Wetenschap langs de Digitale Snelweg: Virtueel kan alles

Presentatie over: "Wetenschap langs de Digitale Snelweg: Virtueel kan alles"— Transcript van de presentatie:

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

2 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

3 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

4 Overzicht ontwikkelingen

5 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

6 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

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

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

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

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

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

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

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

14 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)

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

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

17 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)

18 Homogene systemen

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

20 Human-in-the-loop Simulatie CLUSTER CAVE VR Commando’s Vertaling
Interactie VR Commando’s Vertaling Simulatie CLUSTER …... Visualisatie CAVE

21 Voorbeeld: molekuulsimulatie

22 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)

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

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

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

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

27 10 6 Virtueel Robocup Interactie CAVE Amsterdam CAVE Stockholm
Voetbalwedstrijd Parallelle simulatie

28 Video

29 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

30 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

31 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

32 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?

33 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

34 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)

35 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

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

37 Virtueel meten in de CAVE

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

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

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

41 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

42 Dank

43 Dank

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

45 Ik heb gezegd