Halo Sobat100 kali ini tim100 menyapa kalian semua di rubrik sains. Kali ini mari kita belajar tentang disain material di dalam komputer (Computational Material Design, CMD). Bagi Sobat100 yang belum mengenal apa itu CMD, simak penjelasan tim100 berikut ini.

CMD adalah sebuah cara mendisain sebuah material secara virtual melalui komputer dengan melakukan segala macam riset di dalam komputer tersebut. CMD mulai berkembang pesat di awal abad 21. CMD bisa berkembang sangat cepat karena teknologi komputer yang cepat pula. Bahkan di tahun 2004 sendiri sudah ada paten komputer dengan processor berkecepatan hingga orde 1012 Hz (Terra Hertz, THz) dan memory berorde 1012 Byte (Terra Byte, TB). Mengapa komputer berorde terra ini penting ? Karena yang menjadi objek penelitian umumnya adalah sebuah molekul yang paling minimal tersusun atas 2 atom sederhana.

Perbandingannya seperti ini, dengan komputer yang sobat100 miliki sekarang (orde GHz) maka sobat100 akan membutuhkan waktu berhari - hari hingga berminggu - minggu untuk hasil 1 objek penelitian saja. Bagaimana kita bisa menyusun sebuah penelitian jika 1 sampel material saja perlu waktu berminggu - minggu, itu pun dalam kondisi komputer selalu hidup 24 jam non stop tidak pernah mati. Bayangkan saja jika daerah sobat100 sering mati lampu, maka perhitungan komputer yang sudah berhari - hari tapi belum 100% mau tidak mau harus diulang dari awal. Cara meneliti material dalam komputer ini salah satunya yang paling dikenal adalah metode penelitian in silico.

Metode penelitian in silico adalah penelitian yang dilakukan didalam komputer. Artinya untuk melakukan suatu pengujian, diwakili dengan pemodelan dan simulasi yang dihitung secara numerik. Sehingga untuk mendisain suatu material cerdas, peneliti mampu memprediksi dengan akurat apa yang terjadi dengan disainnya sebelum material itu benar - benar diciptakan. Dengan in silico dapat menghemat pengeluaran karena sebelum melakukan eksperimen, sudah dapat dipertimbangkan tingkat keberhasilanya. Misalkan untuk membuat sel surya, kita dapat mencoba memasukkan berbagai macam bahan yang digunakan dye, namun bahan apa yang dapat mengeluarkan energi listrik paling banyak? Apabila kita melaukan uji coba tiap zat, selain begitu lama, juga ada resiko kegagalan dalam melakukan eksperimen.

Jika sebelum eksperimen sudah dilakukan simulasi komputer, niscaya kegagalan tersebut dapat ditekan. Sehingga penelitian menjadi lebih akurat, terarah dan murah. Ada banyak metode yang sudah diciptakan untuk melakukan penelitian dengan simulasi computer ini. Diataranya adalah Density Functional Theory (DFT), Molecular Dynamic (MD) dan Quantum Motecarlo.

Jika sobat100 tertarik mempelajari CMD ini sobat100 bisa ambil konsentrasi disain material di beberapa kampus terkemuka di Indonesia (seperti : UI, ITB, ITS dan Unair). Di wilayah Asia sendiri sering dilakukan Asia CMD Workshop tiap tahunnya. Asia CMD Workshop sejatinya telah dimulai dari tahun 2008 dan sering diadakan tiap tahunnya. Asia CMD Workshop adalah ajang pertemuan ilmuwan - ilmuwan disain material di kawasan Asia untuk bertukar pendapat, mempresentasikan hasil penelitian nya yang telah dicapai selama ini. Pada tahun 2009 yang lalu Program Studi Teknik Fisika, ITB menjadi tuan rumah perhelatan ASIA CMD Workshop yang kedua (baca di sini : Computational Materials Design and Quantum Engineering). Sementara pada pelaksanaan tahun ke-4, De La Salle University, Manila, Filipina yang berkesempatan menjadi tuan rumahnya di tahun 2011 (baca di sini : 4th Asian Computational Materials Design). Dan pada pelaksanaannya memasuki tahun ke-8 kembali De La Salle University, Manila, Filipina yang beruntung menjadi tuan rumahnya pada bulan September besok (baca di sini : 8th ASIAN CMD WORKSHOP PHILIPPINES )

Apabila Sobat100 berpartisipasi dalam acara tersebut maka akan sobat100 temui ada banyak penelitian yang sudah dilakukan selama ini. Tim100 ambil salah satunya yang dilakukan oleh peneliti muda asal Surabaya, Enggar Alfianto. Kak Enggar ini adalah dosen muda di Jurusan Sistem Komputer, Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya. Kali ini tim100 angkat karnyanya dengan judul penelitian Uji Performansi Aplikasi Quantum Espresso pada Cluster Sederhana Dengan Variasi Jumlah Prosesor dan Node dengan openMP (baca di sini : jurnal ITATS ). Bagaimana hasilnya simak penjelasannya berikut ini.

