Het belang van High Performance Computing voor Nederland

Transcriptie

1 Het belang van High Performance Computing voor Nederland december 2008

2

3 Het belang van High Performance Computing voor Nederland december 2008

4 Inhoud Zonder hoogwaardige infrastructuur geen hoogwaardige wetenschap: High Performance Computing in Nederland 7 Computational Science 8 Vormen van onderzoek waarbij supercomputers onmisbaar zijn 9 De noodzaak van supercomputers 11 HPC is een hoge prioriteit voor ESFRI 12 Internationale investeringen in HPC 12 Ook in Nederland! 13 De kenniseconomie 14 Het belang van High Performance Computing voor Nederland 15 Referenties en literatuur 16 Toponderzoek 18 Prof. dr. E.J. (Evert Jan) Baerends, Vrije Universiteit Amsterdam 20 Prof. dr. ir. B.J. (Bendiks Jan) Boersma, Technische Universiteit Delft 22 Prof. dr. A.P.J. (Antal) van den Bosch, Universiteit van Tilburg 24 Prof. dr. J. (Jeroen) van den Brink, Universiteit Leiden 26 Prof. dr. R. (Ria) Broer, Rijksuniversiteit Groningen 28 Prof. dr. H.J.H. (Herman) Clercx, Technische Universiteit Eindhoven 30 Prof. dr. ir. H.A. (Henk) Dijkstra, Universiteit Utrecht 32 Prof. dr. U.M. (Ute) Ebert, CWI Amsterdam en Technische Universiteit Eindhoven 34 Prof. dr. C. (Claudia) Filippi, Universiteit Leiden 36 Prof. dr. ir. J.G.E.M. (Hans) Fraaije & dr. G.J.A. (Agur) Sevink, Universiteit Leiden 38 Prof. dr. ir. B.J. (Bernard) Geurts, Universiteit Twente 40 Prof. dr. W.J. (Wim) Goedheer, FOM-Instituut voor Plasmafysica en Universiteit Utrecht 42 Prof. dr. M.A.M. (Martien) Groenen, Wageningen Universiteit en Researchcentrum 44 Prof. dr. ir. S. M. (Majid) Hassanizadeh, Universiteit Utrecht 46 Prof. dr. H.J. (Jaap) van den Herik, Universiteit van Tilburg

5 48 Prof. dr. V. (Vincent) Icke, Universiteit Leiden 50 Prof. dr. M.I. (Mikhail) Katsnelson, Radboud Universiteit Nijmegen 52 Prof. dr. P.J. (Paul) Kelly, Universiteit Twente 54 Prof. Dr.-Ing. habil. R. (Roland) Klees, Technische Universiteit Delft 56 Prof. dr. ir. C.R. (Chris) Kleijn, Technische Universiteit Delft 58 Prof. dr. ir. B. (Barry) Koren, CWI Amsterdam, Technische Universiteit Delft en Universiteit Leiden 60 Prof. dr. G.J. (Geert-Jan) Kroes, Universiteit Leiden 62 Prof. dr. ir. J.A.M. (Hans) Kuipers, Universiteit Twente 64 Prof. dr. D. (Detlef) Lohse, Universiteit Twente 66 Prof. dr. W.L. (Leo) Meerts, Radboud Universiteit Nijmegen 68 Prof. dr. J.W. (Hans) Niemantsverdriet & dr. D. (Daniel) Curulla, Technische Universiteit Eindhoven 70 Dr. S.F. (Simon) Portegies Zwart, Universiteit van Amsterdam 72 Prof. dr. H.A. (Hans) de Raedt, Rijksuniversiteit Groningen 74 Prof. dr. D.J.E.M. (Dirk) Roekaerts, Technische Universiteit Delft 76 Prof. dr. ir. W. (Wim) van Saarloos, Universiteit Leiden 78 Prof. dr. R.A. (Rutger) van Santen, Technische Universiteit Eindhoven 80 Prof. dr. W.H.A. (Wil) Schilders, Technische Universiteit Eindhoven en Philips Research 82 Prof. dr. P.M.A. (Peter) Sloot, Universiteit van Amsterdam 84 Prof. dr. ir. G.S. (Guus) Stelling, Technische Universiteit Delft 86 Prof. dr. A.E.P. (Arthur) Veldman, Rijksuniversiteit Groningen 88 Prof. dr. ir. P. (Pier) Vellinga & dr. ir. L.N. (Laurens) Ganzeveld, Vrije Universiteit Amsterdam en Wageningen Universiteit en Researchcentrum 90 Dr. J. Vilà-Guerau de Arellano, Wageningen Universiteit en Researchcentrum 92 Prof. dr. J. (Jacob) de Vlieg, Schering-Plough en Radboud Universiteit Nijmegen 94 Prof. dr. H.A. (Henk) van der Vorst, Universiteit Utrecht 96 Prof. dr. ir. F.N. (Frans) van de Vosse, Technische Universiteit Eindhoven 98 Prof. dr. G. (Gert) Vriend, Radboud Universiteit Nijmegen 100 Prof. dr. ir. H.H. (Harrie) Weinans, Erasmus Universiteit Rotterdam

