телешоу «Самый умный».

14-я группа элементов таблицы Менделеева

Рисунок 8. 14-я группа элементов таблицы Менделеева.

Взаимодействие «гость-хозяин» проявляется, например, в комплексах, состоящих из молекул, которые соединены друг с другом нековалентными связями. То есть некий атом/молекула занимает определенное место в кристаллической решетке, но при этом не образует ковалентной связи с окружающими соединениями. Такое поведение широко распространено среди биологических молекул, которые связываются друг с другом, образуя прочные и большие комплексы, выполняющие различные функции в нашем организме [13]. В целом, имеются ввиду соединения, состоящие из двух типов структурных элементов. Для веществ, образуемых только  углеродом, такие формы не были известны. Свое открытие ученые опубликовали в 2014 году, расширив наши знания о свойствах и поведении 14-й группы химических элементов в целом (рис. 8) [14].Стоит отметить, что в открытой форме углерода ковалентные связи между атомами образуются. Речь о типе гость-хозяин идет из-за наличия четко выраженных двух типов атомов углерода, имеющих совсем разное структурное окружение.

Новая химия под высоким давлением

В лаборатории компьютерного дизайна материалов изучают, какие вещества окажутся стабильными при высоких давлениях. Вот как заведующий лабораторией аргументирует интерес к таким исследованиям: «Мы изучаем материалы под высоким давлением, в частности новую химию, которая появляется при таких условиях. Это очень необычная химия, которая не вписывается в правила традиционной. Полученные знания о новых соединениях приведут к пониманию того, что происходит внутри планет. Потому что эти необычные химические вещества могут проявить себя как очень важные материалы планетных недр». Сложно предсказать, как ведут себя вещества под высоким давлением: большинство химических правил перестает работать, потому что данные условия очень сильно отличаются от привычных нам. Тем не менее понимать это нужно, если мы хотим знать, как устроена Вселенная. Львиная доля барионного вещества Вселенной находится именно под высоким давлением внутри планет, звезд, спутников. Удивительно, но про его химию известно еще очень немного.

Новую химию, которая реализуется при высоком давлении в лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ изучает PhD (степень, аналогичная кандидату наук) Габриеле Салех (Gabriele Saleh):

«Я химик, и меня интересует химия при высоких давлениях. Почему? Потому что у нас есть правила химии, которые были сформулированы 100 лет назад, но недавно оказалось, что они перестают работать при высоких давлениях. И это очень интересно! Похоже на луна-парк: есть феномен, который никто не может объяснить; исследовать новый феномен и пытаться понять, почему он происходит, — это очень интересно. Мы начали разговор с фундаментальных вещей. Но высокие давления существуют и в реальном мире. Конечно, не в этой комнате, а внутри Земли и на других планетах» .

Рисунок 9. Угольная кислота (H2CO3) — стабильная под давлением структура. Во вставке сверху показано, что вдоль оси С формируются полимерные структуры. Изучение системы «углерод-кислород-водород» под высокими давлениями очень важно для понимания того, как устроены планеты. H2O (вода) и CH4 (метан) являются главными составляющими некоторых гигантских планет — например Нептуна и Урана, где давление может доходить до сотен ГПа. Большие ледяные спутники (Ганимед, Каллисто, Титан) и кометы тоже содержат воду, метан и углекислый газ, на которые действует давление до нескольких ГПа.

Габриеле рассказал нам про свою новую работу, которая недавно была принята к публикации:

«Иногда вы занимаетесь фундаментальной наукой, но затем обнаруживаете прямое применение полученному знанию. Например, мы недавно отослали для публикации статью, в которой описываем результаты поиска всех стабильных соединений, получающихся из углерода, водорода и кислорода при высоком давлении. Мы нашли одно, стабильное при очень низких давлениях, таких как 1 ГПа , и им оказалась угольная кислота H2CO3 (рис. 9). Я изучил литературу по астрофизике и обнаружил, что спутники Ганимед и Каллисто [спутники Юпитера] состоят из воды и углекислого газа: из молекул, формирующих угольную кислоту. Таким образом мы поняли, что наше открытие позволяет предположить образование там угольной кислоты. Это то, о чём я говорил: всё началось с фундаментальной науки и закончилось чем-то важным для изучения спутников и планет» .

