Tallknuserne på beregningsuniversitetet tar vitenskapen videre

Penn og papir er ut. Avanserte beregninger på superraske datamaskiner er nå blitt helt nødvendig for å drive vitenskapen videre.

DYPTGRIPENDE  UNDERVISNINGSREFORM: Professorene Morten Hjorth-Jensen (til venstre), Knut Mørken, Hans Petter Langtangen og Anders Malthe-Sørenssen står bak den dyptgripende reformen og den største endringen av realfagsundervisningen siden 1950-tallet. Studentene får nå allerede fra første semester innblikk i hva som skjer i forskningsfronten ved å bruke programmering og numeriske metoder til å løse matematiske problemer. Foto: Yngve Vogt.

Uten tungregning stopper vitenskapen. Beregninger i datamaskiner kan erstatte eksperimenter som enten hadde vært for farlige, for dyre eller umulige å gjennomføre i virkeligheten,  forteller seksjonssjef Hans Eide, som har ansvaret for tungregningen ved Universitetet i Oslo.

Beregninger gjør det mulig å forstå alt fra hva som skjer hvis en meteoritt skulle treffe jorda, til hvordan det er mulig å lage sikre atomkraftverk og hvordan geologien har endret vår verden.

– Beregninger har endret mye av vitenskapen de siste 50 årene og åpnet muligheten til å forstå langt mer av kompleksiteten i naturen, forteller professor Anders Malthe-Sørenssen på Fysisk institutt og Senter for geologiske prosessers fysikk.

Noen av beregningene er så omfattende at forskerne må ty til universitetets tungregnemaskin Abel. Abel består av en klynge med 10 000 regneenheter. Det betyr at beregningene på tungregnemaskinen kan gå 10 000 ganger fortere enn på PC-en din, og at en beregning som hadde tatt to måneder på PC-en din, kan gjøres unna på ni minutter.

Ledende i beregninger

Tunge beregninger har vært drivkraften i de fleste sentrene for fremragende forskning ved UiO de siste ti årene.

– Innen beregningsorientert forskning og utdanning ligger UiO meget godt an internasjonalt. Dette er et glimrende utgangspunkt, da vi vet at beregninger i ulike former vil bli enda viktigere i forskning og utdanning i årene som kommer, poengterer dekan Morten Dæhlen på Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet.

Beregninger er ikke viktige bare i realfag og medisin, men kan også bli viktige for å løse store problemer innen samfunnsøkonomi og psykologi.

Molekylær forståelse av livet

Innenfor livsvitenskap, den nye vitenskapsgrenen som skal gi en molekylær forståelse av all biologi, er nettopp beregninger en av de viktigste ingrediensene.

Professor Nils Chr. Stenseth på Senter for økologisk og evolusjonær syntese (CEES) har vært en foregangsmann blant biologene. Han har allerede i en årrekke brukt tungregninger til å løse problemer innenfor genetikk og evolusjon.

– Vi er nå inne i biologiens århundre. Vi vil bruke beregninger til å løse grunnleggende, biologiske spørsmål, knyttet til gener, i en evolusjonær sammenheng, forteller Nils Chr. Stenseth.

– Takket være den nye sekvenseringsteknologien kan vi gjøre ting på en helt annen måte i dag enn for bare noen tiår siden. Når vi analyserer hele genomet, genereres det enorme mengder med data. Det er umulig å håndtere disse dataene uten tungregnemaskiner. Programvaren er ingen hyllevare. Statistikere må ta doktorgraden for å løse problemene våre, sier professor Kjetill S. Jakobsen på CEES.

Uløst problem

Selv om biologene med avanserte bioinformatiske og matematiske metoder klarer å finne nye irrganger i genomet, påpeker professor Hans Petter Langtangen ved Senter for biomedisinske beregninger at beregningsvitenskapen fortsatt er i startgropen.

– Et av de største uløste problemene innenfor beregningsvitenskap er multiskala-modellering.

En multiskalamodell kobler sammen modeller med ulike lengde- og tidsskalaer.

Et eksempel er modellering av hjertet. Det som skjer i nanometerskala, altså det som skjer i så små områder som en milliontedels millimeter, påvirker hele hjertet. Og det som skjer i hele hjertet, påvirker biologien på nanonivå.

Det mest ekstreme eksemplet er simulering av nøytronstjerner, den siste krampetrekningen til døende stjerner. Det som skjer i atomskala, påvirker hele den ti kilometer brede stjernen. Og det som skjer i stjernen som helhet, påvirker det som skjer i atomskala.

– Vi skulle gjerne hatt en så kraftig datamaskin at den kunne ta hensyn til alle atomene i hele stjernen, men det er ikke praktisk mulig. Vi kan ikke vente på større maskiner. Vi trenger derfor et matematisk gjennombrudd som kobler de ulike skalaene sammen. Dette er spesielt viktig innen livsvitenskapen, der en atomær og molekylær forståelse må kobles sammen med den fysiologiske funksjonen i hele organer, poengterer Hans Petter Langtangen.

