÷ƒ’À; è TeX output 1999.04.28:1500‹ ÿÿÿÿ ¿™¬ ýLfT‘ …rïhtml:ï html:ŽŽ •™¬ ýºL¾‘n /óDÓít G® G® cmr17ºThe–7timpšsŽortance“of“mo˜deling“forŽŸ ’ ŒÒ–Computational‘7tScienceŽŸlÏ’ ²‘=óX«Q cmr12»L.O.HertzbSŽergerŽŽ¤ ¡’ §SInformatics‘ê¨InstituteŽŽ¡’ ·¡gF‘ÿVacult¬ry‘ê¨WINSŽŽ¡’ ›“Univ•¬rersit“y–ê¨of“AmsterdamŽŽŽŽŽŸ`‘Ì’ Æl/óò"V
cmbx10ÇAbstractŽŸÙœ‘/…sóKñ`y
cmr10²In–ÿLthis“papGer“some“dev•¸ãelopmen“ts–ÿLin“computational“science“and“engineering“are“pre-Ž¤
™š‘ …rsenš¸ãted.‘“ËIt–`¬is“observ˜ed“that“correct“moGdels“are“an“essen˜tial“prerequisite“for“this“scienceŽ¡‘ …rand–zDengineering“discipline.‘à•In“addition“it“is“illustrated“that“the“lev¸ãel“of“abstraction“inŽ¡‘ …rthese–ê mošGdels“is“of“crucial“imp˜ortance“giv¸ãen“the“complex“system“study“at“hand.‘1§TheŽ¡‘ …rin
uence–UUof“the“computer“tecš¸ãhnology“on“the“moGdels“themselv˜es“is“further“discussed.ŽŸ"€A‘ …róÂÖN ff cmbx12ÉCon•ŒÌten“tsŽ¤ŒÏ‘ …rïhtml:óò"V
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cmbx10Ê1Ž‘lÏIn¦ttroY‹ductionï html:’¨.2ŽŽ¡‘ …rïhtml:2Ž‘lÏComputational–2Science:‘˜¼a“historical“o•¦tv“erviewï html:‘h2ŽŽ¡‘ …rïhtml:3Ž‘lÏComputational‘2Scienceï html:’ âus3ŽŽ¤
™š‘0òAïhtml:óKñ`y
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cmr10¹3.1Ž‘/bThe–¦frole“of“Computational“Scienceï html:‘äÞ‘¼É.ŽŽ–„=‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ‘&e3ŽŽ¡‘0òAïhtml:3.2Ž‘/bMoMÞdels–¦fand“Computational“Scienceï html:‘ F‘¼É.ŽŽ–„=‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ‘&e4ŽŽ¡‘0òAïhtml:3.3Ž‘/bImpact–¦fof“computer“tec²!hnologyï html:‘—‘¼É.ŽŽ–„=‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ“‘¼É.ŽŽ‘&e6ŽŽŸŒÏ‘ …rïhtml:Ê4Ž‘lÏConclusionï html:’$ÙK7ŽŽŽŸ ’ Ù¯‡¹1ŽŽŒ‹ * ¿™¬ ýLfT‘ …rïhtml:ï html:ŽŽ •™¬‘ …r ýƒfTïhtml:ï html:Ÿ É1Ž‘LËInŒÌtros3ductionŽ©q‹¹One–¥of“the“v‘ÿdDarious“activities“of“Johan“when“he“is“at“Stanford“is“the“organizationŽ¤
™šof–Âmthe“CSLI›Âfw²!orkshop“.‘1òI˜wš²!as“honored“to“receiv˜e“an“in˜vitation“to“spMÞeak“at“theŽ¡wš²!orkshop–Ö\in“Ma˜y“1997“on“the“sub‘ ›»ject“of“the“dev˜elopmen˜ts“in“ó#ý ':
