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Cyber-Infrastrukturen

Neu Hard- und Software-Konzepte sind die Voraussetzung für innovative Computersimulationen. Wir wollen Cyber-Infrastrukturen entwickeln, die in Hochgeschwindigkeitsnetzwerken eine Vielzahl an Hard- und Software-Komponenten verbinden um so zu effizienteren Berechnungen zu gelangen.

Keine Simulationen ohne Informatik

Die Wissenschaft der Informatik ist eine grundlegende fundamentale Voraussetzung für die Simulationstechnologie. Neue Hardware- und Softwarearchitekturen bilden die Grundlagen um Modellierungskonzepte in diversen Anwendungen voran zu treiben – für effizientere numerische Algorithmen und für ausgefeilte Techniken zur Datenanalyse.

Es ist unser Ziel in SimTech, eine Cyber-Infrastruktur zu entwickeln, in der eine breite Sammlung von

  • Hochleistungsplattformen,
  • Software Werkzeugen,
  • Sensornetzwerken,
  • Speichersystemen
  • und Visualisierungsumgebungen

gemeinsam die Realisierung unserer Vision ermöglichen. Dabei sollen alle durch Hochgeschwindigkeitsnetzwerke verbunden sein.

In unserer Vision werden Simulationen auf einer breiten Vielfalt an Hardware ausgeführt:

  • Von exascale HPC Systemen
  • bis hin zu Desktop PCs
  • und hochvernetzten mobilen oder sogar eingebetteten Geräten.

Für die Kontrolle und Analyse von Simulationen können immersive virtuelle Umgebungen, multi-touch Tablets, Smartphones oder auch Industriegeräte verwendet werden.

Daten- und wissensgetriebene Simulationen

In unserer Vision sind Simulationen heute vermehrt daten- und wissensgetrieben. Sie kombinieren Messdaten von globalen Sensornetzwerken und Mediensammlungen mit hoch-parametrisierbaren Simulationsmodellen für Exploration, Validierung und Voraussage. In unserer Vision werden Simulationen von IT-erfahrenen Wissenschaftlern, von Fachleuten wie beispielsweise Ärzten, von Politikern und Lehrern aber auch von beliebigen Internetnutzern verwendet.

Hier erfahren Sie mehr über die vier Key Ingredients, derer wir uns bedienen, um zu einer intelligenten Cyber-Infrastruktur zu gelangen.

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 (c) SimTech / AS

Komplexität und Unsicherheiten bei Simulationsdaten
Bei Simulationen ist es wichtig, zu verstehen, welche Einflüsse die vielfältigen Eingabeparameter, Eingabedaten oder sogar Schritte des Simulationsprozesses auf ein Ergebnis haben. Dies gilt vor allem bei daten- und wissensgetriebene Simulationen.

Nicht nur auf Grund der Heterogenität dieser Parameter und Daten stehen wir hier vor einer großen Herausforderung – die Parameter und Daten sind auch häufig mit Unsicherheiten behaftet. Typischerweise haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler es bei Simulationen mit sehr komplexen und unvorhersehbaren Abhängigkeiten zwischen einzelnen Eingaben und Ausgaben zu tun. Nutzer können diese nicht mehr beherrschen. Deshalb werden Simulationsergebnisse teilweise falsch interpretiert und fragwürdige Schlussfolgerungen gezogen.

Datenanalysen helfen bei Exploration, Validierung und Voraussage
In SimTech entwickeln wir im Rahmen neuartige und ausgefeilte Techniken, um verschiedenste Korrelationen in Simulationsdaten über mehrere Simulationsläufe hinweg zu analysieren. Solche Datenanalysen werden umfassende Erkenntnisse darüber liefern, inwieweit einzelne Eingabeparameter, Eingabedaten und Schritte des Simulationsprozesses den Inhalt und auch die Qualität eines Simulationsergebnisses beeinflussen.

So geartete Analysen helfen damit Nutzern, die Zusammenhänge im komplexen und unsicheren Datenraum von Simulationen besser zu verstehen, explorieren und validieren zu können. Genauso wollen wir durch die Datenanalysen Vorhersagen darüber treffen, wie sich in zukünftigen Simulationen bestimmte Änderungen von Eingabeparametern, Eingabedaten oder Prozessschritten auf das Simulationsergebnis auswirken. Dies wollen wir unter anderem nutzen, um Simulationen im Hinblick auf die Effizienz der Berechnungen und die Qualität der Ergebnisse zu verbessern.

 (c) SimTech / IAAS

Simulationsexperimente laufen oft sehr lange und sind dabei sehr rechen- und datenintensiv. Ihre Ausführung verlangt Rechner mit immenser Rechenleistung und Speicherkapazität. Zusätzlich werden Simulationen in der Regel selten und unregelmäßig ausgeführt. Das sogenannte Cloud Computing wurde für solche unregelmäßigen und seltenen Rechenaufgaben geschaffen. Die effektive und effiziente Nutzung von Cloud Computing setzt allerdings ein hohes Maß an IT-spezifischem Wissen voraus.

In unserer Forschung in SimTech entwickeln wir ein System, das Wissenschaftlern auch ohne Cloud-spezifisches IT-Wissen ermöglicht, ihre komplexen Simulationsexperimente “mit nur einem Klick”, vollautomatisch und zu jeder Zeit, in der Cloud bereitzustellen und dort auszuführen. Dieses System bietet den Wissenschaftlern eine “atmende” Cyber-Infrastruktur. Diese baut sich selbst nach  Bedarf automatisch auf und ab. Sie allokiert und de-allokiert abhängig vom Ablauf des Simulationsexperimentes alle benötigten Cloud Ressourcen, und installiert und deinstalliert alle benötigten Anwendungen und Ausführungsumgebungen nach Bedarf.

 (c) SimTech / IPVS

Mobilgeräte haben sehr begrenzte Energieressourcen und sind mit langsamen Prozessoren ausgestattet. Um Simulationen auf mobilen Geräten zu ermöglichen, untersuchen wir daher, wie Teile der Berechnung auf einen drahtlos verbundenen Server ausgelagert werden können. Eine Möglichkeit bieten eigens dafür reduzierte Simulationsmodelle. Sie können auf dem Server je nach Bedarf generiert und auf dem Mobilgerät effizient ausgeführt werden. Mit unserer Middleware können wir das Simulationsmodell effizient zwischen Mobilgerät und Server verteilen.

Die Bandbreite an zumeist isolierten Systemen und Softwarekomponenten zur Ausführung, zur Überwachung und zum Management von Simulationen aus verschiedenen wissenschaftlichen Domänen ist groß. Hier stehen wir vor der Herausforderung, diese zu gekoppelten Simulationen zu integrieren. Dazu gehören zum Beispiel:

  • Nicht vorhandene oder inkompatible, Schnittstellen der Systeme
  • Proprietäre und zum Teil monolithische Systeme mit eng gekoppelten Softwarekomponenten
  • Heterogene, teilweise inkompatible Anforderungen der Softwarekomponenten an die Laufzeitumgebung

Um dieser Herausforderung erfolgreich zu begegnen, entwickeln wir Konzepte und Werkzeuge zur Integration:

  • (Semi-)Automatisierte Generierung von Schnittstellen zur Kapselung von Simulationskomponenten
  • Generische Konzepte zur Modellierung der Interaktionen und des Datenaustauschs zwischen Softwarekomponenten als Grundlage zur Spezifikation von gekoppelten Simulationen
  • System zur Ausführung, Überwachung und Management von gekoppelten Simulationen