Henri Bal

Divisie Wiskunde en InformaticaDivisie Natuurkunde en SterrenkundeFaculteit der Exacte Wetenschappen

Wetenschap langs de Digitale Snelweg:Virtueel kan alles

vrije Universiteit

2

Inleiding

• Ontwikkelingen in informaticaveranderen maatschappij

• Media hebben vooral aandachtvoor economische toepassingen

• Wetenschappelijke toepassingenzijn 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 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

Vraag gebruikers Technologie

Rekenkracht Parallel rekenen

Natuurlijke interactie Virtuele werkelijkheden

Samenwerking op afstand Internet

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 (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

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 beter voor interactief gebruik

12

FEW Betacluster

• 128 PCs

• Applicaties:

- Quantumscheikunde

- Vastestoffysica

- Corneatopografie

- Near-field optics

- Zoekalgoritmen

- Tandheelkunde (ACTA)

- Onderwateracoustiek (TNO)

13

Ontwikkeling clusters

MinicomputerMainframe PC

PersonalCluster

?

Seq

uent

ieel

Supercomputer Cluster

Par

alle

l

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

Distributed ASCI SupercomputerVU (128) UvA (24)

Leiden (24) Delft (24)

6 Mb/sATM

Homogeen systeem

200 MHz Pentium ProMyrinet netwerkRedhat Linux

18

Homogene systemen

19

2. Interactieve toepassingen

• Natuurlijke interactie met computersystemen- Mogelijk door Virtual Realities zoals de CAVE

20

Human-in-the-loop

Simulatie

Visualisatie

Interactie

VR Commando’sVertaling

CAVE

CLUSTER345 723 980492 010 001

…...

21

Voorbeeld: molekuulsimulatie

22

• 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)

3. Samenwerking op afstand

23

Voorbeelden

Ontwerp auto’s [EVL]

Instrumenten[Globus]

Virtuele operatie[NASA Ames]

24

Overzicht

1 Parallel rekenen

2 Interactieve toepassingen

3 Samenwerking op afstand

4 Samenhang

5 Onderzoek

6 Onderwijs

25

Samenhang

Distributed supercomputing

Interactie metparallelle simulatie

Tele-immersion

Samenwerking en interactievia parallelle simulatie

VRParallelrekenen

Internet

26

Voorbeeld: Robocup

• Robocup: autonome robotslaten voetballen- Samenwerkende robots

hebben veel toepassingen

• Interactieve visualisatie Robocup-simulatie

27

Virtueel Robocup

CAVEAmsterdam

CAVE Stockholm

Voetbalwedstrijd

Parallellesimulatie

Interactie

10 6

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 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 (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