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Eigene Vorarbeiten

Theoretische Astrophysik Tübingen (TAT)

Die Abteilung Theoretische Astrophysik und Computational Physics an der Universität Tübingen forscht und lehrt im Bereich numerische Teilchenmethoden, parallele Algorithmen, Computergraphik und Visualisierung.

Das Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)-Verfahren ist eine lagrangesche Teilchenmethode zur Lösung der hydrodynamischen Gleichungen kompressibler Fluide, für die kein Gitter notwendig ist und die sich relativ leicht für beliebige Dimensionen implementieren lässt. In den letzten zehn Jahren hat sich dieses Verfahren zu einer wichtigen und weitverbreiteten Methode zur numerischen Untersuchung astrophysikalischer Probleme entwickelt, in denen viskose und nichtviskose Strömungen auftreten, etwa zur Simulation von Akkretionsscheiben, von Stoßfronten oder von verschmelzenden Neutronensternen, zur Untersuchung der Galaxienentwicklung oder für kosmologische Rechnungen. Aufgrund dieser Erfolge wird die SPH-Methode in den letzten Jahren verstärkt auch für die Anwendung in anderen Bereichen der Physik in Erwägung gezogen.

Zur Zeit besteht eine enge Kooperation mit der Firma Robert Bosch GmbH wobei der primäre Strahlzerfall bei der Dieseldirekteinspritzung untersucht wird. Dieses bisher mit anderen Methoden ungelöste Problem hat größte Bedeutung bei der Optimierung von Verbrauch und Schadstoffausstoß von Verbrennungsmotoren.

Zur Vorbereitung des aktuellen 192 CPUs umnfassenden PC-Clusters wurden an der TAT vielfältige Untersuchungen und Softwarentwicklungen mit einer 4 Knoten-Myrinet-Testinstallation durchgeführt. Die dabei erzielten Messergebnisse lassen begründet hoffen, dass mit der aktuellen Konfiguration ein stabiler und performanter Betrieb möglich ist. Eine Besonderheit des PC-Clusters in Tübingen ist eine skalierbare Netzwerktopologie, bei der mit zunehmender Knotenzahl auch die Bandbreite proportional zunimmt sowie der preisgünstige und einfach zu administrierende Einsatz von plattenlosen Pentium-Rechenknoten.

Institut für Informatik Stuttgart (IfI/VIS)

Die Abteilung Visualisierung und Interaktive Systeme am Institut für Informatik der Universität Stuttgart betreibt Forschung und Lehre im Gebiet der Wissenschaftlichen Visualisierung, der interaktiven 3D-Computergraphik und der Mensch-Maschine-Kommunikation. Anwendungsschwerpunkte sind Visualisierung medizinischer Datensätze, Visualisierung von Strömungs- und Crashsimulationen und Visualisierung in Physik und Chemie. Orthogonal dazu finden sich methodische Schwerpunkte: Web-basierte Visualisierung, Virtual-Reality-Techniken, Graphik-Hardware-basierte Algorithmen, hierarchische Datenstrukturen und adaptive Visualisierungsverfahren. In allen Anwendungs- und Methodik-Bereichen ist die Arbeitsgruppe durch internationale Veröffentlichungen sehr gut ausgewiesen, die über den Web-Server der Abteilung abrufbar sind. Die Forschungsaktivitäten werden durch die DFG (SFB 382, SPP V3D2), das BMBF (Verbundprojekt AUTOBENCH), die Länder (FORTWIHR) und durch direkte Industriekooperationen (BMW, Siemens, u.a.) gefördert. Die Arbeitsgruppe umfasst neben dem Leiter noch 4 Post-Docs, 11 Doktoranden sowie technisches und Verwaltungspersonal.

Speziell für dieses Forschungsvorhaben sind die Vorarbeiten bei der Entwicklung von Visualisierungswerkzeugen für Simulationen im Bereich Karosserieberechnung, Ergebnisse bei der Internet-Nutzung von Hochleistungsgraphikservern sowie hierachische und parallelisierbare Visualisierungsalgorithmen von Interesse. Gerade in dem letzten Bereich ist die Abteilung auch mit dem Teilprojekt D6 am SFB 382 beteiligt und wird hier in Zukunft den PC-Cluster in die Forschungen mit einbeziehen.

Im Rahmen des AUTOBENCH-Projekts wurde in Zusammenarbeit mit BMW ein Prototyp für das Pre- und Postprocessing von Crashsimulationen mit ESI PAM-CRASH entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Szenengraph-basierte Anwendung, die durch eine effiziente Datenhaltung die Datenmengen auch auf Arbeitsplatzrechnern handhabbar macht und dem Anwender dort die Benutzung einer 3D SpaceMouse sowie einer Stereobrille erlaubt. Durch eine hierarchische Unterteilung der Bauteilnetze und die Ausnutzung der Graphikhardware werden Funktionalitäten wie die Visualisierung und selektive Behebung initialer Penetrationen, die Übertragung von Ergebnissen aus der Tiefziehsimulation auf die Crashnetze sowie die Berechnung von Kraftfluss-Schläuchen stark beschleunigt. Darüber hinaus wurden erste Untersuchungen im Bereich des kooperativen Arbeitens begonnen, wobei zwei Instanzen des Prototyps über eine CORBA-Verbindung miteinander kommunizieren.

Die Visualisierung von Strömungssimulationen ist das Aufgabengebiet des FORTWIHR-Projektes. In seiner dritten Phase steht der Wissenstransfer der erzielten Ergebnisse zur Industrie im Vordergrund. Ziel dieses Projekts ist es daher, eine entscheidende Verbesserung der Situation im Bereich Postprocessing und Visualisierung von Berechnungen der Fahrzeugaerodynamik zu erzielen. Auf der Basis der im Rahmen von FORTWIHR II erzielten Ergebnisse wurde in Zusammenarbeit mit BMW und der mittelständischen Stuttgarter ICS GmbH ein Softwareprototyp entwickelt, der im Hinblick auf Interaktivität, Funktionalität und Bedienbarkeit weit über Standardlösungen hinausgeht. Insbesondere wurden dabei eingebettete kartesische Gitter unterschiedlicher Auflösungen mit über 4 Millionen Zellen effizient behandelt und Algorithmen der Teilchenbahnberechnung zur Verschmutzungssimulation erweitert. Alle realisierten Visualisierungsmethoden erlauben auch an einem Arbeitsplatzrechner interaktives Arbeiten mit Bildwiederholungsraten von mehr als 10 Hz. Die VR-Umgebung wurde an die Anforderungen der Strömungsvisualisierung angepasst und erlaubt intuitive Manipulations- und Navigationsmöglichkeiten.

Im Rahmen des Teilprojektes ``ChemVis'' des DFG-Schwerpunktprogramms ``Verteilte Verarbeitung und Vermittlung Digitaler Dokumente'' (V3D2) wurden bereits Grundlagen zur entfernten Nutzung von Hochleistungsgraphikrechnern über das Internet erarbeitet. Ziel dieser Arbeiten war es, teure Hardware transparent über Netzwerkverbindungen von jedem beliebigen Arbeitsplatzrechner interaktiv nutzbar zu machen, um so Visualisierungsaufgaben zu erledigen, die wegen mangelnder Ressourcen (Speicherplatz und Graphikfähigkeiten) lokal nicht durchführbar wären. Dazu wird die Visualisierung der Daten komplett von einem Hochleistungsgraphikserver durchgeführt und dessen Framebuffer-Inhalt anschließend komprimiert zu den Arbeitsplatzrechnern übertragen und dargestellt. Für den Benutzer ist dabei transparent, ob er lokale oder entfernte Hardware zur Visualisierung nutzt, da lokal generierte Maus-, Tastatur- oder GUI-Events zum Server gesandt und dort verarbeitet werden.

science + computing (s+c) GmbH, Tübingen

Die science+computing GmbH ist eine erfolgreiche Ausgründung der Universität Tübingen. Die Gründer, die Mitglieder der Geschäfts- und der Bereichsleitungen sowie viele Mitarbeiter haben bei Prof. Ruder in der Theoretischen Astrophysik promoviert. s+c ist seit über 10 Jahren in den Bereichen Beratung, Softwareentwicklung und IT-Service für technische Rechnerinfrastrukturen tätig. Die Firma hat ca. 100 Mitarbeiter und erzielte 1999/2000 mit Dienstleistungen, eigenen Softwarelösungen und Vertriebsprodukten einen Jahresumsatz von ca. 18 Mio. DM, bei einem Wachstum von 50% in den letzten 4 Jahren. Schwerpunkt der Tätigkeit von s+c ist die Konzeption und Betreuung komplexer Client-Server-Netze im CAE-und CAD-Bereich von Automobilherstellern, Zulieferern und Halbleiterfirmen. Neben Daimler-Chrysler, BMW, Porsche, Bosch und Infineon gehören auch Hochschulen und Forschungsinstitute zu den Kunden. s+c baut gerade einen neuen Geschäftsbereich CASP (CAE Application Service Providing) für Computer Aided Engineering auf und wird in diesem Zusammenhang Internet-fähige Job-Flow-Umgebungen und Postprocessing-Lösungen vermarkten.