Другой пример необычной химии, который можно привести, касается общеизвестной поваренной соли, NaCl. Оказывается, если вы сможете создать в вашей солонке давление 350 ГПа, то получите новые соединения. В 2013 году под руководством А.Р. Оганова было показано, что если приложить высокое давление к NaCl, то стабильными станут необычные соединения — например NaCl7 (рис. 10) и Na3Cl [15]. Интересно, что многие из открытых веществ являются металлами. Габриеле Салех и Артем Оганов продолжили пионерскую работу, в которой показали экзотическое поведение хлоридов натрия под высоким давлением и разработали теоретическую модель, которую можно использовать для предсказания свойств соединений щелочных металлов с галогенами [16].

Они описали правила, которым подчиняются эти вещества в таких необычных условиях. С использованием алгоритма USPEX несколько соединений с формулой А3Y (A = Li, Na, K; Y = F, Cl, Br) теоретически подвергли давлениям до 350 ГПа. Это привело к открытию хлорид-ионов в окисленном состоянии −2. «Стандартная» химия это запрещает. В таких условиях могут образовываться новые вещества, например с химической формулой Na4Cl3.

NaCl и NaCl7

Рисунок 10. Кристаллическая структура обычной соли NaCl (слева) и необычного соединения NaCl7 (справа), стабильного под давлением.

Химии нужны новые правила

Габриеле Салех (рис. 11) рассказал о своем исследовании, направленном на описание новых правил химии, которые обладали бы предсказательной силой не только в стандартных условиях, но описывали бы поведение и свойства веществ под высоким давлением (рис. 12).

Габриеле Салех

Рисунок 11. Габриеле Салех (Gabriele Saleh)

«Два или три года назад профессор Оганов открыл, что такая простая соль, как NaCl, под высоким давлением не так уж и проста: натрий и хлор могут образовывать и другие соединения. Но никто не знал почему. Ученые выполнили расчеты, получили результаты, но оставалось неизвестным, почему всё происходит так, а не иначе. Еще с аспирантуры я изучаю химическую связь, и в ходе исследования мне удалось сформулировать некоторые правила, логически объясняющие происходящее. Я изучил, как электроны ведут себя в составе таких соединений, и пришел к общим закономерностям, характерным для них под высоким давлением. Для того чтобы проверить, являются ли эти правила плодом моего воображения или всё же объективно верны, я предсказал структуры похожих соединений — LiBr или NaBr и еще нескольких похожих. И действительно — соблюдаются общие правила. Если кратко, то я видел, что есть следующая тенденция: когда вы прикладываете давление к таким соединениям, то они образуют структуру двумерного металла, а потом — одномерного. Затем, под очень высоким давлением, начинают происходить более дикие вещи, потому что у хлора в таком случае будет степень окисления −2. Все химики знают, что у хлора степень окисления −1, это типичный пример из учебника: натрий теряет электрон, а хлор его забирает. Поэтому окислительные числа получаются +1 и −1 соответственно. Но под высоким давлением всё работает не так. Мы это показали с помощью некоторых подходов для анализа химических связей. Также в ходе работы я искал специальную литературу, чтобы понять, наблюдал ли уже кто-либо такие закономерности. И оказалось, что да, наблюдали. Если я не ошибаюсь, висмутат натрия и некоторые другие соединения подчиняются описанным правилам. Конечно, это только начало. Когда опубликуют следующие работы по теме, мы узнаем, обладает ли наша модель реальной предсказательной силой. Потому что это именно то, что мы ищем. Мы хотим описать химические законы, которые соблюдались бы и при высоких давлениях» [17].

