E-Science

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Die Abschnitte Hintergrund für die Entwicklung von E-Science und Entwicklungsstand und Perspektiven sollten noch gestrafft werden. Zurzeit ist das noch ein Essay, kein enzyklopädischer Artikel. --Gratisaktie 12:48, 10. Okt. 2006 (CEST)

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e-Science (manchmal auch: eScience; deutsch: e-Wissenschaft oder E-Wissenschaft) ist ein Schlagwort, das den Einsatz moderner Informationstechnologien - insbesondere von Methoden des verteilten Rechnens - im wissenschaftlichen Umfeld bezeichnet. Das "e" steht dabei meist für enhanced (deutsch: erweitert), manchmal aber auch für "elektronisch".

Inhaltsverzeichnis 1 Hintergrund für die Entwicklung von E-Science 2 Entwicklungsstand und Perspektiven 3 Forschungsförderung 3.1 Deutschland 3.2 Großbritannien 3.3 USA 4 Literatur 5 Weblinks

[Bearbeiten] Hintergrund für die Entwicklung von E-Science

In der modernen Forschung, insbesondere in der Großforschung, stellt sich immer häufiger das Problem, dass für die Lösung oder Bearbeitung von Aufgaben die am Arbeitsort verfügbaren Ressourcen - Rechner- und Speicherkapazitäten, Programmbibliotheken, Visualisierungswerkzeuge etc. - nicht mehr ausreichen. So fallen in Experimenten der Hochenergiephysik, z.B. beim CERN, bisher kaum vorstellbare Datenmengen - mehrere Petabytes pro Jahr - an, die nicht "vor Ort" analysiert und bearbeitet werden können. In geophysikalischen und astronomischen Großprojekten werden die Daten in weltweit verteilten Sensoren oder Messgeräten aufgenommen, die in das System bestehend aus Rechnern und Speichermedien integriert werden müssen. Die beteiligten Forschungsgruppen haben hier schon lange zur Selbsthilfe gegriffen, indem sie die verteilten Systemkomponenten oder "Ressourcen" - Hochleistungsrechner, Speichermedien, Messinstrumente, Visualisierungswerkzeuge etc. - miteinander vernetzt haben. Eine kooperative Forschung, die sich auf derartige vernetzte Strukturen stützt, bezeichnet man heute als e-Science. e-Science vernetzt nicht nur technische und Software-Komponenten; ebenso konstitutiv für e-Science ist die "Vernetzung" von Wissenschaftlern, die sich zur kooperativen Bearbeitung von Forschungsvorhaben in - oft nur zeitlich befristeten – Virtuellen Organisationen (VOs) zusammenschließen.

Der Bedarf an verteilten Ressourcen und ihrer zweckmäßigen aufgabenbezogenen Organisation tritt aber nicht nur in den sogenannten "Big Sciences" auf. Auch bei der wissenschaftlichen Informationsbeschaffung, -auswertung und -weiterverarbeitung besteht zunehmend der Wunsch und die Notwendigkeit, auf geographisch verteilte Informationsquellen zuzugreifen. Mit der klassischen Metasuche über Datenbanken ist es dabei nicht getan. Zum einen stellen Datenbanken nur einen Teil der in Frage kommenden Informationsquellen dar, zum andern möchte man die Informationen und Daten vielleicht mit unterschiedlichen Programmen analysieren, auswerten, visualisieren oder sich diese über intelligente Agenten oder Data Mining überhaupt erst gezielt besorgen. Die Daten, Programme usw. müssen dann in die jeweiligen wissenschaftlichen Arbeitsumgebungen - in den Arbeitsablauf - oder in Publikations- oder Dokumentationsprozesse integriert werden, die ihrerseits aus verschiedenen verteilten und vernetzten Komponenten aufgebaut sein können.

Um all diese Komponenten oder Ressourcen flexibel zusammenführen und kombinieren zu können, ist zum einen eine modular aufgebaute Gesamtstruktur erforderlich (also beispielsweise keine in sich geschlossene Datenbanklösung, in der Daten und Software integriert vorliegen), zum andern eine gewisse "Automatisierung" des Zugriffs und der Nutzung. Der Nutzer möchte und sollte sich nicht mit den Details des Rechnerzugangs, des Datenzugriffs usw. befassen müssen, weil dadurch der Nutzen verteilter Systeme konterkariert würde. Hierfür sind technische Lösungen in Form von "Grids" entwickelt worden, in denen die Ressourcen organisiert und nahtlos zugreifbar sind. Grids bilden die organisatorisch-technische Infrastruktur von e-Science. Grid ist aber kein Substitut für e-Science. Das Verhältnis zwischen beiden Begriffen ist etwa dem zwischen "Fernsehen" und "Fernsehtechnik" vergleichbar. Wegen der Formenvielfalt von "Fernsehen" kann der Begriff "Fernsehtechnik" wesentlich exakter und konkreter beschrieben werden als der erste, er erklärt den ersteren aber nicht.

