Den tredje vei

Den tredje vei

I 20 år har forskerne kjempet for å få de kraftigste datamaskinene. Nå fokuseres det på vitenskapelige og industrielle anvendelser.
eVITA står for eVITenskap og Anvendelser. Målet er at programmet skal overta for Notur, Norsk tungregning, som ble avsluttet ved inngangen til 2004. I år har derfor det vitenskapelige beregningsmiljøet gått på tomgang. Det er vesentlig datalagring som er anskaffet.

-- Vi ønsker oss en mer stabil finansiering, sier professor Bjørn Hafskjold, som aktivt har vært med i de fire tungregneperiodene siden 1986.

-- Infrastrukturen er viktig, men bare en del av bildet, understreker Morten Dæhlen, professor ved Simula Research Laboratory AS.

Håpet er at ved å fokusere sterkere på oppgaver som særlig har betydning for norsk fremtid, vil forskerne få bedre hjelpemidler for de mange store utfordringene innen naturvitenskap og medisin.

Da regjeringen ba om innspill til sin nye forskningsmelding, ble forslaget til en nasjonal plan for koordinering og utvikling av Evitenskap og anvendelser forsert. En innstilling ble overlevert til UFD, Undervisnings og forskningsdepartementet, den 18. mai i år.

-- Det er et overmodent forslag. Vi forsøker å se forskning innen naturvitenskap og medisin i en større sammenheng, fortsetter Morten Dæhlen.

Tre alternativer

Evitenskap har fått betegnelsen den tredje vei, det vil si det tredje alternativet. De to andre alternativene er teoretiske vurderinger og fysiske eksperimenter. Eksperimenter vil i fremtiden bli stadig mindre anvendt, enten fordi det er farlig, kontroversielt, ikke praktisk, det forurenser, det vekker anstøt eller det er for kostbart.

Bilutvikling i dag er ikke praktisk uten bruk av tungregning for styrkeberegninger. Simulerte kollisjonstester sparer bilselskapene for store kostnader og bidrar til betydelig raskere utvikling. I den forbindelse er tre forhold vesentlig: bearbeidingskapasitet, lagringskapasitet og visualisering.

Ifølge de offentlige vurderingene for oljeutvinning på norsk sokkel, skulle produsert råolje være på det høyeste i 2001. Like fullt utvinnes det olje som aldri før. Statoil har eksempelvis ikke fått så godt betalt og tatt ut så mye olje som i andre kvartal i år.

Mye av det skyldes bruk av tung regnekraft og bedre metoder for hvordan det er mulig å oppnå god utnyttelse av oljereservene. Bruk av differensialligninger i form av endelig-elementmetoder (Finite Element) anvendes ved styrkeberegninger av oljeplattformer, ved flyt av olje i reservoarer og transport av olje og gass.

Statoil størst

Tilsvarende gjør de andre oljeselskapene, de utnytter regnekraft for å oppnå bedre resultater. Også Hydro Aluminium forstår verdien av tungregning for å lage de beste aluminiumsprofilene, hvor styrke i forhold til vekt og nøyaktighet er avgjørende.

Hydro hadde ikke vunnet store kontrakter med europeisk bilindustri om ikke styrkeberegninger hadde gjort Hydros løsninger konkurransedyktige.

I løpet av de to seneste årene har derfor Hydro og Statoil anskaffet seg de kraftigste datamaskinene i Norge. Det er særlig utfordringene ved oljeleting i Barentshavet som er krevende.

Statoil har i sommer anskaffet en maskin fra Dell som sannsynligvis vil være blant de femti kraftigste i verden når oversikten over de femhundre kraftigste datamaskinene, Global 500, kommer på ny i november i år.

Anskaffelsene viser at Hydro og Statoil tar tungregning alvorlig. De involverer seg med forskningsmiljøene og de involverer toppledelsen i nødvendigheten av bruk av tung datateknologi for å løse fagfolkenes utfordringer.

Alternativ

Også Meteorologisk Institutt har i år anskaffet seg en datamaskin som til en brøkdel av prisen kan gjøre beregningen av værvarselet. Riktignok går det raskere på den store maskinen i Trondheim, men maskinklyngen til meteorologene har vist at det finnes alternativer.

-- Det som er spennende, er å finne ut om dette er en teknologi vi kan bruke. De 80 prosessorene i klyngen tilsvarer 180 på Embla, sier Roar Skålin, dr.ing. og it-direktør på Meteorologisk institutt.

Embla er den store tungregnemaskinen på NTNU, en SGI Origin 3000, med 512 prosessorer. I tillegg til Embla har NTNU Gridur, en SGI Origin 3000 med 384 prosessorer.

Embla og Gridur er maskiner som virkelig ruver. Embla var veldig god da den ble anskaffet for fire år siden, men er nå ikke lenger blant de store maskinene i verden. Etter oppgradering har Embla en beregningskapasitet på rundt 0,7 TFLOP (billioner desimaltallsberegninger per sekund), mens verdens største, japanske Earth Simulator, har en kapasitet på 35 TFLOP.

Statoils nye beregningsklynge antas å ha en kapasitet på rundt på 3,8 TFLOP. Og det stopper ikke med det. Maskinklyngen skal oppgraderes til høsten.

Metode viktig

-- Forskningen er avhengig av datamaskiner. Ifølge Moores lov dobles ytelsen hver 18. måned. Det interessante er at metodeutviklingen har vært minst like betydningsfull de siste 35 årene, understreker Morten Dæhlen.

Det startet med Bånd Gauss-eliminasjon. Deretter fulgte Gauss-Seidel, Optimal SOR, konjugerte gradienter, for å ende med multigrid.

-- Vi regner på hjertet med multigrid-metoder. Ligningssystemet har 45 millioner ukjente. Derfor splittes oppgaven i delproblemer som kjøres på datamaskinene våre, forklarer Morten Dæhlen.

Alle anvendelser trenger ikke det ypperste innen kraft, men det ypperste innen teknologi. Derfor er små klynger av datamaskiner anvendelige for spesielle oppgaver som for eksempel utpensling (Rendering) av digitale bilder.

-- Vi har laget en liten klynge basert på maskiner med Opteron. Den kan for eksempel benyttes til 8Medical Imaging og Rendering8. Sammen med Siemens er klyngen tilpasset Computer Tomography (CT), fremhever Joseph Reger, teknologidirektør i Fujitsu Siemens.

Datamaskiner satt sammen i et datagitter (Grid) etter oppgavens behov, ses på som det neste viktige trinnet på utviklingen. Derfor startet IBM med utleie av tung datakraft for to år siden. En av de første kundene var oljeletingsselskapet PGS.

-- Supercomputing er i ferd med å bli vanlig. Recaro driver kollisjonssimulering av seter. De kjører hos T-Systems, forklarer Joseph Reger.

Komme på nivå

Norge har ved hver anskaffelse av sin største tungregnemaskin vært blant de 200 største i verden, men nå er ingen av de norske tungregnemaskinene på listen over de store. De gjør fortsatt en god jobb, men er lite lønnsomme i forhold til ny teknologi.

Derfor har Norges forskningsråd oppnevnt en komité ledet av professor Nieminen fra Finland som kom med sin innstilling i januar i år. Der foreslås det en kraftig oppgradering av tungregneprogrammet for igjen å komme på nivå med andre forskningsmiljøer.

I øyeblikket er det en diskusjon innad i tungregnemiljøet hvordan den nye organisasjonen skal organiseres for å håndtere neste tungregnesatsing. Hva som fortsatt gjelder, er at maskinressursene skal fordeles mellom de ulike universitetene og benytte forskjellige typer datamaskiner.

Universitetene har kommet med sine innstillinger og føler at de ikke blir hørt på. De er redd ekstra evalueringer om organisasjon er vil medføre forsinkelser av neste fase av programmet.