6

7 Zonder hoogwaardige infrastructuur geen hoogwaardige wetenschap: High Performance Computing in Nederland Op welke wijze kunnen we het leefklimaat in Nederland verbeteren als het gaat om de verspreiding van vervuilende stoffen? Hoe kunnen we macroscopische materiaaleigenschappen afleiden uit kwantummechanische fenomenen? Hoe kunnen we het geluid van vliegtuigmotoren verminderen? Hoe verspreiden algen zich en klonteren ze samen in meren en kustzeeën? Welke invloed hebben de snelle veranderingen in de Atlantische oceaancirculatie op ons klimaat in West-Europa? Welke invloed heeft atmosferische turbulentie op ons weer? Hoe ontwikkelen we materialen voor het post-silicon elektronicatijdperk? Welke aërodynamische eigenschappen hebben windturbineparken? 7 Nederland is een kenniseconomie bij uitstek. Ons land kan zich gelukkig prijzen met een wijdvertakt netwerk van kennis- en onderzoeksinstituten. Hun wetenschappelijke output is bekend bij vakgenoten en vindt zijn weg naar toepassingen in de technologie, industrie, onderwijs en economie. Maar daarbuiten is er vaak maar weinig over bekend. Daarom is SARA, in samenwerking met de stichting Nationale Computerfaciliteiten (NCF) er trots op om in deze publicatie een groot aantal vormen van belangwekkend, baanbrekend en maatschappelijk relevant wetenschappelijk onderzoek bijeen te brengen. Alle onderzoekers die in deze bundel een tipje van de sluier oplichten, hebben één ding gemeen: ze werken al jaren met de meest geavanceerde faciliteiten op het gebied van High Performance Computing (verder HPC) die in Nederland beschikbaar zijn en hebben op dit moment allemaal reeds concrete grote (Petascale) wetenschappelijke uitdagingen. Hun hoogwaardige berekeningen zijn in samenwerking met het HPC-team van SARA uitgevoerd op de nationale supercomputer Huygens en op de voorgangers daarvan: Teras/Aster, en de Cray en CDC-vectormachines. Sterker nog: zonder deze HPC-faciliteiten zou hun onderzoek onmogelijk zijn.