Raskere datamaskiner

Noen av beregningene tar flere uker på tungregnemaskinen. Den teknologiske utviklingen går så fort at den to år gamle tungregnemaskinen på UiO må byttes ut allerede om to år.

– Såfremt vi får like mye penger til den nye maskinen, som vi fikk til dagens maskin, vil den kunne utføre en billiard tallberegninger i sekundet. Det er fire ganger raskere enn i dag, sier Hans Eide.

Hans Petter Langtangen ser frem til enda kraftigere datamaskiner.

– Det er usikkert hva som blir den neste generasjonen superdatamaskiner, kalt exascale-maskiner. Maskinen vil bli tusen ganger raskere, men da trengs det helt ny teknologi, som foreløpig bare er i startgropen, sier Langtangen.

Den nye maskinen må kunne håndtere en milliard beregninger samtidig. Det er hundre tusen ganger mer enn hva dagens tungregnemaskin på UiO klarer.

– Når vi skal lage en enda bedre maskin enn exascale, må vi tenke fullstendig nytt og lage en biocomputer som ligner på hjernen. Hvis vi forstår mer av hjernen, kan vi kanskje lage datamaskiner som kan simulere alle atomene i en nøytronstjerne. Det kan bli det virkelig store gjennombruddet, håper Langtangen.

Verdensledende undervisning

UiO er lengst fremme i verden med å bruke beregninger i undervisningen på lavere grads studier. Undervisningsmetoden kalles Computing Science in Education (CSE) og går ut på at studentene allerede fra første semester lærer å bruke programmering og numeriske metoder til å løse matematiske problemer.

– Senere i studiet brukes metoden til å løse relevante og realistiske problemer fra forskning og næringsliv, forteller primus motor for CSE, professor Knut Mørken på Institutt for informatikk.

Ett eksempel er å bruke numeriske beregninger til å lære mer om gravitasjonskraften. Den gangen da studentene måtte løse oppgaver med papir og blyant, kunne de bare studere gravitasjonsloven med kuler som renner nedover et skråplan.

På fysikk-kurset til førsteamanuensis Arnt Inge Vistnes kan studentene allerede første semester laste ned data fra NASA og regne ut bevegelsen til jorda og til kometen 67P/Tsjurjumov-Gerasimenko, som romfartøyet Rosetta nettopp landet på, for å finne ut av både når jorda er nærmest kometen og når kometen er nærmest solen.

– Beregningene kan brukes til å forenkle det pedagogiske, fremhever Anders Malthe-Sørenssen.

Frem til i dag har undervisning i beregninger først og fremst vært viktig innenfor de harde realfagene, slik som matematikk og deler av fagene informatikk, fysikk, astrofysikk og geofysikk. Nå kommer de øvrige realfagene etter, deriblant biologi.

– Nå skal det bli et tydelig innslag av beregninger fra dag én, gjennom hele biologistudiet. Studentene kan da bruke statistikk og matematikk til å lære mer om komplekse problemstillinger i biovitenskap. Dette er nødvendig for at studentene skal få innpass i forskning og næringsliv. Når vi trekker inn beregninger og programmering, gir vi studentene dessuten muligheten til å utforske faget på en kreativ måte, forteller Knut Mørken.

Svake i matematikk

Professor Tom Andersen på Institutt for biovitenskap er ansvarlig for innføringen av den nye undervisningsmetoden i biologi i 2016.

– Vi har stått overfor den paradoksale situasjonen at biologisk forskning er beregningstungt, mens utdanningsløpet vårt fremdeles er beregningslett. I den nye biovitenskapsutdanningen på UiO har vi prøvd å gjøre noe med dette ved å innføre programmering og numerisk modellering allerede fra første semester, og la disse ferdighetene gjennomsyre flest mulig av kursene videre. Vi tror at denne undervisningen i biovitenskap kan bli lagt merke til internasjonalt, sier Tom Andersen.

Hjerneforsker, førsteamanuensis Marianne Fyhn på Institutt for biovitenskap ser frem til den nye undervisningsmetoden.

– Studentene våre i biovitenskap er svake i matematikk, men vi gjør dem en bjørnetjeneste om vi ikke gir dem tilstrekkelig beregningsorientert kompetanse. Målet vårt er ikke at biologistudentene skal bli de beste programmererne, men vi ønsker at studentene skal få så god forståelse av programmering og matematiske modeller at de både kan snakke med beregningseksperter og være i stand til å forstå og være kritiske til modellresultatene. Når studentene må forholde seg til beregninger gjennom hele studiet, vil de få denne innsikten, poengterer Marianne Fyhn.

Av Yngve Vogt
Publisert 28. jan. 2015 09:31 - Sist endret 29. jan. 2015 13:57
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere