Роман 3D / VR Интерактивная среда для МД, визуализации и анализа

Материалы наука междисциплинарная область, которая изучает взаимоотношения структура-свойство в вопросе их применения во многих областях науки и техники. Как отношения структура-свойства исследованы с помощью компьютерных симуляций, в дополнение к экспериментам, вычислительные инструменты предлагают дополнительные возможности, которые могут повысить научно-исследовательских работ. В то время как наноматериалы представляют интерес для ученых и имеют определенной ценности для их потенциального социального воздействия, этот размер режима чревато многими проблемами, найденных в частности в экспериментирования.

Компьютерное моделирование позволяет ученые и инженеры для выполнения специализированных тестов в большом разнообразии условий, ограниченных только по времени и вычислительных ресурсов. Молекулярной динамики (МД) моделирование позволяют подходящее время и длина шкалы для изучения явлений, представляющих интерес во многих наноматериалов. Симуляторы расширить изучение материалов путем удаления ограничения тон физическую лабораторию, однако многие вычислительные средства отсутствуют доступные и интуитивно понятные интерфейсы для исследований. Повышение с графическим дисплеем моделей, эффективных вычислительных алгоритмов и графические процессор (GPU) на основе вычислений дополняют нынешние усилия моделирования. Эти новые графические устройства в сочетании с центральными процессорами эффективно, чтобы математически интенсивные расчеты должны быть выполнены на GPU. Результатом является эффективное ускорение вычислений порядка 10х сопровождается снижением энергопотребления до 20x.

Цель данного исследовательского проекта было разработать и внедрить новую инструмент для нанонауки исследования, которые непосредственно соединяет интерактивный интерфейс для МД, анализ Материаловедение и 3D-визуализации. Эта инновационная система с уникальными и мощными возможностями анализа был использован для наноразмерных исследований и образования в Калифорнийском университете в Мерсед, с прямыми последствиями для других отн ованные STEM областях, таких как нанотехнологии, физики, биологии и геологии, и главным образом в интересах образования и общества.

Система визуализации 3D / VR была внедрена и как научно-исследовательский и учебный инструмент, который позволяет создавать и манипулировать атомных структур в интерактивном 3D виртуальной реальности (VR) среде. Система была создана из множества относительно низкой стоимости и доступных компонентов в соответствии с моделью, первоначально разработанной доктором Оливером Kreylos Калифорнийского университета в Дэвисе ^1.

Ниже фото макета окончательный 3D / Система визуализации VR, с важными компонентов с пометкой (рисунок 1). Эта система была первоначально создана для образовательных целей в Калифорнийском университете в Мерсед в 2009 году реализация оригинального 3D / системы VR привело в рецензируемых изданиях ^2-3. В таблице 1 ниже приведены основные характеристики каждого элемента Visualization System 3D / VR.

Таблица 1. Функциональные основных элементов визуализации 3D-система / VR на ЦСМ.

Descriptioп 3D / VR Visualization System и основные компоненты:

3D / VR Визуализация Обзор системы – 3D / VR Система визуализации состоит из набора ИК-камеры и отслеживания программного обеспечения, работающих в сочетании с 3D-моделирования, чтобы пользователь интерактивно создавать 3D молекулярных структур. В ИК-камеры и программное обеспечение отслеживания 3D Местонахождение Wiimote и 3D просмотра очки с помощью ИК маркеры, и передать это программное обеспечение моделирования. Программное обеспечение для моделирования использует управляющие сигналы Wiimote и движение для создания 3D-молекулярные структуры можно просмотреть с помощью сочетания 3D-совместимый телевизор большого формата с синхронизированными и гусеничных 3D очки. Это приводит в 3D виртуальной реальности рабочей, в течение которого пользователь может динамически создавать и управлять виртуальными молекулярные структуры, которые отражают реальную физическую поведение, основанное на межатомных сил, используемых в программном обеспечении моделирования (рисунок 2). Специальные consideratiДополнения для создания этой системы можно найти в дополнительных материалах.

Рисунок 2. Исследование кремния наноматериалов с использованием системы визуализации 3D / VR. () Исследователь создает исходную модель кристобалита (кристаллическая) перед GPU на основе моделирования. (Б) При проведении процедуры расплава закалки имитация MD на модели, показанной на (), другой исследователь получает модель кварцевого стекла (не кристаллическую). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

3D / VR система визуализации Аксессуар – МД Возможности:

Молекулярная динамика системы моделирования, как правило, осуществляются вмульти-узловой мода, то есть большая нагрузка распределяется или распараллелены среди десятков до тысяч процессоров. Недавно, дополнительные возможности для ускоренного научных вычислений возникли из событий в компьютерной графике обработки. Эти достижения включают в себя программный интерфейс, позволяющий ученым воспользоваться высоко параллельного характера вычислительной мощности, присущего графических чипов. С появлением вычислительных Унифицированная архитектура устройств или CUDA ^7, ученые могут использовать графические процессоры ^8, для повышения скорости, при которой решаются все проблемы, снижая затраты на инфраструктуру. Типичный GPU может иметь эквивалент сотен до тысяч ядер или «узлов» для обработки информации, и как они могут друг быть использованы параллельно, хорошо закодированы решение может обеспечить до 1,000x пропускной ускорение по отношению к своему многоядерных коллегой , Хотя не каждый проблема хорошо подходит для такого подхода, в настоящее время МД видели до 15х пропускная производительность получает ^9. Подробная информация о системе визуализации повышения MD-GPU 3D / VR можно найти в дополнительных материалах.