Roman 3D / VR environnement interactif pour MD simulations, visualisation et d'analyse

La science des matériaux est un domaine interdisciplinaire qui examine les relations structure-propriété dans la matière pour leur application à de nombreux domaines de la science et de l'ingénierie. Comme les relations structure-propriété sont étudiées par des simulations informatiques, en plus de l'expérimentation, des outils informatiques offrent des caractéristiques complémentaires qui peuvent améliorer les efforts de recherche. Alors que les nanomatériaux sont d'intérêt pour les scientifiques et ont une valeur rédemptrice pour leur impact social potentiel, ce régime de taille se heurte à de nombreux défis trouvés notamment dans l'expérimentation.

Les simulations informatiques permettent aux scientifiques et ingénieurs d'effectuer des tests spécialisés dans une grande variété d'environnements limités seulement par le temps et les ressources de calcul. Dynamique moléculaire (MD) simulations permettent en temps opportun et des échelles de longueur d'étudier les phénomènes d'intérêt dans de nombreux nanomatériaux. Simulations développer l'étude des matériaux en éliminant les contraintes de til laboratoire de physique, mais de nombreux outils informatiques manquent accessibles, des interfaces intuitives pour la recherche. Amélioration de l'affichage graphique des modèles, algorithmes de calcul efficaces, et l'unité de traitement graphique (GPU) informatique basée compléter les efforts actuels de simulation. Ces nouveaux dispositifs graphiques combinent avec des unités centrales de traitement efficace pour permettre des calculs mathématiques intensifs à accomplir par le GPU. Il en résulte une accélération efficace de calcul de l'ordre de 10x accompagnée d'une réduction de la consommation de puissance allant jusqu'à 20x.

Le but de ce projet de recherche était de développer et mettre en œuvre un nouvel outil pour les enquêtes sur les nanosciences qui se connecte directement une interface interactive à des simulations MD, l'analyse en science des matériaux et la visualisation 3D. Ce système innovant avec des capacités uniques et puissantes analyse a été utilisé pour la recherche à l'échelle nanométrique et de l'éducation à l'UC Merced, avec des implications directes à d'autres rel domaines de la tige és tels que la nanotechnologie, la physique, la biologie et la géologie et bénéfice ultime à l'éducation et la société.

Le système de visualisation 3D / VR a été mis en œuvre à la fois comme un instrument de recherche et d'enseignement qui permet la création et la manipulation de structures atomiques dans une réalité virtuelle 3D interactive (VR) environnement. Le système a été créé à partir d'un ensemble de coût relativement faible et les composants accessibles suivant le modèle développé à l'origine par le Dr Oliver Kreylos à l'UC Davis ^1.

Ci-dessous une photo de la mise en page finale 3D / Système de visualisation VR, avec des composants importants marqués (Figure 1). Ce système a été initialement créé à des fins d'éducation à l'UC Merced en 2009. La mise en œuvre du système 3D d'origine / VR a donné lieu à des publications évaluées par les pairs ^2-3. Tableau 1 ci-dessous résume les principales caractéristiques pour chaque élément du système de visualisation 3D / VR.

Tableau 1. Fonctionnalité des principaux éléments du système de visualisation 3D / VR au UCM.

Description du système de visualisation 3D / VR et composants de base:

/ VR Visualisation Présentation du système 3D – La 3D / VR Visualization System se compose d'un ensemble de caméras infrarouges et un logiciel de suivi fonctionnant en liaison avec le logiciel de modélisation 3D pour permettre à un utilisateur de créer de façon interactive 3D des structures moléculaires. Les caméras et les logiciels IR suivre la position 3D d'une Wiimote et 3D lunettes de vision en utilisant des marqueurs infrarouges, et passent à présent le logiciel de modélisation. Le logiciel de modélisation utilise les signaux de commande Wiimote et le mouvement pour générer des structures moléculaires 3D visible en utilisant la combinaison d'un grand format de la télévision 3D avec des lunettes 3D synchronisés et à chenilles. Il en résulte un espace de travail 3D réalité virtuelle à l'intérieur de laquelle l'utilisateur peut créer et manipuler dynamiquement les structures moléculaires virtuelles qui reflètent le comportement physique du monde réel sur la base de forces inter-atomiques utilisés dans le logiciel de modélisation (figure 2). Considerati spécialesons pour la mise en place de ce système peut être trouvé dans les matériaux supplémentaires.

Figure 2. Étude nanomatériaux de silice en utilisant le système de visualisation 3D / VR. (A) Un chercheur crée un modèle de cristobalite initial (cristallin) avant simulations à base de GPU. (B) Lors de l'exécution d'une procédure simulée MD fondre trempe sur le modèle représenté en (a), un autre chercheur obtient un modèle de verre de silice (non cristalline). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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

Dynamique moléculaire des systèmes de simulation sont couramment mises en œuvre dans unMode multi-nodal, ce est une grande charge de travail est distribué ou parallélisée parmi des dizaines de milliers de processeurs. Récemment, des possibilités supplémentaires pour le calcul scientifique accélérée ont surgi sur l'évolution du traitement de l'infographie. Ces progrès incluent une interface logicielle permettant aux scientifiques de profiter de la nature hautement parallèle de la puissance de traitement intrinsèque à puces graphiques. Avec l'avènement de l'Unified Device Architecture Compute ou CUDA ^7, les scientifiques peuvent utiliser les GPU ⁸ pour améliorer la vitesse à laquelle les problèmes sont résolus, tout en réduisant le coût des infrastructures. Un GPU typique peut avoir l'équivalent de centaines de milliers de noyaux ou «nœuds» de traitement des informations, et comme ceux-ci peuvent être utilisés chacun en parallèle, une solution bien codée peut fournir jusqu'à 1,000x accélération débit contre son homologue multi-core . Bien que pas tous les problèmes est bien adapté à cette approche, simulations de DM actuelles ont vu jusqu'à 15x performances débit gagne ^9. Détails sur le système de visualisation MD-GPU amélioration 3D / VR peuvent être trouvés dans les matériaux supplémentaires.