Soft Computing Techiniques for the Protein Folding Problem on High Performance Computing Architectures

The protein-folding problem has been extensively studied during the last fifty years. The understanding of the dynamics of global shape of a protein and the influence on its biological function can help us to discover new and more effective drugs to deal with diseases of pharmacological relevance. Different computational approaches have been developed by different researchers in order to foresee the threedimensional arrangement of atoms of proteins from their sequences. However, the computational complexity of this problem makes mandatory the search for new models, novel algorithmic strategies and hardware platforms that provide solutions in a reasonable time frame. We present in this revision work the past and last tendencies regarding protein folding simulations from both perspectives; hardware and software. Of particular interest to us are both the use of inexact solutions to this computationally hard problem as well as which hardware platforms have been used for running this kind of Soft Computing techniques.This work is jointly supported by the FundaciónSéneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia) under grants 15290/PI/2010 and 18946/JLI/13, by the Spanish MEC and European Commission FEDER under grant with reference TEC2012-37945-C02-02 and TIN2012-31345, by the Nils Coordinated Mobility under grant 012-ABEL-CM-2014A, in part financed by the European Regional Development Fund (ERDF). We also thank NVIDIA for hardware donation within UCAM GPU educational and research centers.Ingeniería, Industria y Construcció

METADOCK: A parallel metaheuristic schema for virtual screening methods

Virtual screening through molecular docking can be translated into an optimization problem, which can be tackled with metaheuristic methods. The interaction between two chemical compounds (typically a protein, enzyme or receptor, and a small molecule, or ligand) is calculated by using highly computationally demanding scoring functions that are computed at several binding spots located throughout the protein surface. This paper introduces METADOCK, a novel molecular docking methodology based on parameterized and parallel metaheuristics and designed to leverage heterogeneous computers based on heterogeneous architectures. The application decides the optimization technique at running time by setting a configuration schema. Our proposed solution finds a good workload balance via dynamic assignment of jobs to heterogeneous resources which perform independent metaheuristic executions when computing different molecular interactions required by the scoring functions in use. A cooperative scheduling of jobs optimizes the quality of the solution and the overall performance of the simulation, so opening a new path for further developments of virtual screening methods on high-performance contemporary heterogeneous platforms.Ingeniería, Industria y Construcció

Parallel multi-objective algorithms for the molecular docking problem

International audienceMolecular docking is an essential tool for drug design. It helps the scientist to rapidly know if two molecules, respectively called ligand and receptor, can be combined together to obtain a stable complex. We propose a new multi-objective model combining an energy term and a surface term to gain such complexes. The aim of our model is to provide complexes with a low energy and low surface. This model has been validated with two multi-objective genetic algorithms on instances from the literature dedicated to the docking benchmarking

Optimización de algoritmos bioinspirados en sistemas heterogéneos CPU-GPU.

Los retos científicos del siglo XXI precisan del tratamiento y análisis de una ingente cantidad de información en la conocida como la era del Big Data. Los futuros avances en distintos sectores de la sociedad como la medicina, la ingeniería o la producción eficiente de energía, por mencionar sólo unos ejemplos, están supeditados al crecimiento continuo en la potencia computacional de los computadores modernos. Sin embargo, la estela de este crecimiento computacional, guiado tradicionalmente por la conocida “Ley de Moore”, se ha visto comprometido en las últimas décadas debido, principalmente, a las limitaciones físicas del silicio. Los arquitectos de computadores han desarrollado numerosas contribuciones multicore, manycore, heterogeneidad, dark silicon, etc, para tratar de paliar esta ralentización computacional, dejando en segundo plano otros factores fundamentales en la resolución de problemas como la programabilidad, la fiabilidad, la precisión, etc. El desarrollo de software, sin embargo, ha seguido un camino totalmente opuesto, donde la facilidad de programación a través de modelos de abstracción, la depuración automática de código para evitar efectos no deseados y la puesta en producción son claves para una viabilidad económica y eficiencia del sector empresarial digital. Esta vía compromete, en muchas ocasiones, el rendimiento de las propias aplicaciones; consecuencia totalmente inadmisible en el contexto científico. En esta tesis doctoral tiene como hipótesis de partida reducir las distancias entre los campos hardware y software para contribuir a solucionar los retos científicos del siglo XXI. El desarrollo de hardware está marcado por la consolidación de los procesadores orientados al paralelismo masivo de datos, principalmente GPUs Graphic Processing Unit y procesadores vectoriales, que se combinan entre sí para construir procesadores o computadores heterogéneos HSA. En concreto, nos centramos en la utilización de GPUs para acelerar aplicaciones científicas. Las GPUs se han situado como una de las plataformas con mayor proyección para la implementación de algoritmos que simulan problemas científicos complejos. Desde su nacimiento, la trayectoria y la historia de las tarjetas gráficas ha estado marcada por el mundo de los videojuegos, alcanzando altísimas cotas de popularidad según se conseguía más realismo en este área. Un hito importante ocurrió en 2006, cuando NVIDIA (empresa líder en la fabricación de tarjetas gráficas) lograba hacerse con un hueco en el mundo de la computación de altas prestaciones y en el mundo de la investigación con el desarrollo de CUDA “Compute Unified Device Arquitecture. Esta arquitectura posibilita el uso de la GPU para el desarrollo de aplicaciones científicas de manera versátil. A pesar de la importancia de la GPU, es interesante la mejora que se puede producir mediante su utilización conjunta con la CPU, lo que nos lleva a introducir los sistemas heterogéneos tal y como detalla el título de este trabajo. Es en entornos heterogéneos CPU-GPU donde estos rendimientos alcanzan sus cotas máximas, ya que no sólo las GPUs soportan el cómputo científico de los investigadores, sino que es en un sistema heterogéneo combinando diferentes tipos de procesadores donde podemos alcanzar mayor rendimiento. En este entorno no se pretende competir entre procesadores, sino al contrario, cada arquitectura se especializa en aquella parte donde puede explotar mejor sus capacidades. Donde mayor rendimiento se alcanza es en estos clústeres heterogéneos, donde múltiples nodos son interconectados entre sí, pudiendo dichos nodos diferenciarse no sólo entre arquitecturas CPU-GPU, sino también en las capacidades computacionales dentro de estas arquitecturas. Con este tipo de escenarios en mente, se presentan nuevos retos en los que lograr que el software que hemos elegido como candidato se ejecuten de la manera más eficiente y obteniendo los mejores resultados posibles. Estas nuevas plataformas hacen necesario un rediseño del software para aprovechar al máximo los recursos computacionales disponibles. Se debe por tanto rediseñar y optimizar los algoritmos existentes para conseguir que las aportaciones en este campo sean relevantes, y encontrar algoritmos que, por su propia naturaleza sean candidatos para que su ejecución en dichas plataformas de alto rendimiento sea óptima. Encontramos en este punto una familia de algoritmos denominados bioinspirados, que utilizan la inteligencia colectiva como núcleo para la resolución de problemas. Precisamente esta inteligencia colectiva es la que les hace candidatos perfectos para su implementación en estas plataformas bajo el nuevo paradigma de computación paralela, puesto que las soluciones pueden ser construidas en base a individuos que mediante alguna forma de comunicación son capaces de construir conjuntamente una solución común. Esta tesis se centrará especialmente en uno de estos algoritmos bioinspirados que se engloba dentro del término metaheurísticas bajo el paradigma del Soft Computing, el Ant Colony Optimization “ACO”. Se realizará una contextualización, estudio y análisis del algoritmo. Se detectarán las partes más críticas y serán rediseñadas buscando su optimización y paralelización, manteniendo o mejorando la calidad de sus soluciones. Posteriormente se pasará a implementar y testear las posibles alternativas sobre diversas plataformas de alto rendimiento. Se utilizará el conocimiento adquirido en el estudio teórico-práctico anterior para su aplicación a casos reales, más en concreto se mostrará su aplicación sobre el plegado de proteínas. Todo este análisis es trasladado a su aplicación a un caso concreto. En este trabajo, aunamos las nuevas plataformas hardware de alto rendimiento junto al rediseño e implementación software de un algoritmo bioinspirado aplicado a un problema científico de gran complejidad como es el caso del plegado de proteínas. Es necesario cuando se implementa una solución a un problema real, realizar un estudio previo que permita la comprensión del problema en profundidad, ya que se encontrará nueva terminología y problemática para cualquier neófito en la materia, en este caso, se hablará de aminoácidos, moléculas o modelos de simulación que son desconocidos para los individuos que no sean de un perfil biomédico.Ingeniería, Industria y Construcció

Enhancing large-scale docking simulation on heterogeneous systems: An MPI vs rCUDA study

[EN] Virtual Screening (VS) methods can considerably aid clinical research by predicting how ligands interact with pharmacological targets, thus accelerating the slow and critical process of finding new drugs. VS methods screen large databases of chemical compounds to find a candidate that interacts with a given target. The computational requirements of VS models, along with the size of the databases, containing up to millions of biological macromolecular structures, means computer clusters are a must. However, programming current clusters of computers is no easy task, as they have become heterogeneous and distributed systems where various programming models need to be used together to fully leverage their resources. This paper evaluates several strategies to provide peak performance to a GPU-based molecular docking application called METADOCK in heterogeneous clusters of computers based on CPU and NVIDIA Graphics Processing Units (GPUs). Our developments start with an OpenMP, MPI and CUDA METADOCK version as a baseline case of cluster utilization. Next, we explore the virtualized GPUs provided by the rCUDA framework in order to facilitate the programming process. rCUDA allows us to use remote GPUs, i.e. installed in other nodes of the cluster, as if they were installed in the local node, so enabling access to them using only OpenMP and CUDA. Finally, several load balancing strategies are analyzed in a search to enhance performance. Our results reveal that the use of middleware like rCUDA is a convincing alternative to leveraging heterogeneous clusters, as it offers even better performance than traditional approaches and also makes it easier to program these emerging clusters.This work is jointly supported by the Fundacion Seneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnologia, Region de Murcia) under grant 18946/JLI/13, and by the Spanish MEC and European Commission FEDER under grants TIN2015-66972-C5-3-R and TIN2016-78799-P (AEI/FEDER, UE). We also thank NVIDIA for hardware donation under GPU Educational Center 2014-2016 and Research Center 2015-2016. Furthermore, researchers from Universitat Politecnica de Valencia are supported by the Generalitat Valenciana under Grant PROMETEO/2017/077. Authors are also grateful for the generous support provided by Mellanox Technologies Inc.Imbernón, B.; Prades Gasulla, J.; Gimenez Canovas, D.; Cecilia, JM.; Silla Jiménez, F. (2018). Enhancing large-scale docking simulation on heterogeneous systems: An MPI vs rCUDA study. Future Generation Computer Systems. 79:26-37. https://doi.org/10.1016/j.future.2017.08.050S26377

The design and applications of the african buffalo algorithm for general optimization problems

Optimization, basically, is the economics of science. It is concerned with the need to maximize profit and minimize cost in terms of time and resources needed to execute a given project in any field of human endeavor. There have been several scientific investigations in the past several decades on discovering effective and efficient algorithms to providing solutions to the optimization needs of mankind leading to the development of deterministic algorithms that provide exact solutions to optimization problems. In the past five decades, however, the attention of scientists has shifted from the deterministic algorithms to the stochastic ones since the latter have proven to be more robust and efficient, even though they do not guarantee exact solutions. Some of the successfully designed stochastic algorithms include Simulated Annealing, Genetic Algorithm, Ant Colony Optimization, Particle Swarm Optimization, Bee Colony Optimization, Artificial Bee Colony Optimization, Firefly Optimization etc. A critical look at these ‘efficient’ stochastic algorithms reveals the need for improvements in the areas of effectiveness, the number of several parameters used, premature convergence, ability to search diverse landscapes and complex implementation strategies. The African Buffalo Optimization (ABO), which is inspired by the herd management, communication and successful grazing cultures of the African buffalos, is designed to attempt solutions to the observed shortcomings of the existing stochastic optimization algorithms. Through several experimental procedures, the ABO was used to successfully solve benchmark optimization problems in mono-modal and multimodal, constrained and unconstrained, separable and non-separable search landscapes with competitive outcomes. Moreover, the ABO algorithm was applied to solve over 100 out of the 118 benchmark symmetric and all the asymmetric travelling salesman’s problems available in TSPLIB95. Based on the successful experimentation with the novel algorithm, it is safe to conclude that the ABO is a worthy contribution to the scientific literature

ParadisEO-MO-GPU: a Framework for Parallel GPU-based Local Search Metaheuristics

International audienceIn this paper, we propose a pioneering framework called ParadisEO-MO-GPU for the reusable design and implementation of parallel local search metaheuristics (S- Metaheuristics) on Graphics Processing Units (GPU). We revisit the ParadisEO-MO software framework to allow its utilization on GPU accelerators focusing on the parallel iteration-level model, the major parallel model for S- Metaheuristics. It consists in the parallel exploration of the neighborhood of a problem solution. The challenge is on the one hand to rethink the design and implementation of this model optimizing the data transfer between the CPU and the GPU. On the other hand, the objective is to make the GPU as transparent as possible for the user minimizing his or her involvement in its management. In this paper, we propose solutions to this challenge as an extension of the ParadisEO framework. The first release of the new GPU-based ParadisEO framework has been experimented on the permuted perceptron problem. The preliminary results are convincing, both in terms of flexibility and easiness of reuse at implementation, and in terms of efficiency at execution on GPU

Optimización multi-objetivo en las ciencias de la vida.

Para conseguir este objetivo, en lugar de intentar incorporar nuevos algoritmos directamente en el código fuente de AutoDock, se utilizó un framework orientado a la resolución de problemas de optimización con metaheurísticas. Concretamente, se usó jMetal, que es una librería de código libre basada en Java. Ya que AutoDock está implementado en C++, se desarrolló una versión en C++ de jMetal (posteriormente distribuida públicamente). De esta manera, se consiguió integrar ambas herramientas (AutoDock 4.2 y jMetal) para optimizar la energía libre de unión entre compuesto químico y receptor. Después de disponer de una amplia colección de metaheurísticas implementadas en jMetalCpp, se realizó un detallado estudio en el cual se aplicaron un conjunto de metaheurísticas para optimizar un único objetivo minimizando la energía libre de unión, el cual es el resultado de la suma de todos los términos de energía de la función objetivo de energía de AutoDock 4.2. Por lo tanto, cuatro metaheurísticas tales como dos variantes de algoritmo genético gGA (Algoritmo Genético generacional) y ssGA (Algoritmo Genético de estado estacionario), DE (Evolución Diferencial) y PSO (Optimización de Enjambres de Partículas) fueron aplicadas para resolver el problema del acoplamiento molecular. Esta fase se dividió en dos subfases en las que se usaron dos conjuntos de instancias diferentes, utilizando como receptores HIV-proteasas con cadenas laterales de aminoacidos flexibles y como ligandos inhibidores HIV-proteasas flexibles. El primer conjunto de instancias se usó para un estudio de configuración de parámetros de los algoritmos y el segundo para comparar la precisión de las conformaciones ligando-receptor obtenidas por AutoDock y AutoDock+jMetalCpp. La siguiente fase implicó aplicar una formulación multi-objetivo para resolver problemas de acoplamiento molecular dados los resultados interesantes obtenidos en estudios previos existentes en los que dos objetivos como la energía intermolecular y la energía intramolecular fueron minimizados. Por lo tanto, se comparó y analizó el rendimiento de un conjunto de metaheurísticas multi-objetivo mediante la resolución de complejos flexibles de acoplamiento molecular minimizando la energía inter- e intra-molecular. Estos algoritmos fueron: NSGA-II (Algoritmo Genético de Ordenación No dominada) y su versión de estado estacionario (ssNSGA-II), SMPSO (Optimización Multi-objetivo de Enjambres de Partículas con Modulación de Velocidad), GDE3 (Tercera versión de la Evolución Diferencial Generalizada), MOEA/D (Algoritmo Evolutivo Multi-Objetivo basado en la Decomposición) y SMS-EMOA (Optimización Multi-objetivo Evolutiva con Métrica S). Después de probar enfoques multi-objetivo ya existentes, se probó uno nuevo. En concreto, el uso del RMSD como un objetivo para encontrar soluciones similares a la de la solución de referencia. Se replicó el estudio previo usando este conjunto diferente de objetivos. Por último, se analizó de forma detallada el algoritmo que obtuvo mejores resultados en los estudios previos. En concreto, se realizó un estudio de variantes del SMPSO minimizando la energía intermolecular y el RMSD. Este estudio proporcionó algunas pistas sobre cómo nuevos algoritmos basados en SMPSO pueden ser adaptados para mejorar los resultados de acoplamiento molecular para aquellas simulaciones que involucren ligandos y receptores flexibles. Esta tesis demuestra que la inclusión de técnicas metaheurísticas de jMetalCpp en la herramienta de acoplamiento molecular AutoDock incrementa las posibilidades a los usuarios de ámbito biológico cuando resuelven el problema del acoplamiento molecular. El uso de técnicas de optimización mono-objetivo diferentes aparte de aquéllas ampliamente usadas en las comunidades de acoplamiento molecular podría dar lugar a soluciones de mayor calidad. En nuestro caso de estudio mono-objetivo, el algoritmo de evolución diferencial obtuvo mejores resultados que aquellos obtenidos por AutoDock. También se propone diferentes enfoques multi-objetivo para resolver el problema del acoplamiento molecular, tales como la decomposición de los términos de la energía de unión o el uso del RMSD como un objetivo. Finalmente, se demuestra que el SMPSO, una metaheurística de optimización multi-objetivo de enjambres de partículas, es una técnica remarcable para resolver problemas de acoplamiento molecular cuando se usa un enfoque multi-objetivo, obteniendo incluso mejores soluciones que las técnicas mono-objetivo.Las herramientas de acoplamiento molecular han llegado a ser bastante eficientes en el descubrimiento de fármacos y en el desarrollo de la investigación de la industria farmacéutica. Estas herramientas se utilizan para elucidar la interacción de una pequeña molécula (ligando) y una macro-molécula (diana) a un nivel atómico para determinar cómo el ligando interactúa con el sitio de unión de la proteína diana y las implicaciones que estas interacciones tienen en un proceso bioquímico dado. En el desarrollo computacional de las herramientas de acoplamiento molecular los investigadores de este área se han centrado en mejorar los componentes que determinan la calidad del software de acoplamiento molecular: 1) la función objetivo y 2) los algoritmos de optimización. La función objetivo de energía se encarga de proporcionar una evaluación de las conformaciones entre el ligando y la proteína calculando la energía de unión, que se mide en kcal/mol. En esta tesis, se ha usado AutoDock, ya que es una de las herramientas de acoplamiento molecular más citada y usada, y cuyos resultados son muy precisos en términos de energía y valor de RMSD (desviación de la media cuadrática). Además, se ha seleccionado la función de energía de AutoDock versión 4.2, ya que permite realizar una mayor cantidad de simulaciones realistas incluyendo flexibilidad en el ligando y en las cadenas laterales de los aminoácidos del receptor que están en el sitio de unión. Se han utilizado algoritmos de optimización para mejorar los resultados de acoplamiento molecular de AutoDock 4.2, el cual minimiza la energía libre de unión final que es la suma de todos los términos de energía de la función objetivo de energía. Dado que encontrar la solución óptima en el acoplamiento molecular es un problema de gran complejidad y la mayoría de las veces imposible, se suelen utilizar algoritmos no exactos como las metaheurísticas, para así obtener soluciones lo suficientemente buenas en un tiempo razonable

GPU Computing for Parallel Local Search Metaheuristics

International audienceLocal search metaheuristics (LSMs) are efficient methods for solving complex problems in science and industry. They allow significantly to reduce the size of the search space to be explored and the search time. Nevertheless, the resolution time remains prohibitive when dealing with large problem instances. Therefore, the use of GPU-based massively parallel computing is a major complementary way to speed up the search. However, GPU computing for LSMs is rarely investigated in the literature. In this paper, we introduce a new guideline for the design and implementation of effective LSMs on GPU. Very efficient approaches are proposed for CPU-GPU data transfer optimization, thread control, mapping of neighboring solutions to GPU threads and memory management. These approaches have been experimented using four well-known combinatorial and continuous optimization problems and four GPU configurations. Compared to a CPU-based execution, accelerations up to x80 are reported for the large combinatorial problems and up to x240 for a continuous problem. Finally, extensive experiments demonstrate the strong potential of GPU-based LSMs compared to cluster or grid-based parallel architectures