Na4Cl3

Рисунок 12. Cтруктура вещества с химической формулой Na4Cl3, которое формируется при давлении 125-170 ГПа, что наглядно демонстрирует появление «странной» химии под давлением.

Если экспериментировать, то избирательно

Несмотря на то, что алгоритм USPEX отличается большой предсказательной силой в рамках своих задач, теория всегда требует экспериментальной проверки. Лаборатория компьютерного дизайна материалов — теоретическая, как следует даже из ее названия. Поэтому эксперименты проводятся в сотрудничестве с другими научными коллективами. Стратегию исследования, принятую в лаборатории, Габриеле Салех комментирует так:

«Мы не проводим экспериментов — мы теоретики. Но часто сотрудничаем с людьми, которые это делают. На самом деле, я думаю, что это вообще трудно. Сегодня наука узкоспециализированная, поэтому не просто найти кого-то, кто занимается и тем и другим» .

Один из ярчайших примеров — предсказание прозрачного натрия. В 2009 году в журнале Nature были опубликованы результаты работы, выполненной под руководством Артема Оганова [18]. В статье ученые описали новую форму Na, в которой он является прозрачным неметаллом, становясь под давлением диэлектриком. Почему так происходит? Это связано с поведением валентных электронов: под давлением они вытесняются в пустоты кристаллической решетки, образованной атомами натрия (рис. 13). При этом исчезают металлические свойства вещества и появляются качества диэлектрика. Давление в 2 млн атмосфер делает натрий красным, а в 3 млн — бесцветным.

Натрий под давлением

Рисунок 13. Натрий под давлением более 3 млн атмосфер. Синим цветом показана кристаллическая структура из атомов натрия, оранжевым — сгустки валентных электронов в пустотах структуры.

Мало кто верил в то, что классический металл может демонстрировать такое поведение. Однако в коллаборации с физиком Михаилом Еремцом из Института Макса Планка в Майнце были получены экспериментальные данные, полностью подтвердившие предсказание (рис. 14).

Фотографии образца Na

Рисунок 14. Фотографии образца Na, полученные при сочетании проходящего и отраженного освещения. К образцу были приложены разные давления: 199 ГПа (прозрачная фаза), 156 ГПа, 124 ГПа и 120 ГПа.

Работать надо с огоньком!

Артем Оганов рассказал нам, какие требования он предъявляет к своим сотрудникам:

«Во-первых, они должны иметь хорошее образование. Во-вторых, быть работящими. Если человек ленивый, то я его не возьму на работу, а если вдруг по ошибке возьму, то он будет выгнан. Нескольких сотрудников, которые оказались ленивыми, инертными, аморфными, я просто уволил. И считаю, что это абсолютно правильно и хорошо даже для самого человека. Потому что если человек не на своем месте, он не будет счастлив. Ему нужно уйти туда, где он будет работать с огоньком, с задором, с удовольствием. И это и для лаборатории хорошо, и для человека хорошо. А те ребята, которые реально работают красиво, с огоньком, тем мы платим хорошую зарплату, они ездят на конференции, они пишут статьи, которые потом выходят в лучших мировых журналах, у них всё будет хорошо. Потому что они на своем месте и потому что у лаборатории есть хорошие ресурсы для того, чтобы их поддерживать. То есть ребятам не нужно думать о приработке, чтобы выжить. Они могут сконцентрироваться на науке, на своем любимом деле, и успешно им заниматься. У нас сейчас появились кое-какие новые гранты, и это открывает нам возможность нанять еще несколько человек. Конкурс есть постоянно. Круглый год люди подают заявки, беру, разумеется, далеко не всех».

Фотографии образца Na

А еще в лаборатории предусмотрены поощрительные премии за хорошую работу — опубликованные статьи и написанные новые программы!

  1. Oganov A.R. and Glass C.W. (2006). Crystal structure prediction using ab initio evolutionary techniques: principles and applications. J. Chem. Phys. 124, 244704;
  2. Охапкин И. (2016). А большой ли у вас Хирш? Наука и технологии России;
  3. Maddox J. (1988). Crystals from first principles. Nature. 335, 201;
  4. Gavezzotti A. 1994. Are crystal structures predictable? Acc. Chem. Res. 27, 309–314;
  5. Universal structure predictor: evolutionary xtallography. (2016). Oganov’s Lab;
  6. Niu H., Chen X.Q., Ren W., Zhu Q., Oganov A.R., Li D., Li Y. (2014). Variable-composition structural optimization and experimental verification of MnB3 and MnB4. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 15866–15873;
  7. Crystal structure prediction using the USPEX code. (2016). The International Union of Crystallography;
  8. Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков;
  9. Миллисекундный барьер взят!;
  10. Оганов А. (2016). USPEX: когда форма определяется содержанием. Наука из первых рук;
  11. Наумова А.С., Оганов А.Р., Ройзен В.В. (2016). Кристаллогидрат 4-аминопиридина, способ его получения, фармацевтическая композиция и способ лечения и/или профилактики на её основе. Патент RU 2580837;
  12. Лаборатория биокатализа ИБХ: дизайнерские ферменты и клоны-мятежники;
  13. Раздвинувший границы химии;
  14. Zhu Q., Feya O.D., Boulfelfel S.E., Oganov A.R. (2014). Metastable host-guest structure of carbon. J. Superhard Mat. 36, 246–256;
  15. Zhang W., Oganov A.R., Goncharov A.F., Zhu Q., Boulfelfel S.E., Lyakhov A.O. et al. (2013). Unexpected stable stoichiometries of sodium chlorides. Science. 342, 1502–1505;
  16. Saleh G. and Oganov A.R. (2016). Pressure-induced stabilization of carbonic acid and other compounds in the C-H-O system. Cornell University Library;
  17. Saleh G. and Oganov A.R. (2016). Alkali subhalides: high-pressure stability and interplay between metallic and ionic bonds. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 2840–2849;
  18. Ma Y., Eremets M., Oganov A.R., Xie Y., Trojan I., Medvedev S. et al. (2009). Transparent dense sodium. Nature. 458, 182–185;
  19. Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX. Comput. Phys. Commun. 184, 1172–1182.

Компьютер для графики и дизайна - системные требования и описание

Какой нужен компьютер для работы с графикой

Для обычного рисования мощное железо не требуется. Средний компьютер с легкостью справляется с обработкой фотографий, но чаще всего двухмерная графика идет рука об руку с трехмерной. Подробнее о том, как выбрать компьютер для 3Д-графики и моделирования, читайте тут. Перед тем, как выбрать ПК, взглянем на системные требования к программам, которые позволяют работать с 2D-графикой.

Системные требования

Через тире указаны средние и максимальные требования.

 ПроцессорОперативная памятьВидеокартаМесто на диске
GIMP одноядерный, от 700 MHz 512 MB 64 MB памяти и поддержка 3D 100 MB
Adobe Photoshop двухъядерный, от 2,0 GHz 2–8 GB от 512 MB памяти с поддержкой OpenGL 2.0 3,1 GB
Adobe Illustrator двухъядерный, от 2,0 GHz 2–8 GB 1–2 GB памяти с поддержкой OpenGL 4.0 2 GB
Autodesk SketchBook Pro двухъядерный, от 2,5–2,9 GHz 4 GB от 256 MB с поддержкой OpenGL 2.0 4 GB
Corel Painter четырехъядерный, от 2,0 GHz 2-8 GB 1 GB памяти с поддержкой OpenGL 3.2 1 GB
Corel DRAW 2–4 ядра, от 2,0 GHz 2 GB 1 GB памяти с поддержкой OpenGL 3.2 1 GB

Как выбрать компьютер для графики

Как видите, программы не требовательны. Самый трудоемкий для компьютера процесс обработки фотографий – это применение фильтров. Обычные рисунки и векторная графика – маленького размера, и с ними проще работать. Например, зеркальные фотоаппараты Nicon и Canon имеют 24 мегапикселя, это своеобразный стандарт. Изображения получаются размером 6000х4000 пикселей. И это не предел.

