Osterhoff's project: Heinzelmännchen Cluster
Dectris-Award für Markus Osterhoff
Markus Osterhoff vom Institut für Röntgenphysik wurde zum ersten Preisträger des „Dectris Awards for Innovative Researchers” ernannt. Das Schweizer Unternehmen, eng mit Großforschungseinrichtungen verbunden, stellt Röntgendetektoren, welche in jedem ihrer Millionen von Pixeln einzelne Photonen registrieren und zählen können. Diese Detektoren werden unter anderem von Prof. Sarah Köster und Prof. Tim Salditt zur quantitativen Röntgen-Bildgebung biologischer Probensysteme genutzt. Die Methode Raster-Nano-SAXS kombiniert einen stark fokussierten Röntgenstrahl, welcher über die Probe geraster wird; an jedem Ort wird ein Röntgen-Kleinwinkelstreusignal (SAXS) registriert. Damit lassen sich eine Ortsauflösung von besser als 100 nm mit reziproken Strukturinformationen auf der nm-Skala kombinieren.Bei diesen Rasterexperimenten entstehen jedoch Rohdaten von bis zu einige Gigabyte pro Sekunde, welche ausgewertet werden müssen. Markus Osterhoff hat dazu ein dediziertes Auswertesystem, den „Heinzelmännchen-Cluster”, geplant, programmiert und in Betrieb genommen. Ein Steuerrechner verteilt die Arbeit – und vor allem die Daten – an parallel geschaltete Auswerteknoten. Diese 24 Systeme bestehen aus Minimal-Konfigurationen von Standard-Computern. Das Dectris-Komitee beschreibt die Idee und Umsetzung: „Osterhoffs Arbeit erlaubt die fortschrittliche Datenauswertung mit den hohen Datenraten, um das Potential der neu entstehenden Röntgenquellen und neuer Generationen von Detektoren voll auszuschöpfen”. Der Preisträger selber fügt hinzu: „Mit unserem System können wir über 14 Milliarden Pixel pro Sekunde verarbeiten; das erlaubt uns, quantitative Informationen aus einer Million Beugungsbilder mit über vier Megapixel, in unter fünf Minuten zuziehen.”
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im Göttinger Tageblatt
Heinzelmännchen-Cluster zur Live-Auswertung von Raster-Nano-SAXS-Messungen
Scharfe Bilder mit Röntgenstrahlen: Mit der Raster-Nano-SAXS-Methode wird eine Probe, z.B. eine einzelne biologische Zelle, in einem stark fokussierten Röntgenstrahl abgerastert, und an jedem Ort wird ein reziprokes Beugungsbild gespeichert. So entstehen Bilder mit einer Auflösung von unter 100 nm im Ortsraum, kombiniert mit Strukturinformationen im Bereich weniger nm.Zur Datenauswertung wurde nun ein dediziertes „Heinzelmännchen“-System in Betrieb genommen.
Das „Heinzelmännchen”-Rack am Institut für Röntgenphysik.
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Die Arbeitsgruppen von Prof. Sarah Köster und Prof. Tim Salditt am Institut für Röntgenphysik der Uni Göttingen erforschen mit dieser Methode z.B. die Strukturen von Filamentnetzwerken in einzelnen eukaryotischen Zellen, und korrelieren so gewonnene physikalische Kenngrößen mit Fluoreszenz-Mikroskopie. Die Röntgenmessungen werden dabei an Großforschungseinrichtungen wie dem PETRA III-Synchrotron am Hamburger DESY durchgeführt: Dort kann eine Zelle einiger zehn bis hundert Mikrometer Größe durch einen stark fokussierten Röntgenstrahl gerastert werden; an Millionen von Messpunkten kann dann ein Einzel-Photonen-Detektor mit vier Megapixeln Beugungsbilder aufnehmen. Am Ende werden die vier Megapixel pro Position wieder in eine einzelne Zahl, oder eine mehrkomponentige physikalische Größe „herunteranalysiert”. Tim Salditt erklärt: „Die Millionen von Beugungsbildern liefert uns dann ein ein quantitatives Bild der Probe.”
Bei dieser Methode müssen jedoch Roh-Daten von einigen Gigabyte pro Sekunde analysiert werden; um mit diesem „Big Data”-Problem klar zu kommen, hat Markus Osterhoff ein dediziertes Auswertesystem, den „Heinzelmännchen-Cluster”, geplant, programmiert und kürzlich in Betrieb genommen. Gebaut aus nur den notwendigen Standard-Komponenten, nehmen es nun 24 Computer mit den hohen Datenraten auf, zentral gesteuert von einem Kontrollrechner, welcher Aufgaben und Daten verteilt.
Für die Idee und Umsetzung erhält Markus Osterhoff den ersten „Dectris Award for Innovative Researchers”. Das Schweizer Unternehmen arbeitet eng mit Röntgenphysikern weltweit zusammen, und kürt innovative Neuerungen in der Forschung mit Röntgenstrahlen. „Osterhoffs Arbeit erlaubt die fortschrittliche Datenauswertung mit den hohen Datenraten, um das Potential der neu entstehenden Röntgenquellen und neuer Generationen von Detektoren voll auszuschöpfen”. Der Preisträger selber fügt hinzu: „Mit unserem System können wir über 14 Milliarden Pixel pro Sekunde verarbeiten; das erlaubt uns, quantitative Informationen aus einer Million Beugungsbilder mit über vier Megapixel, in unter fünf Minuten zuziehen.“
Über das interne Netzwerk werden die Auswerteknoten mit bis zu 20 Gigabit pro Sekunde an Messdaten versorgt.
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Markus Osterhoff: „Mit unserem System können wir über 14 Milliarden Pixel pro Sekunde verarbeiten; das erlaubt uns, quantitative Informationen aus einer Million Beugungsbilder mit über vier Megapixel, in unter fünf Minuten zuziehen.“
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DESY Photon Science, Users' Meeting 2018
