simulador eletromagnético em um ambiente de grades computacionais

Simulador Eletromagnético em um

Ambiente de Grades Computacionais

Autor: Igor José Ferreira de FreitasOrientador: Hugo Enrique Hernández FigueroaCo-Orientador: Marli de Freitas Gomes Hernández

Roteiro Motivação Contexto do trabalho Objetivos Grades Computacionais Modelador Básico Pós-Processamento Integração Grades x SSAR-BR Exemplo de Uso – SSAR-BR Resultados & Validação Conclusões Trabalhos Futuros

Motivação

Demanda por sistemas de grande porteAlto poder computacional:

Advento das redes ópticas > elevada precisão > melhor refinamento das malhas > Alta carga computacional

Baixo custoReutilização de Software e HardwareAcesso remoto aos recursosPadronização no desenvolvimento

Contexto do trabalho

Parceria efetuada entre CPqD e FEEC/DMO Desenvolvimento de um software (SSAR-BR) para a simulação das emissões

eletromagnéticas de terminais móveis celulares e outras fontes de radiação, tais como equipamentos de radiofreqüência e antenas, sendo uma ferramenta de suporte ao projeto e desenvolvimento destes equipamentos.

Validação dos resultados produzidos pelo software de simulação desenvolvido neste plano de trabalho no Laboratório de Absorção e Dosimetria (LAD) do CPqD

Contribuição desta tese: Ambiente de Grid, Pré e Pós-Processamento

Objetivos

Implementação do middleware UNICORE 6 Modelador Básico Pós-Processamento Foco na Engenharia e Arquitetura de

Software Reutilização de Software e fácil acoplamento

Grades Computacionais

Definição Um sistema atuante na integração, virtualização

e gerenciamento de serviços e recursos em um ambiente distribuído, heterogêneo e que interliga um conjunto de usuários definidos como Organizações Virtuais (VO) em domínios organizacionais e tradicionalmente administrativos (organizações reais).

Grades Computacionais Relacionado a:

Computação Orientada a Serviços Componentes Reusabilidade Ambiente Heterogêneo Produto de Software

Serviços Web Padrão de Integração XML: Classificação dos dados WSDL (WS Definition Language): Descrição dos Serviços UDDI (Universal Description, Discovery and Integration): Listagem de

Serviços Interoperabilidade

Grades Computacionais

Relacionado a: Open Grid Service Architecture (OGSA)

Padrão de desenvolvimento aberto Módulos fracamente acoplados Gerenciamento de Organizações Virtuais Gerenciamento de Serviços Gerenciamento de Tarefas

Grades Computacionais Padrão já estabelecido para

integrar softwares/pesquisas

Pesquisador Unicamp

Cluster X

Pesquisador Externo

Grades Computacionais Por quê ?

Alta demanda não atendida por sistemas de Clusters Sistemas Distribuídos Padronização

Como se insere neste trabalho ? Uso do middleware UNICORE 6 Plataforma para encapsulamento das aplicações Supre requisitos não funcionais deste trabalho:

Segurança Integração Padronização

Grades Computacionais Outros sistemas que utilizam Grades Computacionais

Chemomentum http://www.fz-juelich.de/jsc/grid/Chemomentum

Química Quântica Análise de Sequênciamento Genético Dinâmica molecular Outros

Viola http://www.viola-testbed.de/

Teste de equipamentos de redes ópticas e arquitetura de redes

Grades Computacionais

Grades C

omputacionais –

UN

ICO

RE

6

Pesquisadores

Outros Institutos

Cluster DMO

LE-45PC Linux

PC Windows

iMac

Empresas e Colaboradores

ServiçosJava

C/C++

Fotram

Grades ComputacionaisAMD Dual Core 2.4 GHz – 2 GB RAM

Intel Xeon 1GHz 2 GB RAM

Hub 10/100 Mpbs

• Instalação e Ambiente de Testes

Grades Computacionais• Workflow para uma simulação através do UNICORE 6

Envio de Arquivos

Envio / Execução de Job

Obter Resultados

Modelagem

Definição de Materiais / Geração de Malha

Modelador Básico Etapas da simulação Eletromagnética:

Pré-Processamento Processamento Pós-Processameto

Características do Modelador Básico: Arquitetura modular Usabilidade Manutenabilidade

