In de toekomst zal de autorijschool op de hoek zijn leerlingen eerst in de autosimulator zetten. Maar ook in de geneeskunde wordt steeds meer gebruik gemaakt van visualisatietechnieken. De stichting Hpcn (High Performance Computing and Networking) was de afgelopen jaren de motor achter talrijke initiatieven op het gebied van zwaar rekenwerk. Het wil de kennis op het gebied van softwaretechnologie voor supercomputers en gedistribueerd rekenen nu binnen het bereik van ieder bedrijf brengen.
Als het aan Simon Bremer ligt kunnen Nederlandse bedrijven van groot tot klein straks aan de supercomputer. Met slechts enkele muisklikken zouden ze zichzelf dan van grote hoeveelheden rekenkracht kunnen voorzien. "Via een eenvoudig icoon op een bureaucomputer zouden ingenieurs en ontwerpers bijvoorbeeld snel een hydrodynamische simulatie moeten kunnen doen of een complex ingebed systeem doorrekenen", zegt Bremer, die aan het hoofd staat van het bureau High Performance Computing and Networking (Hpcn).
De stichting Hpcn werd opgericht om de omvangrijke economische potentie van ‘high performance computing en networking’ in Nederland te realiseren. Het initiatief moest de innovatie in geavanceerde rekentechnieken bevorderen door samenwerking tussen universiteiten, onderzoekinstituten en bedrijfsleven.
De wortels van het Hpcn-offensief liggen in 1993. In dat jaar startten de ministeries van Economische Zaken en Onderwijs, Cultuur en Wetenschappen een technologieverkenning om na te gaan hoe de Nederlandse kennis op het gebied van geavanceerde rekentechnieken zich verhield tot die van de Verenigde Staten en Japan. Daarbij ging het onder meer om het doen van simulaties die veel rekenkracht vergen, zoals het doorrekenen van vliegtuigontwerpen. De verkenning moest uitwijzen in hoeverre er kansen lagen als EZ en OCW geld in deze technologie zou pompen.
Doelstellingen
"Onze conclusie was dat het zeer zinvol zou zijn", zegt Bremer in het Amersfoortse kantoor van M&I/Partners, het adviesbureau waar hij een van de partners is en dat destijds verantwoordelijk was voor de uitvoering van de technologieverkenning. "Met slimme technologie zou Nederland zich in de kijker spelen en een hoger aanzien krijgen. Bedrijven zouden beter verkoopbare producten kunnen ontwikkelen, wat op zijn beurt de economie een zet in rug zou geven."
Een derde doelstelling die momenteel wordt vormgegeven, is het bewerkstelligen van een kennisinfrastructuur waar, zoals Bremer het uitdrukt, "het bedrijfsleven niet met een grote bocht omheen loopt". Nu er in verschillende Hpcn-projecten flink wat ervaring en kennis tot wasdom is gekomen heeft het ‘platform Hpcn’ de taak om de in Nederland aanwezige supercomputerkracht en -kennis te ontsluiten voor het bedrijfsleven. Om zo te zeggen, supercomputerkracht te democratiseren. Bremer: "Vraag en aanbod moeten bij elkaar komen. Bedrijven en kennisleveranciers moeten elkaar kunnen vinden. Daarbij is ons enige doel makelen. Op ideële basis. We hoeven er geen geld aan te verdienen, we willen partijen bij elkaar te brengen."
Niet iedereen kan zich immers een supercomputer veroorloven. In Nederland behoren alleen Shell Research, het Nationaal Lucht- en Ruimtevaart laboratorium (NLR) en enkele universiteiten tot het selecte groepje met zware supers van Cray en NEC. Het is echter wel mogelijk om de beschikbare rekenkracht ook binnen bereik van bedrijven en instellingen te brengen.