150 millioner

Evita-komiteen med 21 topptunge navn innen forskning og utvikling mener at tungregnesatsningen i sin helhet bør ligge under Evita. Med mindre justeringer kan innstillingen til Nieminin-komiteen gjennomføres som en del av Evita.

Siden Evita kommer til å bidra til regjeringenes forskningsmelding i 2005, foreslår Evita at det minimum bevilges 45 millioner kroner for oppgradering av infrastrukturen i 2005.

Enda ett år på sparebluss er ikke drømmen for de ansvarlige for maskinressursene. Det er ikke kostnadseffektivt. Det hindrer videre utvikling. På samlingene hvert år har læring fra utenlandske prosjekter og utveksling av felles erfaringer vært det viktige. Det har etter hvert oppstått et nært samarbeid på felles oppgaver mellom en rekke av de norske universitetene.

Til nå har hver prosjektperiode for tungregning vart fire år. De to seneste periodene har det tatt et ekstra år å få planene for neste periode på plass. Denne organiseringen er lite tilfredsstillende.

Evita foreslår en periode på ti år med en samlet bevilgning på 150 millioner kroner hvorav rundt en tredjedel skal medgå til infrastruktur. Programmet er delt i fire.

Det første utgjøres av bergninger i vitenskapelige og industrielle anvendelser. Dernest følger bergningsorientert matematikk, informatikk og statistikk. Det tredje området omfatter informasjons og kommunikasjonsteknologi med vekt på datagitter. Det siste omfatter maskiner, nettverk og data.

Datagitter, det vil si muligheten til å sette sammen maskinressurser ved hjelp av nettverk på en fleksibel måte anses i Storbritannia som det viktigste siden web.

-- Grid er den naturlige etterfølgeren til web. Grid-teknologi skal bidra til vitenskap på samme måte som web har bidratt til handel, fremhever UK Escience Progamme.

Behov for data

Etter 2000, under Notur, har forskerne blitt veldig bevisst behovet for å lagre store datamengder. Hva forskerne er mindre bevisst, er behovet for grafikk for visualisering av resultatene enten for å oppnå beslutninger eller som et diskusjonsgrunnlag for å finne frem til bedre resultater.

På Notur 2004 i Tromsø i juni viste en rekke foredragsholdere resultater av avansert tungregning. Å angi metodegrunnlaget i form av matematiske formler eller algoritmer hadde vært drepende kjedelig.

I form av visualisering kunne andre enn spesialister også forstå utfordringene. Spesielt professor Paul Woodwards innlegg om stjernestudier fra University of Minnesota hadde ikke vært mulig uten den grafiske presentasjonen. Det tok 18 måneder å analysere dataene, og seks måneder å lage de digitale videoene.

Hva slags presentasjonsalternativer vil være et diskusjonsgrunnlag. De digitale skjermene er i ferd med å bli riktig gode. Bakgrunnsbelyste alternativer kan også brukes.

Kino eller vegg

SGI foretrekker sine Reality-sentere som er kinoskjerm med bilde satt sammen fra projektorer. Grafikken beregnes av grafikkmaskinen Onyx. Alternativet er visningsvegger hvor grafikken splittes og hver grafikkmaskin beregner sin del som deretter presenteres på en hel vegg for å bedre forståelse for problemstillingen.

-- Forskning på grafikk og visualisering er krevende. Derfor vil vi bruke det beste fra andre land. Vi har en veldig stabil visningsvegg på Simula Research, påpeker Morten Dæhlen.

I fremtiden vil tverrfaglige disipliner bidra til bedre forskning. På James Clark forskningssenter på Stanford University i California jobber fagfolk med forskjellig utdannelse på felles prosjekter.

Den ansvarlige på forskning av blodårer er professor Charles Taylor med utdannelse som mekanisk ingeniør med strømning som fagfelt. Ved å få datamaskinen til å foreta beregningene og vise resultatene kan legene diskutere seg frem til det beste alternativet for en 8Bypass-operasjon8. Alternativet ved bruk av en pc for utregning av blodstrømningen tar to måneder, ifølge Taylor.