Datavetenskap. Att forska inom Datavetenskap Computing Science. Vad är vetenskaplig. och forskning? Datavetenskap-forskning

Transkript

1 Bo Kågströ 9/22/2004 Att forska ino Datavetenska Couting Science Kurs: Metoder och verktyg, Bo Kågströ Institutionen för Datavetenska och HPC2N Ueå universitet Datavetenska Brett änesoråde... Drivande kraft i IT-utvecklingen snabb och delvis oförutsägbar stor genoslagskraft och ofattande konsekvenser För forskningen stor flexibilitet och beredska att ta itu ed nya frågeställningar För utbildningen kursutbud och innehåll ständigt förnyas Vad är vetenskalig forskning? Systeatiskt arbete vars syfte är att utveckla väsentlig ny kunska so säkras ed hjäl av ateatiska eller eiriska etoder och baseras i den ån det är öjligt å änets senaste rön Finns flera definitioner: Stöld (1) Plagiat (2) Forskning (>2) Do not reinvent the wheel! Vad kännetecknar vetenska? Olika förslag till kriterier siktar å olika åltavlor: rodukten vetenskaliga ublikationer, vetenskalig kunska, raktiska resultat institutionen universitet och forskningsorganisation, forskarutbildning och -träning, traditionen, forskarsahället aktiviteten rocessen, etod(er) förhållningssättet attityd, ental verktygslåda Koling ellan grundutbildning och forskning? Grundutbildningen ska... vila å vetenskalig grund Svag tolkning: eddela vetenskaligt underbyggda resultat Stark tolkning: eddela också den vetenskaliga underbyggnaden och vari det vetenskaliga består vara forskningsankuten Nya rön tas u so kursoent Projektarbeten (exjobb) utförs i saarbete ed en forskargru Datavetenska-forskning Bredrivs ino ett brett sektru... AI-filosofi -> -> rogravara -> -> forella teoretiska studier Motiveras såväl av inovetenskaliga so tilläningsinriktade frågeställningar Flera ågående rojekt är ångdiscilinära och fakultetsöverskridande Flera internationella saarbetsrojekt (Norden, EU och USA) Saarbeten ed näringsliv (ABB, IBM, Oryx, Partek, Skanska,.fl.) Forskning ino Datavetenska/Couting Science 1

2 Bo Kågströ 9/22/2004 Couting Science Intelligenta beräkningar Kognitiva beräkningar Parallella beräkningar Teknisk-vetenskaliga beräkningar Progravarukonstruktion - kravhantering, återanvändning, Teoretisk datalogi - algebra och logik Datavetenskalig didaktik Medicinsk inforatik Bildbehandling och -analys Cognitive Couting Lab Lars-Erik Janlert, rofessor Anders Broberg, FD, univ.lektor Jerry Eriksson, FD, univ.lektor Thoas Pedersson, FD det kognitiva beräkningslaboratoriet studerar de kognitiva och beräkningsässiga asekterna av saselet ellan inforation, objekt och ersoner stödda och utökade ed odern inforationsteknik CCL saverkar ino raen för UCIT Cognitive Couting Lab ex forskningsinriktningar: Mobilitet t.ex. under vilka oständigheter kan oberoende obila enheter saverka för ett övergriande ål? Context Awareness autoatiskt saanhangsuttnyttjande (exvis osition) Cognitive Quality of Service kvalitet å kounikation och interaktion ätta ur kognitiv synunkt: är den god nog för de syften, de ugifter vi försöker lösa? Kognitiva verktyg ersonliga stöd för kunskasarbete Fysisk-virtuella gränssnitt överbrygga gaet ellan inforationsvärlden och den fysiska vardagsvärlden Huan-Idea-Object Interaction (HIOI) hur ska an integrera olika interaktionsöjligheter till en fungerande helhet? utveckla begre, teori och etoder för att koordinera och integrera den virtuella inforationsvärlden ed den fysiska och sociala vardagsvärlden Exeel aktuella rojekt BASTARD Bandwidth Adated Streaing Alication Research and Deo under vilka förutsättningar och i vilka forer kan an ed behållning ta del av t.ex. en fotbollsatch å avstånd och trådlöst ed en obil enhet? efair - Rikare ulevelser, ökat utbyte och ökad osättning å Mässor saarbete ed NOLIA, ingår i VITALsaarbetet (UCIT/UU, II, CDT/LTH) The Character of Things hur kan an underlätta handhavandet av kolexa syste Video + aniering vital Generering & transforation av träd-, graf-och bildsråk Frank Drewes, docent, univ.lektor Regelbaserade syste so beskriver ängder av träd, grafer eller bilder sat deras förändring å syntaktisk nivå Visuella (rogra)sråk och deras seantik Syntax-directed translation" Graatiker so genererar fraktaler och andra kolexa strukturer Prograsysteet Treebag Kolexitet och beräkningsbarhet Treebag bildgalleri Forskning ino Datavetenska/Couting Science 2

3 Bo Kågströ 9/22/2004 Intelligenta beräkningar Datadriven analys Mönsterigenkänning Bildanalys Adativa odeller Alikationsnära Tvärvetenskaligt Beslutsstöd Medicinsk diagnostik Finansiell ateatik IFOR Intelligenta Fordon Off-Road - Thoas Hellströ, FD, univ. lektor Utveckling av sei-autonoa och autonoa fordon för användning ino Skogsbruk Jordbruk Gruvindustri IFOR Intelligenta Fordon Off-Road Autono navigering för skogsaskiner )LQDQVLHULQJ 2.0 Mkr Partek Forest 3.2 Mkr Ueå University (2 ass. rof.) 4.5 Mkr Kee foundation (rofessor/assoc. rof.,phd student) 3.0 Mkr Kee foundation (roject: Autonoous Navigation) Medicinsk bildanalys och fraktaler Fredrik Georgsson, TD, univ.lektor Peter Wingren, docent, Mateatik Vissa naturliga fenoen uvisar secifika fraktala egenskaer Kan vi t.ex. kvantifiera tuörer i röntgenbilder.h.a. dessa? Finansiering: VR och tek-nat fakulteten Många naturliga forationer är fraktala Exeel Trädgrenar Floder Blodkärl Kustlinjer Parenky Moln Forskning ino Datavetenska/Couting Science 3

4 Bo Kågströ 9/22/2004 Hyotes 1 Parenkyet hos en tuör kan uvisa andra fraktala egenskaer än frisk vävnad Hyotes 2 Randen å en assförändring kan uvisa olika fraktala egenskaer Fraktala egenskaer i bilder öna roble Naturliga bilder är endast fraktala över vissa skalor, vid autono beräkning är det inte trivialt att bedöa vilka skalor so är relevanta Hur hantera olika intensitet i bilder? Olika estiat av fraktala egenskaer borde vara likvärdiga, en ger olika resultat Hur rojiceras fraktal inforation? (3D -> deforerad 3D -> 2D -> digital bild) RSA - Stereoröntgen Niclas Börlin, FD, univ.lektor Per-Åke Wedin, rofessor Röntgenstereofotograetri: etod för ätning av ikrorörelser (< 0.1 ) i skelett Prediktera långtidsöverlevnad av ilantat Modellering: lösning av viktade icke-linjära instakvadratroble Kulor i 3D avbildas å röntgenlåtar Stereoröntgen ed kalibreringsbur Forskning ino Datavetenska/Couting Science 4