8 8 De wetenschappers die ons in deze bundel een kijkje in de keuken gunnen, werken met zeer complexe berekeningen, algoritmen en modellen. Dit type onderzoek maakt het mogelijk problemen te analyseren en op te lossen die we ons vroeger amper konden voorstellen. Daarom is het niet overdreven te stellen dat een hoogwaardige infrastructuur op het gebied van HPC een essentiële voorwaarde is voor geavanceerd onderzoek op een groot aantal verschillende gebieden. En omdat dit type onderzoek de voedingsbodem vormt voor de ontwikkeling van industriële en technologische toepassingen, is een hoogwaardige HPC-infrastructuur van levensbelang voor de ontwikkeling van de kenniseconomie. Computational science Computational Science wordt wel de derde methodologie genoemd, naast theorie en experiment. De term derde methodologie geeft al aan dat het om een nieuwe werkwijze gaat, met een eigen karakter en toepassingsgebied. Computational Science maakt het mogelijk theoretische modellen toe te passen op praktische problemen met behulp van computersimulaties. Dit is een snel groeiend multidisciplinair veld, waar geavanceerde computers en modelleringtechnieken gebruikt worden om ingewikkelde problemen te begrijpen en op te lossen. Supercomputers zijn onmisbare instrumenten in computational science bij het oplossen van complexe wetenschappelijke, maatschappelijke en industriële uitdagingen. Ze zijn daardoor strategisch van belang voor research en development in een groot aantal wetenschapsgebieden. Met behulp van supercomputers kunnen onderzoekers verschijnselen simuleren die ze anders niet kunnen onderzoeken omdat experimenten te gevaarlijk, te duur, onethisch of gewoon onmogelijk zijn. De wetenschap formuleert steeds nieuwe uitdagingen, de zogenaamde 'Grand Challenges'. Het gaat hierbij om berekeningen die op moderne supercomputers miljoenen (!) processoruren rekentijd vergen. Een dergelijke 'Grand Challenge' neemt de huidige nationale supercomputer enkele maanden volledig in beslag. Overigens zullen er ook bij veel snellere supercomputers altijd 'Grand Challenges' blijven: in een geavanceerde maatschappij is het noodzakelijk de grenzen van wetenschap, technologie en kennis voortdurend te verleggen.

9 Vormen van onderzoek waarbij supercomputers onmisbaar zijn: Weer, klimaat en milieu: nauwkeurige hoge-resolutiemodelleringen van lange termijn voorspellingen voor klimaatverandering, luchtverontreiniging en extreme weersituaties Watermanagement: waterstroombeheer in extreme situaties en adviezen bij calamiteiten Nanotechnologie: voorspelling van eigenschappen van samengestelde nanosystemen om te komen tot innovatieve oplossingen voor energieproblemen, moleculaire elektronica en biomoleculaire materialen Levenswetenschappen, biotechnologie: nauwkeurige dynamische moleculaire simulatie van eiwitten, interacties van medicijnen, modellering van complete cellen Medische wetenschappen: ontwikkeling botstructuren onder stress, simulatie bloedstromen en hartfunctie, computational neurology (hersenonderzoek) Energieonderzoek: begrijpen van hoge-energieplasma's, kernfusie, zonne-energie; modellering van verbrandingsprocessen voor efficiënte en schone energie Astrofysica: studie van de evolutie van sterrenstelsels, van energieomzettingen onder extreme omstandigheden, ontstaan van het heelal Chemie en materiaalkunde: katalyse voor chemische processen bij lage(re) temperaturen, berekening en verklaring chemische eigenschappen van materialen, moleculaire dynamica.

10 Nationale Supercomputer Huygens.

11 De noodzaak van supercomputers Zijn supercomputers altijd nodig om complexe en omvangrijke berekeningen te maken? Is het niet veel eenvoudiger om grote aantallen computers of processors te koppelen in een cluster (capacity computing) of via een wide area netwerk (grid computing)? Helaas, was het leven maar zo eenvoudig. Koppeling van computers of processors kan zeker een bijdrage leveren bij de oplossing van wetenschappelijke, sociale en economische vraagstukken. Je kunt hiermee zeer grote modelberekeningen en simulaties uitvoeren, maar er is één essentiële beperking: de berekeningen, modellen en algoritmes moeten uitgesplitst kunnen worden en parallel (asynchroon) oplosbaar zijn. Dat is vaak niet het geval. Bij berekeningen die supercomputers uitvoeren, gaat het om capability computing. Hierbij combineren we een groot aantal van de krachtigste processors, een groot gemeenschappelijk toegankelijk geheugen en een hoge communicatiesnelheid tussen de processors onderling en tussen de processors en het geheugen. Dit is in een cluster of grid op fundamenteel fysische gronden nooit te realiseren. Daarnaast werken onderzoekers vaak met gigantische hoeveelheden data. De permanente opslag en de toegankelijkheid van deze data vereisen een grootschalige opslaginfrastructuur met supersnelle verbinding met de processors. Het is daarom van zeer groot belang dat onderzoekers toegang hebben tot hoogwaardige faciliteiten op het vlak van High Performance Computing. Hiertoe voert de stichting Nationale Computerfaciliteiten (NCF) onder de vlag van NWO al bijna twintig jaar een speciaal op dit onderzoeksgebied gericht nationaal beleid. NCF streeft ernaar onderzoekers een meerjarig perspectief te bieden op de aanwezigheid en beschikbaarheid van dergelijke voorzieningen. NCF richt zich dan ook op rekenfaciliteiten op nationale schaal, die individuele instellingen niet kunnen bekostigen. Het duidelijkste voorbeeld hiervan is de nationale supercomputer, momenteel het IBM Power6 systeem Huygens met een rekencapaciteit van 60 Tflop/s*) (0,06 Pflop/s). Deze systemen vormen nationaal de absolute top van de piramide. Daarnaast investeert NCF regelmatig in aanvullende faciliteiten, onder andere bij SARA en de Rijksuniversiteit Groningen. SARA is als nationaal supercomputercentrum verantwoordelijk voor de complete dienstverlening aan de wetenschappelijk gebruikers van deze nationale faciliteit. *) Pflop/s komt overeen met floating-point operations per seconde (flop/s). 11

