Wetenschap langs de Digitale Snelweg: Virtueel kan alles

1. vrije Universiteit Wetenschap langs de Digitale Snelweg:Virtueel 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 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 (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. van fl. 225,000,000 voor slechts fl. 198,000,000 !! 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 Þbeter voor interactief gebruik

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

13. Mainframe PC ? Parallel Personal Cluster Supercomputer Cluster 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@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

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. Homogeen systeem 200 MHz Pentium Pro Myrinet netwerk Redhat Linux 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. VR Commando’s Vertaling Simulatie Interactie Visualisatie 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 Ontwerp auto’s [EVL] Virtuele operatie[NASA Ames] Instrumenten[Globus]

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

25. Distributed supercomputing Interactie metparallelle simulatie Tele-immersion Samenwerking en interactievia parallelle simulatie Samenhang Parallelrekenen VR 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 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 optimalisatiegeschikt voor gedistribueerdeclustercomputers 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 nieuwetoepassingen (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 (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 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