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cmti10Îc‘ÿp¹omputationalŽ¡scienc‘ÿp¹e¹.‘FmMoMÞdestš²!y–ÉAforces“me“to“observ˜e“that“the“soMÞcial“activities“w˜e“undertoMÞok,Ž¡bšMÞeing–¦a“v²!ery“go˜o˜d“dinner“together“with“Pieter“Adriaans,‘åôturned“out“to“ha•²!v“eŽ¡far–Jmmore“impact“than“mš²!y“talk,‘sobMÞecause“it“w˜as“the“start“of“Pieter“bMÞecoming“aŽ¡professor–0in“Johan's“departmen²!t“in“Amsterdam.‘¶mJohan“suggested“on“more“thanŽ¡one–Q7oMÞccasion“that“wš²!e“should“giv˜e“follo˜w“up“on“the“ideas“that“w˜ere“presen˜ted.Ž¡That–Àøthis“has“not“happMÞened“unš²!til“no˜w“is“due“to“the“sloppiness“on“m˜y“side“andŽ¡it–¦fis“only“fair“to“write“something“of“it“doš²!wn“on“the“oMÞccasion“of“this“ev˜en˜t.ŽŸ¡Rïhtml:ï html:ŸÞïÉ2Ž‘LËComputational–ffScience:‘32a“historical“o•ŒÌv“erviewŽ¦¹Besides–n¶the“argumen²!t“whether“computational“science“is“a“real“science“or“a“sup-Ž¡pMÞort–4science,›2'a“discussion“I‘lea•²!v“e–4here“for“others“to“decide,˜it“can“bMÞe“observ²!edŽ¡that–Â7it“has“had“an“impressivš²!e“impact“in“the“last“t˜w˜o“to“three“decades.‘1OTheŽ¡reason–¡that“a“large“part“of“the“impact“originates“in“this“timeframe“comes“fromŽ¡the–>ånature“of“computational“science.‘§[It“o•²!w“es–>åits“existence“to“t•²!w“o–>åma‘ ›»jor“driv-Ž¡ing–Ï•forces“bšMÞeing“the“pull“from“c²!hallenging“applications“that“cannot“b˜e“realizedŽ¡without–HFa“computer“and“the“push“from“computer“tec²!hnology“itself.‘¾}ConcerningŽ¡those–applications“it“can“bMÞe“observš²!ed“that“already“during“the“second“w˜orld“w˜ar,Ž¡the–ã×Manhattan“pro‘ ›»ject“aiming“to“prošMÞduce“the“rst“atomic“b˜omš²!b“as“w˜ell“as“cryp-Ž¡tographš²!y–.„necessary“to“shield“electronic“message“trac“during“that“time,‘PŒw˜ereŽ¡among–9the“rst“to“pull“computational“science“dev•²!elopmen“ts.‘•ÖThe‘9impMÞortanceŽ¡of–!åthe“tecš²!hnology“is“illustrated“b˜y“the“fact“that“when“the“rst“fully“electronicŽ¡computers–likš²!e“the“Eniac“bMÞecame“a˜v‘ÿdDailable“they“mark˜ed“a“big“step“forw˜ard“inŽ¡computational‘¦fscience.Ž¡‘ Nuclear–ŠTwš²!arfare“applications,‘ñleaded“b˜y“its“ma‘ ›»jor“test“labMÞoratory“La˜wrenceŽ¡Livš²!ermore,‘,Òhas–ðbMÞeen“one“of“the“ma‘ ›»jor“tec˜hnology“pulls“for“generations“of“newŽ¡supMÞercomputers.‘«›Till–Ÿthe“end“of“the“sev•²!en“ties–ŸSeymour“Craš²!y“w˜as“one“of“the“ma-Ž¡jor–·Üdesigners“of“these“thoroughš²!breds“in“computer“tec˜hnology“and“consequen˜tlyŽ¡made–Gwa“ma‘ ›»jor“con²!tribution“to“the“eld.‘ ÁNumerical“mathematics“proMÞducingŽ¡the–š¾kš²!ey“algorithms“that“exploited“the“v˜ector“pipMÞelines“in“these“mac˜hines“canŽ¡bšMÞe–·considered“to“ha•²!v“e–·pro˜duced“the“rst“stage“of“maturit²!y“in“computationalŽ¡science.Ž¡‘ Ho•²!w“ev“er,‘·bMÞecause– @of“its“economic“impact“the“industrial“application“pull“inŽ¡computer–Ľscience“and“engineering“rapidly“shifted“to•²!w“ards–Ľother“industrial“elds,Ž¡suc²!h–…as“the“airplane“and“later“the“car“and“oil“exploration“industries.‘49BecauseŽ¡of–„that,‘»oComputer“Fluid“Dynamics“(CFD)‘ƒÎbMÞecame“one“of“the“widely“studiedŽ¡applications–iin“computational“science.‘%»In“the“mid“sev•²!en“ties,‘™a–inew“computerŽ¡tecš²!hnology–öemerged“in“the“form“of“the“microproMÞcessor,‘
whic˜h“gradually“in“theŽ¡eighš²!ties–X¬started“to“c˜hallenge“the“unassailable“pšMÞosition“of“the“sup˜ercomputer“viaŽ¡the–&emergence“of“massivš²!ely“parallel“mac˜hines.‘ \³This“dev˜elopmen˜t“as“w˜ell“asŽ¡the–| push“for“evš²!er“larger“supMÞercomputers“w˜as“in“the“bMÞeginning“of“the“ninetiesŽŽŸ ’ Ù¯‡2ŽŽŒ‹ ¿™¬ ýLfT‘ …rïhtml:ï html:ŽŽ •™¬ ýŽfT‘ …r¹pulled–¦Ubš²!y“large“application“programs“suc˜h“as“the“Grand“Challenge“programsŽ¤
™š‘ …r[1]–laiming“to“get“a“breakthrough“in“a“n•²!um“bMÞer–lof“scien²!tically“and“economicallyŽ¡‘ …rimpMÞortanš²!t–Mareas“suc˜h“as“w˜eather“forecast,‘·~air“and“w˜ater“pMÞollution“researc˜h,Ž¡‘ …rnancial–=moMÞdeling,‘Åxthe“study“of“3D‘Œöplasma's“etc.‘€%Curren²!t“computational“scienceŽ¡‘ …rtecš²!hniques–»—are“used“to“study“complex“systems“and“solv˜e“problems“in“a“wideŽ¡‘ …rv‘ÿdDarietš²!y–·of“areas“suc˜h“as“w˜ater“and“air“pMÞollution“(the“hole“in“the“Ozone“la˜y˜er),Ž¡‘ …rcar–ücrash“design,›jreactor“safet²!y‘ÿe,˜the“study“of“the“h²!uman“genome,˜the“study“ofŽ¡‘ …rthe–Ó6phenomena“in“astronom•²!y‘ÿe,›Þjligh“t–Ó6scattering“on“complex“ob‘ ›»jects,˜the“gro²!w“ofŽ¡‘ …rspMÞonges‘¦fetc.Ž‘ …rŸó„ïhtml:ï html:ŸÞïÉ3Ž‘LËComputational‘ffScienceŽŸq‹¹Computational–ê"science“uses“moMÞdeling“and“computer“sim²!ulation“to“study“theŽ¡bMÞehaš²!vior–²2of“complex“systems.‘@In“studying“these“complex“systems“b˜y“computa-Ž¡tional–pƒscience“tecš²!hniques,‘{Jthree“distinct“lev˜els“of“abstraction“pla˜y“an“impMÞortan˜tŽ¡role–¦fin“the“mapping“proMÞcess“on²!to“a“computer.‘ÝÝThese“are“:Ž©¨î‘
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cmsy10ÌŽŽŽ‘¹A–¦fconceptual“moMÞdel“of“the“systemŽ¤(î‘
#ØÌŽŽŽ‘¹A–¦fcomputational“moMÞdel“of“the“systemŽ¡‘
#ØÌŽŽŽ‘¹An–¦falgorithm“for“mapping“the“computation“on²!to“the“computerŽŸ¨ï‘ Characteristic–åfor“these“abstraction“levš²!els“is“that“a“n˜um˜bMÞer“of“design“c˜hoicesŽ¤
™šare–&¨made“in“the“mapping“prošMÞcess“that“are“in
uenced“b²!y“the“p˜ossibilities“ofŽ¡computer–ü'tecš²!hnology‘ÿe.‘ß!As“eac˜h“of“the“abstraction“lev˜els“in“fact“proMÞduces“a“dif-Ž¡ferenš²!t–„new“moMÞdel,‘vKextensiv˜e“v‘ÿdDalidation“and“v˜erication“are“essen˜tial.‘ 76WhenŽ¡the–Këburners“of“a“cš²!hemical“reactor“are“studied“using“computational“science“tec˜h-Ž¡niques–AòCFD‘A‰methošMÞds“are“applied.‘ °‚The“conceptual“mo˜del“is“represenš²!ted“b˜yŽ¡Na•²!vier›_Stok“es˜equations˜proMÞducing˜a˜set˜of˜P“artial˜Dieren“tial˜Equations,‘)theŽ¡computer–æ±spšMÞecic“mo˜del“or“solvš²!er“are“n˜umerical“methoMÞds“for“solving“these“equa-Ž¡tions,–¦fwhereas“a“m²!ulti-grid“algorithm“is“used“to“carry“out“the“computation.ŽŸÅÈïhtml:ï html:ŸÞïó$ÂÖN cmbx12Ï3.1Ž‘À The–€ role“of“Computational“ScienceŽŸ«ÿ¹There–¯žare“v‘ÿdDarious“debates“going“on“whether“mošMÞdeling“and“sim²!ulation“is,‘ñëb˜e-Ž¡sides–µÄtheory“and“expšMÞerimen²!tation,‘¹œa“third“metho˜dology“or“whether“it“is“an“aidŽ¡on›Çvto•²!w“ards˜the˜other˜t“w“o.‘A
It˜is˜the˜authors˜b•MÞelief˜that˜it˜is˜more˜imp“ortan²!t˜toŽ¡study–åœthe“pMÞossibilities“complemenš²!tary“to“other“scien˜tic“methoMÞdologies.‘›Com-Ž¡putational–N
science“methošMÞds“can“b˜e“used“to“understand“the“b˜eha²!vior“of“complexŽ¡systems,‘¦fe.g.:Ž¦‘
#ØÌŽŽŽ‘¹T‘ÿeo–Estudy“large“amoun²!ts“of“parameters“to“bMÞe“used“for“complex“system“designŽ¡‘and–¦fconstruction.‘ÝÝExamples“could“bMÞe“an“airplane“or“a“car.Ž©(î‘
#ØÌŽŽŽ‘¹T‘ÿeo–÷9searcš²!h“for“and“understand“phenomena“that“la˜y“outside“the“domain“ofŽ¡‘lab•MÞoratory›\Ùexp“erimen²!tation.‘ÅYExamples˜could˜b“e˜phenomena˜in˜astronom²!yŽ¡‘or–¦fto“study“the“pMÞollution“in“w²!ater“or“the“atmosphere.Ž¦‘
#ØÌŽŽŽ‘¹MošMÞdel––forming“and“v‘ÿdDalidation“to“get“insigh²!t“in“the“b˜eha²!vior“of“complexŽ¡‘phš²!ysical–ïpsystems.‘¸ûExamples“could“bMÞe“ligh˜t“scattering“on“complex“ob‘ ›»jectsŽ¡‘or–¦fradar“scattering“or“the“dev•²!elopmen“t–¦fof“crac²!ks“in“materials.ŽŽŸ ’ Ù¯‡3ŽŽŒ‹ ¹ ¿™¬ ýLfT‘ …rïhtml:ï html:ŽŽ •™¬ ýŽfT‘1…r¹In–œsome“of“the“examples“(for“instance“in“astronomš²!y)“the“pMÞo˜w˜er“of“the“methoMÞdŽ¤
™š‘ …rcan–pûbMÞe“enhanced“bš²!y“com˜bining“results“from“moMÞdeling“and“sim˜ulation“(for“in-Ž¡‘ …rstance–úaabMÞout“a“star“nebula)“with“real“measured“data.‘ÙÎIn“all“situations,‘O_theŽ¡‘ …rmoMÞdeling–¦fstep“is“the“rst“essenš²!tial“activit˜y“in“the“mapping“proMÞcess.Ž‘ …rŸs–ïhtml:ï html:ŸÞïÏ3.2Ž‘À Mo` dels–€ and“Computational“ScienceŽŸ«ÿ¹Making–0ka“conceptual“mošMÞdel“is“one“of“the“most“imp˜ortan²!t“activities“in“computa-Ž¡tional–Rrscience,‘c