12 12 HPC is een hoge prioriteit voor ESFRI In september 2006 heeft het Europese Strategie Forum voor Research Infrastructuren (ESFRI) de European Roadmap voor onderzoeksinfrastructuren 1 vastgesteld. ESFRI heeft High Performance Computing geïdentificeerd als een strategische prioriteit voor Europa. Als Europa in internationaal verband wil blijven concurreren, moeten wetenschappers toegang hebben tot de snelste supercomputers in de wereld. Het ESFRI-rapport heeft geleid tot het samenwerkingsverband PRACE, Partnership for Advanced Computing in Europe 2. Hieraan neemt een groot aantal Europese landen deel. Dit partnership is bezig met de voorbereiding van een permanente pan-europese HPCservice en infrastructuur, die Europese onderzoekers toegang biedt tot een aantal Europese topsystemen met Petascale performance, zgn. Tier-0 systemen. Onder Petascale wordt verstaan het bereiken van 1 Pflop/s performance. Europese wetenschappers krijgen hiermee de beschikking over supercomputerfaciliteiten van wereldklasse, met een rekenkracht die minimaal gelijk is aan de rekenkracht waarover onderzoekers in de Verenigde Staten en Japan beschikken. Nederland heeft met zijn aantal inwoners en inkomen per hoofd van de bevolking de kritische massa om samen met Duitsland, Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk en Spanje, vorm en inhoud te geven aan deze infrastructuur. Op dit moment zijn de belangrijkste nationale supercomputers in Europa al verbonden via het netwerk DEISA (Distributed European Infrastructure for Supercomputing Applications) 3. Internationale investeringen in HPC Hightech-bedrijven in de VS en Europa worden in toenemende mate afhankelijk van overheidsondersteuning van hun R&D. Dit komt vooral doordat investeringen in de research-infrastructuur, met geavanceerde supercomputers en optische netwerken, alleen op lange termijn (10-20 jaar) terugverdiend kunnen worden. De snel groeiende economieën in China en Korea kennen al jaren grootschalige publiekprivate samenwerking op dit gebied. Het belang van de HPC-infrastructuur en van geavanceerde kennistechnologie krijgt tegenwoordig daarom in de VS, Japan en de grote landen in Europa veel meer nadruk. Een aantal voorbeelden: De VS gaf in 2006 meer dan $500 miljoen subsidie aan IBM en Cray om de generatie Petaflops Supercomputers 4 tot ontwikkeling te brengen. De National Science Foundation 5 schreef een projecttender uit van $200 miljoen voor de wetenschappelijke inzet van de Petaflop-machines. Het Department of Energy publiceerde in 2007 zijn tienjaars visie 6 op wetenschappelijke innovatievraagstukken. Deze visie omvat enkele miljarden investering in computational science en in Exa-schaal (1000 Pflop/s) computing.

