home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1994 March / Internet Info CD-ROM (Walnut Creek) (March 1994).iso / inet / nren / hpca.1991 / kalos.txt < prev    next >
Text File  |  1991-04-14  |  18KB  |  327 lines

  1.                              TESTIMONY BY
  2.   
  3.   
  4.                           DR. MALVIN H. KALOS
  5.                     DIRECTOR, CORNELL THEORY CENTER
  6.   
  7.   
  8.             TO THE SENATE COMMITTEE ON SCIENCE, TECHNOLOGY,
  9.                                AND SPACE
  10.   
  11.   
  12.                HEARINGS ON S. 272, THE HIGH-PERFORMANCE
  13.                          COMPUTING ACT OF 1991
  14.   
  15.                         TUESDAY, MARCH 5, 1991
  16.   
  17.  Mr. Chairman, it is a privilege to be invited to comment on the "High 
  18.  Performance Computing Act of 1991" in the company of such a 
  19.  distinguished group of representatives of government, industry, and 
  20.  academia.
  21.   
  22.  I am Malvin H. Kalos, Director of the Cornell Theory Center, and a 
  23.  professor of physics at Cornell University.  The Theory Center is an 
  24.  interdisciplinary research unit of Cornell University, dedicated to the 
  25.  advancement and exploitation of high performance computing and 
  26.  networking for science, engineering, and industrial productivity. As 
  27.  you know, the Theory Center is one of the National Supercomputer 
  28.  Centers supported by the National Science Foundation. The Center 
  29.  also receives support from the State of New York, and from industry.
  30.   
  31.  My career spans 40 years of work with computers as a tool in 
  32.  physics and engineering. I have worked in universities, industry, and 
  33.  as a consultant to the Los Alamos, Livermore, and Oak Ridge national 
  34.  laboratories in research devoted to the application of high 
  35.  performance computing to further their missions.
  36.   
  37.  We are witnessing a profound transformation of our scientific and 
  38.  engineering cultures brought about by the advent and adoption of 
  39.  high-performance computing and communications as part of our 
  40.  technological society. The changes, some of which we see now, some 
  41.  of which we easily surmise, and some of which we can only guess at, 
  42.  have had and will continue to have wide-reaching benefits. Our 
  43.  economic well-being and the quality of our lives will be 
  44.  immeasurably improved. I salute the foresight and leadership of the 
  45.  authors and cosponsors of this Bill, and the Administration. Senator 
  46.  Gore, Congressmen Hollings and Brown, and the President all 
  47.  understand the deep and positive implications for our future. We are 
  48.  also grateful for the support of Congressmen Boehlert and McHugh 
  49.  whose backing of our efforts at Cornell and for the entire program 
  50.  has been very strong.
  51.   
  52.  The Director of the Office of Science and Technology Policy, Dr. 
  53.  Bromley, has done essential work in translating the ideas into 
  54.  effective policy.  The Federal Coordinating Council for Science, 
  55.  Engineering, and Technology (FCCSET) has, for the first time, brought 
  56.  unity into the Federal approach to high-performance computing. This 
  57.  is a well designed, well integrated program that shows good balance 
  58.  between the need to exploit advancing supercomputing technology, 
  59.  the need for very high performance networking, and the need to 
  60.  bring these new tools to the widest possible community through 
  61.  research and education.
  62.   
  63.  I will begin with some historical and philosophical remarks about 
  64.  science, using the history of physics, which I know best. Science is 
  65.  not a dry collection of disconnected facts, however interesting. The 
  66.  essence of science is the dynamic network of interconnections 
  67.  between facts. For a scientist, making a connection never perceived 
  68.  before can be the highlight of a career; the more distant the 
  69.  connection, the more it is valued. Our aim is to connect all we know 
  70.  in a seamless web of understanding. Historically, the greatest 
  71.  contribution of the greatest scientists have been such connections: 
  72.  Newton's between the fall of an apple and the motion of the Moon 
  73.  and planets; Maxwell's between the phenomena of electricity, 
  74.  magnetism, and the propagation of light; Einstein's leap of 
  75.  understanding connecting quanta of light and the photoelectric effect.  
  76.  These connections must be, to the greatest extent possible, 
  77.  mathematical and quantitative, not merely verbal or qualitative. 
  78.  Making these connections in a quantitative way remains at the heart 
  79.  of pure science today, but it has become harder as we try to probe 
  80.  into more and more complex phenomena, phenomena that cannot be 
  81.  analyzed by the mathematical tools at our disposal.  There are many 
  82.  important examples in science that shed light on this paradigm.
  83.   
  84.  Chemistry is one of our most important sciences, one that contributes 
  85.  enormously to our grasp of the physical world and one whose 
  86.  applications lie at the core of our understanding of materials we use, 
  87.  wear, and eat, and of our health. The fundamental understanding of 
  88.  chemistry lies in quantum mechanics and electricity, well understood 
  89.  since the 1930s. Yet the translation of that scientific understanding 
  90.  into quantitative knowledge about chemical materials and processes-
  91.  - polymers, chemical catalysis, drugs both harmful and healing, is 
  92.  very far from complete. Quite properly, chemistry is still largely an 
  93.  experimental science. But the power of modern supercomputers is 
  94.  transforming the face of chemistry at every level.  We are coming to 
  95.  understand how electrons cooperate to bind atoms into molecules, 
  96.  molecules into larger structures, and to elucidate their structural, 
  97.  dynamic, and biological effects.  However, extraordinary numerical 
  98.  precision, which can only be attained by very powerful 
  99.  supercomputers, is required for this vital work.
  100.   
  101.  Many other areas of science involve this kind of systematic 
  102.  connection among different phenomena at different scales of length 
  103.  or energy, including biology and medicine, the physics of materials, 
  104.  and astrophysics.
  105.   
  106.  The role of computation in linking disparate scientific fields is not a 
  107.  contemporary development. The early evolution of modem 
  108.  computers was dominated in the 1940s and 1950s by John von 
  109.  Neumann, who was also a great mathematician. He designed 
  110.  computers so that the very difficult questions that underlie such 
  111.  scientific and engineering problems as fluid flow could be explored 
  112.  and understood. Only later was it recognized that computers were 
  113.  also important business tools. The essential role of computers in 
  114.  science and engineering were well appreciated by many groups in 
  115.  the United States, including the national laboratories, and their use 
  116.  contributed very much to the development of nuclear weapons, 
  117.  fusion technology, and the design of aircraft.
  118.   
  119.  The use of computers in academic science and engineering evolved 
  120.  more slowly, partly because of the failure of many to see the 
  121.  possibilities, partly because the policies of the Federal government at 
  122.  the time discouraged scientists from participating fully. My own 
  123.  career was impacted negatively by these policies. It was the 
  124.  leadership of a few scientists, notably Dr. Kenneth Wilson, who 
  125.  created the modern climate of respect for the accomplishments and 
  126.  possibilities of computational science in the future of our country. 
  127.  The constructive contributions of the Congress and the National 
  128.  Science Foundation in creating the National Supercomputer Centers 
  129.  are noteworthy. That creation was, in a profound sense, the mark of 
  130.  the entry by the mainstream of American research into the era of 
  131.  computational science at the heart of science
  132.  and engineering.
  133.   
  134.  It is also important to note that computational science is now an 
  135.  essential tool in experimental science as it is currently practised. The 
  136.  most advanced scientific instruments, optical and radio telescopes, 
  137.  particle accelerators, and computers themselves are studied, 
  138.  designed, optimized, and verified with computer simulation. Data 
  139.  collection is usually automated with the help of computers, and the 
  140.  reduction to comprehensible data sets and pictures may involve 
  141.  enormous computations. Exchange of large data sets and the 
  142.  cooperative work in understanding them will require very large 
  143.  computations and very heavy use of future high capacity data 
  144.  networks. Finally, in many cases, even reduced data are 
  145.  incomprehensible except when studied in the light of complex 
  146.  theories that can be understood only by simulation.
  147.   
  148.  Now the entire scientific and engineering community of the country 
  149.  has the opportunity to exploit these new tools. Many researchers are. 
  150.  Important new scientific discoveries are being made. New ideas and 
  151.  connections are seen everywhere. More important, students and 
  152.  young scientists, who are always the very heart of any important 
  153.  scientific change, are involved. They are coming to understand the 
  154.  techniques, the promise, and the limitations of computational science. 
  155.  Their knowledge and its applications are the most important 
  156.  products of our efforts, and they will carry the message to the rest of 
  157.  our society and to the future. It is they who will have the most direct 
  158.  impact upon industry in the United States.
  159.   
