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| Abbildung 1: Iris Explorer Map
Datenfluß der Elektronendichte, Zustandsdichte, Atomkoordinaten zum Renderer |
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)
| ATM-Switch GRZ: | Fore ASX 1000 mit
622 Mbit/s-Interface zum ZIB 622 Mbit/s-Interface zum Anschluß der lokalen Workstation 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 – FU-Bibliothek, 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.
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 OS-Unterstützung), wobei nach Verhandlungen mit verschiedenen Firmen (HP, Sun, SGI, Compaq) im April 1999 vier SGI-Workstations Octane beschafft wurden. Die Beschaffung beinhaltet die ATM-Interfaces (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 IRIS-Explorer 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 IRIS-Explorer 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 Gigabit-Projekt 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:
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 IRIS-Explorer 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 Augabe-Datei fhi98md | Inhalt | Eingabe Visualisierungssoftware |
| fort.72 (binär) | Elektronendichte | XYZ3DData-Format |
| fort.6 (ascii) | Geometrie (Koordinaten) | PDB-Format |
| fort.6 (ascii) | Zustandsdichte | 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 :
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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).
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| Abbildung 2: Beispielbild aus einer berechneten Animation
As2@GaAs (alpha reconstruction) |
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.
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.