5 Bo Kågströ 9/22/2004 Paraeter estiation robles in Radiostereoetric Analysis (RSA) Iage data showing a radiostereoetric arker Best odel fit. Center of arker is extracted fro otial araeter set. Teknisk-vetenskaliga och arallella beräkningar Mitt forskningsoråde... Proble och tilläningar ed stora behov av högresterande datorresurser beräkningskaacitet bearbetning och lagring av stora dataängder visualisering och VR... i stark utveckling - hand i hand ed den tekniska utvecklingen Skalbara och arallella datorsyste, etoder och rogravara... Realistiska odeller av verkligeten konstrueras och analyseras Produkter & syste utvärderas redan å designstadiet eller då verkliga försök är orealistiska eller oläliga Forskningsrocessen: odellering -> datorberäkningar -> visualisering -> analys ->... so koleent till teori och exerient! Forskningsoråden Nuerisk linjär algebra Otiering (rof. Per-Åke Wedin) Differential-algebraiska syste Parallella beräkningar Ex. tilläningsoråden Reglerteknik/teori Stereoröntgen - RSA Bioinforatik Realtidssiuleringar (Vista II) Växande behov av teori, etoder, algoriter & rogravara Forskningsgruen Bo Kågströ, rofessor, forsknings-/gruledare Ji-guang Sun, rofessor Fred Gustavson, adj. rof (IBM T.J. Watson Res. Cen) Erik Elroth, univ. lektor, forskarassistent Frederic Gyuoarc h, visiting ost doc Björn Adlerborn, forskningsass. Robert Granat, doktorand Jeanette Hargbo, doktorand (bioinforatik, UCMP) Isak Jonsson, TD, vik. lektor Pedher Johansson, doktorand Stefan Johansson, doktorand Claude Lacoursiére, doktorand Mikael Rännar, FL, adjunkt Externfinansierade rojekt Theory, Algoriths, and Tools for Couting Nearby Jordan and Kronecker Structures with Alications in Control Theory, VR: 1.0 MSEK ( /06) Hierarchially Blocked Algoriths and Otiized Low- Level Kernels for Dense Matrix Coutations on Meory-Tiered High Perforance Couting Systes, VR: 1.3 MSEK ( ) Matrix Pencil Coutations in Couter-Aided Control Syste Design: Theory, Algoriths and Software Tools, SSF raanslag: 7.5 MSEK ( ) Generic Grid Couting Research for Resource Manageent, Portals and Algoriths, VR: 2.0 MSEK ( ) SweGRID Forskning ino Datavetenska/Couting Science 5

6 Bo Kågströ 9/22/2004 Parallella beräkningar en saling rocessorer so kounicerar och saarbetar för att lösa ett stort roble snabbt! Gräva ett hål i arken: Kan alla roble lösas arallellt? Gräva ett dike: Ja Kan Parallelliseras? Nej Ja Kan Parallelliseras? Nej Kounikationsedia Databeroende: Kan en sten läggas var Ja so helst när so helst? Nej Design av arallella rogra Dataartitionering fördela data å de olika rocessorerna Kornighet storlek å de oberoende delarna so kan utföras satidigt fin-, grovkorning arallellitet Lastbalans se till så att alla rocessorer har saa last Shared Meory Architectures Alla roc. har access till ett globalt inne UMA, NUMA Access till det geensaa innet bus eller switching network Hårdvaran skalar inte bra för assiv arallellis Meory Meory bus/switching network P P P P P Distributed Meory Architectures Varjenod harsittegetlokalainne All kounikation via eddelanden och aket Beräkningar ycket snabbare än kounikation Hårdvaran skalar bra Network Mesh, ring, linear array, 2D-torus, 3D-esh 3D-torus, tree fat tree, hyerkub, star, vulkan switch, cube connected cycl oega, crossbar, etc,... Våra tjänster å nätet Föredlar inforation och kunska senaste forskningsresultaten Problelösningsiljöer (PSE) Du secificerar vad so ska göras (ej hur!) Vi levererar resultatet bästa etod/datorkraft kvantitativa och kvalitativa odöen Forskning ino Datavetenska/Couting Science 6

7 Bo Kågströ 9/22/2004 Niconet Webcouting Nuerics In COntrol NETwork Teatiskt nätverk, EU 17 artners (9 universitet, 7 företag) HPC2N, Ueå universitet Utveckla och utvärdera nueriskt tillförlitlig rogravara ino reglerteknik och dess ileentering i roduktionsteknologier HPC2N- HPC to North Nationellt koetenscentru för teknisk-vetenskaliga och arallella beräkningar Koetens- & driftsiljöutveckling Tillgodose behov av HPC-resurser Forskning och exerientell utveckling Visualisering & VR Seciellt ansvar för nya oråden Surfar i inneshierarkier... hos dagens datorarkitekturer PC -kluster-suerdatorer Sall, Fast registers cache local eory reote eory Large, Slow Miniera frakt av data i inneshierarkin Arkitekturevolution: HPC-syste ed ultila SMP-noder, flera nivåer av cacheinnen, och fler funktionella enheter er CPU Nyckel till restanda: förstå interaktionen ellan algorit och arkitektur Biblioteksrogravara - otierade byggblock för basala oerationer... bland andra hierarkiska strukturer Egenvärdesroble Fiolsträng En konstruktions hållfasthet (styvhet, elasticitet ) Ax = sx eller Ax = sbx s egenvärde, x egenvektor Hierarkier av Jordan- och Kroneckerstrukturer Orbit-hierarkier Forskning ino Datavetenska/Couting Science 7

8 Bo Kågströ 9/22/2004 Degeneration via konfluens Matrisen A:s kanoniska struktur (JCF) ger inforation o ett dynaiskt systes uförande (y (t) = Ay(t)) Att beräkna JCF är ett illa ställt roble då vi har flera lika egenvärden Konfluensvarning! In case of fire, do not use the elevator, use the stairs! Swallow Tail Matrisberäkningar och virtuella ru - introduktion Matrix Coutations and Virtual Saces Bo Kågströ Matrix Matrix Revisited Matrix Revolutions Matrix Coutations and Virtual Saces Matrix Matrix Revisited Matrix Revolutions Matrix Coutations and Virtual Saces Coing soon to a PC near you! Coing soon to a PC near you! Forskning ino Datavetenska/Couting Science 8

9 Bo Kågströ 9/22/ Vad är en atris? Matriser av diension 2x4, 4x4 och 4x2 Utdrag från definition å nätet: Vad är detta? A atrix is a two-diensional array or box of nubers or ore colicated things There are (easy) rules for adding or 4116 subtracting 5080 atrices of the sae shae and soeties (ore colicated) rules for ultilying or even dividing the. Några ionjärer ino atrisberäkningar Vi är också en atris! Från vänster: Ji Wilkinson, Wallace Givens, George Forsythe, Alston Householder, Peter Henrici och Fritz Bauer (1964, Gatlinburg, TN) Tilläningar av atrisberäkningar några sakrov Inforationssökning (textdokuent i digitala bibliotek, sökotorer för websidor) Datorgrafik (2D, 3D) Bildbehandling (datakoression, frekvensfiltrering) Hållfasthet i bro - konstruktion och analys (Tacoa Narrows Bridge, egensvängning ) Positionsnavigering ed GPS (otiering) Inforationssökning å internet-världens största atrisberäkning? Exeel å sökresultat Hur går en Googlesökning till? Google hittar alla hesidor so atchar alla sökorden i en fråga. Hesidorna listas i en ordning so bestäs av PageRank-algoriten (Larry Page, Sergey Brin - Googles grundare). Rankingen bestäs utifrån en n xn atris A so beskriver länkstrukturen å internet: A(i,j) = 1 hyerlänk från sida i till sida j (0 annars) n > (över 4 iljarder) A gles - udateras en gång i ånaden. PageRank är en egenvektor till en Markovrocess (x = ((1-c)/n E + ca)x, c = 0.9, otensetoden). Forskning ino Datavetenska/Couting Science 9

10 Bo Kågströ 9/22/2004 The End Tack för visat intresse! Forskning ino Datavetenska/Couting Science 10