Silicon Graphics...............

"I chose the SGI Altix for one reason: speed," said Barry Bixler, a key member of the Aqualab Research and Development Team. "CFD is one of the most time-consuming, intensive number-crunching activities that you can use a computer for, and I can use all of the eight processors running in parallel on the Altix. When I was using a PC cluster, some jobs would take almost a week to run. I can now run similar jobs on the Altix overnight - start it off in the evening, wake up in the morning and it will be done. I get really good turnaround time and the fact that I can run a job overnight instead of having to wait a week, that's an incredible increase in my productivity."

Bixler, also an aerospace engineer, is now using the SGI Altix system to develop the next generation of FASTSKIN. Using the FLUENT CFD program, he is doing much more sophisticated analysis than ever before. "I have used the FLUENT program for several years now, and its stability and many features have allowed me to tackle a variety of fluid flow problems for Speedo. FLUENT runs extremely well on the SGI Altix, where all the time-critical number-crunching takes place, and when I get results, I just post-process them on my PC home computers," said Bixler. "We look at the speed and the direction of the flow, and where it leaves the body, and where it reattaches itself. And of course we're always interested to see where the skin friction drag is high, and where it is low."

Most competitive swimmers, male and female, wear some type of full body suit that either covers wrists to ankles, or sleeveless, with torso and legs covered; some prefer torso and a leg length to just above the knees. Speedo makes all the varieties and combinations, yet Bixler (and many others) believe athletes can swim faster in the longer suits because the suits streamline the body and channel the flow around the body, reducing drag. Amazing amounts of research go into the carefully designed fabrics and silhouettes of competitive swimwear. FASTSKIN material, for example, more closely resembles a shark's skin than human skin, down to the tiny riblets (ridges) on the surface.

CFD modeling shows how the water flows around the body. Different suits are designed for male and female athletes because CFD has determined there is a more separated flow, where the water actually leaves the surface of the swimmer, for females than males.

"The shared-memory architecture of the SGI Altix system, which speeds up the design process by shortening data access time and computational runs, is the perfect tool for complex CFD analysis, whether designing next-generation swimsuits, cars, airplanes or rockets," said Himanshu Misra, manager, engineering analysis segment, SGI. "As the growing numbers of SGI Altix HPC customers in all those fields know, speed of analysis is paramount in time to market and maintaining a competitive advantage."

Speedo is the world's leading swimwear brand. Founded in Sydney in 1928, Speedo is owned by Pentland Brands Plc and is distributed in over 170 countries around the world. Speedo has over 75 years of heritage and expertise in swimwear and equipment based in or near the water.

For more information about Speedo visit www.speedo.com.
For more information on FLUENT visit www.fluent.com.
View press release on FLUENT website www.fluent.com/about/news/newsletters/04v13i1/a1.htm

SILICON GRAPHICS | The Source of Innovation and Discovery™
SGI, also known as Silicon Graphics, Inc. (OTC: SGIDE), is a leader in high-performance computing. SGI helps customers solve their computing challenges, whether it's sharing images to aid in brain surgery, finding oil more efficiently, studying global climate, providing technologies for homeland security and defense, enabling the transition from analog to digital broadcasting, or helping enterprises manage large data. With offices worldwide, the company is headquartered in Mountain View, Calif., and can be found on the Web at www.sgi.com.

Silicon Graphics, SGI, Altix, the SGI cube and the SGI logo are registered trademarks, and CXFS and The Source of Innovation and Discovery are trademarks of Silicon Graphics, Inc., in the United States and/or other countries worldwide. Linux is a registered trademark of Linus Torvalds in several countries. Intel and Itanium are trademarks or registered trademarks of Intel Corporation or its subsidiaries in the United States and other countries. All other trademarks mentioned herein are the property of their respective owners.

Prof. Schultens Team bediente sich eines Teil der Ressourcen, die ein am NCSA (National Center for Supercomputing Applications) installiertes 1,024-Prozessorsystem ´SGI Altix 3700 Bx2´ für wissenschaftliche Aufgabenstellungen zur Verfügung hält. Der Altix-Hochleistungsrechner erlaubte dem Team, die Wechselwirkungsdynamik sämtlicher 1 Mio Atome über einen Zeitrum von 50 Nanosekunden hinweg zu simulieren - über eine Zeitspanne von 50 Milliardstel Sekunde, die sehr kurz scheint, jedoch nicht weniger als 50 Mio einzelne Zeitschritte umfasste, da es galt, die Atombewegung in winzigen Zeitabständen von einer Femtosekunde (1 Millionstel Nanosekunde) zu betrachten.

Im Lebenszyklus des Virus die Angriffspunkte erkennen
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Obwohl das Tabakmosaik-Virus so klein ist, dass Biologen es lediglich als Teilchen betrachten, erschließt sich mit ihm die Möglichkeit, einen Organismus so zu simulieren, wie er tatsächlich funktioniert, und damit ein weiterer Hoffnungsträger für die medizinische Forschung. "Die Simulation wird uns verstehen helfen, wie sich das Virus aufbaut und wie es zerfällt," erklärt Peter Freddolino, Mitglied der Forschergruppe. "Weil Aufbau- und Zerlegungsprozess zwei ganz wesentliche Schritte im viralen Lebenszyklus sind, könnte das Verständnis dieser Vorgänge zu einer Entwicklung von Wirkstoffen führen, die von grundauf darauf abzielt, die Viren an ihren Schwachstellen zu attackieren."

Der von den Illinois-Forschern untersuchte Tabakmosaik-Satellitenvirus befällt zwar ausschließlich Pflanzen, aber die Wissenschaftler gehen davon aus, dass hochkomplexe Molekulardynamik-Simulationen, ähnlicher Art wie jetzt auf dem SGI-System realisiert, bald auch der Entwicklung und Verfeinerung von Wirkstoffen für Tier und Mensch dienen werden.

Exzellente Einzelknoten-Leistung, effiziente MPI-Implementierung
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Das am NCSA installierte SGI-Altix-System erwies sich für die Simulationszwecke der Forscher als leistungsfähige, effizient und flexibel nutzbare HPC-Ressource. Trotz der Komplexität ihres High-Performance-Computing-Problems benötigten sie nur 50 Tage und einen Bruchteil der 1,024 Intel®-Itanium®2-Prozessoren des Systems. Die meisten Teilberechnungen kamen mit 256 Prozessoren und 128 GB Memory aus, so dass der große Rest der Maschine weiterhin für andere Projekte zur Verfügung stehen konnte. NAMD, der skalierbare Molekulardynamik-Code, mit dem die Forschergruppe arbeitete, verteilt Aufgaben über Prozessoren und Hauptspeicherplatz und lässt die Simulationsläufe ein Maximum aus den gerade benötigten Prozessor- und Memory-Ressourcen herausholen.

"Die Altix-Plattform hat exzellente Leistungsfähigkeit in der Einzelknoten-Konfiguration und bietet auch eine sehr effiziente MPI-Implementierung," sagt Freddolino, "zwei Faktoren, die das System sehr eigneten, um unsere Arbeit effizient durchziehen zu können."
(Bei der Einzelknoten-Konfiguration ergibt sich eine Ressource für Shared-Memory-Computing unter einer einzigen Betriebssystem-Instanz, bei der MPI-Implementierung eine Mehrknoten-Ressource für Distributed-Memory-Computing, so dass auch Codes, die für Cluster-Systeme geschrieben sind, hocheffizient nutzbar sind).

Schulten: "Ideal ist es, mit einer mächtigen Rechnerplattform zu arbeiten, die die Ergebnisse schnell und bei geringstmöglichem Aufwand produziert. Dann kann man sich auf den eigentlichen Zweck der Anstrengung, auf die zugrunde liegende Wissenschaft konzentrieren. Genau das macht uns das NCSA möglich." Schulten ist intensiver Nutzer von NCSA-Ressourcen seit Jahren.

