Projet ANR-11-MONU-0003 – ExaViz : Analyse visuelle interactive pour les sciences de la vie et des matériaux capable de passer à l'échelle exa
Programme : Modèles Numériques (MN)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Marc BAADEN (CNRS- DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B)
Partenaires : Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur; Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation; Laboratoire de Biochimie Théorique; Institut national de recherche en informatique et en automatique; Laboratoire d'Informatique Fondamentale d'Orléans
Montant : 723521.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 48 mois
Résumé : Visualiser efficacement des données scientifiques pour mieux comprendre les moléculesL’ordinateur est indispensable pour assister les scientifiques à visualiser des données moléculaires de plus en plus complexes et volumineuses suite à l’évolution frénétique des moyens de calcul. Nous répondons au besoin pressant de nouveaux outils, capables de passer à l’échelle, pour visualiser et traiter le fruit d’expériences numériques.
Faire face à l’avalanche de données de l’ère numérique pour les simulations moléculairesPour répondre aux défis posés en sciences de la vie comme en sciences des matériaux, nous étudions la matière à l'échelle nanoscopique en complétant les résultats expérimentaux par des études théoriques mettant en jeu les simulations moléculaires haute performance. Les capacités croissantes de ces outils et des infrastructures sur lesquelles elles s’appuient atteignent une échelle qualifiée d’ «exascale», autant en termes de puissance de calcul brute que de masse de données produites.En sciences de la vie, les simulations de dynamique moléculaire sont au cœur de l'étude des complexes moléculaires. Leur taille croissante pose de nouveaux défis en visualisation et  analyse pour traiter l’avalanche de données produites. Si la taille des systèmes étudiés a augmenté de façon exponentielle, les recherches concernant le post-traitement, l'analyse, la visualisation, et l'exploration des données générées sont restées en retrait. Cette nouvelle situation exige la conception d’outils logiciels pour interpréter ces masses de données.En sciences des matériaux, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’état solide, combinée avec l’utilisation de simulations numériques spécifiques, est aujourd’hui en position de jouer un rôle majeur pour appréhender l’architecture des matériaux à l’échelle moléculaire, et inspirer la conception de nouveaux matériaux avancés. Pour franchir ce pas déterminant, il est nécessaire de concevoir des interfaces dédiées à la visualisation et à l’analyse croisée (Visual Analytics) des structures moléculaires modèles (potentiellement périodiques) et des spectres RMN, afin de construire les ponts qui font actuellement défaut entre résultats d’expériences, modèles numériques et informations structurales.
L’analyse visuelle interactive – une nouvelle science en devenirNous développons des outils logiciels dédiés à la visualisation interactive et l’analyse conjointe de résultats expérimentaux et de données de simulation. Ces outils seront conçus dans le but de faire face aux données massives et complexes produites par les simulations numériques, avec le défi supplémentaire de construire une application capable d’intégrer une grande variété de codes déjà existants. En concevant et en intégrant des approches à l’interface entre Réalité Virtuelle, Visualisation Scientifique et la Simulation Parallèle, notre approche cible deux grands défis applicatifs: modélisation d'un virion de la grippe entier et analyses de simulations du récepteur GLIC récemment publiées dans les revues Nature et PNAS.Nous proposons une approche interdisciplinaire pour traiter ces questions à travers la conception d’un environnement évolutif basé sur la programmation par composant, dédié à la visualisation scientifique et l'analyse visuelle (Visual Analytics). Cet environnement logiciel s’appuie sur des moyens nouveaux et efficaces pour la construction et le déploiement d’applications sur architecture parallèle. Il est dédié aux expérimentateurs autant qu’aux théoriciens, permettra une analyse visuelle interactive des phénomènes qui encouragera la coopération et les échanges entre chimistes, physiciens et biologistes. L’attractivité et l’accessibilité de cette analyse visuelle, d’abord conçue pour une exécution sur un simple PC de bureau, seront renforcées par une portabilité sur l’ensemble des outils d’immersion les plus récents : web, appareils nomades et dispositifs de Réalité Virtuelle.
