1. Zwischenbericht zum GTB

1. Zwischenbericht zum GTB-Projekt
„Polyatomare Systeme: Visuell gesteuerte Simulation und Analyse
komplexer Oberflächenreaktionen“
Auftragsnummer TK 602 – NT 104
Projektverantwortung:
Prof. Dr. K. Hermann, Prof. Dr. M. Scheffler, Fritz-Haber-Institut, Berlin
Mitarbeiter:
J. Kühn, F. Mante (Gemeinsames Rechenzentrum, Fritz-Haber-Institut)
A. Hetey, Dr. P. Kratzer, Dr. J. Neugebauer (Abt. Theorie, Fritz-Haber-Institut)
Dr. H. Lederer, A. Hackl, (Rechenzentrum Garching der MPG)
I)
Vertragssituation, Personelles
Der Vertrag zwischen DFN-Verein und dem Fritz-Haber-Institut (FHI) trat zum 01.01.99 in Kraft.
Ein Mitarbeiter, Herr A. Hetey, wurde zum 01.02.99 für das Projekt eingestellt.
II)
Beschaffungen und Aufbau der Netzinfrastruktur
Im Berichtszeitraum hat das Gemeinsame Rechenzentrum die folgenden projektbezogenen
Teilschritte durchgeführt und abgeschlossen:
• Beschaffung der ATM-Hardware zum Anschluß des Albert-Einstein-Instituts (AEI) und
des FHI an das Konrad-Zuse-Rechenzentrum (ZIB)
• Inbetriebnahme der Strecke zwischen FHI und AEI über Glasfaser und WDM,
Inbetriebnahme der Strecke zum ZIB
• Anschluß der FHI-Gigabit-Workstation am FHI
Beschaffung der ATM-Hardware
Aus organisatorischen Gründen wurden alle ATM-Komponenten für den Anschluß an das ZIB und
für die Verbindung zum AEI zentral vom GRZ beschafft. Nach der separaten Beschaffung der
Interfaces zum Anschluß der Workstations besteht die ATM-Infrastruktur aus je einem ATMSwitch im GRZ (Berlin-Dahlem) und im AEI (Golm) mit den folgenden Konfigurationen:
ATM-Switch GRZ:
Fore ASX 1000 mit
622 Mbit/s-Interface zum ZIB
622 Mbit/s-Interface zum Anschluß der lokalen Workstation
2
622 Mbit/s-Interface zum AEI
4 x 155 Mbit/s-Interface für administrative Aufgaben
ATM-Switch AEI:
Fore ASX 200-BX mit
622 Mbit/s-Interface zum GRZ
2 x 622 Mbit/s-Interfaces zum Anschluß lokaler Workstations
4 x 155 Mbit/s-Interface für administrative Aufgaben
Inbetriebnahme der ATM-Strecke Berlin-Dahlem bis Golm bei Potsdam
Die MPG hatte sich schon frühzeitig um eine eigene Verbindung zwischen dem GRZ und dem
neuen Campus in Golm bemüht. Im Rahmen des Anschlusses des Standortes Potsdam-Babelsberg
der Universität Potsdam an das BRAIN wurde auch ein „MPG-eigenes“ Faserpaar reserviert.
Verhandlungen über die Weiterführung dieser Fasern bis nach Golm scheiterten aus finanziellen
Gründen. In Verhandlungen mit der Universität Potsdam, die über ein dediziertes Faserpaar
zwischen den Standorten Babelsberg und Neues Palais verfügte, wurde statt dessen vereinbart, die
Strecke aus Investitionsmitteln der MPG mit Wellenlängen-Multiplexern versehen, die eine
vierfache Ausnutzung der Verbindung ermöglichen. Eine „Farbe“, die 622 Mbit/s-fähig ist, bleibt
für MPG-Zwecke reserviert (ein weiterer Nutzer ist der DFN-Verein). Die Universität Potsdam
stellt der MPG ein Faserpaar zwischen ihren Standorten Neues Palais und Golm zur Verfügung. Im
Rahmen der Campus-Erschließung Golm hat die MPG eigene Fasern zum UNI-Standort Golm
installiert.
Angesichts der technisch und administrativ komplexen Streckensituation (MPG-Fasern GRZ – FUBibliothek, FU-Fasern Bibliothek – ZEDAT, LIT-Fasern ZEDAT – Rathaus Zehlendorf, LIT-Fasern
Rathaus Zehlendorf – UNI Potsdam/Babelsberg, WDM-Strecke UNI Potsdam/Babelsberg - UNI
Potsdam/Neues Palais, UNI-Potsdam-Fasern Neues Palais – Golm, MPG-Fasern UNI
Potsdam/Golm – MPG/Golm) konnte die ATM-Verbindung zwischen den Switches am GRZ und
am AEI überraschend zügig in Betrieb genommen werden. Anfangs auftretende Störungen in der
Verbindung konnten nicht eindeutig zugeordnet werden (Abstimmung der WDMs bzw.