13 Ook in Nederland! Kan Nederland niet bij zijn buurlanden terecht om computercapaciteit in te kopen voor de oplossing van wetenschappelijke problemen? Een dergelijke benadering negeert een aantal serieuze langetermijneffecten op onze kenniseconomie: 1 Bij de ontwikkeling van Computational science-toepassingen werken materiedeskundigen, computerspecialisten en informatici nauw samen. Echte samenwerking kan alleen op locatie, in situ. 2 Scholing en training van studenten op gebied van computational science vereist toegang tot HPC-faciliteiten en is van buitengewoon belang voor de beschikbaarheid van gekwalificeerd HPC-personeel en de ontwikkeling van de kenniseconomie in Nederland Als Nederland eenzijdig supercomputercapaciteit inkoopt in het buitenland, plaatst dat de gebruikers in een ondergeschikte, afhankelijke positie. Dat is strijdig met strategische ambities om in de internationale voorhoede te opereren op het vlak van computational science. 4 Als inkoper van capaciteit heb je aanzienlijk minder invloed op belangrijke keuzes van architectuur, software en beleidzaken die grote impact hebben op de innovatiesnelheid en concurrentiepositie van Nederland. 5 Gebruik door het Nederlandse bedrijfsleven ondervindt een extra barrière als rekentijd in het buitenland ingekocht dient te worden.

14 14 Deze investering maakt het mogelijk om tot revolutionaire benaderingen te komen van de wereldvraagstukken op gebied van energie, duurzaamheid en veiligheid. Japan investeert circa 1.2 miljard in het bouwen van een 10 Pflop/s-systeem. Dit project 7 is gericht op het bouwen van de snelste en efficiëntste supercomputer ter wereld per Frankrijk kondigde investeringen aan voor 100 miljoen in de komende vier jaar. Ook Duitsland 8, Engeland en Spanje hebben concrete plannen voor Petaflop-systemen. Ook Finland, Zwitserland en Italië werken aan plannen voor investering in de ontwikkeling van Petaflop-systemen. De kenniseconomie Het wetenschappelijk onderzoek, de technologische research en het onderwijs die mogelijk worden gemaakt met geavanceerde HPCvoorzieningen hebben een directe betekenis voor ons concurrentievermogen. Om HPCinvesteringen een langetermijnimpact te geven bij de nationale onderzoeksbehoeften is het noodzakelijk de HPC-faciliteiten in te zetten voor een breed spectrum van wetenschappelijke en technische vraagstukken. We moeten nu al anticiperen op de behoefte van academische en industriële onderzoekers. Zij moeten rond toegang hebben tot HPC-systemen die: permanente rekencapaciteit in de Petaflopsrange leveren voor uiteenlopende wetenschappelijke en technische toepassingen; geïntegreerd zijn in een internationale gridomgeving; en ondersteund worden op nationaal, regionaal en campusniveau. Onderzoeken in Europa 9 en de Verenigde Staten 10,11 tonen aan dat de hightech-sector een cruciale rol vervult in de nationale economische voorspoed. Het aantal patenten verleend in Korea, India en China zal aan het einde van het decennium groter zal zijn dan in Europa en Japan. De hightech-export vanuit Europa is afgenomen van 43% in 1980 tot 34% in 2001, terwijl die van de opkomende economieën in dezelfde periode steeg van 7% tot 25%. De hightech-sector droeg in de VS tot 2001 bij aan de verbetering van de betalingsbalans van de Amerikaanse economie, maar sinds 2001 is de waarde van de hightech-import in de VS groter dan de hightech-export. Het Ohio Supercomputer Center (OSC) in de VS lanceerde daarom met steun van de federale overheid eind 2005 het Blue Collar Computing initiatief 12. Dit initiatief wil het gebruik van HPC-systemen stimuleren om productontwikkeling en innovatie in technische, financiële en maatschappelijke sectoren te ondersteunen.