  160.  The science made possible throughout the nation by the resources of 
  161.  the Theory Center spans all scales of length and energy from the 
  162.  galactic through the planetary through the earth's crust, the behavior 
  163.  of man-made structures, of materials at the microscopic level, to the 
  164.  physics of elementary particles.  From another perspective, it spans 
  165.  the traditional disciplines of physics, chemistry, mathematics, 
  166.  biology, medicine, all fields of engineering, and agriculture and 
  167.  veterinary medicine.
  168.   
  169.  Although I describe research at or made possible by the Theory 
  170.  Center, the other National Centers, at San Diego, Champaign-Urbana, 
  171.  and at Pittsburgh, can easily list an equally impressive set of 
  172.  accomplishments in pure and multidisciplinary science.
  173.   
  174.  It is perhaps unfair to cite a few at the expense of so many others, 
  175.  but the work of Stuart Shapiro and Saul Teukolsky on fluids and 
  176.  fields in general relativity is outstanding and has been recognized by 
  177.  a significant prize, the Forefronts of Large-Scale Computation Award. 
  178.  Their research comprises both the development of mathematical and 
  179.  numerical methods for the exploration of astrophysical and 
  180.  cosmological phenomena and the use of these methods to develop 
  181.  quantitative understanding of the formation of black holes and the 
  182.  characteristics of gravitational radiation.
  183.   
  184.  John Dawson of UCLA uses the Theory Center resources to study the 
  185.  unexpected results of the Active Magnetic Particle Tracer Explorer 
  186.  experiments.  In these, barium and lithium were injected into the 
  187.  earth's magnetosphere, creating, in effect, an artificial comet.  The 
  188.  observations contradicted existing theories and simulations.  Dawson 
  189.  and Ross Bollens constructed a hybrid theory and simulation that 
  190.  models the observed effect.
  191.   
  192.  Henry Krakauer of the College of William and Mary uses a modern 
  193.  "density functional" theory of electronic structure to examine the 
  194.  nature of the electron-phonon interaction, known to be responsible 
  195.  for low-temperature superconductivity. The aim is to determine its 
  196.  role in high- temperature superconductivity. Work like this is being 
  197.  carried out throughout the world and will require the fastest parallel 
  198.  supercomputers of the future.  Having them available to American 
  199.  researchers, including those who are not at major research 
  200.  universities, gives them and American industry a competitive edge.
  201.   
  202.  The research of Harold Scheraga and his group at Cornell into the 
  203.  three-dimensional structure of proteins shows an equally broad 
  204.  range of activity: the investigation of the fundamental interactions of 
  205.  the amino acid units with each other and with solvent atoms, the 
  206.  basic computational techniques needed to find the optimal structure, 
  207.  and the biochemistry of proteins. This is research that is particularly 
  208.  well suited to highly parallel computing, and will require, in the long 
  209.  run, the full use of future teraflops machines.
  210.   
  211.  Understanding the properties of the earth's crust is the subject of the 
  212.  research of Larry Brown and the Consortium for Continental 
  213.  Reflection Profiling (COCORP). This national group uses the 
  214.  supercomputers to reduce, display, and interpret the huge data set 
  215.  that is gathered by seismic probing (to 30krn or more) of the 
  216.  continental crust.
  217.   
  218.  I cited earlier the fundamental importance of scientific computing in 
  219.  enabling the connections among different phenomena within 
  220.  scientific disciplines. Even more important is its role in permitting 
  221.  quantitative connections among different disciplines, that is, in 
  222.  supporting multidisciplinary research. Every one of the large 
  223.  problems that confront our society, and to whose solutions we expect 
  224.  science to contribute, is in some sense a multidisciplinary problem. 
  225.  For example, issues of the environment involve many sciences -- 
  226.  chemistry, physics, engineering, fluid flow, biology, and materials.
  227.   
  228.  Medicine is equally demanding in its call upon diverse science.  As 
  229.  we have indicated, biochemistry and its relations to chemistry and 
  230.  physics plays a central role in medicine. But other areas are 
  231.  important as well. As part of my oral presentation, I will show a 
  232.  video of a supercomputing study of the uses of ultrasound in the 
  233.  treatment of eye tumors. The building of modem prosthetic devices 
  234.  uses many resources of computation, from the reduction of CAT scans 
  235.  to the computational optimization of the mechanical properties of the 
  236.  devices. Understanding blood flow in the heart requires a mastery of 
  237.  fluid dynamics of viscous media plus the knowledge of the elastic 
  238.  properties of the heart and its valves.
  239.   