US-Regierung unterstreicht Commitment für HPC-Ressourcen
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NCSA-Direktor Thom Dunning: "Die US-Bundesregierung bekräftigt ihr Commitment für HPC in Form einer Reihe bevorstehender größerer Ausschreibungen für Systeme, die nochmals erheblich umfangreicher sein werden, als die, die wir heute unterstützen. Zentren wie das NCSA sind aufgefordert, mit solchen Investitionen Bestmögliches zu schaffen, indem wir mit Anwendern wie Prof. Schulten und ganzen wissenschaftlichen Communities eng zusammenarbeiten. Wir haben neue Konzepte entwickelt, wie wir Supercomputing-Ressourcen zur Verfügung stellen wollen und den Wissenschaftlern letztlich passgenau das bieten können, was sie brauchen, um solche atemberaubenden Durchbrüche wie die jetzige erstmalige Simulation dieses kompletten lebenden Teilchens zu erzielen."

50 nsec Echtzeit-Dynamik offenbart merkwürdiges Pulsieren
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Viren sind zwar die kleinsten bekannten Organismen. Doch noch bis vor kurzem waren Moleküldynamik-Simulationen auf gesamt-atomarem Niveau bei einer dermaßen großen Struktur, wie sie hier beim Tabakmosaik-Virus gegeben ist, schlichtweg nicht durchführbar. Deshalb müssen sich Forscher oft begnügen, nur Teile eines symmetrisch aufgebauten Virus zu analysieren und Szenarien mit symmetrischen Randbedingungen zu studieren. Oder sie betrachten bei den Simulationsrechnungen lediglich kleinere Bestandteile des Virus oder auch die Gesamtstruktur bei geringerer Auflösung und vereinfachten Algorithmen.

Mit Hilfe des Altix-Systems konnten sich die Illinois-Forscher der Herausforderung stellen - um im Falle des Pflanzenvirus die vertrackten Mechanismen zu untersuchen, die im Zuge der Infizierung der Wirtszelle sowie bei seiner weiteren Reproduktion und Verbreitung ablaufen.

Anhand des simulierten 50 Nanosekunden langen Realzeitgeschehens konnten die Forscher ersehen, dass das Virus, das sich zunächst symmetrisch zeigt, in Wirklichkeit an der Proteinschale gemäß eines asymmetrischen Bewegungsmusters nach innen und außen stülpend pulsiert. "Wir beobachteten, dass sich jeder Teil der Viralstruktur nahezu für sich selbst bewegt," erklärt Physiker Anton Arkhipov, der mit Freddolino und Prof. Schulten seit Projektbeginn vor rund einem Jahr zusammenarbeitet. Die simulations-basierten Erkenntnisse stehen im Einklang mit Beobachtungen, die andere Forscher mit traditioneller Laborarbeit machten. Diese früheren Beobachtungen hatten die Forscher jedoch stets im Unklaren über die Ursachen für dieses merkwürdige Verhalten gelassen. Jetzt ist man dem Mysterium einen großen Schritt näher gekommen.

Biologisches Reverse-Engineering
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Das Projekt, über das das Wissenschaftsmagazin Structure im März berichtete, ist der erste erfolgreiche Fall des Biologischen Reverse-Engineerings eines kompletten Virus. "Der Ansatz des Reverse-Engineering geht zurück auf etwas, was wir von Ingenieuren lernten", erklärt Schulte. "Modelliere die Sachverhalte, die dich interessieren und lasse sie in schnellen Testläufen durch einen Rechner ´fliegen´ - um zu sehen, ob sie auf virtueller Ebene, in silicio, ebenso aussehen und ablaufen, wie in Realität, in vivo. Ein tiefreichendes analoges Verstehen der mechanistischen Eigenschaften anderer, komplexerer Viren dürfte, das versteht sich, zum weiteren Fortschritt der Medizin und zum Wohle der allgemeinen Gesundheit beitra

“Ich entschied mich für SGI Altix aus diesem einen Grunde: Geschwindigkeit,” erklärt Barry Bixler, der im Aqualab-F&E-Team eine der Schlüsselrollen inne hat. “CFD ist eine der zeitaufwändigsten, rechenintensivsten Aktivitäten, für die man einen Rechner einspannen kann, und hier, mit der Altix, stehen 8 Prozessoren zur Verfügung, die ich stets parallel nutzen kann. Als ich mit einem PC-Cluster arbeitete, pflegten einige der Jobs fast eine Woche zu laufen. Jetzt ist es möglich, vergleichbare Jobs über Nacht zu erledigen. Wir haben eine echt gute Durchlaufzeit, und die Tatsache, dass ich einen Job über Nacht erledigt bekomme, statt ein Woche lang auf das Ergebnis warten zu müssen, bedeutet eine enorme Produktivitätssteigerung für mich.”

Numbercrunching für CFD-Code ´Fluent´
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Bixler, Aerospace-Ingenieur, konzentriert sich mit dem Altix-System nun auf die Entwicklung der neuen FastSkin-Generation. Als CFD-Code nutzt er Fluent - und führt mit ihm jetzt sehr viel mehr raffinierte Analysen durch als je zuvor. "Ich arbeite mit dem Programm seit Jahren," erklärt Bixler. "Seine Stabilität und seine vielen Fähigkeiten haben mir erlaubt, für Speedo ein ganzes Spektrum von Strömungsproblemen zu lösen. Fluent läuft extrem gut auf dem Altix-System". Auf dem Altix-System findet das gesamte zeitkritische Numbercrunching, die eigentliche Simulationsrechnung statt. Die Ergebnisse der Simulationsläufe schaut sich Bixler dann auf seinem Home-PC an, wo er das Post-Processing durchführt.

Strömungen kanalisieren - und mit Riblets Bremsen lösen
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Fluid-dynamische Sachverhalte, Aspekte und Fragen, die für Speedo bei der Optimierung von Wettkampf-Dresses relevant sind und von Bixler mit den Simulationen transparent gemacht werden sollen:
"Wir schauen uns Geschwindigkeit und Richtung des Wasserflusses an, untersuchen, wo sich die Strömung vom Körper ablöst und wo sie sich wieder an ihn anheftet. Und natürlich sind wir stets daran interessiert, festzustellen, wann und wo viel Reibung an der Haut vorliegt, also viel Bremswirkung induziert wird, und wo und unter welchen Bedingungen die Reibung wiederum klein ist.”

Die meisten Wettkampfschwimmer, Männer wie Frauen, tragen heute Ganzkörperanzüge verschiedener Ausprägungen; sei es die Komplettform, die maximale Bedeckung vom Handgelenk bis zum Knöchel bietet, oder die ärmellose Variante, bei der nur Rumpf und Beine bedeckt sind; andere wiederum bevorzugen Rumpfbedeckung plus Beinbedeckung bis knapp oberhalb des Knies. Speedo stellt alle Varianten und Kombinationen her. Doch Bixler ist, wie viele Andere, überzeugt, dass Athleten in den längeren Anzügen schneller schwimmen können, weil die Anzüge den Körper in eine stromlinien-adäquatere Form bringen, und weil sie den Wasserfluss, der den Körper umgibt, gewissermaßen kanalisieren, d.h. auf günstigere Bahnen lenken können; beides führt zu weniger bremsendem Widerstand.

Ebenso wird bei der Wettkampfschwimmkleidung enorm viel Forschungsaufwand getrieben, um optimale Materiale und Textilstrukturen für die Anzüge entwickeln und gestalten zu können. So ähnelt das FastSkin-Material weitaus mehr der Haut eines Hais als der des Menschen - bis hin zu den winzigen Riblets, den rippen- oder noppenförmigen kleinen Erhebungen der Oberfläche.

CFD-Analysen haben zudem sichtbar gemacht, weshalb es angezeigt ist, für Männer und Frauen verschiedene Anzüge zu entwickeln. Neben den bekannten Größen- und Gestalt-Unterschieden der Geschlechter gibt es dafür nämlich auch sehr spezifische andere Gründe: Löst sich die Strömung von der Oberfläche des Schwimmers, vollzieht sich dies bei Frauen in vielen Fällen in ausgeprägterer Weise als bei Männern. Dies hatte man anhand von Aqualab-Daten in Verbindung mit den CFD-Simulationen feststellen können.