Landesstiftungsprojekt Visualisierung der Keimbildung in Mischungen für skalenübergreifende Modelle
Zusammenfassung
Spontan auftretende Phasenzerfälle bestimmen viele Prozesse in Natur und Technik. Solche
Zerfälle sind zum Beispiel der entscheidende Schritt bei der Herstellung nanoskaliger Partikel.
Sie sind auch für Vorgänge in der Atmosphäre verantwortlich, die unser Klima stark beeinflussen.
Bei der Modellierung und Simulation solcher Prozesse ist die Bestimmung der
Keimbildungsrate von zentraler Bedeutung. Die Kenntnisse hierüber sind bislang völlig unzureichend,
insbesondere, wenn Mischungen mehrerer Stoffe betrachtet werden. Die direkte
molekulare Simulation bietet die Möglichkeit, solche Keimbildungsraten vorauszuberechnen.
Bislang ist dies aber aufgrund von Beschränkungen der Rechenleistung nur für den weniger
interessanten Fall extrem hoher Übersättigungen (Keimbildungsraten) möglich. Der Einsatz
von HPC eröffnet hier völlig neue Perspektiven. Als besonders attraktiv erscheinen dabei Simulationen
auf massiv parallelen, skalierbaren Architekturen mit verteiltem Speicher, von
Clustern bis hin zum Grid, für die geeignete Verteilungs- und Lastausgleichsstrategien zu
entwickeln sind. Zum besseren Verständnis des Prozesses der Keimbildung sowie der Morphologie
der Nanopartikel muss deren Entstehung visualisiert werden. Hierzu müssen eine
Vielzahl von verteilt simulierten Partikeln und ihre Eigenschaften in einer Darstellung vereint
und durch adaptive Clustering-Verfahren interaktiv Strukturen extrahiert werden. Schließlich
müssen, auch zur Validierung, die Ergebnisse der molekularen Betrachtung an höhere Ebenen
der Prozessmodellierung und -simulation angebunden werden. Hierfür ist eine Schnittstelle
zur populationsdynamischen Beschreibung der Phänomene zu schaffen. Ziel des Projekts ist
es letztlich, Methoden und Werkzeuge für die skalenübergreifende Modellierung, Hochleistungsrechner-
basierte Simulation und Visualisierung der betrachteten, technisch bzw. in der
Natur außerordentlich wichtigen Vorgänge bereitzustellen. Dazu ist ein eng aufeinander abgestimmtes
Zusammenwirken von ingenieurwissenschaftlichen Gruppen und Gruppen aus der
Informatik erforderlich.
Die Visualisierung molekularer Simulationen muß etlichen Herausforderungen gerecht werden. Zunächst muß die hohe Zahl an Partikeln so verwaltet und gespeichert werden,
daß eine interaktive Visualisierung möglich ist. Eine Visualisierung als simple Punktwolke wird dadurch ermöglicht, daß die Daten gemäß [Hopf03] in extrem kompakter Form abgelegt werden.
Solch eine Visualisierung ist aber dem Themengebiet nicht ausreichend angepasst, denn für die Forscher müssen die Van-der-Waals-Radien der simulierten Mono- und Dipole ebenso wie Ausrichtung und Polarität aus der Visualisierung erkennbar sein. Eine polygonbasierte Darstellung würde die verfügbare Bandbreite zwischen CPU und GPU überfordern. Eine LOD-Darstellung würde den Großteil der Rechenlast auf der CPU belassen und könnte dennoch keine optimale Oberflächenqualität gerantieren. Daher wird für jedes Molekül (Mono-, Di- oder Quadrupol) ein einzelner Vertex mit entsprechender Ausdehnung an die Grafikkarte geschickt und durch Ausnutzung moderner, programmierbarer Grafikhardware die Moleküloberfläche
implizit im Fragment Shader mittels Raycasting aus wenigen Parametern, die die Dimensionen der Molekülprimitive beschreiben, generiert [Reina05].
200.000 gleichartige Dipole, mit entfernungsabhängiger Beleuchtung zur Verbesserung des Tiefeneindrucks.
Laufende Arbeiten
Anpassung der Visualisierung für den Cluster- und Mehrschirmbetrieb und Integration spezieller Interaktionstechniken zum immersiven Arbeiten an einer stereofähigen Powerwall
Enwicklung einer abstrakten Darstellung zur Verfolgung der Keimbildung und -stabilität über die Zeit
Erweiterung und Anwendung der Visualisierungstechniken im Hinblick auf andere Anwendungsgebiete