Modelador Básico - Arquitetura

Modelador Básico Arquitetura

Interface Gráfica de Usuário

Gerenciador

Modelador Básico

Módulo Gerenciador Comunicação GUI x Mod. Básico Acesso e gerência das funções

desenvolvidas Responsável pelo workflow da

simulação

Modelador Básico Arquitetura

Módulo Gerenciador – Principais funções Gerenciamento Árvore Acesso à classe Requisição Serviços, classe

Gerenciamento Nucleo faz o controle Responsável pelo workflow da simulação Padrão Observer – Gerenciar eventos durante a simulação

Modelador Básico Arquitetura

Modelador Básico (classes em vermelho), Gerenciador (classes em verde claro) e a Interface Gráfica de Usuário (classes em laranja).

Modelador Básico Arquitetura

• Árvore de objetos

• Relatórios

• Geometrias

• Fontes

Modelador Básico Arquitetura – Estruturas dos Objetos Modelados / Importados

Modelador Básico Ambiente de Trabalho

Modelador Básico Gerador de Malha

Modelador Básico Simulador FEM

Modelador Básico Modelagem de Dispositivos

Dispositivos devem ser compostos de objetos, que satisfazem as seguintes condições:

• Deve ser formado unicamente por faces planas, definidas por três ou mais vértices;

• Nenhuma face do objeto pode cruzar a superfície de outra face do mesmo objeto;

• A superfície do objeto deve ser completamente fechada, isto é, o objeto deve possuir um volume bem definido;

• Cada aresta que compõe as faces do objeto deve ser comum a outra face do objeto, não sendo permitido que uma aresta seja comum a mais de duas faces do objeto.

• Além disso, deve possuir uma estrutura para armazenar o material que é composto (Permissividade, permeabilidade, condutividade e perda magnética, além da densidade específica)

Pós-Processamento

• Custo de Aquisição de Licenças

• Usabilidade

• Reuso de Código• Paralelismo• Web Services

Pós-ProcessamentoArquitetura – Módulo Pós-Processamento

•Faz conexão com o Módulo Mediador

Pós-ProcessamentoArquitetura – Módulo Pós-Processamento

Pós-Processamento SAR – Specific Absortion Rate – Região do Domínio Computacional

Diagrama de Sequência – Gráfico SAR

Pós-Processamento

SAR – Specific Absortion Rate – Região do Domínio Computacional

Superfície SAR gerada pelo Pós-Processamento

Pós-Processamento Propagação Eletromagnética no Tempo – Ponto de Referência

Diagrama de Sequência – Propagação Eletromagnética no Tempo

Pós-Processamento

Propagação Eletromagnética no Tempo – Ponto de Referência

Propagação do Campo Eletromagnético

Pós-ProcessamentoFilme 2D

Diagrama de Sequência – Filme 2D

Pós-ProcessamentoVisualização de Imagens de Ressonância Magnética

a) Imagem de ressonância magnética tratada e redimensionada em 256x256b) Arquivo de IRM Visualizado no Software.

a)b)

Integração SSAR-BR x Grades

• Gerenciador de Arquivos – GPE File Manager

Integração SSAR-BR x Grades

• Determinando tempo de simulação através do GPE-Client

Integração SSAR-BR x Grades

• Simulação remota em andamento

Integração SSAR-BR x Grades

• Simulação remota em andamento

fdtd3d.exe

Integração SSAR-BR x Grades• Workflow para uma simulação através do UNICORE 6

Envio de Arquivos

Envio / Execução de Job

Obter Resultados

Modelagem

Definição de Materiais / Geração de Malha

SSAR-BR

Grades

Exemplo de Uso – SSAR-BR

• Inserir ao menos uma geometria e definir suas propriedades

eletromagnéticas;

• Inserir fonte eletromagnética;

• Inserir algum relatório de interesse para a visualização no pós-

processamento;

• Gerar a malha do domínio computacional.

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Tela Inicial – Escolha de Projeto

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Área de Trabalho

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Inserção de um cilindro para a representação de um braço do dipolo

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Editar propriedades das geometrias criadas ou importadas.

