henri bal divisie wiskunde en informatica divisie natuurkunde en sterrenkunde faculteit der exacte...
TRANSCRIPT
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