MDシミュレーションのための新しい3D / VRインタラクティブな環境、可視化と分析

材料科学は、科学や工学の多くの分野への応用のための問題で構造 – 特性の関係を調べ、学際的な分野である。構造 – 特性関係は実験に加えて、計算機シミュレーションにより検討した結果、計算ツールは、研究活動を強化することができる補完的な機能を提供します。ナノ材料科学者に関心のものであり、その潜在的な社会的影響のための欠点を補う価値がありますが、このサイズの体制は、特に実験で見つかった多くの課題をはらんでいる。

コンピュータシミュレーションは、科学者やエンジニアが唯一の時間と計算リソースによって制限された環境の多種多様な専門的なテストを実行することができます。分子動力学（MD）シミュレーションは、適切な時間と長さは、多くのナノ材料への関心の現象を研究するためにスケールできるように。シミュレーションは、tの制約を除去することにより、材料の研究を拡大する彼は、しかし、多くの計算ツールは、研究のためにアクセス可能な、直感的なインターフェイスを物理研究室が不足している。モデルのグラフィック表示、効率的な計算アルゴリズム、およびグラフィカル処理ユニット（GPU）ベースのコンピューティングとの増強は、現在のシミュレーションの取り組みを補完する。これらの新しいグラフィックスデバイスは、数学的に集中的な計算がGPUによって達成することができるように、効率的に、中央処理ユニットと組み合わせる。結果は、最大20倍の消費電力の低減を伴う、10倍程度の計算の有効な加速度である。

この研究プロジェクトの目標は、直接MDシミュレーション、材料科学解析と3Dビジュアライゼーションに対話型インタフェースを接続しているナノサイエンスの調査のための新規のツールを開発し、実施することでした。独自の強力な分析機能を備えたこの革新的なシステムは、他のRELに直接影響し、UCマーセドでナノスケールの研究や教育のために使用されてきたそのようなナノテクノロジー、物理学、生物学、地質学、教育や社会への最終的な利益としてated STEM分野。

3D / VR可視化システムは、インタラクティブな3Dバーチャルリアリティ（VR）環境での原子構造の作成および操作を可能にする研究と教育楽器の両方として実装されました。このシステムはもともとUCデービス¹博士オリバーKreylosによって開発されたモデル以下の比較的低コストでアクセス可能なコンポーネントのセットから作成されました。

以下は、（ 図1）ラベルの重要なコンポーネントで、最終的な3D / VR可視化システムのレイアウトの写真です。このシステムは、もともと2009年にオリジナルの3D / VRシステムの実装はピアレビュー出版物^2-3の結果UCマーセドの教育目的のために設立されました。以下の表1は、3D / VR可視化システムの各要素のキーの特性をまとめたものである。

UCMでの3D / VR可視化システムの主要な要素の表1.機能。

Descriptio3D / VR可視化システムと基本コンポーネントのN：

3D / VR可視化システムの概要 – 3D / VR可視化システムは、IRカメラのセットで構成され、ユーザがインタラクティブに3D分子構造を作成できるようにモデラーと組み合わせて動作するソフトウェアを追跡する。 IRカメラおよびソフトウェアは、IRマーカーを使用してWiiリモコンや3Dビューイングゴーグルの3D位置を追跡し、モデリングソフトウェアにこれを渡す。モデリングソフトウェアは、同期化され、追跡された3Dメガネと3D対応大型テレビの組み合わせを使用して表示可能な3次元分子構造を生成するためにWiiリモコン制御信号と動きを使用する。これは、ユーザーが動的にモデリングソフトウェア（ 図2）で使用される原子間力に基づいて現実世界の物理的挙動を反映した仮想分子構造を作成し、操作することができ、その中の3Dバーチャルリアリティのワークスペースになり。特別consideratiこのシステムを設定するためのアドオンは、補足資料に見出すことができる。

3D / VR可視化システムを使用したシリカナノ材料の調査2.図 。 （a）の研究者は、GPUベースのシミュレーション前の初期クリストバライトモデル（結晶）を作成します。 （B）（A）に示したモデルでシミュレートされたMDは、溶融急冷を手順を実行する際に、別の研究者は、シリカガラスモデル（非結晶）を取得する。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

3D / VR可視化システムの強化-のMDシミュレーション能力：

シミュレーションシステムは、一般的に実装されている分子動力学マルチ結節ファッションは、つまり、大規模なワークロードは、プロセッサの数千に数万の間に分散​​または並列化されている。最近では、加速された科学的なコンピューティングのための追加の機会は、コンピュータグラフィックス処理の発展から生じている。これらの進歩は、科学者は、グラフィックスチップに固有の処理能力の高度並列性を利用することを可能にするソフトウェア·インタフェースを含む。計算統合デバイスアーキテクチャまたはCUDA ⁷の登場により、科学者は、インフラストラクチャのコストを低減しつつ、問題が解決される速度を高めるためのGPU ^8を使用することができる。典型的なGPUは、情報を処理するためのコアまたは「ノード」の数百から数千に相当するものを有してもよく、これらとして並列に使用することができ、十分に符号化されたソリューションは、マルチコア対応物に対するスループット加速度を1,000倍まで提供することができる。すべての問題は、このアプローチによく適していないが、現在のMDシミュレーションを15にまで見てきたxはスループット性能は^9を得る 。 3D / VR可視化システムMD-GPUの強化の詳細は補足資料に記載されています。