Чтобы применить фильтр к такому гиганту, нужна стабильная работа процессора. На слабом компьютере это может занять несколько минут. Но если вы соберетесь рендерить трехмерную сцену на слабом ПК, то процесс может занять несколько дней и даже неделю.

Теперь обозначим, какими должны быть компьютеры для графики и дизайна 2019 года выпуска.

Какой нужен процессор?

Если вы не планируете работать с трехмерной графикой, то вам подойдет камушек начального уровня, например, Intel Core i3–8100 или Intel® Core™ i5-8400. Это четырех и шестиядерные процессоры с хорошей частотой 3,6 и 2,8 GHz. Такой мощности с лихвой хватит для работы с изображениями.

Если вы собираете профессиональную графическую станцию для работы с трехмерными объектами и рисования, то процессор должен быть мощнее – хотя бы 4 ядра с той же частотой. Компьютеры для графики, начиная с 2019 года, должны быть оборудованы камушком Intel Core i5–9600K, это решение начального уровня для профессиональной станции.

Для активной работы с тяжелыми трехмерными сценами нужен мощный процессор. Особого внимания заслуживает Intel Core i9-9820X – процессор с особой серверной мощностью. На данный момент это одно из топовых решений от компании Intel, мощнее только серверные процессоры Xeon. Intel Core i9-9820X имеет 10 ядер и 20 потоков с тактовой частотой 3300 MHz. Топовый Xeon работает на частоте до 4,0 GHz и имеет 28 ядер с 56 потоками.

Какая нужна видеокарта?

Если вы новичок и выбираете машину только для рисования, то подойдет любая видеокарта. Практически все они поддерживают несколько мониторов. Оптимальным вариантом для рисования будет новенькая NVIDIA GeForce 1060. Более продвинутое решение – NVIDIA GeForce RTX 2060 или 2070. На них еще и поиграть можно будет.

Новая RTX серия имеет в архитектуре дополнительные ядра CUDA, которые увеличивают вычислительную мощность. Они позволяют быстрее и эффективнее производить рендеринг изображений, видео и трехмерных сцен. Эта технология позволяет сделать из игровой видеокарты профессиональную для обработки изображений.

Для профессионалов в области графики создана серия NVIDIA Quadro. Эти видеокарты нужны для работы с тяжелыми трехмерными сценами и считаются самыми технологически продвинутыми в мире. В таблице представлены их краткие технические характеристики. Это профессиональное оборудование, рассчитанное на сверхвысокие нагрузки.

С выходом игровых карточек RTX серии добавились в модельный ряд также QUADRO RTX. Их основное отличие от обычных P и GV серий в том, что они имеют еще больше ядер CUDA. NVIDIA пошла тем же путем, что и раньше. Они выпустили полный модельный ряд карточек – от самых простых до самый тяжелых.

 QUADRO P1000QUADRO P2000QUADRO P4000QUADRO P5000QUADRO GV100RTX 4000RTX 5000RTX 6000RTX 8000
Видеопамять (GB) 4 5 8 16 32 8 16 24 48
Тип видеопамяти GDDR5 GDDR5 GDDR5 GDDR5X HBM2 GDDR6 GDDR6 GDDR6 GDDR6
Ядер CUDA 640 1024 1792 2560 5120 2304 3072 4608 4608
FP32 Performance (TFLOPS) 1.894 3.0 5.3 8,9 14,8 7,1 11,2 16,3 16,3
Потребляемая мощность (W) 47 75 105 180 250 160 265 295 295
Кол-во разъемов для мониторов 4 4 4 5 4 4 4 4 4

Пояснения:

  • Видеопамять нужна для развертки в ней текстур во время рендеринга. Рендеринг на видеокартах гораздо быстрее, однако ограничен количеством памяти. По этой причине рендеринг чаще ложится на плечи процессора, ведь расширить оперативную память проще и дешевле.
  • Тип видеопамяти определяет скорость загрузки и выгрузки данных. Чем новее технология, тем выше производительность.
  • Количество ядер CUDA. Эта технология позволяет выполнять вычисления с революционной скоростью. Благодаря ей уже несколько лет можно рендерить на видеокарте, что значительно экономит время. Количеством ядер определяется мощность и скорость вычисления задач. Технология только сейчас добралась до игрового модельного ряда и заиграла новыми красками в профессиональных карточках.
  • FP32 Performance – это синтетический показатель обрабатываемой информации в секунду. Чем больше – тем лучше.
  • Потребляемая мощность – это количество ватт, которое использует видеокарта во время работы. Чем больше число, тем мощнее нужны блок питания и система охлаждения.

Главный показатель здесь – количество памяти. Занимаясь 3D графикой, вы должны определить задачи, которые собираетесь выполнять. Если вам предстоит работа с большими сценами, в которых используются текстуры высокого разрешения, то нужна видеокарта с большим количеством памяти. В этом плане NVIDIA Quadro RTX 8000 бьет все рекорды. Вы сможете загрузить в нее сцену объемом до 48 GB.

Вместо NVIDIA Quadro часто используют NVIDIA GeForce RTX 2070. Это альтернативное решение, если компьютер для графики и дизайна будет использоваться и для игр. Она дешевле линейки Quadro, обладает хорошим запасом памяти, однако производительность ее в рендеринге ниже. Зато 2070 более универсальна, в играх покажет больший прирост мощности.

Сколько нужно оперативной памяти

Если вы собираетесь заниматься только двухмерной графикой и рисованием, то вам хватит 4 GB. Но лучше ставить 8 GB – это минимум на компьютере для работы с графикой 2019 года выпуска.

Для работы с трехмерными объектами нужно много памяти. Тут, как и с видеокартами, важны ваши задачи. 3D-модели бывают разные: если собираетесь делать игровые объекты, то хватит и 8 GB, а если планируете создавать трехмерную реалистичную графику с последующим превращением ее в видео, то нужно не менее 32 GB, а то и все 64.

Чтобы ускорить работу, нужно распределить память по слотам. Например, 2х8 GB работают медленнее, чем 4х4 GB. Поэтому нужна материнская плата с максимально большим количеством слотов под оперативную память. Количество оперативной памяти может быть ограничено процессором, выбирайте подходящую модель.

Нужен ли SSD для работы с графикой?

Для работы с двухмерной графикой SSD не обязателен, но сложно представить современный компьютер без этого помощника. В идеале лучше применять тандем из трех жестких дисков – 2хSSD и HDD.

SSD обычно имеют меньшую емкость, их нужно использовать для установки системы, программ и игр, а на HDD записывать файлы для длительного хранения. Второй твердотельный нужен под кеш программ обработки 3D сцен и последующей их конвертацией в видео, это если вы ними занимаетесь.

Компьютеры для графики 2019 года обладают сверхбыстрым SSD форм-фактора M.2. Такие накопители до 5 раз быстрее обычных SSD SATA. Самым продвинутым в этом плане является Samsung PRO и Kingston A1000. Это самый быстрые накопители на рынке.

Как выбрать монитор

Графические станции для 3D графики не могут раскрыть свой потенциал без хорошего монитора. Самый важный показатель – цветопередача. Есть несколько типов матриц, но самая лучшая дли рисования работы с графикой – IPS. Они немного дороже остальных, характеризуются большей задержкой, но идеальны для редактирования изображений.

Если вы профессионально занимаетесь графическим дизайном, то обязательно возьмите два или больше мониторов. Так вы сможете работать в нескольких программах сразу, быстро переключаясь между окнами. Все ваши работы будут на виду.

Монитор должен быть большой и с максимальным разрешением. Самый минимум – Full HD, но в идеале – 4К или 2К. Если два монитора с таким большим разрешением – для вас роскошь, то можно взять основной с высоким разрешением и дополнительный с меньшим.




Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *