Je leest:

Supercomputer op het bureau

Supercomputer op het bureau

Auteur: | 1 juni 2008

Onderzoekers van de universiteit van Antwerpen zijn erin geslaagd een desktop-pc te bouwen en te programmeren die hun wetenschappelijke berekeningen net zo snel uitvoert als een cluster van honderden pc’s.

Hoeveel rekenkracht kan je halen uit een desktop-pc? Onderzoekers van het Visielab van de Universiteit Antwerpen doen onderzoek op het gebied van beeldreconstructie. Daarvoor moeten zij regelmatig grote berekeningen uitvoeren, waarvoor een normale pc doorgaans weken moet rekenen. Om dit probleem aan te pakken, hebben zij een speciale computer ontwikkeld en geprogrammeerd, die de wetenschappelijke berekeningen net zo snel uitvoert als een cluster van honderden computers. Met deze super-pc, die voornamelijk bestaat uit hardware voor games en nog geen 4000 euro kost, kunnen zij berekeningen aan dimensionale beelden in een paar uur uitvoeren: meer dan 100 keer zo snel.

De super-desktop-pc

Grote berekeningen

De onderzoeksgroep, ASTRA genaamd, die deze razendsnelle computer ontwikkelde, is gespecialiseerd in het bedenken van nieuwe rekenmethoden voor tomografie (zie kader), een wiskundige techniek die onder andere gebruikt wordt in medische scanners om driedimensionale beelden van een patiënt te maken aan de hand van een groot aantal Röntgenstralenfoto’s, genomen onder verschillende hoeken.

Tomografie

Er zijn veel situaties denkbaar waar men erin geïnteresseerd is hoe een object er van binnen uitziet, zonder dat je het inwendige rechtstreeks kunt bekijken. Voor dokters kan het cruciaal zijn om voor een operatie over driedimensionale beelden van de patiënt te kunnen beschikken. In de halfgeleiderindustrie kunnen beelden van het inwendige van chips gebruikt worden voor controle op productiefouten in een vroeg stadium. Visualisaties van nanodeeltjes leiden tot waardevolle inzichten voor materiaalwetenschappers, en microbiologen zijn geïnteresseerd in driedimensionale beelden van menselijke cellen.

De techniek die gebruikt wordt om een driedimensionaal beeld van een object te maken, zonder dat het object uit elkaar wordt gehaald, heet tomografie. Het 3D-beeld (zie bijvoorbeeld de afbeelding links) wordt berekend uit een serie projectiebeelden, opgenomen vanuit verschillende hoeken (de afbeelding rechts is één zo’n projectiebeeld). Elk projectiebeeld komt overeen met een zekere kijkrichting. Als er veel projectiebeelden worden opgenomen, vanuit verschillende hoeken, zal elk beeld weer nieuwe informatie toevoegen over het object. Deze beelden kunnen dan worden gecombineerd tot een driedimensionaal beeld.

De meeste onderzoeksgroepen die zich bezighouden met tomografie richten zich op een specifieke toepassing, zoals medische beeldvorming of materiaal- wetenschap. Reconstructieproblemen uit verschillende toepassingen, en op verschillende schalen, hebben echter veel gemeenschappelijke kenmerken. De onderzoeksgroep ASTRA richt zich op het volledige bereik van reconstructie- problemen, op alle schalen. Omdat deze groep zich niet richt op een specifieke toepassing maar op de onderliggende wiskundige problemen, zijn deze onderzoekers in staat technieken te ontwikkelen die in meedere toepassingsgebieden kunnen worden gebruikt.

ASTRA ontwikkelt nieuwe reconstructietechnieken die leiden tot kwalitatief betere reconstructies dan klassieke methoden. Die technieken hebben echter een belangrijk nadeel: ze zijn bijzonder traag. Omdat de 3D-beelden waarmee wordt gewerkt erg omvangrijk kunnen zijn, kost het gebruik van geavanceerde reconstructiemethoden soms meerdere weken rekentijd op een normale pc.

Om de berekening van deze beelden vlot te laten gebeuren, kan bijvoorbeeld gebruik gemaakt worden van een cluster van honderden computers. Gebruik van een groot cluster heeft echter enkele belangrijke nadelen: een cluster is zeer duur (enkele miljoenen euro), is niet altijd beschikbaar, neemt veel ruimte in en vergt veel onderhoud.

ASTRA is een onderzoeksgroep die deel uitmaakt van het Visielab van de Universiteit Antwerpen. Het onderzoek van ASTRA richt zich op het hele spectrum van tomografieproblemen, op alle lengteschalen. Door de gemeenschappelijke problemen voorop te stellen, in plaats van de aandacht te richten op een specifieke toepassing, worden technieken ontwikkeld die in diverse toepassingsgebieden kunnen worden gebruikt.

FASTRA: een super-desktop-computer

Om ook zonder cluster de berekeningen te kunnen uitvoeren, ontwikkelde ASTRA een desktop-super-pc, FASTRA genaamd, met als belangrijkste bouwstenen zeer snelle grafische kaarten, die eigenlijk bedoeld zijn voor het spelen van 3D-games. Grafische kaarten blijken uitermate geschikt te zijn voor tomografie. Elke grafische processor (GPU) bevat 128 kleine processors die parallel kunnen werken. Door de GPU’s op deze kaarten slim te programmeren, kunnen zeer veel berekeningen gelijktijdig worden uitgevoerd. De FASTRA laat acht grafische processors tegelijkertijd werken. Hierdoor kan dit systeem even snel rekenen als 350 standaardprocessors samen.

Dit filmpje illustreert hoe een CT-scan wordt gemaakt van een simulatiepatiënt (eigenlijk een speelgoed figuur). Nadat alle Röntgenstralenbeelden zijn opgenomen, worden deze ingevoerd in een reconstructie-algoritme. Het algoritme berekent een driedimensionaal beeld van de patiënt op basis van alle tweedimensionale Röntgenstralenbeelden. Nadat het 3D-beeld is berekend, kan het op verschillende manieren worden gevisualiseerd. Het is dan mogelijk om individuele doorsneden te bekijken.

Cluster van super-pc’s

Het Visielab is nu van plan een cluster van super-desktop-pc’s te bouwen, wat in de toekomst ‘real-time-reconstructie’ van grote 3D-beelden mogelijk moet maken.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 juni 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.