Wetenschap langs de Digitale Snelweg: Virtueel kan alles

1
Wetenschap langs de Digitale SnelwegVirtueel
kan alles
Henri Bal Divisie Wiskunde en Informatica Divisie
Natuurkunde en Sterrenkunde Faculteit der Exacte
Wetenschappen
2
Inleiding

• Ontwikkelingen in informaticaveranderen
  maatschappij
• Media hebben vooral aandachtvoor economische
  toepassingen
• Wetenschappelijke toepassingenzijn eveneens
  belangrijk
• Stimuleren Informatica onderzoek
• Nieuwe toepassingen mogelijk doorInternet en
  andere technologieën

3
Wetenschappelijke toepassingen

• Voorbeeld World Wide Web
• Ontstaan door vraag naar wereldwijdetoegang tot
  gegevens overkernfysica-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 computersaan één probleem

6
Interactieve toepassingen

• Natuurlijke interactie met computersystemen
• Directe controle over lopende simulatieprogrammas
  
• 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 programmas, 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 (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

10
Supercomputers

• Accelerated Strategic Computing Initiative
• Kernbomsimulaties op 9000 computers

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
Minicomputer
Sequentieel
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_at_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 ETs 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)
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
CLUSTER
345 723 980492 010 001 ...
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 operatieNASA Ames

• Ontwerp autos EVL

InstrumentenGlobus
24
Overzicht

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

25
Samenhang
VR
Parallelrekenen
Internet
26
Voorbeeld Robocup

• Robocup autonome robotslaten voetballen
• Samenwerkende robotshebben veel toepassingen
• Interactieve visualisatie Robocup-simulatie

27
Virtueel Robocup
10
6
Interactie
CAVEAmsterdam
CAVE Stockholm
Voetbalwedstrijd
Parallellesimulatie
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 programmas
• 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 optimalisatiegeschikt
  voor gedistribueerdeclustercomputers als DAS
• Optimalisaties gebruiken hiërarchische structuur
• Onderzoek nodig aan parallel programmeren van
  hiërarchische systemen
• MagPIe MPIs 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 nieuwetoepassingen
  (lasers, Robocup,molekuulsimulatie)

35
Onderzoek met CAVEstudy

• Interactie met (parallelle) simulatieprogrammas
• 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 (1999-2000) integratie onderwijs
• Afstudeervariant Parallel rekenen en
  visualisatie
• Nieuw college Computer graphics
• SURF project lokale Virtual Reality omgeving,
  opgebouwd uit standaard componenten

39
Video wand
4 x 2 scherm
Achter de schermen
Princetons 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