15 Op deze manier werd bijvoorbeeld Proctor & Gamble bewust gemaakt van de mogelijkheden van supercomputing. De fabrikant van Always, Dreft en Pampers gebruikt HPC-systemen en geavanceerde visualisatietechnieken voor de ontwikkeling van toekomstige productgeneraties. Bandenfabrikanten maken ook intensief gebruik van supercomputing bij de ontwikkeling van nieuwe banden. Goodyear zet bijvoorbeeld complexe simulatietechnieken in om het ontwerp en de veiligheid van hun banden te verbeteren. Daarmee kon tegelijk de investering in het bouwen en testen van prototypes verminderd worden van 40% tot nog maar 15% van het totale R&D-budget. Het belang van High Performance Computing voor Nederland Computational science wordt tegenwoordig toegepast in bijna elke sector, van de traditionele beta- en technische domeinen tot sleutelgebieden als ecologie, klimaat, gezondheid, veiligheid en economische ontwikkeling. Vooruitgang in hardware, software en connectiviteit maken het mogelijk nieuwe rekenmodellen toe te passen en gigantische hoeveelheden experimentele waarnemingen en meetgegevens te analyseren. Hiermee kunnen we vraagstukken aanpakken die voorheen buiten ons voorstellingsvermogen lagen. In deze publicatie komt u een groot aantal voorbeelden tegen van dergelijke vraagstukken; het gaat steeds om concrete en actuele wetenschappelijke uitdagingen op Petascale-niveau vanuit de Nederlandse onderzoekswereld. Om uitdagend en innovatief wetenschappelijk onderzoek te kunnen doen, en daarmee onze concurrentiepositie te versterken, is op bijna elk terrein de inzet van computational science vereist. Dat vraagt significante investeringen in de beschikbaarstelling van een Petascale HPC-infrastructuur, in de ontwikkeling van bijbehorende software en algoritmes, en in de scholing van informatici. Om te zorgen dat de infrastructuur in de pas blijft met de ontwikkelingen van de technologie, zijn bovendien regelmatige upgrades van hardware en software nodig. 15

16 Topfaciliteiten in Nederland op Petascaleniveau zijn noodzakelijk om een klimaat van wetenschappelijke research en innovatie te creëren, voor samenwerking bij productontwikkeling en voor het opleiden van toekomstige generaties specialisten in computational science. Samenwerking en partnerschap met andere Europese en internationale organisaties is hierbij belangrijk om schaalgrootte te bewerkstelligen en om nieuwe kansen voor onderzoek en economische groei te benutten. Zo kan Nederland ook in de toekomst een centrum blijven van hoogwaardig, actueel en maatschappelijk relevant onderzoek het onderzoek waarvan u in deze bundel zulke bijzondere voorbeelden aantreft. Dr. ir. A. Osseyran, directeur SARA Reken- en Netwerkdiensten Dr. P.J.C. Aerts, directeur Stichting Nationale Computerfaciliteiten 16 Referenties en literatuur 1 European roadmap for research infrastructures 2006, ESFRI, ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/esfri/docs/esfri-roadmap-report _en.pdf 2 PRACE: 3 DEISA Digest: Benefits of supercomputing, Zie ook Creating a Petascale Computing Environment for Science and Engineering, 6 Simulation and Modeling at the Exascale for Energy, Ecological Sustainability and Global Security, Third European Report on Science & Technology Indicators 2003, 10 The knowledge economy, Is the United States losing its Competitive Edge? 11 Science and Engineering indicators 2004,

17 Toponderzoek

18 18 Een cruciale elektronische factor in de oxidatie van (vervuilende) organische stoffen, de z.g. acceptor orbital op het ferryl ion FeO 2+. Deze orbital wordt geactiveerd door de specifieke omringing ( ligand-omgeving ) die het z.g. EDTA ligand biedt.

19 Prof. dr. E.J. (Evert Jan) Baerends Vrije Universiteit Amsterdam Onderzoeksgebied Theoretische chemie Korte beschrijving van het onderzoek De Theoretische Chemie houdt zich bezig met het voorspellen en begrijpen van de chemie op basis van de fenomenen op atomaire schaal: de bewegingen van atomen en kernen zoals beschreven door de kwantummechanica. Hieruit zijn alle macroscopische eigenschappen van materiële systemen af te leiden, zowel (anorganische) materiaaleigenschappen als het gedrag van zachte gecondenseerde materie. Om dit ambitieuze programma tot stand te brengen zijn grootschalige berekeningen op basis van de Schrödinger-vergelijking of de (relativistische) Dirac-vergelijking nodig. Het gaat om systemen die uit zeer veel elektronen en kernen kunnen bestaan. Maatschappelijke relevantie/impact Toepassingen van ons werk vinden plaats op verscheidene maatschappelijk relevante gebieden. Heterogene katalyse (bijv. de autokatalysator) wordt bestudeerd met dynamica van kleine moleculen die botsen met en uiteenvallen op metaaloppervlakken. Oxidatiekatalyse, bijvoorbeeld oxidatie met behulp van waterstofperoxide met behulp van ijzerionen als katalysator, is een voorbeeld van homogene katalyse die direct verband houdt met allerlei industriële blekingsprocessen en met zuivering van afvalwater. Een deel van ons onderzoek betreft zware elementen als uranium en thorium, waarvoor relativistische effecten in rekening moeten worden gebracht. Dit draagt bij aan de oplossing van het afvalprobleem van kernenergie. Een ander onderzoek betreft de reacties die bij de opbouw van het DNAmolecuul in ons lichaam betrokken zijn, en dragen bij aan inzicht dat fundamenteel kan bijdragen aan bijvoorbeeld kankertherapieën. Petascale challenge voor de toekomst Veel van ons werk draait om (zeer) grote systemen. Hetzij het aantal atomen is zeer groot (DNA), hetzij het aantal elektronen per atoom is zeer groot (uranium), hetzij het goed meenemen van de effecten van de omgeving (bijvoorbeeld oplosmiddel, zoals water voor oxidatiekatalyse) leiden tot zeer grote systemen. Grote systemen vragen zeer veel rekentijd, omdat de benodigde rekentijd zeer snel toeneemt (veel sneller dan lineair) met de grootte van het systeem. Hoe meer rekenkracht, hoe realistischer de simulaties worden. 1

20 20 Een ronde, turbulente straal. Akoestische druk plus vorticiteit, Re=5.000 en Ma=0,9.

21 Prof. dr. ir. B.J. (Bendiks Jan) Boersma Technische Universiteit Delft Onderzoeksgebied Turbulence Dynamics, Computational Fluid Dynamics Korte beschrijving van het onderzoek De (samendrukbare) Navier-Stokes vergelijkingen worden opgelost met behulp van Directe Numerieke Simulatie of Large Eddy simulatietechnieken en high order numerieke methodes. Toepassingen liggen op het terrein van turbulente verbranding, aëroakoestiek en multifase stromingen. Petascale challenge voor de toekomst De CPU-tijd en het geheugengebruik in turbulente stromingen komen overeen met de derde macht van het Reynoldsgetal. Voor verdubbeling van het Reynoldsgetal is een computer nodig die acht keer groter (sneller) is. Op dit moment hebben de Reynoldsgetallen die we kunnen simuleren een te lage waarde om echt relevante stromingen te bestuderen. Met een Petascale computer zullen we reële problemen kunnen onderzoeken, zoals het lawaai van straalmotoren. Maatschappelijke relevantie/impact Hogesnelheidstromingen genereren geluid. Een van de bekendste voorbeelden is het lawaai dat wordt veroorzaakt door de straalmotoren van vliegtuigen. Dat lawaai is voor een groot deel toe te schrijven aan de turbulente stroming achter de motor. Computerondersteunde tools waarmee de turbulente stroming en het daardoor veroorzaakte lawaai voorspeld kunnen worden kunnen uiterst nuttig zijn in de ontwerpfase. 21

22 22 Antal van den Bosch praat met het publiek na afloop van een lezing voor kinderen over de slimme domme kracht van robots en computers, bijvoorbeeld van het vertaalsysteem van Van den Bosch dat, zoals ook het vertaalsysteem van Google, helemaal geen taalkundige kennis bezit van de talen waartussen het vertaalt.