Bauprobleme auf dem MPG-Campus Golm). Seit Mai 1999 läuft die Verbindung störungsfrei.
Die Anbindung an das ZIB erfolgt über eine relativ übersichtliche Strecke (GRZ – FU Bibliothek –
ZEDAT – ZIB). Nach Installation des ATM-Switches am ZIB konnte der Kontakt zum Switch der
GRZ ohne weitere Probleme hergestellt werden.
Anschluß der Gigabit-Workstation am FHI
Nach Lieferung des ATM-Interfaces für die SGI-Workstation am FHI war der Anschluß an den
lokalen ATM-Switch (im gleichen Gebäude) problemlos.
Ausblick
Für die unmittelbar folgenden Tage ist die Aufnahme des IP-Verkehrs zwischen den Standorten
IPP-Garching, ZIB, AEI-Golm und FHI vorgesehen.
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Anwendungen
III)
Im Berichtszeitraum hat die Projektgruppe in der Abt. Theorie des FHI die folgenden
projektbezogenen Teilschritte durchgeführt und abgeschlossen:
• Beschaffung der Grafik-Workstation im FHI
• Auswahl und Tests von Grafiksoftware
• Erstes Anwendungsbeispiel
Beschaffung der Grafik-Workstation im FHI
Die Auswahl und Beschaffung der lokalen Grafik-Workstation für die Visualisierung wurde mit
drei weiteren Beschaffungen (ZIB, AEI, RZG) im Rahmen des Gigabitprojekts koordiniert, wobei
Herr Hege (ZIB) die Federführung übernahm. Probleme ergaben sich zunächst bei der
Unterstützung des ATM-Interfaces durch die Hersteller (keine getesteten Treiber bzw. fehlende OSUnterstützung), wobei nach Verhandlungen mit verschiedenen Firmen (HP, Sun, SGI, Compaq) im
April 1999 vier SGI-Workstations Octane beschafft wurden. Die Beschaffung beinhaltet die ATMInterfaces (Firma Fore Systems) einschließlich Treiber-Software und Upgrades auf die neue
Generation der SGI-Grafikkarten (Z-CON, Lieferung voraussichtlich Anfang 2000). Im FHI wurde
eine vorläufige Workstation Ende Mai 1999 geliefert, Ende August wurde die R10000-IP28 CPU
gegen R12000-IP30 ausgetauscht und die ATM-OC12-Karte geliefert. Die ATM-Karte konnte
erfolgreich installiert und die Verbindung zum Switch des ZIP aufgebaut werden. Weitere
Verbindungen konnten bislang noch nicht getestet werden, da entsprechende Hard- und Software
bei den Partnern noch fehlt und außerdem die Organisation des IP-Adressraums noch zu klären ist.
Auswahl und Tests von Grafiksoftware
Im Hinblick auf den speziellen Einsatz (interaktive Visualisierung und grafische Steuerung von
Reaktionen an Oberflächen) wurden verschiedene Grafiksoftwarepakete zur Visualisierung
begutachtet und getestet. Der im FHI bereits an einer anderen Arbeitsgruppe vorhandene IRISExplorer erlaubt eine relativ einfache Programmierung durch Verknüpfung einzelner Module über
Pipes, die auftretende Datenströme gut veranschaulichen (siehe auch Beispiel unten). Die
Visualisierungssoftware IBM Data-Explorer steht seit Mai 1999 kostenlos als OpenSource zur
Verfügung. Sie konnte zwar schon erfolgreich installiert werden, jedoch steht eine genauere
Untersuchung ihrer Leistungsfähigkeit noch aus. Weitere Tests wurden mit einer Betaversion der
Visualisierungssoftware Amira (entwickelt am ZIB) durchgeführt. Amira basiert wie auch der IRISExplorer auf dem OpenInventor-Format (einem objekt-orientierten 3D-Toolkit, das auf OpenGL
aufsetzt) und ist bezüglich der Datenformate ähnlich. Die Software wird insbesondere für die
Visualisierung und Interaktion mit externen Programmen benutzt, z. B. im gemeinsamen GigabitProjekt von ZIB und AEI (Amira-Cactus). Daher bietet es sich für das weitere Vorgehen an, eine
Anpassung von Amira an das Programmpaket FHI98md durchzuführen (bevorzugt in Kontakt mit
der Entwicklergruppe am ZIB). Die mit dem IRIS-Explorer gewonnenen Erfahrungen können dabei
als Grundlage dienen. Insgesamt wurden die folgenden Grafiksoftwarepakete untersucht
