Wetenschap langs de Digitale Snelweg: Virtueel kan alles Henri Bal Divisie Wiskunde en Informatica Divisie Natuurkunde en Sterrenkunde Faculteit der Exacte Wetenschappen vrije Universiteit

Inleiding Ontwikkelingen in informatica veranderen maatschappij Media hebben vooral aandacht voor economische toepassingen Wetenschappelijke toepassingen zijn eveneens belangrijk Stimuleren Informatica onderzoek Nieuwe toepassingen mogelijk door Internet en andere technologieën

Wetenschappelijke toepassingen Voorbeeld: World Wide Web Ontstaan door vraag naar wereldwijde toegang tot gegevens over kernfysica-experimenten Doel lezing: Bestuderen van ontwikkelingen in informatica en hun samenhang met wetenschappelijke toepassingen Vanuit leerstoel Natuurkundige Informatica en methoden voor grootschalig parallel rekenen

Overzicht ontwikkelingen

Rekenkracht Wetenschappelijke toepassingen vergen zeer veel rekenkracht Computersimulaties: nabootsen en doorrekenen van situaties uit de werkelijkheid Parallel rekenen Samenwerken van veel computers aan één probleem

Interactieve toepassingen Natuurlijke interactie met computersystemen Directe controle over lopende simulatieprogramma’s Mogelijk door Virtual Realities (VR) 3D grafische visualisatie-omgeving Interactie met simulatie in VR

Samenwerking op afstand Nuttig bij multidisciplinair onderzoek Internet is technologische drijfveer Interactie via programma’s, data, instrumenten Globus testbed

Overzicht 1 Parallel rekenen 2 Interactieve toepassingen 3 Samenwerking op afstand 4 Samenhang 5 Onderzoek 6 Onderwijs

1. Parallel rekenen Vraag naar rekenkracht groeit sneller dan aanbod Simulaties aan atmosfeer, klimaat, vliegtuigen, sterrenstelsels, molekulen IBM Blue Gene project (2000-2005) Bioinformatica (eiwit-vouwing) Nog factor 1000 meer rekenkracht nodig Parallel rekenen Computers samen laten werken aan 1 probleem Steeds vaker toegepast in de wetenschap

Supercomputers Accelerated Strategic Computing Initiative Kernbomsimulaties op 9000 computers van fl. 225,000,000 voor slechts fl. 198,000,000 !!

Clustercomputers Clustercomputer PCs of werkstations verbonden door netwerk Parallelle computer uit standaard componenten Veel betere prijs/prestatieverhouding Minder gebruikers Þ beter voor interactief gebruik

FEW Betacluster 128 PCs Applicaties: Quantumscheikunde Vastestoffysica Corneatopografie Near-field optics Zoekalgoritmen Tandheelkunde (ACTA) Onderwateracoustiek (TNO)

Ontwikkeling clusters Mainframe Minicomputer PC Sequentieel Personal Cluster ? Supercomputer Cluster Parallel

Distributed supercomputing PCs en clusters zijn groot deel van de tijd ongebruikt Wereldwijd enorme rekencapaciteit ‘over’ Kan deze rekenkracht gebruikt worden voor parallelle toepassingen? Parallel rekenen op wereldwijde systemen (distributed supercomputing)

SETI@home Search for ExtraTerrestrial Intelligence Analyse radiotelescoop signalen uit de ruimte Rekenen op PCs van vrijwilligers Statistieken 2.4 miljoen PCs 450.000 jaar rekentijd - Aantal ET’s: 0

Toekomstige computersystemen Interactieve toepassingen op lokaal cluster Grootschalig parallel rekenen op meerdere clusters DAS & DAS-2: Prototypes gedistribueerde clustercomputers van de onderzoekschool ASCI

Distributed ASCI Supercomputer VU (128) UvA (24) Homogeen systeem 200 MHz Pentium Pro Myrinet netwerk Redhat Linux 6 Mb/s ATM Leiden (24) Delft (24)

Homogene systemen

2. Interactieve toepassingen Natuurlijke interactie met computersystemen Mogelijk door Virtual Realities zoals de CAVE

Human-in-the-loop Simulatie CLUSTER CAVE VR Commando’s Vertaling Interactie VR Commando’s Vertaling Simulatie CLUSTER 345 723 980 492 010 001 …... Visualisatie CAVE