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Representação geométrica do dipolo

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Cadastrar novo material para associar com as geometrias

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Cadastramento de fontes eletromagnéticas.

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Cadastramento de fontes eletromagnéticas

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Fontes Eletromagnéticas na cena de simulação

Exemplo de Uso – SSAR-BR

Geração e visualização da malha para simulação

Resultados & Validação•Dois testes de validação:

• O objetivo desse teste é de validar os cálculos de SAR frente a algum resultado apresentado na literatura.

• 1º Comparativo com:

M. Siegbahn, C. Törnevik, Measurements and FDTD Computations of the IEEE SCC 34 Spherical Bowl and Dipole Antenna, Ericsson, 2002.

Resultados

Representação do setup experimental para analisar SAR .

Resultados

Modelo do recipiente de testes SAR modelado no 3D Studio® e importado para o SSAR-BR.

Resultados

Malha do recipiente elipsóide modelado pela equipe do CPqD

Resultados

Comparativo do máximo da SAR em simulações sem o recipiente. O plano 1 está a 2mm da base.

Resultados

Comparativo do máximo da SAR em simulações sem o recipiente. O plano 2 está a 4 mm da base.

Resultados

Comparativo do máximo da SAR em simulações sem o recipiente. O plano 3 está 6 mm da base.

Resultados

Comparativo do máximo da SAR em simulações sem o recipiente. O plano 4 está 8 mm da base.

Resultados

• Avaliação de interesse está em comparar a SAR na região do líquido, como (mesma forma do CPqD)

a) Medido [2], b) Simulado FDTD [48]

Resultados

c) Simulado com o FDTD 3D desenvolvido

Conclusões

• Desenvolvimento da Arquitetura do SSAR-BR

• Pré e Pós Processamento

• Uso de Grades Computacionais• Compartilhamento de Recursos• Infra-estrutura para simulação em concorrência e/ou paralela

• Escassez de Software para Modelagem e Visualização de Resultados

• Flexibilidade e Reusabilidade• Integração com outros softwares desenvolvidos pelo DMO

Trabalhos Futuros• Implementação de um gerador de vídeos de duas ou três dimensões em paralelo, pois, dependendo do domínio computacional a ser modelado e a quantidade de passos de tempo utilizado no método FDTD, o Pós-Processamento torna-se inviável computacionalmente ou despende-se muito tempo para geração destes vídeos.

• Incrementar o Pós-Processamento para a criação de outros tipos de gráficos inerentes ao método FDTD.

•Incrementar recursos avançados ao Modelador Básico como, por exemplo, ferramentas de modelagem e triangularização de geometrias irregulares em três dimensões.

Trabalhos Futuros• Integrar o ambiente de Grades Computacionais ao software SSAR-BR para que seja possível enviar uma cena de simulação automaticamente aos Clusters previamente configurados pelo usuário. Estes poderão estar localizados no próprio departamento ou em outros institutos que utilizem um middleware compatível com o UNICORE 6.

Artigos publicados:1. Igor J. F. Freitas, Carlos H. Silva-Santos, Hugo E. Hernández Figueroa, Grid Computing to Improve Performance and Management of Distributed Electromagnetic Applications, In: Proceedings of the Mediterranean Microwave Symposium (MMS200 ) Moroccan, Tangiers Nov-2009  2. Carlos H. Silva-Santos, Igor J. F. Freitas, Marcos S. Gonçalves, Leonardo A. Ambrosio, Rafael M. Buck, Johnny Ng, Hugo E. Hernández-Figueroa, Antonio Marini de Almeida, and, Marli de Freitas Gomes Hernández, New Three-dimensional Multiplatform Electromagnetic Simulator to Analyze Biological Effects, In: Proceedings of the Mediterranean Microwave Symposium (MMS2008)Damascus, Syria Oct-2008  3. Carlos H. Silva-Santos, Igor J. F. Freitas, Rafael M. B. Godoy, Marcos S. Gonçalves, Marli G. F. Hernández, Hugo E. Hernández-Figueroa, Efficient Three-dimensional Multiplatform Electromagnetic Simulator to Analyze Biological Effects, In: International Microwave and Optics Conference, IEEE, 2009. 

Perguntas

Apoio Financeiro:

•Contato: igorj@dmo.fee.unicamp.br