[Bearbeiten] Entwicklungsstand und Perspektiven

e-Science und Grid-Technologie sind derzeit unter dem Slogan "Innovationen für die Zukunft" ein aktuelles Thema der Forschungsförderung. Die Basis dafür sind die real existierenden Grids, die die "Big Sciences" und weltweit tätige Kollaborationen - teils als anwendungsspezifische Insellösungen, teils in internationaler Kooperation - zur Lösung ihrer daten- und rechenintensiven Forschungsaufgaben entwickelt haben bzw. entwickeln mussten. Auch große Software-Firmen wie IBM, Sun Microsystems, Oracle, Hewlett Packard, sind in der neuen Technik engagiert und erkunden zusammen mit Forschung und Wirtschaft deren Einsatzpotenziale. Die Wirtschaft und besonders der datenintensive kommerzielle Dienstleistungssektor sehen in der Grid-Technologie Möglichkeiten der Effizienzsteigerung und Kostenersparnis. Die wissenschaftlichen Anwendungsszenarien werden sich von den Grand Challenges zunehmend auch auf die wissenschaftliche "Alltagspraxis" hin bewegen - mit Aktivitäten wie verteiltes Publizieren auch nicht-textualer Inhalte, Data-Mining in verteilten Datenbeständen oder im Bereich "Data Curation", der Datenpflege und -archivierung umfasst. Im traditionellen wissenschaftlichen Informationsdienstleistungssektor (Bibliotheken, Fachinformationszentren etc.) werden neue Einsatzmöglichkeiten sondiert und sind auch schon erste Projekte auf dem Weg. Eine Studie von Mark Baker u.a. weist 13 "Gridefforts" (Grid-Initiativen) in den USA, 3 in Japan, 8 in Australien und 8 in Europa aus.

In den USA, dem Land mit den meisten Grid-Initiativen, gibt es derzeit kein umfassendes nationales Förderprogramm. Die National Science Foundation (NSF) engagiert sich hier allen voran durch den Aufbau und Ausbau der Netzinfrastruktur (z.B. des Extended TeraGrid) und durch die Förderung von Projekten im Rahmen u.a. des Grand Challenge Program, der NSF National Science Digital Library, mittelbar über Partner-Institutionen wie die National Archives and Records Administration (NARA) oder über die Beteiligung an agenturenübergreifenden Förderinitiativen. Sie legte Anfang 2003 einen umfangreichen Cyberinfrastructure-Report vor. (In den USA ist anstelle von e-Science der verwandte Begriff Cyberinfrastructure gebräuchlich.) Aber auch das National Institutes of Health (NIH), das Department of Energy (DOE) oder die NASA fördern bzw. förderten die Grid-Technik und ihre wissenschaftliche Nutzung.

Die Europäische Gemeinschaft stellte in ihrem 5. Rahmenprogramm (1998-2002) 58 Mio. Euro, im laufenden 6. Förderprogramm bereits 350 Mio. Euro für die Förderung von Grid- und e-Science-Projekten bereit. Die Zahl der ganz oder anteilig geförderten Projekte erhöhte sich von 20 (bzw. 24) auf über 40.

Die bedeutendste nationale Initiative in Europa ist das UK e-Science Programme, das 2001 startete.

In Deutschland existiert ein Gigabit-Wissenschaftsnetz des Deutschen Forschungsnetzes (DFN), sowie die vom BMBF geförderten Programmen Unicore und Unicore-Plus. Ferner gibt es die ab 2004 umgesetzte "Deutsche e-Science-Initiative" des BMBF. Sie basiert auf Vorarbeiten und Empfehlungen der D-Grid-Initiative, die hierzu Anfang 2003 gegründet wurde.

Mit der GES2007 gibt es vom 2. bis 4. Mai 2007 in Baden-Baden die erste internationale Konferenz zu e-Science in Deutschland.

[Bearbeiten] Forschungsförderung

[Bearbeiten] Deutschland

Zu den frühen Grid- bzw. e-Science-Aktivitäten in Deutschland gehören - neben dem Aufbau des Gigabit-Wissenschaftsnetzes des Deutschen Forschungsnetzes (DFN) - die vom BMBF seit 1997 geförderten Verbundprojekte Unicore und Unicore-Plus und das im Herbst 2002 eingeweihte Grid Computing Centre Karlsruhe (GridKa). Die Aufgabe des letzteren ist die Bereitstellung von Rechenleistung und Speicherkapazitäten für die Datenanalyse der beim CERN durchgeführten Hochenergieexperimente. Auch die Grid-Aktivitäten der Fraunhofer-Gesellschaft verdienen Beachtung. [1]

[Bearbeiten] Großbritannien

Die zentrale Förderinitiative im Bereich e-Science ist das UK e-Science Programme. Daneben gibt es aber einige, auch häufiger zitierte Projekte des Joint Information Systems Committee (JISC) und des Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), die gerade für das wissenschaftliche Datenmanagement von Interesse sind.