Latar Belakang

Salah satu aplikasi yang banyak dipakai untuk menghitung material dengan DFT adalah Quantum Espresso (QE). QE merupakan aplikasi bebas pakai yang berlisensi Open Source. Selain Open Source aplikasi ini juga banyak didukung oleh beberapa ilmuan dan laboratorium komputasi.Untuk memudahkan pemakai, tersedia beberapa forum yang khusus membahas tentang QE yang mana anggota forum dapat membantu dengan baik.

Quantum espresso adalah aplikasi Open Source untuk menghitung struktur elektronik dan model material yang berdasarkan pada metode DFT, gelombang bidang, dan pseudopotensial. QE merupakan aplikasi yang dibangun oleh kerjasama beberapa institusi yang bergabung dalam Quantum Espresso foundation yang saat ini di monitor oleh ICTP Trieste Italia. Untuk menjalankan QE agar dapat digunakan untuk menghitung sistem material dengan spesifikasi besar, dibutuhkan piranti computer yang tinggi. Sehingga dalam penelitian ini digunakan klaster computer dengan menggabungkan 3 buah komputer berprosesor total 12. Jenis prosesor yang digunakan adalah AMD Phenom X6 1090T.

Dari tiga buah komputer, 1 berfungsi sebagai computer master dan 2 berfungsi sebagai computer penghitung. Penelitian ini bertujuan untuk mencari nilai optimum antara kecepatan perhitungan dengan jumlah prosesor yang digunakan. Selain dari pada itu juga ingin diketahui dampak apabila menggunakan dua buah komputer berbeda dengan MPI untuk menghitung sistem yang sama.

METODE PENELITIAN

Pada penelitian ini digunakan sistem emas berbentuk kristal yang biasa digunakan untuk melakukan uji kinerja pada aplikasi Quantum Espresso. Struktur emas dalam bentuk kristal ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Struktur atom emas

Proses perhitungan menggunakan metode DFT yang disimulasikan dalam aplikasi Quantum Espresso. Pada saat melakukan perhitungan, dilakukan perubahan variasi terhadap jumlah prosesor dan jumlah node yang digunakan. Kemudian dicari nilai optimum kecepatan yang diperoleh dengan jumlah prosesor yang digunakan.

TINJAUAN PUSTAKA

Untuk melaksanakan uji kecepatan perhitungan digunakan komputer klaster. Komputer klaster tesebut terdiri dari terdiri dari 3 buah PC dengan prosesor seragam yaitu â€AMD Phenom II X6 1090Tâ€. Ketiga PC tersebut dihubungkan dengan jaringan ethernet LAN berkecepatan tinggi. Topologi jaringan yang digunakan untuk membangun klaster ditunjukkan pada Gambar 2. Keuntungan menggunakan topologi tersebut adalah dapat dimanfaatkan oleh banyak pengguna.

Gambar 2. Topologi klaster

Tiap prosesor memiliki kecepatan proses maksimal adalah 800.000 MHZ, pada arsitektur komputer 64 bit. Masing-masing CPU didukung dengan RAM berkapasitas 4GB dengan ukuran cache 512 KB. Untuk mendukung komunikasi data di dalam klaster digunakan Network File System (NFS). NFS dibutuhkan karena adanya komunikasi dua arah antara PC Master dan PC Nodes. Sehingga tiap komputer harus dapat diakses oleh komputer master saat itu juga (real time). NFS berfungsi untuk mengatur sharing file antar PC. Sebagai pengatur kerja prosesor paralel digunakan openMPI.

OpenMPI adalah software Open Source yang berfungsi untuk membagi pekerjaan perhitungan sehingga dapat dikerjakan oleh beberapa prosesor sekaligus. Sehingga dengan openMPI ini, dimungkinkan pekerjaan perhitungan diselesaikan secara lebih cepat karena menggunakan lebih dari sebuah prosesor. Karena bekerja dengan banyak komputer, dibutuhkan aplikasi yang dapat mengatur distribusi data. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut digunakan Torque dari Adaptive Computing (Sebuah perusahaan pembangun aplikasi HPC).

Penggunaan aplikasi ini untuk memastikan bahwa tidak ada lalu lintas data yang nantinya tumpang tindih sehingga menimbulkan bottleneck pada proses perhitungan. Biasanya klaster digunakan oleh lebih dari seorang pamakai dan tiap pemakai akan melakukan perhitungan lebih dari satu kasus. Sedangkan jumlah prosesor yang tersedia terbatas. Sehingga perlu adanya pengaturan jadwal perhitungan. Pengaturan ini bersifat seperti sistem antrian. Jika prosesor masih melayani perhitungan lain, maka sistem perhitungan masuk ke daftar antrian. Jika prosesor sudah kosong, maka perhitungan segera dilakukan. Aplikasi untuk mengatur antrian yang kami gunakan adalah MAUI.


HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian tersebut dimulai dengan perhitungan sistem emas yang dihitung menggunakan Quantum espresso dengan jumlah prosesor awal adalah satu pada 1 node. Kemudian dilakukan pencatatan untuk mendapatkan waktu hitung. Dengan sistem yang sama, perhitungan dilanjutkan dengan menggunakan 2 buah prosesor dengan 1 node. Pada langkah ini diperoleh grafik waktu hitung terhadap jumlah prosesor ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Variasi perhitungan yang menunjukkan perbedaan kecepatan berbanding lurus dengan jumlah prosesor

Gambar 3 Menunjukkan adanya beberapa proses perhitungan yang dilakukan dengan metode DFT. Grafik warna merah menunjukkan proses perhitungan PWSCF. Pada proses tersebut memakan waktu paling lama jika dibandingkan dengan ketiga proses lain. Dalam proses PWSCF digunakan algoritma optimasi yang memang memakan waktu lama. Saat menggunakan sebuah prosesor proses perhitungan hampir memakan waktu 1 jam 13 menit. Atau sekitar 4450 detik. Tahap perhitungan kedua digunakan 2 prosesor dalam 1 node, diperoleh hasil percepatan perhitungan sebesar 100%. Terlihat pada saat menggunakan dua prosesor, perhitungan dapat diselesaikan dalam waktu 2400 detik. Atau hanya 39 menit 43 detik. Perubahan kecepatan juga dialami oleh dua proses lain yakni perhitungan bands dan energi elektron.

Pada Gambar 4 diperoleh hasil bahwa menambahan jumlah prosesor tidak memiliki dampak linier terhadap percepatan yang diberikan. Sehingga dapat diasumsikan bahwa ada nilai optimum antara penambahan prosesor dengan percepatan. Dalam penelitian ini nilai optimum adalah pada saat digunakan jumlah prosesor 2. Baik pada 1 node ataupun 2 node. Percepatan yang diperoleh sebesar 83.8%. Untuk penambahan berikutnya presentase percepatan yang diperoleh tidak lebih dari 10%. Hasil ini sesuai dengan hukum Amdahl yang mengatakan bahwa percepatan kalkukalsi pada computer parallel memiliki batasan, dan tidak berlaku linier dengan jumlah prosesor.

Gambar 4. Hubungan antara percepatan hitung yang tidak linier terhadap jumlah prosesor yang terus ditambah.


KESIMPULAN
Dari penelitian ini dapat disimpulakan bahwa percepatan perhitungan dapat dilakukan dengan menambahkan jumlah prosesor yang digunakan untuk menghitung. Penambahan dilakukan dengan cara memparalelkan prosesor yang digunakan untuk menghitung. Namun penambahan prosesor tidak linier dengan penambahan percepatan hitung. Nilai maksimum adalah ketika ditambahkan dari 1 prosesor menjadi prosesor dengan percepatan 83.8% dan penambahan berikutnya tak lebih dari 10% percepatan yang dihasilkan.

Nah bagaimana sobat100 menarik bukan ? Bagi sobat100 yang memiliki minat di bidang disain material ini ayo kembangkan bakatmu dan lakukan berbagai penelitian buat yang kelas 12 bisa persiapkan dari sekarang Program Studi di kampus mana yang mendukung minat dan bakatmu itu.
Selamat Berkarya
Salam100
 

CATATAN EDITOR :

Enggar Alfianto S.Si., M.Si., adalah lulusan Program Studi S1 Fisika, Universitas Airlangga tahun 2011 dan Program Studi S2 Sains Komputasi, Institut Teknologi Bandung (ITB). Enggar adalah dosen muda di Jurusan Sistem Komputer, Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya. Ayah 1 putra ini sudah menggeluti riset bidang komputasi selama masa kuliahnya. Beberapa hasil karya nya sudah di-publish dalam jurnal - jurnal ilmiah Nasional.