Im Rahmen des ASP-Engangements von science + computing wurde neben dem Aufbau der hard- und softwareseitigen Ressourcen ein Web-Frontend entwickelt, welches die Submittierung von Rechenjobs, den Transfer der Inputdaten sowie die Auslieferung/Anzeige der Ergebnisse über einen Internetzugang ermöglicht. Ergänzend wird eine Unix-basierte Login/Shell-Umgebung zur Verfügung gestellt. Die Implementierung basiert auf erprobter Web-Technologie wie serverseitig dynamisch generierten HTML-Seiten und -Formularen mit eingebetteten JavaScript-Fragmenten und, soweit nötig, Java-Applets für dynamische, interaktive Funktionalität auf der Client-Seite. Sicherheitsaspekte wie Authentisierung, Verschlüsselung zur Geheimhaltung und Sicherung der Authentizität der Daten, Gewährung der Datenintegrität usw. werden mittels der etablierten Protokolle HTTPS/SSL und X.509 Zertifikaten realisiert. Digitale Zertifikate ermöglichen die gegenseitige sichere Identifikation von Anbieter und Kunde als Basis einer verbindlichen Geschäftsbeziehung. Die genannten Protokolle entsprechen dem derzeitigen Stand der Technik.

Von spezieller Bedeutung für dieses Vorhaben ist es das sich in der Entwicklung befindliche Produkt FlowGuide, mit dem es möglich sein wird, Job-Flows zu beschreiben, abzuarbeiten und zu koordinieren. Mit FlowGuide wird eine leistungsfähige und flexible Softwareumgebung zur Lösung von komplexen Job- und Data-Flow-Anforderungen in verteilten, heterogenen Rechnerverbünden zur Verfügung stehen. Der Benutzer ist über ein graphisches Benutzerinterface in der Lage, seinen Arbeitsablauf zusammenzustellen und dem FlowGuide-System zur Bearbeitung zu übergeben. Dabei ist das Ziel, die Aufgaben unter optimaler Berücksichtigung aller verfügbaren Ressourcen zu verteilen und auszuführen. Durch die ständige Überwachung des Job-Flow wird erreicht, dass bei Ausfall/Veränderung einer Ressource der Job-Flow automatisch an die neuen Gegebenheiten angepasst wird. Obwohl Flowguide als eigenständiges Produkt konzipiert ist, soll es auch zur Koordination der im ASP-Rahmen angebotenen Dienstleistungen eingesetzt werden.

Mit FlowScript hat s+c eine auf XML basierende Sprache entwickelt, mit der Berechnungsabläufe und die zugehörigen Datenflüsse beschrieben werden können. Mit Hilfe dieser Sprache können sequentielle und parallele Abfolgen sowie Verzweigungen definiert werden, durch die es möglich wird, dynamisch auf Zwischenergebnisse zu reagieren. Es existiert bereits ein FlowGuide-Prototyp, der solche Beschreibungen in konkrete, verteilte Rechenprozesse umsetzt. Dieser Prototyp ist in der Lage, den zu einem Berechnungsprozess gehörenden Datentransfer durchzuführen und die Teilaufgaben zu koordinieren.

Darüber hinaus vertreibt s+c erfolgreich die Ressourcen-Management-Software LSF der kanadischen Firma Plattform. Speziell die in der LSF-Suite integrierte MultiCluster-Umgebung bietet komfortable Möglichkeiten, zwischen verschiedenen Rechner-Clustern mit flexibel konfigurierbaren Vorgaben den Austausch/Overflow von Rechenjobs zu realisieren. MultiCluster bietet die Möglichkeit des integrierten Filetransfers mit den unterschiedlichen Authentisierungverfahren von LSF sowie Mapping von Usernamen. Die Kommunikation zwischen den Clustern ist ausfallsicher gestaltet, um auch den in WANs auftretenden Problemen Rechnung zu tragen.

Im Hinblick auf die Gewinnung industrieller Nutzer aus Baden-Württemberg ist die Positition, die sich s+c im IT-Service in den Entwicklungs- und Forschungsabteilungen bei DaimlerChrysler und Bosch erarbeitet hat, relevant. Besonders hervorzuheben ist hier die Erfahrung beim Betrieb einer Siemens HPC-Line-Installation bei DaimlerChrysler. Dieser Linux-Cluster mit 32 Prozessoren und SCI-Interfaces für eine schnelle Kommunikationen zwischen den Knoten wird hauptsächlich für Berechnungen von elektromagnetischen Verträglichkeiten mit FEKO eingesetzt. Die Skalierung über das parallele MPI-Interface mit und ohne SCI ist sehr gut.

  
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