  240.  Bringing the knowledge from these fields together to make 
  241.  quantitative predictions about the effects of some technological or 
  242.  regulatory proposal is a difficult undertaking, one that is utterly 
  243.  impossible without the use of computational modeling on high-
  244.  performance computers. Computational modeling is the indispensable 
  245.  natural language of quantitative multidisciplinary research.
  246.   
  247.  An outstanding example of such work is that by Greg McRae of 
  248.  Carnegie Mellon University. He uses supercomputers and 
  249.  supercomputer-based visualization to explain from basic chemistry, 
  250.  fluid mechanics, meteorology, and engineering the scientific effect 
  251.  that underlie the development of air pollution in the Los Angeles 
  252.  Basin, and the probable effects of fuel changes and regulatory 
  253.  procedures.  His results have been used to influence regulatory 
  254.  policy constructively.
  255.   
  256.  The Global Basins Research Network (GBRN), a consortium directed 
  257.  by Larry Cathles of the Geology Department of Cornell University and 
  258.  by Roger Anderson of Columbia University's Lamont-Dougherty 
  259.  Laboratory and which includes eight academic and 11 industrial 
  260.  partners, has as its goal the multidisciplinary understanding of the 
  261.  chemical, physical, and mechanical processes that occur in a 
  262.  sedimentary basin such as the one in the Gulf of Mexico below 
  263.  Louisiana. They have assembled a composite database of the 
  264.  observations of the basin and are using computational modeling to 
  265.  explain the data. But simply the collection and display in a coherent 
  266.  visual way has led to new and deeper understanding of the geology. 
  267.  The outcome of this understanding is very likely to improve oil 
  268.  recovery world-wide. I will also show a video clip of a visualization 
  269.  of the data set that was prepared jointly by the Theory Center and 
  270.  the GBRN.
  271.   
  272.  It is important to note that this research covers a wide range of 
  273.  partners, geographically dispersed, and the that the medium of 
  274.  information exchange is usually visual.  High- performance 
  275.  networking is essential to the GBRN and to similar scientific 
  276.  enterprises.
  277.   
  278.  Another important development is the establishment at Cornell of 
  279.  the Xerox Design Research Institute, with the participation of the 
  280.  Theory Center, the Computer Science Department, and the School of 
  281.  Engineering. Directed by Gregory Zack of Xerox, and involving 
  282.  researchers from Xerox centers nationwide, the aim of the Institute, 
  283.  quite simply, is to improve Xerox's ability to bring better products 
  284.  more quickly to market. The techniques are those of computational 
  285.  and computer science. A vital aspect of the research is the 
  286.  development of methods whereby the geographically separate 
  287.  centers can effectively collaborate.  Again, high-performance 
  288.  networking is key.
  289.   
  290.  As our reach extends, the necessary partners required to carry out 
  291.  important collaborative research will rarely be found at one 
  292.  institution or even in one part of the country. Essential experimental 
  293.  devices or data bases may exist anywhere. Rapid, concurrent access 
  294.  is essential, and at higher demands in bandwidth.  The NREN is 
  295.  necessary for the full growth and exploitation of the scientific, 
  296.  technological, and educational implications of computational science. 
  297.  The GBRN and Xerox examples indicate how the greatest potential is 
  298.  for industrial use.
  299.   
  300.  The supercomputing community will soon find itself at a major 
  301.  crossroads -- where the increases in performance needed for the 
  302.  fulfillment of our scientific mandate will demand parallel 
  303.  architectures. To exploit these new machines, a major retooling of 
  304.  software and algorithms will have to take place. This is not a trivial 
  305.  undertaking, yet it must be started very soon if we are to make 
  306.  progress on the Grand Challenge problems in the mid-1990s.
  307.   
  308.  The High-Performance Computing and Communications program will 
  309.  offer us an essential opportunity to bridge the gap between today's 
  310.  high performance vector machines and tomorrow's highly parallel 
  311.  systems.
  312.   
  313.  I have emphasized how science and its application to societal 
  314.  problems are communal activities, activities that involve, more or 
  315.  less directly, the entire scientific community. Bringing to bear the 
  316.  transformation made possible by computational science in the most 
  317.  complete and positive way requires that its techniques and strategies 
  318.  be learned, used, and shared by the widest possible group of 
  319.  researchers and educators. That means advancing the art, acquiring 
  320.  the best and most powerful tools of hardware, software, and 
  321.  algorithms, and coupling the community in the tightest possible 
  322.  ways.
  323.   
  324.  The "High-Performance Computing Act of 1991" is a vital step in that 
  325.  direction.
  326.   
  327.