Résumé de la soumission : Pour répondre aux défis posés en sciences de la vie comme en sciences des matériaux, il est nécessaire d’étudier la matière à l'échelle nanoscopique, en particulier en complétant les résultats expérimentaux par des études théoriques mettant en jeu les simulations moléculaires haute performance. Les capacités exponentiellement croissantes de ces outils et des infrastructures sur lesquelles elles s’appuient atteignent une échelle qualifiée d’ « exascale », autant en terme de puissance de calcul brute que de masse de données produites.En sciences de la vie, les simulations de dynamique moléculaire sont au cœur de l'étude des complexes moléculaires, et cette nouvelle échelle impose de résoudre de nouveaux défis dans les domaines de la visualisation et de l’analyse, pour traiter l’avalanche de données produites. En effet, si la taille des systèmes étudiés à l’aide de ces simulations a augmenté de façon exponentielle, les recherches concernant le post-traitement, l'analyse, la visualisation, et l'exploration des données générées sont restées en retrait. Cette nouvelle situation exige la conception de nouveaux outils logiciels pour mener à bien les tâches nécessaires à l’interprétation de ces masses de données et répondre aux problématiques majeures que les progrès techniques ont rendues accessible.En sciences des matériaux, la spectroscopie RMN à l’état solide, combinée avec l’utilisation de simulations numériques spécifiques, est aujourd’hui en position de jouer un rôle majeur pour appréhender de l’architecture des matériaux à l’échelle moléculaire, et inspirer la conception de nouveaux matériaux avancés.  Pour franchir ce pas déterminant, il est nécessaire de concevoir des interfaces dédiées à la visualisation et à l’analyse croisée (Visual Analytics) des structures moléculaires (potentiellement périodiques) et des spectres RMN, afin de construire les ponts qui font actuellement défaut entre résultats d’expériences, modèles numériques et informations structurales. Le projet ExaViz vise à développer ces outils logiciels dédiés à la visualisation interactive et l’analyse conjointe de résultats expérimentaux et de données de simulation. Ces outils seront conçus dans le but de faire face aux données massives et complexes produites par les simulations numériques, avec la difficulté supplémentaire de construire une application capable d’intégrer une grande variété de codes hétérogènes. En concevant et en intégrant des approches à l’interface entre Réalité Virtuelle, Visualisation Scientifique et la Simulation Parallèle, les méthodes utilisées cibleront plusieurs grands défis applicatifs: modélisation d'un virion de la grippe entier et analyses de simulations du récepteur GLIC récemment publiées dans les revues Nature et PNAS.Nous proposons une approche interdisciplinaire pour traiter ces questions à travers la conception d’un environnement évolutif basé sur la programmation par composant, dédié à la visualisation scientifique et l'analyse visuelle (Visual Analytics), et s’appuyant sur des moyens nouveaux et efficaces pour la construction et le déploiement d’applications sur architecture parallèle. Cet environnement logiciel, dédié aux expérimentateurs autant qu’aux théoriciens, permettra une analyse visuelle interactive des phénomènes qui encouragera la coopération et les échanges entre chimistes, physiciens et biologistes. L’attractivité et l’accessibilité de cette analyse visuelle, d’abord conçue pour une exécution sur un simple PC de bureau, sera renforcée par une portabilité sur l’ensemble des outils d’immersion les plus récents : web, appareils mobiles et dispositifs de Réalité Virtuelle.Deux experts internationaux sont impliqués en tant que collaborateurs externes dans le projet: Professeur MSP Sansom de l' Université d'Oxford (simulations à l'échelle exascale de capsides virales) et le Professeur T. Ertl  de l'Université de Stuttgart (visual analytics).
Résultats : Le projet est encore à ses débuts, mais des résultats préliminaires très encourageants ont déjà été obtenus. Un premier système biologique, la protéine membranaire FepA, a été étudié. Une vidéo explicative est associée à la publication correspondante : http://moais.imag.fr/membres/matthieu.dreher/FvNanoICCS1080p.mp4
Un prototype d’outil généraliste a été développé pour les explorations en visualisation scientifique et est mis à disposition de la communauté scientifique : http://unitymol.sourceforge.net.
Le projet a également permis d’enrichir une base de données de paramètres de résonance magnétique nucléaire (RMN) sur les matériaux, et d’améliorer des outils de simulation de spectres RMN calculés.
Deux experts internationaux sont impliqués en tant que collaborateurs externes dans le projet: Professeur MSP Sansom de l' Université d'Oxford (simulations à l'échelle exascale de capsides virales) et le Professeur T. Ertl  de l'Université de Stuttgart (visual analytics).
De nombreux autres scientifiques de domaines variés ont déjà signalé leur intérêt pour ce projet (en microscopie électronique, SAXS, chimie quantique, etc.).
Perspectives : Le projet a déjà permis un premier rapprochement des domaines scientifiques impliqués : la biologie, les matériaux et l’informatique. Cette interdisciplinarité sera renforcée et étendu à la communauté scientifique à travers des événements comme un atelier sur la visualisation en biologie, l’organisation de journées de visualisation et une conférence internationale sur les simulations et la visualisation moléculaire à venir.
Le portage de nos développements dans un contexte immersif (réalité virtuelle) et sur des supports nomades (tablettes) prend forme et promet un beau potentiel pour enrichir les applications et usages à développer.
Publications et brevets : Les travaux du projet ont déjà été publiés dans plusieurs articles scientifiques et présentés à plusieurs conférences, allant des applications en biologie (PLoS One) et sciences des matériaux (Chem Mater) aux aspects plus techniques comme le passage à l’échelle de l’application sur des centaines d’ordinateurs (ICCS). Nous touchons des publics très variés et sensibilisons des communautés scientifiques différentes à nos travaux (par ex. vulgarisation dans l’Actualité Chimique ; conférence plénière dans l’école thématique MiFoBio).