Das UK e-Science Programme [2]wurde als gemeinsame Initiative der acht in einer strategischen Partnerschaft kooperierenden UK Research Councils ins Leben gerufen. Angekündigt im November 2000 startete das mit 250 Mio. Pfund ausgestattete Fünf-Jahres-Programm im Jahr 2001.

Ziel des e-Science Core Programme (Beginn: August 2002) ist die Unterstützung der e-Science-Aktivitäten durch den Aufbau einer technischen (Grid-basierten) und organisatorischen Infrastruktur.

[Bearbeiten] USA

Als Pionier-Nation in den Bereichen Grid-Technologie und e-Science sind die USA ein Land der "Grass-root Activities", in dem viele Entwicklungen ihren Anfang und Ausgang nahmen. Die Grid-Technologie wurde hier in Projekten wie dem I-WAY-Projekt entwickelt, und viele "Gridefforts" - betreffend Software-Entwicklung (Middleware), Testbeds oder Standardisierung - sind hier beheimatet. Die Forschungsförderung ruht in den USA auf mehreren Schultern: die zentrale Rolle hat zwar die National Science Foundation (NSF) inne, daneben werden wissenschaftliche Forschung und benötigte technische Infrastruktur - hier die Grid-Technologie - auch z.B. vom Department of Energy (DOE), dem National Institutes of Health (NIH) oder der NASA gefördert.

Nach Reagan W. Moore vom Supercomputer Center in San Diego liegt der Wert der immensen verteilten Datensammlungen in der Möglichkeit, Konzepte und Verknüpfungen zu identifizieren, mit anderen Worten aus Daten Wissen zu generieren, um auf diese Weise ein Feedback des aus den Daten generierten Wissens zur aktuellen wissenschaftlichen Forschung zu ermöglichen. Die Aufzählung der in "hochklassigen" Repositories zu integrierenden Datenmanagementsystemen (von Digital Libraries bis Persistents Archives) ist durch Umgebungen zur Generierung von Wissensbasen zu ergänzen, die auch Thema Grid-basierter Projekte sind. Die dem Informationssektor zuzuordnenden Cyberinfrastructure-Projekte in den USA beinhalten die Aspekte Retrieval, Knowledge Discovery, Unterstützung des Informationslebenszyklus sowie den Arbeitsablauf wissenschaftlicher Tätigkeit. Der Schlüsselbegriff in der amerikanischen Digital Library-Bewegung heißt aber "Preservation" und ist daher der dominante Begriff - oft in Kombination mit anderen - der einschlägigen Projektszene.

[Bearbeiten] Literatur

• Wissensmanagement Special Ausgabe 01/05: Management im virtuellen Forschungsraum http://www.bmbf.de/pub/wissenschaftsmanagement_1_05.pdf
• Knop, Jan von [Hrsg.]: E-Science und Grid, Ad-hoc-Netze, Medienintegration: 18. DFN-Arbeitstagung über Kommunikationsnetze, Düsseldorf. ISBN 3885793849
• Tony Hey, Anne Trefethen. The Data Deluge: An e-Science Perspective http://www.rcuk.ac.uk/escience/documents/report_datadeluge.pdf
• K. J. Peach : The impact of e-science http://infnforge.cnaf.infn.it/download.php/164/peach.pdf
• Fran Berman Cyberinfrastructure - Issues and Challenges http://research.calit2.net/cibio/archived/WP_Cyberinfrastructure.pdf
• Hey, T; Trefethen, AE:Cyberinfrastructure for e-science. In: Science, 308: (5723) 817-821

[Bearbeiten] Weblinks

• E-Science Forum Veranstaltung der Max-Planck-Gesellschaft und des BMBF am 25. Oktober 2005. Auf der Website stehen alle Vorträge zum Download unter einer Creative Commons Lizenz zur Verfügung.
• Was ist e-Science? Hintergrundinformationen zu e-Science, z.B. Anwendungsszenarien (Grid-Anwendungen und Projekte im Bereich "Information Management" und "Wissenschaftliche Arbeitsmethoden" sowie fachspezifische Projekte), Standardisierung, Linksammlung
• Rüdiger Krahl, Regine Gernert, Dirk Franke. Grid und e-science science: Erwartungen, Visionen und Voraussetzungen (Präsentation) http://www.dfn.de/content/fileadmin/5Presse/Downloads/cebit04_krahl.pdf
• Mehr Effizienz in der Forschungsarbeit Beitrag zum E-Science Projekt WIKINGER (WIKI Next Generation Enhanced Repository) in sciencegarden (Februar 2007)