Till innehåll på sidan
Biträdande föreståndaren Gert Svensson tar emot på Parallelldatorcentrum på KTH.(Foto: Håkan Lindgren)

Superdatorer öppnar dörren mot universum

SIMULERINGAR

Publicerad 2013-12-12

Det dova mullret från fläktarna som kyler superdatorerna är öronbedövande. Här
processas data dygnet runt, året om, med en kapacitet som är svår att begripa.
På KTH:s parallelldatorcentrum, PDC, görs simuleringar som ger gamla teorier nytt liv.

Att simulera försök och låta datorerna göra jobbet i stället för fullskaliga experiment har sina klara poänger.  Sedan PDC öppnade för drygt 20 år sedan har antalet forskare som använder sig av superdatorer ökat ikapp med datorernas prestanda.

Fördelarna är flera. Med datorernas hjälp går det att studera förlopp som annars inte låter sig utforskas för att de är för snabba eller för mikroskopiskt små. Cellers göranden och låtanden eller en process som fotosyntesen är exempel på sådana forskningsområden.

– Vi kan alltså göra mera realistiska tillämpningar och simuleringar som man inte kunde göra förr. Då hade man en teori eller en modell, men det var för komplext att beräkna eller simulera i datorn, berättar Gert Svensson, biträdande föreståndare för PDC, som ligger under skolan för datavetenskap och kommunikation.

Datorer sida vid sida, som böcker i ett bibliotek, med 32 processorer vardera.

PDC är ett nationellt center så forskare från hela landet använder sig av centret där huvuddatorerna Lindgren och Ferlin bokas per timme. Ferlin som har några 1000-tal kärnor, eller processorer, lämpar sig väl för industriforskning som hållfasthetsberäkningar till exempel. Lindgren med sina 30 000 processorer passar bra för riktigt stora simuleringar inom kemi, fysik, medicin, och klimatforskning.

Gert Svensson konstaterar att behovet av parallell- och superdatorberäkningar är stort:

– Datorerna kan utan problem minnas en miljard telefonnummer, vilket människan inte kan. Att associera och se mönster är datorerna sämre på, men med parallella processorer kan mycket avancerade problem simuleras genom att dela upp problemet i smådelar som behandlas av varsin processor.

I datorhallen står de gigantiska datorskåpen sida vid sida. Öppnar man en dörr följer rad på rad av silvriga lådor, där varje låda är en dator med 32 processorer. I ett annat skåp slingrar sig gråsvarta kablar om varandra som hjälper datorerna att kommunicera och utbyta information. Genom att mata in olika tänkbara variabler av det som ska mätas, till exempel om man vill titta på en atom vid en viss tidpunkt, i ett visst läge, i en viss hastighet kan man sedan visualisera och skriva ut beskrivningar av förloppet. Men det gäller att veta vad man letar efter i jakten på avvikelser. En liten felaktig detalj kan få stort utslag i resultatet. Eftersom den efterfrågade informationen kan modelleras i oräkneliga kombinationer och otaliga varianter gäller det att veta vad man gör.

– Som alltid är det viktigt att ställa de rätta frågorna, så att man mäter rätt saker. Annars finns risken att man drunknar i information.

Utvecklingen när det gäller datorernas kapacitet går med en rasande fart. Datorkraften fördubblas vart 18:e månad, berättar Gert Svensson och refererar till det han kallar stenåldern.

– För ungefär 40 år sedan hade man hålkort som stansades. Med lite tur fick man resultatet dagen därpå. I dag sker det mesta just nu.

I den brusande datorhallen finns applikationsexperterna Rossen Apostolov och Radovan Bast. De arbetar dels med att utveckla mjukvaran till superdatorerna och hjälpa forskarna att just hitta rätt saker att mäta och leta efter, dels hjälper de forskarna att tolka resultaten.

Molekulära dynamiska simuleringar, energiflöden på kvant-mekanik nivå är några av de saker de arbetar med inom medicin och kemi.

– Gamla teorier kan nu bekräftas med hjälp av datorsimuleringar. I framtiden kommer förhoppningsvis teorierna gå hand i hand med experimenten och modellerna kan bekräftas direkt, säger Rossen Apostolov, som arbetat på KTH i tre år.

Applikationsexperterna Radovan Bast och Rossen Apostolov tittar till datorerna.

Såväl lösningen som begränsningen ligger i datorernas kapacitet och deras minne. Men precis som för årets Nobelpristagare i kemi finns teorier som ännu inte kan användas för att datorerna helt enkelt inte räcker till eller inte används rationellt. Rossen Apostolov ger ett exempel på svårigheten att använda dagens superdatorer:

– Om en person gräver ett hål i marken tar det en viss tid. Om två personer gör det går det dubbelt så fort. Men om tusen personer gör det blir det trångt, krångligt och går långsammare. Har man 30 000 processorer kan det bli rejäla flaskhalsar, som kan hindra en från att använda den fulla potentialen hos datorn.

Men de båda kollegorna ser ljust på framtida möjligheter för datorsimulering:

– Vi kommer kunna göra fler och säkrare förutsägelser och använda det inom fler områden. Vi kommer att ytterligare kunna modellera med universums byggstenar och komma närmare och närmare de verkliga förhållandena i naturlig skala, säger Radovan Bast.

När Gert Svensson stänger porten till PDC blir det lugnt och tyst. Men därinne processas informationen oförtrutet.

Text: Jill Klackenberg

Fakta: Parallelldatorcentrum

PDC, som startade 1990, är ett nationellt center och används därför av forskare från hela landet som bokar datortid vid någon av superdatorerna. Inom ramen för ett EU projekt används de också av europeiska forskare.

Kemi, fysik, medicin, livsvetenskap, hjärnforskning, flödesmekanik och turbulens är några av de forskningsområden de används till.

Dator            Processorkärnor Max prestanda Användning

Lindgren       36 384                   305 TFLOPS     Stora simuleringar nationellt, internationellt

Ferlin             4 672                     41 TFLOPS       Mindre simuleringar av lokala användare

Povel             4 320                     36 TFLOPS       Medelstora simuleringar, för- och

Total             45 376                   382 TFLOPS    efterbearbetning för Lindgren

1 TFLOPS = 1 000 000 000 000 flyttalsberäkningar per sekund

  Läs mer här

Fakta: Årets kemipris

Årets Nobelpristagare i kemi får pris just för sina verklighetstrogna datorsimuleringar där de undersökt kemiska förlopp på atomnivå, något som tidigare varit omöjligt att göra rent praktiskt. Simuleringarna har lett till ökad kunskap kring läkemedel och människans nervsystem. Två forskargrupper på KTH arbetar med att utveckla pristagarna Karplus, Levitts och Warshels metoder.

  Läs mer