23 Prof. dr. A.P.J. (Antal) van den Bosch Universiteit van Tilburg Onderzoeksgebied Computerlinguïstiek (theorie) / taal- en spraaktechnologie (toepassing) Korte beschrijving van het onderzoek In het Tilburg centre for Creative Computing worden technieken uit de kunstmatige intelligentie, zogenaamde zelflerende systemen, toegepast op taalverwerkingstaken: vertalen, het uitspreken van tekst, het detecteren van fouten in tekst, het beantwoorden van vragen, en het voeren van dialogen. Zelflerende systemen leren deze complexe taken door uit te gaan van grote hoeveelheden voorbeelden, zoals verzamelingen van reeds vertaalde teksten. Maatschappelijke relevantie/impact In de dagelijkse praktijk van zowel kenniswerkers als andere computergebruikers is automatisch ingebouwde taalondersteuning van groot belang voor het ontsluiten van informatie en kennis, bijvoorbeeld als die alleen in een andere taal beschikbaar is dan die de gebruiker kent. Ook voor mensen die een achterstand hebben in het kunnen verwerken van taal zijn automatische hulpmiddelen van groot belang. Sectoren waarin taal- en spraaktechnologie gebruikers grote diensten kunnen verlenen, zijn zorg, onderwijs, veiligheid en media. Petascale challenge voor de toekomst De taalverwerkingstaken die zelflerende systemen te leren krijgen drijven deze technieken tot het uiterste in het gebruik van zowel geheugen als verwerkingscapaciteit. Om een goede vertaalservice te ontwikkelen als die van translate.google.com, is de capaciteit van een supercomputer nodig. Lerende systemen laten zich doorgaans uitstekend parallelliseren, maar wat hun geheugengebruik betreft geldt dat het nooit genoeg is; met een Petascale systeem kan verder getest worden dan nu nog mogelijk is. 23

24 24 De elektronische bandstructuur van grafeen afgezet op boornitride. De inzet toont een vergroting van de banden rond het K-punt, waar een kloof zichtbaar is.

25 Prof. dr. J. (Jeroen) van den Brink Universiteit Leiden Onderzoeksgebied Theoretische vaste stof fysica Korte beschrijving van het onderzoek Het onderzoek richt zich op het fundamenteel begrip van elektronische eigenschappen van materialen zoals supergeleiding, ferroelektriciteit en magnetisme, door middel van kwantummechanische berekeningen op atomair niveau. Onze focus is met name materialen waarin gecorreleerd, collectief gedrag van elektronen een essentiële rol speelt, zoals koperoxide en ijzer-arseen verbindingen die bij hoge temperatuur supergeleiden, mangaanoxiden met kolossale magnetoweerstand en bepaalde stroomgeleidende plastics. Maatschappelijke relevantie/impact Een fundamenteel begrip van de elektronische structuur en eigenschappen van materialen is buitengewoon waardevol om tot toepassingen van nieuwe materialen te komen. Petascale challenge voor de toekomst Ferro-elektrische materialen worden veelvuldig toegepast in moderne micro-elektronica, bijvoorbeeld in RAM-geheugens en elektromechansiche sensoren. De toegepaste ferro-elektrica zijn tot zo ver anorganisch. Recent is de speurtocht naar organische, plastic ferro-elektrische materialen ingezet. Een voordeel is dat zij flexibel zijn en in principe geïntegreerd kunnen worden met biologisch weefsel. Ons doel is te berekenen hoe sterk de intrinsieke ferro-elektrische polarisatie van veelbelovende organische verbindingen is. Omdat de moleculaire structuren in kwestie zeer complex en omvangrijk zijn, is daarvoor grote rekenkracht vereist. 25

26 26 [Ni 4 O 18 ] 24- -cluster, omgeven door 18 Y 3+ en 16 Ni 3+ positieve ionen (die met behulp van daarmee corresponderende potentialen worden beschreven) en ingesloten in puntladingen. Dit geheel vormt een klein deel van het ab-vlak van een YNiO 3 -kristal. Voor dit embedded cluster worden kwantumchemische CASSCF-berekeningen uitgevoerd om ladingsdisproportionering in YNiO 3 -kristallen te bestuderen. Aymeric Sadoc, Coen de Graaf en Ria Broer, in voorbereiding. Theoretische Scheikunde, Zernike Institute for Advanced Materials, Universiteit Groningen.