Katalog

YENİ ARAŞTIRMALAR Yoğun sayısal hesaplamalarda yeni yönler Salım Çıracı* ızla ılerleyen bılım ve teknolojının araştırmalan her geçen gun karşımıza çözumu daha karmaşık problemler çıkarmaktadır Çok değışkenh optımızasyon problemlerıne, kompleks ve kaotık sıstemlere analıtık çozumler btılunamadığından yoğun sayısal yöntemlere başvurulmaktadır Bırkaç gunluk hava tahmınının yapılabılmesı ıçın çok kapsamlı denklemlerın sayısal olarak çozulmesı gerekmektedır Bır bolgede mılyonlarca yl suren petrol oluşum sureçlerını, bazı sosyal ve ekonomık olaylarda halk kıtlelerının darvanışlarını bılgısayarlarda modelleyerek tahmınler yapılmaya çalışılmaktadır Bılımsel amaçlı yoğun sayısa! hesaplamalar gunluk bılgısayar kullanımında buyuk bır ağııiığa sahıp bulunmaktadır I cak bılgısayarlarda devrım olarak nıtelendırılebılecek gehşmeler olmuştur Bılım çevrelerı bu gelışmelen çok yakından ızlemektedır Soz konusu gehşmeler sayesınde, 1000 kadar atomu ıçeren bır kumenın sıcaklığa bağlı olarak çeşıtlı denge konumlarında fızıksel özelhklerı ılk prensıplerden hassas olarak hesaplanabılmektedır Bu tur atom kümelen "makro" yapılan temsil edebılmekte ve katının kesıklı yapıdan sureklı ortama geçış bolgesınde bulunmaktadır Şımdıden buyuk molekullerın bırbırı ıle etkıleşmelerı, bazı bıyolojık ve kımyasal sureçler ve ılaçların atomsal tasarımları bılgısayarlarda modellenebılmektedır Yakın bır gelecekte ılerı teknolojıde kullanılacak krıtık krıstallerın polımerlerın atomsal yapı tasarımı ve ve teknolojık gelışmeye kalıcı katkılar yapıp uluslararası ün sahıbı olmuşlardır Yoğun sayısal hesaplar genellıkle hızlı ışlem ve genış bellek yeteneklerıne sahıp super bılgısayarlarda yapılmaktadır Bu bılgısayarlarda kullanılan devre elemanlarının kuçulerek 2005 yılında santımetrenın mılyonda bırı sınınna dayanacağı tahmın edılmektedır Bırtakım teknolojık gehşmeler sonucu ışlem hızları kademelı olarak artıp malıyetler de duşebılecektır Ancak kullanılmakta olan elektronık malzeme ıle mevcut teknolojının ışlem hızlannda buyuk sıçramalara ımkan tanıyacağı beklenılmemelıdır Bu nedenle fızıkçıler daha şımdıden geleceğın bılgısayarları ıçın gereklı olan yuksek ışlem hızını duşuk boyutlu yapay knstallerde, optık bılgısayarlarda, hatta molekuler elektronıkte aramaya yönelmışlerdır Bu arada yoğun sayısal hesapların gereksınim duyduğu yuksek ışlem hızı arayışı bılgıışlemde yenı bır kavramın doğuşuna neden olmuştur Paralel bıigıışlem veya " scalable computıng" denılen bu yenı kavramda bırbırlerıyle hızlı olarak haberleşebılen çok sayıda bılgısayar (ışlemcı) bır araya getirilmekte ve yapılacak ış eşıt parçalara bolunerek her parça bır bılgısayara yaptırılmaktadır Elımızde paralel çahşmaya uygun bır program varsa, bunu ornek olarak 18 işlemcıden oluşan bır sısteme yaptırılmakla, ışlem hızımız kuramsal olarak 18 mıslı artmaktadır Gıttıkçe kuçulup malıyetlerı ucuzlayan bılgısayarlar paralel bılgıışleme ortam hazırlamaktadır Küçuk sayıda ışlemcı ıle başlayıp ıhtıyaçlara göre yatay bır şekılde buyüyerek 512 işlemcıden oluşan bır sıstem buyukluğune erışebılmektedır Her buyume esnasında teknolojıdekı yenılıkler de paralel çalışan sıstemımızın bunyesıne gırebılmektedır Her ışlemcı kendı ıçınde ayrıca paralel ışleme olanak verebılecek şekılde tasarlanabıleceğınden gerçek ışlemcı sayısı hızla artabılmektedır Paralel bılgıışlem kavramı ve teknolojısının gelışmesı fızıkte çok parçacık hesaplarında gereken yuksek ışlem hızlannı sağlamakta, yoğun sayısal hesapla Süper bilgisayariar devrede malara yenı bır yon ve ıvme vermektedır Bır yıl ıçınde sayılan 500'e yaklasan unıversıte ve araştırma merkezı paralel bılgısayar edınırken, sayısal hesaplarda kullanılan büyuk programlar hızla paralel bılgıışleme uygun olarak yenıden yazılmaktadır Turkıye de bılgısayar yetersızlığı yuzunden yoğun sayısal hesaplamalara dayalı bılımsel çalışmalar yapan guçlu araştırma grupları oluşamamıştır Şımdı eğılımler dağıtılmış ("dıstrıbuted") bılgısayar sıstemlennden yana olduğundan her kullanıcı kendı yakınında bır ış ıstasyonu edınme yolunu seçmekte, hıçbır zaman buyuk hesapları yapacak bır bılgısayar kapasıtesı ve çalışma grubu oluşamamaktadır Bu nedenlerden öturu kendı başına yoğun sayısal hesaplama yapan araştımnacılarımızın elde ettıklen değerlı deneyımlerden de kayda değer bır bırıkım sağlanamamıştır Çeşıtlı bılım çevrelerı bugune kadar yanıtlanamayan sorulara yanıt bulmak ıçın bılgısayarda sayısal hesaplara dayalı buyuk projelerın hazırlığı ıçındedır DNA ıle ılgılı olarak şımdıden kuçuk olçeklı kuvantum mekaniğine dayalı hesaplar başlamıştır Modern biyolojlde "makro" duzeyde bırakılan problemler bır bır ele alınıp atomsal duzeyde çözulmektedır lleri teknolojide "nanoscıence" (10100 atom kumesı buyukluklerı ıle uğraşan bılım) malzeme tasarımı ve uretımınde ağırlık kazanmaktadır Mezoskopık ve fotonık fizikteki çalışmaların elektronığe yenı ve değışık bır yapı getıreceğı beklenmektedır Sadece bır kısmı ozetlenen bu gehşmeler bılım ve teknolojide yenı bır yonu göstermektedır Burada uluslararası duzeyı yakalayabılmek ıçın çeşıtlı hazırlıklar gerekmektedır öncelıkle lisansüstü programlarımız modern malzeme bılımınde (mekanık, optoelektronık ve bıyolojı) ve bılımsel amaçlı bılgıışlem uygulamalannda çok dısıplınlı çahşmalara olanak sağlamalıdır Ayrıca, kendı bılimsel araştırmalan yanında, dığer kuramsal ve deneysel gruplardan gelecek yoğun sayısal hesap ısteklerını ışbırhğı kapsamında karşılayabılecek uzmanların yonetımmde bır superbılgisayar merkezıne gerek görulmektedır Yenı paralel bılgısayar teknolojısı sayesınde böyle bır merkez çok buyuk kaynak harcamaya gerek kalmadan kurulabılmektedır Çeşıtlı gelışmış ulkelerde araştırma ıçın staratejık önem taşıyan superbılgısayar merkezlerı her geçen gun kapasıte ve sayıca artmaktadır Turkıye'de de yoğun sayısal hesaplar gerektıren bılımsel çahşmalara tahsıs edılecek ve konuda etkıleşım ve eğıtım ışlevlerını de yerıne getırcek bır merkezın oluşturulması, bu daldakı uzmanlık alanının ve bılımsel araştırma potansıyelımızın gelışmesıne katkı sağlayacaktır * Prof. Dr. Bilkent Ünlvarsttesi, Fen Fakültesi Dekanı Yeni gelişmelere bakış En kapsamlı yoğun sayısal hesaplar fızıkçe çok parçacık sıstemlerı uzerınde yapılmaktadır Elektron ve çekırdekten oluşan çok parçacık sıstemlerı, bellı temel etkıleşımler sonucu atomlardan başlayarak molekullerı ve katıları oluşturmaktadır Canlının temel yapı taşı olarak bılınen DNA da elektron ve çeşıtlı çekırdeklerın bırleşmesı sonucu oluşan dev bır moleküldur Yıllardır bu tür çok parçacık sıstemlerının oluşturduğu çeşıtlı yapıların kararlılığı ve atomsal yapı değışımlerının fızıksel ozellıklere etkısı bırçok araştırmada ılgı odağı olmuştur Altmışlı yıllardan bu yana bazı atom çıftlerının uç boyutta dızılmesınden oluşan yarııletken krıstallerı araştırmak amacı ıle yapılan yoğun sayısal hesaplar elektronık ve fotonık aygıtların gelıştırılmesınde önemlı rol oynamıştır Benzer şekılde kuvantum kımyasında gelıştırılen yöntemlerle çeşıtlı molekullerın yapısına ve kımyasal tepkımelerıne ışık tutacak bılgıler kazanılmıştır Kuvantum mekanığıne dayalı olarak yapılan bu hesaplarda ılerı duzeyde sayısal analız teknıklerı ve algorıtmalar kullanılarak çok değışkenlı dıferansıyel denklemler sayısal olarak çözulmekte, çok parçacık sıstemlerının atom yapısı, elektron dağılımı, enerjısı ve dığer fızıksel ozelliklerı hassas olarak belırlenebılmektedır Geçmışte fızık ve kuantum kımyasında yapılan bu tur hesaplar ıçın gereken bılgısayar zamanı atom sayısının kupu ıle orantılı olarak arttığından, çok sayıda atomu ıçeren sıstemlerın ıncelenmesı yapılamamaktaydı Ancak son yıllarda hem algorıtmalarda, hem de kullanıla Kullanıldığı bilim dallan testlennın laboratuvariar yerıne bılgısayar ekranlarında yapılabılmesı beklenmektedır Nıtekım, lazer uretılebılen bazı yapay knstallerın tasarımı bu şekılde gerçekleştırılmıştır DNA'nın atomsal ve elektronık yapısını anlamak ıçın kuvantum hesaplarının yapılması ve böylece bıyolojıde temel sorulann cevaplanabılmesı erışılebılecek bır hedef olmuştur artık Bılımde yaşanan bu devnm sonucu teknolojı de kabuk değıştırmektedır Eldekı malzemenın "makro" duzeyde ışlenıp urune dönuştürulmesı yerıne, malzemenın ısteğe göre atomsal du zeyde tasanmı oncelık kazanmaktadır Yukarıda sozu edılen yoğun sayısal hesaplamalar başlı başına çok dısıplınlı bır uzmanlık alanı olarak gelışmektedır Bu konuda çalışanların fızık, kımya gıbı kendı uzmanlık alanlarının yanı sıra, ılerı duzeyde bılgısayar programlama ve sayısal analız teknıklerını bılmelerı gerek mektedır Gunumuzde bırçok temel bılımcı, gelıştırdıklerı hesaplama yontemlen ve bılgısayar programlan ıle bılımsel 43772