Il Laboratorio di Calcolo e Multimedia (LCM)

presso

il Dipartimento di Fisica Universita` degli Studi di Milano

Ruggero Ferrari

(Responsabile del LCM e docente al corso di Metodi Computazionali della Fisica)
(Tel. 02 50317702, Fax 02 50317480)

Milano, 7 luglio  2003

Lo scopo di questa relazione e` la descrizione della struttura e del funzionamento del Laboratorio di Calcolo e Multimedia
presso il Dipartimento di Fisica dell'Universita` degli Studi di Milano.
La presente relazione verra` regolarmente aggiornata e sara` visibile su  http://pcferrari.mi.infn.it/lcm/
Si prega di far riferimento alla versione aggiornata
che sara` disponibile anche su supporto cartaceo presso l'autore.

Introduzione
La Struttura
Il Laboratorio
Il Corso di Metodi Computazionali della Fisica
L'Open Room
Il Laboratorio
 Attrezzature di calcolo
 Attrezzature multimediali
 Attrezzature per il Teleinsegnamento
 Videoteca
 La Computer Farm
 La Biblioteca
Il Laboratorio per la Ricerca
Il Software disponibile
Il corso di Metodi Computazionali della Fisica
L'organizzazione
Il primo modulo
Il secondo modulo
Open Room
Strumenti di rete
Software disponibile
Il sito Web del laboratorio
Sicurezza
Numero utenti
La Biblioteca
I System manager
Esperti esterni
Attivita` di Tutoraggio ed Esercitazione: valutazione quantitativa dell'impegno didattico
Evoluzione storica
Conclusioni e Sviluppi
Ringraziamenti
A: Teleinsegnamento
B: Congresso ``Linux in Education''
C: Articolo apparso su SISTEMA UNIVERSITA` (novembre 2000 pag. 12)

Introduzione

    La struttura del Laboratorio di Calcolo e Multimedia e` formata da tre componenti intimamente connesse e interdipendenti: il Laboratorio stesso, il corso di Metodi Computazionali della Fisica e la Open Room. I tre aspetti sono descritti in distinti capitoli ad essi dedicati.
    La relazione inoltre descrive in dettaglio le attrezzature, il software implementato, i sistemi di sicurezza, la piccola biblioteca, l'organizzazione dei system manager, l'utilizzo di esperti esterni, l'attivita` di tutoraggio ed infine, in un breve cenno, l'evoluzione storica a partire dal 1998, anno di inizio delle attivita`.
    Conclude la relazione un breve capitolo dedicato alla evoluzione nel tempo delle esigenze e degli obiettivi e alle scelte operate di conseguenza. Molti hanno colloborato a questa iniziativa; alcuni si sono impegnati con grande professionalita` e dedizione. Puntualizzare i vari contributi e` fuori dallo scopo di questo resoconto ed, inoltre, comporterebbe una implicita valutazione dei singoli contributi, valutazione che di propisito si vuol evitare. Un elenco delle persone che hanno contribuito appare alla fine nei Ringraziamenti. Un elenco comporta inevitabilmente omissioni, che si spera vengano prontamente segnalate e perdonate.
    In appendice sono riportati:  una descrizione del teleinsegnamento, un breve resoconto del congresso nazionale Linux in education organizzato nel giorni 17 e 18 dicembre 1999 e la presentazione del LCM apparsa sul periodico dell'ateneo milanese SISTEMA UNIVERSITA`, novembre 2000 pag. 12.
    Possiamo riassumere l'attivita` della struttura con alcuni dati. In certi casi i valori indicati sono necessariamente approssimati e li`si e` tenuta l'approssimazione per difetto. La struttura si presenta con le seguenti caratteristiche
 
 

Anni di attivita` ~4
PC in laboratorio aula LCM1(DC/S/4) 12+2
PC in laboratorio aula LCM2 (H/1/114) 8+1
PC nella computer farm 16 biprocessori
Due unita' per teleinsegnamento 2 PC, 2 schede video con compressione hardware, 2 videocamere Canon VCC3, 2 videoproiettori, 4 radiomicrofoni, due mixer, 4 casse acustiche, 
2 amplificatori, 2 monitor TV, 3 videoregistratori

L'attivita' nell'anno accademico 2000/01 e` descritta nella seguente tabella
 
 
 

N. studenti corso a.a. 00/01  59
N. di gruppi laboratorio a.a. 00/01  10
N. ore didattica complessive a.a. 00/01  530
N. esercitatori a.a. 00/01 5
N. esercitatori enti convenzionati a.a. 00/01  2
N. personale strutturato a.a. 00/01  3
Professore a contratto a.a. 00/01  1
Esperto esterno a.a. 00/01  1
N. utenti open room a.a. 00/01  ~400
N. collaboratori 150 ore a.a. 00/01 6
N. ore settimanali open room a.a. 00/01 25
N. totale ore open room a.a. 00/01  900

Mentre nell'anno accademico 2001/2002 l'attivita' si e` sviluppata con i seguenti dati
 

N. studenti corso a.a. 01/02  ~40
N. di gruppi laboratorio a.a. 01/02  6
N. ore didattica complessive a.a. 01/02 360
N. esercitatori a.a. 01/02 4
N. personale enti convenzionati a.a. 01/02 1
N. personale strutturato a.a. 01/02 3
Professore a contratto a.a. 01/02 1
Esperti esterni a.a. 01/02 0
N. utenti open room a.a.  01/02 ~400
N. collaboratori 150 ore a.a. 01/02 6
N. ore settimanali open room a.a.  01/02 25
N. totale ore open room a.a. 01/02 900

Nell'anno accademico in corso (2002/2003) ls situazione si presenta con i seguenti dati:
 
 

N. studenti corso a.a.  02/03 ~35
N. di gruppi laboratorio a.a. 02/03 6
N. ore didattica complessive a.a.  02/03 360
N. esercitatori a.a.  02/03 3
N. personale enti convenzionati a.a.  02/03  4
N. personale strutturato a.a.  02/03 1
Professore a contratto a.a.  02/03 0
Esperti esterni a.a.  02/03 1
N. utenti open room a.a.   02/03 ~450
N. collaboratori 150 ore a.a.  02/03 6
N. ore settimanali open room a.a.   02/03 25
N. totale ore open room a.a.  02/03 900

 

La Struttura

La struttura del LCM e` la naturale conseguenza delle esigenze di ricerca e di didattica dei ricercatori e degli studenti che la utilizzano. Ha tre aspetti che sono qui solo brevemente accennati. Singoli capitoli ne danno una descrizione dettagliata.

Il Laboratorio

Il  Laboratorio  (Fig. 1) consiste in tutta l'attrezzatura di calcolo e multimediale, l'attivita` di sviluppo e managing dell'hardware, del software e delle componenti multimediali, i sistemi di sicurezza, la biblioteca, il supporto multimediale etc... Il Laboratorio e` utilizzato per alcune attivita` di ricerca quali calcoli di ampiezze di Feynman nell'estensione supersimmetrica del Modello Standard, simulazioni di QCD su reticolo, analisi dati, soluzione di equazioni differenziali.

Il Corso di Metodi Computazionali della Fisica

Il laboratorio sostiene l'attivita` del corso di Metodi Computazionali della Fisica. Essendo il corso eminentemente interattivo, lo studente utilizza fin dall'inizio il computer durante la lezione. Questo aspetto richiede un notevole impegno di risorse di attrezzature, software e personale tecnico e insegnante.

L'Open Room

Infine il laboratorio ospita gli studenti che stanno terminando il loro corso di laurea in Fisica (quarto anno e fuoricorso) fornendo loro dalle 10.30 alle 13.00 e dalle 14.30 alle 17.00 l'utilizzo della rete esterna (mail, browser, collegamenti remoti, etc...), software avanzato per la ricerca, assistenza tecnica per problemi connessi all'utilizzo del computer. Questo aspetto viene indicato con la dizione Open Room in alternativa a Aula Informatizzata per evidenziare aspetti avanzati dell'utilizzo degli strumenti e obiettivi, descritti in dettaglio nel capitolo dedicato.
L'interdipendenza di queste tre componenti risulta chiara seguendo alcune considerazioni.  Il Laboratorio sostiene sia l'attivita` di ricerca di alcune componenti del gruppo teorico (QCD su reticolo, calcolo simbolico di ampiezze di Feynman, analisi dati, soluzione di equazioni differenziali, etc...) sia il corso Metodi Computazionali della Fisica. Il corso, secondo il nome e le intenzioni, intende fornire gli strumenti comunemente usati negli ambienti scientifici (C, mathematica, matlab, C++, reti di PC, calcolo parallelo, metodi numerici, perl, utilizzo librerie grafiche e qualche elemento piu` orientato alle applicazioni, ...). L'Open Room ha il duplice scopo di fornire agli studenti alla soglia della tesi sia gli strumenti piu` aggiornati (connessione alla rete, software avanzato, potenza di calcolo, etc.) sia una valida ed aggiornata assistenza. Come ritorno, il Laboratorio stesso vive grazie al contributo degli studenti che frequentano la struttura e che si rivelano piu` interessati alle tematiche del LCM.
 

Il Laboratorio

Il Laboratorio e` attrezzato su varie funzioni.

Attrezzature di calcolo
Ospita 12 computer di media potenza (tipicamente 1400 MHz, 512 M di RAM). Uno ha la sola funzione di controllo delle connessioni in entrata ed uscita (firewall): e` la protezione contro tentativi di attacco hacker sia dall'esterno che dall'interno. Un altro funziona da server per la sottorete. I rimenenti 10 sono per l'utilizzo individuale. Una stampante laser permette brevi lavori di stampa. Un masterizzatore permette il backup di grosse masse di dati. Tale funzione viene spesso richiesta dagli studenti e ricercatori. Nel 2002 si e` aggiunta un'altra aula (LCM2 in H/1/114) con 8 PC, un server, e un firewall.

Attrezzature multimediali
La multimedialita` nel laboratorio (vedi Fig. 2 )si basa su un sistema di due videoregistratori, un amplificatore, una coppia di casse acustiche, due radiomicrofoni, un mixer audio, un videoproiettore, una telecamera, un monitor televisivo, un PC per la trasmissione dati ed un grande schermo permettono sia la registrazione delle lezioni in duplice copia su videocassetta sia la riproposizione di immagini e suono di varia origine (videoregistratore, teleinsegnamento, videoconferenza, etc...). Una cassetta serve per riproporre la lezione in presenza di un esercitatore e l'altra e` usata per il prestito e per l'utilizzo individuale.
L'unita` remota ha le stesse caratteristiche.

Attrezzature per il Teleinsegnamento

    Verso la fine di Settembre 2001 sono state effettutate alcune prove di teleinsegnamento: il docente teneva la lezione in laboratorio e un gruppo di studenti (quelli che non han trovato posto) hanno potuto seguire le lezioni in un'altra aula. L'attrezzatura ha funzionato discretamente dal punto di visto tecnico: docenti e studenti in remoto potevano parlarsi e vedersi. Il tutto via connessione TCP. Tuttavia dopo alcune lezioni si e` realizzato che gli studenti in remoto erano troppo penalizzati dall'impossibilita` di verificare sul computer le cose che venivano loro insegnate. Cosi`, in attesa di proiettare la lezione in un'altra aula attrezzata, si e` deciso di tornare al precedente metodo che aveva garanzie di successo.
Il teleinsegnamento e` stato utilizzato, per ora, per cercare di sopperire alla mancanza di spazi. Il numero di studenti al corso di Metodi Computazionali della Fisica e` sempre stato superiore alle capacita` dell'aula. Nelle scorse edizioni del corso le lezioni venivano proiettate in video per i gruppi di studenti (tre lo scorso anno) che non avevano potuto seguire la lezione per ragioni di spazio. La proiezione richiede pero` la presenza di un esercitatore.
Nell'anno accademico 2002/2003 si e` ritenuto di ``risparmiare'' nell'utilizzo degli esercitatori e di sperimentare il teleinsegnamento. L'attrezzatura (Unita` Remota)   (Vedi Fig. 3) consiste in un sistema composto da: un amplificatore, una coppia di casse acustiche, due radiomicrofoni, un mixer audio, un videoproiettore, una telecamera, un computer per la trasmissione via TCP, un mixer audio ed un carrello per il trasporto rapido nell'aula di utilizzo. E` previsto che la regia della ripresa delle immagine sia fatta dalla Unita` Remota, in modo che siano le esigenze dello studente distante dall'aula a comandare l'inquadratura e lo zoom. Il corso ha avuto successo: gli studenti seguivano bene le lezioni e il docente aveva accesso al video del singolo studente per
eventuale aiuto o correzione. Lo schema di registrazione e trasmissione nel laboratorio e` descritto
in Fig.4.
    In futuro tale attrezzatura potrebbe permettere seminari a distanza (esempio Bicocca-Statale).

