Romanzo 3D / VR Interactive Environment per MD simulazioni, visualizzazione e l'analisi

La scienza dei materiali è un campo interdisciplinare che esamina le relazioni struttura-proprietà in questione per la loro applicazione a molti settori della scienza e dell'ingegneria. Come le relazioni struttura-proprietà sono indagati attraverso simulazioni al computer, oltre alla sperimentazione, strumenti computazionali offrono caratteristiche complementari che possono migliorare gli sforzi di ricerca. Mentre i nanomateriali sono di interesse per gli scienziati e avere un valore redentivo per il loro potenziale impatto sociale, questo regime dimensioni è irto di molte sfide presenti soprattutto nella sperimentazione.

Le simulazioni al computer permettono agli scienziati e ingegneri per eseguire esami specialistici in una grande varietà di ambienti limitati solo dal tempo e risorse computazionali. Dinamica molecolare (MD) simulazioni permettono momento opportuno e la lunghezza scale per studiare i fenomeni di interesse in molti nanomateriali. Simulazioni espandere lo studio dei materiali rimuovendo i vincoli di tegli laboratorio di fisica, ma molti strumenti di calcolo mancano accessibili, interfacce intuitive per la ricerca. Miglioramento con la visualizzazione grafica dei modelli, algoritmi computazionali efficienti, e unità di elaborazione grafica (GPU) based computing integrano gli sforzi di simulazione attuali. Questi nuovi dispositivi grafici si combinano con le unità centrali di elaborazione in modo efficiente per consentire calcoli matematicamente intensi per essere realizzato dalla GPU. Il risultato è un'accelerazione effettiva della computazione dell'ordine di 10x accompagnata da una riduzione del consumo di potenza fino a 20x.

L'obiettivo di questo progetto di ricerca è stato quello di sviluppare e implementare un nuovo strumento di indagine nanoscienza che si collega direttamente un'interfaccia interattiva per simulazioni MD, analisi scienza dei materiali e visualizzazione 3D. Questo innovativo sistema con capacità di analisi uniche e potenti è stato utilizzato per la ricerca su scala nanometrica e istruzione a UC Merced, con implicazioni dirette ad altre rel campi STAMINALI ato come le nanotecnologie, la fisica, la biologia, la geologia e, e ultimo beneficio per l'istruzione e la società.

Il sistema di visualizzazione 3D / VR è stato implementato sia come strumento di ricerca e di insegnamento, che permette la creazione e la manipolazione di strutture atomiche in un ambiente interattivo di realtà virtuale in 3D (VR). Il sistema è stato creato da un gruppo di relativamente basso costo e componenti accessibili secondo il modello originariamente sviluppato da Dr. Oliver Kreylos presso UC Davis ^1.

Qui di seguito è una foto del layout 3D finale / VR sistema di visualizzazione, con importanti componenti etichettati (Figura 1). Questo sistema è stato originariamente creato a fini di istruzione a UC Merced nel 2009. L'implementazione del sistema originale 3D / VR portato pubblicazioni peer-reviewed ^2-3. La tabella 1 seguente riassume le caratteristiche chiave per ogni elemento del sistema di visualizzazione 3D / VR.

Tabella 1. Funzionalità di elementi principali del sistema di visualizzazione 3D / VR a UCM.

Description 3D / VR sistema di visualizzazione e componenti di base:

3D / VR Visualizzazione Panoramica del sistema – Il 3D / VR Visualizzazione sistema è costituito da una serie di telecamere a infrarossi e software di monitoraggio che opera in combinazione con il software di modellazione 3D per consentire a un utente di creare in modo interattivo in 3D strutture molecolari. Le telecamere a infrarossi e software traccia la posizione 3D di un Wiimote e 3D occhiali visualizzazione utilizzando marcatori IR, e passare questo per il software di modellazione. Il software di modellazione utilizza i segnali di controllo Wiimote e il movimento per generare strutture molecolari 3D visualizzabile con la combinazione di un televisore a grande formato 3D-capable con occhiali 3D, sincronizzati e cingolati. Ciò comporta un lavoro 3D realtà virtuale entro il quale l'utente può creare dinamicamente e manipolare strutture molecolari virtuali che riflettono comportamento fisico del mondo reale basato su forze inter-atomici utilizzati nel software di modellazione (Figura 2). Considerati specialions per la creazione di questo sistema può essere trovato in materiali supplementari.

Figura 2. Indagare nanomateriali silice utilizzando il sistema di visualizzazione 3D / VR. (A) Un ricercatore crea un modello di cristobalite iniziale (cristallina) prima di simulazioni basati su GPU. (B) Dopo l'esecuzione di un MD simulato procedura sciogliersi-tempra del modello mostrato in (a), un altro ricercatore ottiene un modello di vetro di silice (non cristallina). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

3D / VR Visualizzazione Enhancement System – MD Simulation Capability:

Dinamica molecolare sistemi di simulazione sono comunemente implementati in undi modo multi-nodale, cioè, un grande carico di lavoro viene distribuito o parallelizzato tra decine di migliaia di processori. Recentemente, ulteriori opportunità di accelerare il calcolo scientifico sono nate dagli sviluppi nel settore della trasformazione computer grafica. Questi progressi comprendono un'interfaccia software che consente agli scienziati di sfruttare la natura altamente parallela di potenza di elaborazione intrinseca chip grafici. Con l'avvento della Unified Device Architecture Compute o CUDA ^7, gli scienziati possono utilizzare le GPU ⁸ per aumentare la velocità con cui i problemi sono risolti, riducendo i costi di infrastruttura. Una GPU tipico può avere l'equivalente di centinaia di migliaia di core o "nodi" per l'elaborazione delle informazioni, e come questi possono essere tutti utilizzati in parallelo, una soluzione ben codificato, può fornire fino a 1,000x accelerazione velocità contro la sua controparte multi-core . Anche se non tutti i problemi è molto adatto a questo approccio, simulazioni MD attuali hanno visto fino a 15x prestazioni di throughput guadagna ^9. Dettagli sul sistema di visualizzazione 3D / VR valorizzazione MD-GPU possono essere trovati in materiali supplementari.