Bremers ideaal is een gebruiksvriendelijke infrastructuur die de kracht van parallelle computers en vectormachines bij het Amsterdamse rekencentrum Sara, het NLR, de Rijksuniversiteit Groningen en de TU Delft breder beschikbaar maakt. Met dit netwerk zou de geavanceerde softwaretechnologie die binnen Hpcn-projecten is ontwikkeld voor meerdere bedrijven toegankelijk kunnen worden. "Dit betekent een netwerk met service en gereedschappen zoals simulatiemodules en modellen", zegt Bremer. "De stichting Hpcn werkt er momenteel aan om hiervoor de bestaande infrastructuur te openen. Ik noem het vaak het Hpcn-intranet. Daar zouden kennisinstituten hun modellen op kunnen zetten en gebruikers hun datasets. Er moeten daarvoor natuurlijk wel afspraken komen over kosten. Zo’n ontwikkeling zou schelen in de doorbraak van dit soort technologie."
Vijftien Hpcn-projecten
Momenteel lopen er vijftien, deels door Brussel gefinancierde Hpcn-projecten op de drie deelgebieden computerondersteund ontwerpen, wetenschappelijk rekenen en visualisatie. De projecten behandelen terreinen zoals database-technologie, datamining, 3D-simulaties en het simuleren van chipontwerpen. Zo werken onderzoekers van het Impact-project aan softwaretechnologie om zeer grote hoeveelheden financiële gegevens snel te analyseren en beschikbaar te maken voor gebruikers. De deelnemers ING Bank, Dbms Systemen en de TU Delft werken aan deelprojecten op het gebied van datamining, financiële modelvorming en interfaces naar parallelle database management systemen.
Binnen Jera, een ander Hpcn-project, werken ontwerpers en onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, KPN Research, ADB, Syllogic en Parsytec Nederland aan (gedistribueerde en fout-tolerante) schaalbare architecturen voor nieuwe commerciële webdiensten. De bedoeling is flexibiliteit inbouwen, waardoor sneller kan worden ingespeeld op de groei van Internet.
Een van de bekendere voorbeelden is het Hpcn-project Cave (Cave Automated Virtual Environment) dat in de landelijke pers ruime aandacht kreeg. Cave is een ‘virtual reality’-ruimte in het Amsterdamse rekencentrum Sara waarbij op drie wanden en de vloer stereoscopische computerbeelden worden geprojecteerd. In totaal investeerde men hiervoor in 1997 zo’n 3,8 miljoen gulden.
Cave maakt het voor waarnemers onder meer mogelijk om met hun studieobjecten te ‘spelen’. "Je waant je echt in een andere wereld, hiermee benader je de doelstelling van virtual reality zo dicht mogelijk", zegt Bremer. Met behulp van magnetische bewegingsvolging is een grafische computer steeds op de hoogte van de positie en de kijkrichting van de experimentator. Deze kan zich daardoor als het ware in en rond het model bewegen. Belangstelling van het bedrijfsleven is er, al blijft het nog teveel beperkt tot de grote jongens. In haar jaarverslag meldt de stichting Hpcn dat Sara vorig jaar voor 300.000 gulden aan contracten afsloot met Shell, Unilever en KPN voor het gebruik van Cave.
Visualisatie
Bremer ziet visualisatie als een van de belangrijkste toepassingen van rekenkracht. "Door slim visualiseren maak je gigantische bergen tabellen in één oogopslag helder en inzichtelijk. Je kunt het toepassen op stromingsleer, eiwitonderzoek, medische toepassingen en marketing. Maar ook voor landschapsarchitecten is visualisatie van belang. Zij kunnen hiermee de invloed van de hogesnelheidslijn of de Betuwelijneen op de omgeving zichtbaar maken, nog voor er een biels is gelegd. Zo gezien is Cave toe te passen als een beslissingondersteunend instrument. Visualisatie is breed toepasbaar in onze maatschappij."