Videoteca
    Lo studente puo` rivedere le lezioni dei vari corsi tenuti in un locale separato, utilizzando l'attrezzatura fornita a tale scopo: un videoregistratore, un televisore, cuffie ed un computer dedicato. Il numero delle cassette e` superiore a 120 e copre tutte le lezioni tenute negli a.a. 1999/2000 , 2000/2001, 2001/2002
e 2002/2003.

La Computer Farm
    Le richieste di calcolo massivo hanno richiesto la costruzione di una Computer Farm. Attualmente  consiste in 16 computer (CPU: Dual AMD Athlon MP 1900+ ; RAM: 1Gb DDR) e di un sever (CPU: Dual P3 700 MHz; RAM: 512Mb). Il software di controllo e` MPI (Message Passing Instruction). Esso permette sia il calcolo parallelo sia l'utilizzo della potenza di calcolo distribuita. E` utilizato per calcolo di QCD su reticolo. Fig. 6

La Biblioteca

    Il laboratorio ha una piccola biblioteca di manuali per rapida consultazione ed inoltre sottoscrive la rivista Linux Journal. Il capitolo dedicato elenca i manuali presenti.


Il Laboratorio per la Ricerca

    Infine il  Laboratorio ha la sua funzione principe come strumento di ricerca e come luogo naturale dello sviluppo di software dedicato. L'attivita` in questa direzione e` gia` notevolmente sviluppata e si fanno frequenti le richieste di utilizzo degli strumenti informatici presenti. Vanno citati alcuni esempi notevoli di sviluppo il software dedicato presso il Laboratorio . Il firewall e` un pacchetto estremamente efficiente e sofisticato per il controllo in entrata ed uscita dalla sottorete. Altro esempio e` fornito dal software dedicato al teleinsegnamento prodotto dai gestori del Laboratorio. Le funzionalita` del teleinsegnamento sono dettagliate in appendice.

Il Software disponibile

   Fin dall'inizio dell'attivita` del Laboratorio si e` scelto di usare il sistema operativo Linux per molti motivi. Certamente il fatto che Linux sia open source ne fa un valido strumento in un ambiente cosi` complesso come quello di un laboratorio di fisica. Significa maggiore sicurezza, versatilita`, maggior coinvolgimento per i system menager, stabilita` della rete, minore richiesta di memoria RAM, etc... E` significativo che il piu` ambizioso progetto di calcolo distribuito (TeraGrid= Illinois, San Diego, Argonne e Caltech) sia composto da 1000 server IBM con sistema operativo Linux.
    Per lungo tempo e` stata usata la distribuzione RedHat. Recentemente sono state sperimentate ed usate le distribuzioni della SUSE e Debian. Queste distribuzioni contengono molto software di grande utilita` e la maggior parte e` stato implementato nel Laboratorio. Tuttavia le esigenze degli studenti e dei ricercatori ha richiesto l'acquisizione di parecchio software avanzato. Il software aggiuntivo installato comprende:

  1. vmware. Tale pacchetto permette di simulare anche sulle periferiche e come finestra su terminale grafico il mondo Microsoft. Server per l'emergenza posta dall'utente che usa solo prodotti Microsoft.
  2.  cernlib. E` stata implementata tutta la libreria numerica e grafica del CERN. Contiene PAW e ROOT. Questi paccheti sono usatissimi sia da fisici teorici che sperimentali.
  3. 10 licenze di mathematica. Tale strumento e` ormai insostituibile nella ricerca in fisica ed e` un argomento di un gruppo del secondo modulo del corso di Metodi Computazionali della Fisica.
  4. licenza server per maple. Si afferma sempre piu` questo valido pacchetto per il calcolo simbolico e numerico.
  5. form. Potente e flessibile programma di calcolo simbolico. E' particolarmente utilizzato per il calcolo di ampiezze di Feynman. E` stato sviluppato da un fisico teorico di Amsterdam (Vermaseren)
  6. fineart. Software sviluppato dal gruppo di Hoellig dell'universita` di Karlsruhe ed e` dedicato al calcolo delle ampiezze di Feynman.
  7. MPI (Message Passage Instruction). E` il software piu` usato nel calcolo parallelo. La Computer Farm viene usata con tale software.
mosix. Il  Laboratorio puo` fornire una notevole potenza di calcolo distribuito usando questo pacchetto che permette di assegnare ai computer disponibili parte del calcolo da eseguire.


Il corso di Metodi Computazionali della Fisica

L'organizzazione
    Il corso e` organizzato in due moduli e il carico didattico e` suddiviso tra vari soggetti secondo la loro competenza specifica. Nonostante questo panorama didattico cosi` complesso, ogni ora di lezione, esercitazione o videoproiezione viene rigorosamente programmata. Lo studente sa esattamente in anticipo quando verra` tenuta la lezione o l'esercitazione ed inoltre quale docente interverra`. L'organizzazione e` fatta via internet con metodo di registrazione delle ore dettagliato (vedi  sul sito http://pcferrari.mi.infn.it).

Il primo modulo
Il corso e` strutturato in due moduli. Nelle scorse edizioni il primo modulo serviva a dare le basi e consisteva in una introduzione sui sistemi operativi, TEX, LATEX, emacs, programmazione in C e C++, introduzione a matlab e a mathematica. Le lezioni del primo modulo sono rigorosamente interattive. Tale struttura  e` rimasta invariata nell'a.a. 2001/2002, con qualche variante imposta dal teleinsegnamento.