•
•
•
Iris-Explorer (benutzt)
Amira (getestet)
BALSAC
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•
•
•
IBM Data-Explorer
diverse selbstprogrammierte Datenkonvertierungsfilter (Perl, Fortran, C, shell scripts)
diverse GNU- und FreewareTools (z.B. gifsicle, POV-Ray, gimp)
Erstes Anwendungsbeispiel
Beispielhaft für die zu erwartenden Anforderungen bei der zukünftigen interaktiven Visualisierung
wurde in einer Pilotstudie zunächst eine Visualisierung bereits vorhandener Ergebnisse
vorgenommen. Dabei handelt es sich um die Reaktion eines As2-Moleküls mit der GaAs(001)Oberfläche. Diese Reaktion stellt einen wichtigen Elementarschritt zum Verständnis der
Molekularstrahl-Epitaxie von GaAs-Filmen dar. Das Molekularstrahl-Epitaxie-Verfahren wird in
großtechnischem Maßstab benutzt, um Bauelemente zur Anwendung in der Hochfrequenz- und
Optoelektronik herzustellen. Für die Reaktion As2 - GaAs(001) haben P. Kratzer und C. Morgan
Elektronen- bzw. Zustandsdichten für typische Geometrien entlang von Modell-Reaktionspfaden
mit dem Elektronenstruktur-Programm FHI98md berechnet. Die Ergebnisse für einzelne
Geometrien wurden zu einer Animation zusammengefügt, wobei die Visualisierung mit dem IRISExplorer auf der Grafik-Workstation erfolgte.
In der Animation ist die Atomgeometrie als Ball-Stick-Modell - mit und ohne Elektronendichte und die Zustandsdichte als 2D-Grafik dargestellt. Die bei der Berechnung anfallenden Daten des
FHI98md-Programmes werden wie folgt konvertiert:
Fortran Ausgabe
FHI98md
fort.72 (binär)
fort.6 (ascii)
fort.6 (ascii)
Inhalt
Elektronendichte
Geometrie (Koordinaten)
Zustandsdichte
Eingabe
Visualisierungssoftware
XYZ3DData-Format
PDB-Format
Lattice-Format
Mit Hilfe des Iris-Explorer (Map Editor) werden die in der Tabelle aufgeführten Eingabedaten in
verschiedenen Modulen verknüpft und weiterverarbeitet, wie die Grafik in Abb.1 zeigt :
•
Abb.1 oben für die Elektronendichte, die vorher aus dem binären Format in ein ASCIIFormat konvertiert wurde (in diesem Beispiel auf einer separaten IBM-Workstation), um
dann in ein Isosurface-Lattice umgewandelt zu werden.
•
Abb.1 Mitte für die Atomgeometrien, die im PDB-Format eingelesen und via Colormap
farblich unterschieden werden.
•
Abb.1 unten für die Zustandsdichten für 2 verschiedene Orbital-Projektionen (4s- und 4pOrbital des Arsen).
Die aufbereiteten Daten werden dem Renderer (rechts in Abb. 1) übergeben.
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Abbildung 1: Iris Explorer Map. Datenfluß der Elektronendichte, Zustandsdichte, Atomkoordinaten
zum Renderer.
Im anschließenden Arbeitsgang werden die Bilddaten separat zu einer Sequenz zusammengefügt,
die dann zur Wiedergabe als Animation in verschiedene Formate umgewandelt werden kann (z. B.
in das animated GIF-Format).
Abbildung 2 zeigt ein Beispielbild aus einer der durchgeführten Animationen. Links unten ist das
Gerüst der Atome mit ihren chemischen Bindungen zu sehen. Rechts daneben wurde diese
Darstellung mit Flächen gleicher Elektronendichte (“Elektronenwolken” um die Atome) überlagert.
Das Diagramm rechts oben zeigt die energieaufgelöste Projektion der elektronischen Zustände auf
die Valenzorbitale eines Arsenatoms.
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Abbildung 2: Beispieldarstellung aus einer berechneten Animation, As2@GaAs (alpha
reconstruction).
Ausblick
Die hier gewonnenen Erfahrungen bilden die Grundlage für die interaktive Steuerung des
Programms FHI98md auf der Cray T3E in Garching. Die bisher erprobten Verfahrensweisen zur
Visualisierung können interaktiv genutzt werden, sobald die Hochgeschwindigkeitsverbindung zum
Rechenzentrum der MPG in Garching besteht.