De opgedane kennis in projecten als Cave kan in de toekomst ook kleinschalige applicaties zoals trainingssimulatoren opleveren. Dit soort systemen is weliswaar al verkrijgbaar in de vorm van kostbare vluchtsimulatoren voor vliegtuig- en helicopterpiloten, maar Bremer voorziet dat in de toekomst ook de autorijschool op de hoek zich van deze visualisatietechnieken zal bedienen. Bremer: "Wat gisteren geavanceerde computing is, ligt vandaag bij Vobis." Digitale blauwdrukken van hele steden komen steeds meer beschikbaar, omdat ook gemeenten, geografen en architecten meer en meer van deze informatie gebruik zijn gaan maken. Door combinatie van deze informatiebestanden met visualisatietechnieken komen virtuele autorijlessen dichtbij. "Met een autosimulator gaan mensen beter voorbereid de weg op. Je kan met minder kilometers een rijbewijs krijgen. Het moet wel betaalbaar worden, ongeveer de kosten van de gemiddelde grootte van een rijschool."
Geneeskunde
Visualisatie en een denkbeeldige omgeving speelt ook een rol in het project Caren (Computer Assisted Rehabilitation Environment). Daarbij draait het om de ontwikkeling van een virtuele leeromgeving die patiënten met bewegingsstoornissen sneller helpt revalideren. Een parallelle Octane computer van Silicon Graphics registreert daarbij de bewegingen van een persoon op een platform en vergelijkt het gedrag real-time met bewegingsinformatie van gezonde mensen uit een database. Doordat de computer het ‘normale gedrag’ zichtbaar en (en met behulp van het bewegende platform) voelbaar maakt voor patiënten kunnen ze hun afwijkende bewegingen direct vergelijken, waardoor ze sneller kunnen revalideren. Artsen zijn met deze manier van visualiseren beter in staat om afwijkingen te zien. In het Caren-project nemen onder meer het bedrijf Motek Motion Technology, het AMC, St. Maartens Kliniek, de RU Groningen, TU Delft en Hydraudyne deel.
Visualisatie komt op meer terreinen in de geneeskunde terug. Terwijl een MRI-scanner een botbreuk driedimensionaal in beeld brengt kan een snelle computer direct een analyse maken en een diagnose stellen. Eventueel kan het systeem de plaats en maat van de schroeven en pennen berekenen die het geheel bij elkaar moeten houden. Toen een onderzoeker van het Caren-project zelf door een ongeluk werd getroffen waarbij hij zijn enkel verbrijzelde, heeft hij de ideale positie van de schroef op de computer berekend. "Dat was bijna een perfecte match met de manier waarop de chirurg de pen had ingebracht", zegt Bremer. "Dit betekent dat je in de toekomst mindere goden met computers kunt ondersteunen. Daarom denk ik dat real-time visualisatie heel belangrijk wordt in de komende jaren. Straks kan het op PC’s, maar het is belangrijk dat het nu al wordt ontwikkeld op grote computers. Je kan je ook voorstellen dat je hiermee mensen kunt trainen om calamiteiten op te lossen."
Interfaces
"Interfaces worden allemaal visueel", voorspelt Bremer. "Je krijgt steeds meer sturing met behulp van computers. Op de parameters en uitkomsten die dat oplevert moet je snel grip hebben, want als je meteen kunt bijsturen aan de hand van de output, kun je veel sneller werken. Computational steering heet dat. Je kunt mensen metertjes voorzetten en ze aan knoppen laten draaien, maar het is veel eenvoudiger om parameters te visualiseren. Blauw en rood voor koud en heet zijn visuele vertalingen die iedereen begrijpt. Hetzelfde geldt voor hoog en laag. Daarmee kun je personen voeden, zodat ze een veel sterkere grip hebben op processen."
In het kader van het Hpcn-project HPV (High Performance Visualisatie) ontwikkelde Arcobel Graphics in Den Bosch een grafische processor. Van deze ‘Image chip’ bestaat intussen een tweede versie die op een grafische kaart voor Windows in het begin van 1999 op de markt zal verschijnen.
Verdelen van rekenwerk
Een ander doel van Hpcn is het ontwikkelen van slimme software, waarbij het rekenwerk voor computerondersteund ontwerpen en simulaties over meerdere machines kan worden verdeeld. Dat blijkt niet altijd mee te vallen, bleek bij het Hpcn-project Elsim. Daarin ontwikkelen onderzoekers van Philips en de Universiteit van Utrecht rekenmodules en elektrotechnische simulaties waarmee ze elektrotechnische problemen van zeer grote complexiteit in chips willen analyseren. Een van de oorspronkelijke wensen was om de software zodanig aan te passen dat het rekenwerk over verschillende computers in een netwerk kon worden verdeeld. Daarvoor werd de circuit-simulatiesoftware Pstar eerst overgezet voor het gebruik op een Power Challenge van Silicon Graphics met twaalf processoren. Hierdoor hoopten de onderzoekers Pstar zodanig te kunnen wijzigen dat ze de statistische analyses over de verschillende processoren konden verdelen. Een logische volgende stap zou parallellisatie in een gedistribueerd computernetwerk zijn. De betrokkenen hebben intussen echter de conclusie moeten trekken dat het niet zou lonen om daarvoor de moeilijk toegankelijke Pstar-programmatuur te doorgronden en voor parallellisatie geschikt te maken.
In het algemeen is er een onderscheid te maken tussen problemen die het best met parallelle machines, en ander rekenwerk dat het best met vectormachines kan worden gedaan. Bremer: "Het virtual reality-monster dat bij Sara de Cave aanstuurt is er puur voor visualisatie. Voor rekenintensieve problemen maak je gebruik van anderssoortige machines. Snelheidswinst krijg je door parallelle verwerking van een in stukken gehakt probleem. Echter wanneer de opgeknipte probleemstukken teveel met elkaar moeten communiceren, dan gaat de tijdwinst verloren. Daarom is het verstandig om in Nederland verschillende soorten machines te hebben waar verschillende soorten problemen op kunnen draaien. Databases hebben weer hun eigen kenmerken en vereisten. We moeten een dusdanige diversiteit nastreven dat we alle problemen goed aankunnen."
Ook kleine bedrijven
Grote bedrijven als Philips en Shell weten de weg naar Hpcn intussen wel te vinden. Het is echter Bremers ambitie om het midden- en kleinbedrijf meer gebruik te laten maken van superrekenkracht. Begin 1999 zal het platform Hpcn ook deze markt gaan ontginnen. "Onze doelgroep zal zich daarbij bevinden onder de kleinere technologische bedrijven die bijvoorbeeld vanuit universiteiten zijn ontstaan. Daar zit kennis van toepassingen, maar ze weten niet hoe ze aan grote computers moeten komen."
Dat ook de kleinere bedrijven volop voordeel kunnen behalen met complex rekenwerk bewijst het bedrijf Biddle BV uit het Friese Kootstertille al ruim tien jaar. Deze producent van luchtschermen en apparatuur voor klimaatregelingen doet sinds 1987 hydrodynamische simulaties voor zijn luchtbehandelingsproducten. Door in een vroeg stadium tientallen simulaties op een supercomputer te doen slaagde het bedrijf er in 1996 in een luchtscherm te ontwikkelen dat heftrucks vrije toegang biedt tot koelcellen en vrieshuizen. Dat was tot die tijd een onmogelijkheid gebleken.
De moeilijkheid zit hem in de scherpe overgang tussen vrieslucht van -20 graden Celsius en buitenlucht van 15 graden Celsius. Het is natuurlijk mogelijk om tussen de koude en de warme ruimtes lamellen te hangen, maar dat belemmert het zicht van heftruckchauffeurs. En als vrieshuizen de deuren gewoon open laten is er veel energieverlies. Bovendien ontstaat er een mist (doordat warme lucht met een hoge vochtigheid op het grensvlak afkoelt), en daardoor valt ook weer een deel van het zicht weg. Door in zulke openingen een verticale luchtstroom met horizontaal temperatuurprofiel te plaatsen slaagde Biddle erin om een mistvrije opening te creëren. Deze luchtschermen isoleren zeven keer beter dan open deuren zonder extra maatregelen.
Op een toekomstig Hpcn-intranet zou een bedrijf als Biddle via een klik met de muis in een paar minuten een simulatie in gang moeten kunnen zetten, vindt Bremer. "Wat er verder gebeurt op het netwerk zou niet meer relevant meer moeten zijn. Wie dat wil heeft dan tegen lage kosten een supercomputer op zijn bureau."
René Raaijmakers, freelance medewerker