Il secondo modulo
Nel secondo modulo viene svolta dallo studente una vera attivita` di laboratorio informatico. In questa fase lo studente ha una funzione attiva. Gli argomenti offerti  rispondono all'esigenza di fornire ai futuri laureandi gli strumenti comunemente usati nell'ambiente di ricerca della Fisica. Il secondo modulo fornisce quindi alcuni dei metodi computazionali della Fisica. Ecco una breve descrizione degli argomenti svolti nel secondo modulo nell'a.a. 2000/2001.
I moduli degli anni successivi sono visibili su http://pcferrari.mi.infn.it
Ogni studente deve sviluppare un solo argomento.

  1. Costruzione di una rete di PC. Gli studenti hanno avuto a disposizione un'aula con 6 PC nuovi ed e` stato loro chiesto di costruire una sottorete con accesso TCP (funzionante!). Era previsto anche il preventivo montaggio del sistema operativo.
  2. Metodi numerici in C. Era richiesta la scrittura del codice in C per la simulazione di QCD su reticolo con il gruppo SU(2). Il lavoro era suddiviso nella scrittura di varie subroutine.
  3.  Perl.   Era prevista una introduzione sullo studio sistematico della sintassi del linguaggio( variabili, cicli, strutture condizionali, function) per passare allo sviluppo di un primo programma 'stand-alone' che non richiedesse cioe' l'uso di alcun protocollo supplementare. E` stata quindi introdotta molto brevemente la sintassi dei protocolli HTML e CGI ed  alcuni cenni di programmazione Object Oriented per poter utilizzare al massimo le funzionalita' dei moduli aggiuntivi di Perl (CGI.pm). Infine era stato assegnato il tema: 'Creare una applicazione Web alla quale fornire tramite un form una

  4. funziona analitica(uni o bi-dimensionale) e i suoi estremi e disegnarla'.
  5. C++. In tale gruppo era richiesta la scrittura di un codice per un server Web, come applicazione del linguaggio di programmazione in C++.
  6. Java. Tale linguaggio, ampiamente diffuso nel mondo dell'informatica commerciale, viene usato negli ambienti scientifici come interfaccia grafica per pacchetti dedicati alla dinamica di sistemi complessi. Gli studenti erano impegnati a costruire modelli a pochi gradi di liberta`, es. il moto di una pallina su un biliardo.
  7. Mathematica. Il pacchetto fineart, sviluppato dal gruppo del prof. Hoellig (Karlsruhe) nell'ambiente di mathematica, e` stato usato dagli studenti per studiare i grafici di Feynman della teoria \phi^4 a piu` loop.
  8. Librerie grafiche. Veniva usato il linguaggio Tcl/Tk per rappresentare graficamente l'evoluzione temporale del modulo di una funzione d'onda soluzione dell'equazione di Schr\"odinger. Lo studente poteva variare alcuni parametri, tra i quali la forma del potenziale esterno.
  9. Calcolo parallelo. Lo scopo del gruppo era portare all'utilizzo da parte dello studente della potenza della Computer farm da poco realizzata nel Laboratorio. Usando il linguaggio MPI veniva eseguito un calcolo di Monte Carlo su un sistema parallelo.
  10. Matlab. Con tale potente software sono state discusse equazioni differenziali di interesse per la fisica, per esempio: Sine Gordon.

  11. Programmazione orientata al Web. Con tale gruppo si e` tentato di sondare se l'ambiente degli studenti in Fisica fosse sensibile ad apprendere tecniche di immediata applicazione nel cosidetto terziario. Un dirigente di una societa` software ha tenuto alcune lezioni introduttive; quindi il gruppo e` stato organizzato dal personale del Laboratorio di Calcolo e Multimedia. Il tentativo ha avuto un modesto successo: la proposta non ha incontrato un vasto pubblico.
Negli a.a. successivi sono stati attivati simili gruppi di lavoro. In particolare durante l'a.a. 2002/2003 sono stati attivati gruppi di lavoro
per il secondo modulo su
    ROOT. Con tale potente software sviluppato al CERN di Ginevra, vengono fatte analisi statistiche dei dai. Tale pacchetto fornisce una interessante interfaccia grafica.

    Metodi numerici e calcolo stocastico: esempi di applicazione  dove un esperto di Mediobanca (dott. Marco Airoldi) presenta modelli ed algoritmi per lo studio delle variazione di borsa. In particolare verra` realizzato l'implementazione concreta di un codice in C++ per il pricing di strumenti finanziari derivati con utilizzo di metodi Monte Carlo.


 Nell'a.a. 2000/2001 il corso e` stato seguito da 59 studenti. Nell'a.a. 2001/2002 il corso e` stato seguito da  circa 40 studenti.  Alla fine del corso essi hanno presentato una relazione scritta, usualmente contenente una descrizione degli obiettivi del lavoro e il listato del codice scritto.

Nell'a.a. 2002/2003 il corso e`  seguito da  circa 35 studenti.

Open Room

    Un aspetto assai importante del Laboratorio di Calcolo e Multimedia e` l'utilizzo della struttura da parte degli studenti di Fissica del quarto anno e fuori corso. In effetti la struttura e` iniziata con questa sola funzione e successivamente e` stata completata con il corso e il laboratorio dedicato alla ricerca e al teleinsegnamento. La dizione Open Room viene qui usata poiche` gli obiettivi e gli strumenti vanno ben oltre la usuale aula informatizzata.

Strumenti di rete
    Presso il Laboratorio lo studente trova tutti gli strumenti di rete che egli puo` utilizzare partendo dal suo account personale che gli garantisce spazi abbondanti di memoria di massa. Puo` utilizzare la posta elettronica, navigare in internet, inoltre e` possible l'accesso remoto ad altri computer in Dipartimento e all'esterno. Tutta questa attivita` e` controllata da un  firewall, le cui funzioni sono dettagliate nella appendice dedicata.

Software disponibile
    Tutto il software disponibile nel  Laboratorio puo` essere liberamente utilizzato dagli studenti ed infatti con sempre maggiore frequenza gli studenti impegnati nella attivita` di tesi utilizzano la struttura, sia per usare mathematica, matlab, le librerie CERN, etc...
    Viene utilizzato con frequenza il software vmware che simula l'ambiente Microsoft su Linux. Serve agli studenti che hanno bisogno di utilizzare programmi disponibili esclusivamente su piattaforme della Microsoft.