Voorbeeld: molekuulsimulatie

3. Samenwerking op afstand Belangrijk voor multidisciplinair onderzoek Mogelijk door breedbandige netwerken (bv Gigaport) Koppelen virtual realities via netwerken Directe interactie tussen mensen op afstand Tele-immersion (networked virtual environments)

Voorbeelden Virtuele operatie [NASA Ames] Ontwerp auto’s [EVL] Instrumenten[Globus]

Overzicht 1 Parallel rekenen 2 Interactieve toepassingen 3 Samenwerking op afstand 4 Samenhang 5 Onderzoek 6 Onderwijs

Distributed supercomputing Samenhang Parallel rekenen VR Internet Distributed supercomputing Interactie met parallelle simulatie Tele-immersion Samenwerking en interactie via parallelle simulatie

Voorbeeld: Robocup Robocup: autonome robots laten voetballen Samenwerkende robots hebben veel toepassingen Interactieve visualisatie Robocup-simulatie

10 6 Virtueel Robocup Interactie CAVE Amsterdam CAVE Stockholm Voetbalwedstrijd Parallelle simulatie

Video

Lessen uit virtueel voetbal Vertraging simulatie geeft onnatuurlijke interactie B.v. simulatie heeft verouderde positie speler Langeafstands netwerken maken probleem erger Onderzoek is relevant voor andere toepassingen Voorbode voor wetenschappelijke toepassingen met parallellisme, interactie en samenwerking op afstand

5. Onderzoek Wereldwijde infrastructuur voor koppelen van mensen, computers, data en instrumenten Computational grid: Transparante koppeling, net als elektriciteitsnetwerk (power grid) Specifieke onderzoeksproblemen: Communicatie Toepassingen

Communicatie Communicatie tussen computers nodig voor synchronisatie en data-uitwisseling Snelle communicatie belangrijk voor parallelle en interactieve programma’s Communicatiesnelheid over lokaal netwerk (binnen cluster) wordt bepaald door software Communicatie in Java (RMI) factor 35 versneld

Langeafstand communicatie Inherent traag Door hardware en lichtsnelheid Bestaande grid-toepassingen communiceren weinig SETI: elke parallelle taak duurt 1 dag Albatross project: Welke parallelle toepassingen kunnen efficiënt gedraaid worden op een wereldwijd systeem?

Inzichten Veel toepassingen zijn na optimalisatie geschikt voor gedistribueerde clustercomputers als DAS Optimalisaties gebruiken hiërarchische structuur Onderzoek nodig aan parallel programmeren van hiërarchische systemen MagPIe: MPI’s collectieve communicatie Satin: divide-and-conquer parallellisme in Java

Toepassingen Hoe kunnen we de nieuwe soorten toepassingen op grotere schaal mogelijk maken? Nieuwe programmeeromgevingen nodig CAVEstudy toolkit Ontwerp gestuurd door nieuwe toepassingen (lasers, Robocup, molekuulsimulatie)

Onderzoek met CAVEstudy Interactie met (parallelle) simulatieprogramma’s Vertaling menselijke acties naar input voor simulatie Zonder programma te veranderen Nieuwe vormen van interactie: Virtueel meten

Virtueel meten Meet lengte wortelkanaal kies Samenwerking met ACTA Oplossing: 3D visualisatie kies Meten in VR

Virtueel meten in de CAVE

6. Onderwijs Bestaand onderwijs Parallel programmeren (Informatica) Wetenschappelijke visualisatie (Natuurkunde) Ontwikkelingen: OKF project (1999-2000): integratie onderwijs Afstudeervariant: Parallel rekenen en visualisatie Nieuw college: Computer graphics SURF project: lokale Virtual Reality omgeving, opgebouwd uit standaard componenten

Video wand Princeton’s Scalable Display Wall 4 x 2 scherm Achter de schermen Princeton’s Scalable Display Wall

Conclusies Technologische ontwikkelingen aan clustercomputers virtual realities Internet openen de weg naar nieuwe soorten wetenschappelijke toepassingen Virtueel kan alles

Dank Bestuur van de Vereniging voor Christelijk Wetenschappelijk Onderwijs College van Bestuur van de Vrije Universiteit Faculteit der Exacte Wetenschappen Divisie Wiskunde en Informatica Divisie Natuurkunde en Sterrenkunde Andy Tanenbaum

Dank

Dank

Dank Marjolein Schoonouders en overige familie De echte wereld is nog leuker dan de virtuele wereld ……..

Ik heb gezegd