Il sito Web del laboratorio
    Gli studenti possono utilizzare il sito Web del LCM (http://lcm.mi.infn.it) per avere informazioni sull'attivita` di tutta la struttura e per dialogare con i gestori del sistema in modo aperto a tutti gli utenti. Il sito Web del LCM e` gestito dagli studenti che garantiscono il funzionamento del Laboratorio. Permette all'utente di interagire sia con i gestori che con gli altri utenti come in un forum, elettronico.
    Il contatto tra gli studenti utilizzatori e gli studenti system manager e` molto produttivo per entrambi i gruppi. L'utente puo` avere le informazioni piu` qualificate proprio dal personale che ha costruito la struttura e nel contempo i sistem manager possono vedere in tempo reale come si realizzano a livello di utente le migliorie che di volta in volta vengono pianificate ed attuate.

Sicurezza
    La sicurezza ha vari aspetti. Comunemente si pensa alla protezione da attacchi esterni. Finora tale protezione e` stata garantita. Tuttavia la sicurezza riguarda anche altri aspetti. Il controllo dell'uso del mail e` alquanto complesso . In particolare risulta complesso impedire l'utilizzo improprio da parte di persone estranee alla struttura della funzione di posta elettronica. Questo aspetto e` stato tenuto sotto controllo e comunque ad un livello ritenuto fisiologico. Infine ci sono aspetti della sicurezza che riguardano l'utilizzo improprio della struttura da parte degli utenti stessi. Anche questo aspetto e` stato tenuto sotto controllo e non si sono presentati casi gravi o comunque di una certa rilevanza. Tuttavia il problema sicurezza si presenta anche sotto l'aspetto delle risorse umane: ci vuole sempre qualcuno che se ne occupi ed inoltre deve essere una persona che sa fare le cose, e bene.

Numero utenti
    Gli utenti individuabili come studenti di Fisica al quarto anno ed oltre ammontano a piu` di quattrocento. Il numero di matricola fa fede per il loro diritto ad utilizzare la struttura.
 

La Biblioteca

    La biblioteca, oltre alla rivista mensile  Linux Journal che aggiorna sui progressi nell'ambito sistema operativo open source Linux, ospita una serie di manuali e testi utili per l'attivita` del Laboratorio e per il corso di Metodi Computazionali della Fisica. Studenti e ricercatori possono prendere in prestito i manuali e i fascicoli della rivista. In data odierna i manuali presenti sono:

Articoli o Fotocopie:


I System Manager

    La colonna portante del LCM e` data dai System Manager, che si occupano dell'istallazione di nuovo hardware e software, garantiscono il funzionamento di tutta la struttura e organizzano i turni e le funzioni degli studenti che collaborano nell'ambito del progetto delle 150 ore. Circa sei collaborazioni per anni sono necessarie per coprire l'esigenza della Open Room. Tranne fortunate eccezioni il collaboratore 150 ore non ha ne' le capacita` ne' l'esperienza per fare il system manager. Il fatto che i System Manager siano essi stessi studenti ha avuto una notevole funzione stabilizzatrice nella conduzione della Open Room. Raramente l'utente ha un atteggiamneto di critica negativa nei confronti dei suoi colleghi che cosi` seriamente si impegnano nel condurre la struttura. Inoltre risulta piu` facile il rapporto utilizzatore-sistemista. A volte i sistemisti vengono vessati da domande di basso livello e di questo si lamentano. Tuttavia questo fatto puo` essere il segno di una buona cosa: che lo studente non si sente in soggezione a chiedere anche le cose piu` elementari. C'e` un altro elemento che sta a favore degli studenti come sistemisti. Il loro entusiasmo li porta a sperimentare e proporre sempre nuove soluzioni e sistemazione. Questo da un lato puo` essere pericoloso poiche` puo` indurre instabilita` nella strutura, dall'altro e` salutare perche` rinnova l'ambiente di lavoro. Ne e` esempio una recente disputa tra due fazioni tra i sistemisti, cioe` tra i sostenitori del tradizionale file system ext2 e il nuovo reiserfs. Ovviamente si puo` presentare la sfortunata combinazione di avere pochi studenti disposti a fare le funzioni di System Manager. In tale frangente la struttura non puo` continuare a funzionare.

Esperti esterni

    Si e` cercato di utilizzare, quando possibile, esperti esterni sia come system manager che come conduttori dei gruppi. Con questa iniziativa si vuol lasciare aperta la struttura a nuove idee ed iniziative. Cosi` si e` potuto trarre grandi vantaggi da sudenti di inegneria elettronica, da un dottorando in informatica e da alcuni esperti che hanno un rapporto continuato col mondo industriale. Inoltre hanno dato un validissimo contributo alcuni dipendenti da enti convenzionati, es. INFN. Questi esperti esterni, sovente impegnati in progetti in cui gli strumenti informatici hanno un ruolo importantissimo, hanno apportato essenziali contributi, che spesso hanno permesso un notevole aumento nel profilo scientifico della struttura. E` ovvio tuttavia, che il contributo di questi esperti e` basato principalmente sull'entusiasmo di poter partecipare a un progetto avanzato, che coinvolge studenti e giovani ricercatori. Non e` pensabile di poter disporre di codesti esperti su una mera base economica: sarebbero fuori dalla portata dell'esiguo bilancio del LCM.

Attivita` di Tutoraggio ed Esercitazione: valutazione quantitativa dell'impegno didattico

    La varieta` dei prodotti offerti e la costante puntualita` nel fornire un insegnamento interattivo richiede un notevole contributo da parte di tutori e di esercitatori. In questo breve capitolo si vuole dare una valutazione quantitativa dell'impegno didattico richiesto lo scorso anno accademico 2000/2001. Nell'a.a. 2001/2002 tale impegno e` diminuito per un verso in quanto gli iscritti al corso sono circa 40 a confronto dei 60 dello scorso anno, tuttavia per un altro e` aumentato, essendo stata fatta una prova al calcolatore dopo il primo modulo per circa 40 iscritti al corso. Ogni prova consisteva in tre temi su C, Mathematica e Matlab da svolgere al calcolatore. Riportiamo in dettaglio qualche dato dello scorso anno. Il primo modulo ha richiesto circa 30 ore di lezione tenute da vari esperti. Le lezioni registrate venivano riproposte in video ad altri tre gruppi. Questo ha richiesto altre 90 ore di tutori o esercitatori. Nel secondo modulo i dieci gruppi di lavoro prevedevano lezioni introduttive specifiche, per circa 8-10 ore per ciascun gruppo. I gruppi di lavoro hanno lavorato nei mesi di novembre, dicembre 2000 e nei mesi di gennaio, febbraio e marzo 2001. L'attivita` avveniva in laboratorio (tranne che per il gruppo reti) ed era sistematicamente registrata sul sito web http://pcferrari.mi.infn.it che forniva anche una procedura di prenotazione. Ogni gruppo ha svolto circa 30 ore di lavoro in laboratorio e alla fine ogni studente ha sostenuto un esame presentando una relazione scritta sul lavoro fatto. Per 60 studenti le ore di esame sono state circa 30. Durante questo esame finale ogni studente illustrava la sua attivita` in laboratorio e discuteva il contenuto del proprio saggio finale. Buona parte di questi lavori sono reperibili in rete. Riassumendo: per il primo modulo 120 ore (circa), per i gruppi di lavoro circa 38 ore per gruppo, cioe' 380 ed infine 30 ore di esame. Il totale ammonta a 530 ore (valutazione approssimata). Tale attivita` didattica e` stata svolta da varie persone: un professore associato (40 ore), un tecnico laureato (40 ore), un professore a contratto (circa 25 ore), quattro esercitatori (270 ore), un esperto esterno (circa 40 ore), dipendenti da enti convenzionati (46 ore) ed un esercitatore pagato da altri enti (40 ore). Non va scordato che tale attivita` e` stata possibile solo grazie al continuo impegno dei system manager. Le ore di lavoro di queste persone non sono entrate nel computo sopra riportato. Il numero di ore richiesto da questa attivita` di laboratorio potra` sembrare eccessiva. Tale valutazione non ha luogo quando si tenga conto della validita` e della quantita` dei prodotti offerti. Non e` stato infrequente il caso di uno studente completamente a digiugno dei metodi informatici all'inizio di ottobre 2000, che poi ha concluso il corso con un lavoro di alto livello. Questo sforzo e` andato a tutto vantaggio di una buona preparazione al lavoro di tesi e di una formazione valida per l'inserimento nel mondo del lavoro (aspetto applicativo del corso).

Evoluzione storica

    Il primo nucleo della struttura e` nato a meta' del 1998 dalla esigenza comune tra ricerca e didattica di creare un'aula per laureandi con strumenti informatici avanzati e con accesso alla rete, elemento essenziale per studenti e ricercatori. La necessita` di consultare archivi elettronici e` evidente per chi, come laureandi e ricercatori, deve aggiornarsi su temi specifici di ricerca. Anche gli studenti ebbero a chiedere l'uso delle rete per la loro preparazione (uso delle news, bandi di concorso, possibilita` di studiare all'estero, corsi disponibili in rete, etc.). Rapidamente la struttura si e` rivelata insufficiente a sostenere la domanda da parte dei numerosi utenti. Di conseguenza  nel 1999 si e` deciso di separare l'utenza laurendi dalla struttura piu` complessa che ora si presenta come Laboratorio di Calcolo e Multimedia. Le caratteristiche e le prestazioni di questa nuova struttura hanno richiesto una organizzane ed una attrezzatura software e hardware completamente nuova rispetto alla precedente aula laureandi, come descritto in questa relazione. La richiesta da parte degli studenti di un corso sui metodi informatici e la necessita` di formare studenti in possesso di strumenti utili per un possibile lavoro di tesi, ha portato alla accensione del corso di Corso di Metodi Computazionali della Fisica nell'a.a. 1999/2000. Il contenuto del corso era essenzialmente formativo su alcuni argomenti (sistemi operativi, TeX, LaTeX, emacs, C, mathematica, matlab e metodi numerici, soluzione equanzioni differenziali e librerie grafiche) e le lezioni rigorosamente interattive con uso di computer. Anche gli esami sono stati condotti con l'ausilio dei computer. L'elevato numero di studenti (circa 30) e la scarsa capacita` del laboratorio (10 postazioni) ha indotto a sviluppare l'aspetto multimediale: le lezioni venivano registrate su videocassetta in doppia copia. La lezione veniva quindi riproposta in video ad un altro gruppo di studenti in presenza di un esercitatore. Inoltre il corso ha richiesto l'istallazione di software avanzato che e` diventato rapidamente ed in modo naturale strumento di lavoro e di ricerca per ricercatori del Dipartimento. La prima esperienza fatta con il corso ha suggerito di sviluppare l'aspetto laboratorio nel secondo modulo. Nell'a.a. 2000/2001 gli studenti sono saliti a circa 60 e di conseguenza i gruppi sono aumentati a quattro: uno assisteva alla lezione del professore, i rimanenti tre assistevano alla lezione in video, sempre con uso di computer. Nel secondo modulo sono stati creati 10 gruppi di lavoro, ognuno dei quali doveva condurre a termine una ricerca usando diversi strumenti informatici. Contemporaneamente il LCM ha acquisito una rilevante funzione di supporto alla ricerca. Alcuni studenti si sono laureati con una tesi svolta sugli strumenti forniti dalla struttura. La potenza di calcolo richiesta e` cresciuta di tempo in tempo. Calcoli di QCD su reticolo hanno suggerito la costruzione di una Computer Farm che permette calcolo parallelo su software portante MPI (Message Passing Instructions). Le capacita` dei System Manager hanno permesso di iniziare un progetto di altissimo livello: un sistema di video conferenza di alta qualita` basata su sistema operativo Linux. La grande velocita` dalla rete interna e dalla connessione con la Bicocca ha permesso di trasmettere immagini di alta qualita` che permettono di fare seminari a distanza in modo interattivo. Il sistema e` stato realizzato nel LCM ed e` descritto in Appendice .
Nell'anno accademico 2002/2003 e` entrata in funzione una seconda aula (LCM2 in H/1/114) con 8 PC utili. E' stato avviato il teleinsegnamento ed utilizzato
a pieno tempo per il Corso di Metodi Computazionali della Fisica. E' stata aggiornata la Computer Farm con biprocessori da 1900 MHz e 1 Gbyte di RAM.

Conclusioni e Sviluppi

    Il LCM ha permesso di fornire strumenti di ricerca e formativi per ricercatori e studenti gia` al quarto anno di corso. Gli argomenti del corso di Corso di Metodi Computazionali della Fisica sono ormai considerati come routine nei centri di ricerca piu` avanzati (si veda in dettaglio il Capitolo su
Metodi Computazionali della Fisica).
    La possibilita` di accedere al laboratorio e` fornita dalla assitenza di sei studenti che collaborano nell'ambito del progetto ``collaborazioni 150 ore''. Questi garantiscono l'apertura del laboratorio e l'assistenza per circa 25 ore/settimana. Ogni utente, a cui vien chiesto il numero di matricola, ha un account personale e sufficiente spazio nella memoria di massa per condurre ogni ricerca e studio. Gli sviluppi del LCM potranno avvenire sul fronte sia della ricerca in fisica, sia dello sviluppo di software dedicato. Per esemplificare si puo` accennare a calcolo di diagrammi di Feynman con Form e Feinart, QCD su reticolo, soluzione equazioni differenziali con matlab, uso di librerie grafiche per interfaccia di dinamica molecolare. Gli argomenti sono innumerevoli. Il LCM puo` avere anche sviluppi nella produzione si software avanzato. Ne e` un esempio il software sviluppato per la videoconferenza. Collaborazioni internazionali sono possibili in progetti di grande impegno come MOSIX (calcolo parallelo) e GRID (calcolo distribuito). Tuttavia per raggiungere tali obbiettivi saranno necessari un grande impegno e sostanziose risorse di persone e fondi.

Ringraziamenti

    La descrizione del LCM mostra la complessita` del Laboratorio, del corso Corso di Metodi Computazionali della Fisica e della gestione della Open Room. La sua realizzazione e` stata possibile solo grazie al costante incoraggiamento del Preside della Facolta` di Scienze, Prof. Gianpiero Sironi, al generoso finanziamento fornito da alcuni docenti (Prof. Luciano Girardello e Prof. Rodolfo Bonifacio) e alla dedizione e competenza di alcuni studenti del corso di Laurea in Fisica (Gianluca Contini, Giulio Eulisse e Emanuele Laface) e di Ingegneria presso il Politecnico (Andrea Costantino e Andrea Galli). Tuttavia il successo di tutto il progetto e` stato costruito sull'entusiasmo e il contributo di molte altre persone qui di seguito elencate, omettendo di evidenziare i dettagli del loro lavoro. Chi interagira` con la struttura avra` modo di conoscere e apparezzare il lavoro che ciascuno ha fatto. Si chiede a chi legge questo rapporto di segnalare, ed eventualmente perdonare, le omissioni.
 

Paola Aliani (laur. Fisica)  Vito Antonelli (assegn. Fisica) 
Andrea Belli (dottoran. Fisica) Francesca Cavallotti (laur. Fisica)
Marco Comi (ricer. Bicocca)  Andrea Danese (Esterno, laur. Fisica) 
Barbara Ferrario (studente Fisica) Davide Galli (tecn. laur. Fisica) 
Alexei Goloubchikov (INFN)  Luca Donetti (dottoran. Bicocca) 
Claudio Destri (Prof. Bicocca)  Francesco Prelz (INFN) 
Matteo Elli (Esterno, laur. Fisica) Stefano Magni (INFN)
Dario Maggiorini (dottoran. Informatica)  Dario Menasce (INFN) 
Enrico Onofri (prof. Univ. Parma)  Giampiero Paffuti (prof. Univ. Pisa) 
Marco Gardella (tecnico Fisica) Andrea Pasquinucci (Esterno, laur. Fisica)
Marco Picariello (assegn. Fisica)  Andrea Quadri (dottoran. Fisica) 
Andrea Refolli (assegn. Fisica)  Franco Riva (ricer. Fisica)
Marco Ronchetti (ricer. Univ. Trento)  Marco Rovere (dottoran. Como) 
Tommaso Vinci (studente Fisica)  Giorgio Cardarelli (studente Fisica) 
Alessandro Flacco (studente Fisica)  Francesco Castellano (studente Fisica) 

APPENDICI

Teleinsegnamento

E` stato messo a punto un sistema di teleinsegnamento che consente la completa interattivita` tra i soggeti remoti ed il docente. La fotocamera e` comandata da remoto in modo che chi segue la lezione possa focalizzare i dettagli di suo immediato interesse.  Il
docente  ha la possibilita` di  "rubare" lo schermo di ogni singolo studente in modo da poter vedere gli eventuali errori o semplicemente lo sviluppo della  sua attivita' . L'interattivita` e' completa: il dialogo tra unita` remota e sala docente fluisce in modo naturale e completo.
Nell' a.a. 2002/2003 i circa 30 studenti che hanno seguito il primo modulo sono stati distribuiti su due aule (DC/S/4 e H/1/114).
Nella sala remota opera un "regista" che manovra la telecamera dell'aula del docente ed un esercitatore che segue gli studenti.
Se gli studenti non necessitano di continua assistenza allora l'esercitatore puo' essere sostituito nelle sue funzioni dal docente per mezzo
della "cattura" dello schermo dello studente. E` stato interessante notare come nella sala remota lo studente si senta partecipe alla lezione e non soffra di alcun senso di isolamento dal docente. In Fig.3 viene mostrata l'unita` remota che puo` essere trasportata in ogni ambiente purche`  provvisto di connessione TCP. LaFig.4illustra lo schema di registrazione e trasmissione. Infine Fig. 5 mostra l'aula remota.

Congresso ``Linux in Education''

    Nei giorni 17 e 18 dicembre 1999 e` stato organizzato presso il Dipartimento di Fisica il congresso nazionale Linux in education.  Il congresso ha visto la partecipazione di vari esperti che hanno dibattuto su quali strumenti informatici fornire nel corso di Laurea in Fisica e con quali mezzi tecnici. In questa occasione e` stata fatta la prima esperienza di teleconferenza basata su software prodotto in laboratorio.
 

Articolo apparso su SISTEMA UNIVERSITA` (novembre 2000 pag.12)
 
 



IL LABORATORIO DI CALCOLO E MULTIMEDIA
presso il Dipartimento di Fisica

    Il rapporto tra fisica e computer e` sempre stato molto stretto, che va oltre l'acquisizione e l'elaborazione dei dati. Anche pochi esempi possono documentare questa stretta collaborazione. La costruzione del nuovo acceleratore LHC al CERN (Ginevra) prevede il trattamento di una tale mole di dati che supera le attuali capacita` dei computer e delle memorie di massa. E` nato cosi` il progetto GRID per una distribuzione planetaria del trattamento dei dati. Vanno ricordati anche alcuni episodi storici: la simulazione numerica come indagine di teorie complesse (vedi K. Wilson, premio nobel), l'elaborazione simbolica per impegnativi problemi di algebra (uno dei primi codici, Scoonship, e` di M. Veltman, premio nobel), S. Wolfram (l'autore di Mathematica) e` fisico teorico di formazione, l'invenzione del Web e` avvenuta al CERN per permettere una piu` facile comunicazione tra universita` impegnate nello stesso esperimento. Il Laboratorio di Calcolo e Multimedia (LCM) e` sorto presso il Dipartimento di Fisica in via Celoria 16 per venire incontro alla necessita` di dare agli studenti del iv anno una adeguata formazione dei metodi informatici. Grazie all'entusiastica collaborazione di alcuni studenti, verso la fine del 1997 e` nato il primo nucleo del LCM: un'aula con una rete locale di PC aperta ai servizi di rete (web, mail, telnet,...) controllata da un firewall e con sistema operativo Linux (RedHat). Lo sviluppo di tale iniziativa e` stato continuo ed ha avuto grande successo, nonostante le scarse disponibilita` di spazio e di bilancio. I servizi tecnici dell'Universita` hanno fornito attrezzature (es. condizionamento, schermo, tavoli, impianto elettrico,...) con tempestivita` e competenza. Il laboratorio e` stato arricchito di vari strumenti informatici oltre a quelli contenuti nella release della RedHat (vmware, che simula Windows98, 10 licenze Mathlab, licenza server per matlab, maple, librerie numeriche e grafiche del CERN, paw,...). Nel periodo iniziale il LCM ha funzionato come aula informatizzata (open room) permettendo l'utilizzo di 10 PC dalle 10.30 alle 17 sotto la sorveglianza degli studenti con contratto 150 ore. Il numero degli studenti e` salito rapidamente ad oltre 400 pur essendo permesso l'accesso solo agli studenti iscritti al iv anno o fuoricorso. Nell'autunno 1998 e` stato acceso l'insegnamento di Metodi Computazionali della Fisica con l'intento di fornire gli elementi base di alcuni strumenti informatici (informazioni generali, utilizzo dell'help, esercizi ed applicazioni). Un gruppo di docenti molto motivati (anche di altre sedi universitarie) hanno insegnato: introduzione su sistemi operativi e reti, C, emacs, LaTeX e TeX, perl, matlab, mathematica, librerie grafiche, equazioni differenziali con matlab, metodi numerici in C. Le lezioni erano e sono rigorosamente interattive (con le dita sulle tastiera). La partecipazione degli studenti e` stata tale (circa 60) da rendere necessario lo sviluppo dell'aspetto multimediale del laboratorio. Le lezioni vengono riprese e registrate e poi riproposte ai restanti tre gruppi di studenti in presenza di un esercitatore. Esiste anche la possibilita` di rivedere individualmente la lezione e di cimentarsi in contemporanea sul computer. Nel presente a.a. il corso si e` evoluto verso una maggiore specializzazione: gli studenti, dopo un primo modulo comune, si suddividono in gruppi di lavoro specializzato (C, C++, perl, java, mathematica, matlab, gestione dati, interfacce grafiche, calcolo parallelo, programmazione orientata al web). Il LCM ha organizzato, col supporto del Dipartimento di Fisica, un congresso nazionale ``Linux in education'' nei giorni 17 e 18 dicembre 1999 dove docenti, ricercatori e studenti hanno messo a confronto esperienze e progetti nell'insegnamento dei metodi informatici per gli studenti di fisica. I programmi a breve termine del LCM prevedono di sviluppare sia l'aspetto multimediale (teleinsegnamento di alta qualita`) sia l'aspetto computazionale (costruzione di una computer farm per calcolo parallelo). Il coinvolgimento degli studenti nella gestione del laboratorio ha avuto alcune positive conseguenze. Una decina di loro ha acquisito una notevole competenza nella gestione di reti, nei problemi della sicurezza, nello sviluppo di software per trasmissione di audio e video. Alcuni sistemi operativi (Linux, Windows, Solaris, BeOS, QNX, FreeBSD) sono stati esaminati sotto l'aspetto della sicurezza, versatilita`, convenienza e stabilita`. Gli studenti che hanno seguito il corso si sono presentati al lavoro di tesi con una competenza apprezzata da vari gruppi di ricerca. Il LCM non sarebbe sorto ne' avrebbe raggiunto i risultati descritti senza l'impegno e le capacita` degli studenti e dei docenti. Ulteriori informazioni sul LCM, sul corso di Metodi Computazionali della Fisica e sui partecipanti a questo laboratorio si possono ottenere dai siti web http://lcm.mi.infn.it http://pcferrari.mi.infn.it
 
 



 

Fig. 1-  Il laboratorio presso il Dipartimento di Fisica, via Celoria 16. Aula DC/S/4. [ritorno al testo]
 
 
 



 

Fig.2- Alcuni dettagli del sistema di videoregistrazione e riproduzione:
mixer, radiomicrofoni, amplificatore, diffusori e videocamera. [ritorno al testo]
 
 
 


Fig.3- Unita` remota per videoconferenza. [ritorno al testo]
 


Fig. 4- Schema dell'apparato di registrazione e trasmissione nell'aula di lezione. [ritorno al testo]



 
 
 

Fig. 5- Aula remota (H/1/114) [Ritorno al testo ]
 



 

Fig. 6- Computer farm. [Ritorno al testo]