87 research outputs found

    Accelerating supply chains with Ant Colony Optimization across range of hardware solutions

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    This pre-print, arXiv:2001.08102v1 [cs.NE], was published subsequently by Elsevier in Computers and Industrial Engineering, vol. 147, 106610, pp. 1-14 on 29 Jun 2020 and is available at https://doi.org/10.1016/j.cie.2020.106610Ant Colony algorithm has been applied to various optimization problems, however most of the previous work on scaling and parallelism focuses on Travelling Salesman Problems (TSPs). Although, useful for benchmarks and new idea comparison, the algorithmic dynamics does not always transfer to complex real-life problems, where additional meta-data is required during solution construction. This paper looks at real-life outbound supply chain problem using Ant Colony Optimization (ACO) and its scaling dynamics with two parallel ACO architectures - Independent Ant Colonies (IAC) and Parallel Ants (PA). Results showed that PA was able to reach a higher solution quality in fewer iterations as the number of parallel instances increased. Furthermore, speed performance was measured across three different hardware solutions - 16 core CPU, 68 core Xeon Phi and up to 4 Geforce GPUs. State of the art, ACO vectorization techniques such as SS-Roulette were implemented using C++ and CUDA. Although excellent for TSP, it was concluded that for the given supply chain problem GPUs are not suitable due to meta-data access footprint required. Furthermore, compared to their sequential counterpart, vectorized CPU AVX2 implementation achieved 25.4x speedup on CPU while Xeon Phi with its AVX512 instruction set reached 148x on PA with Vectorized (PAwV). PAwV is therefore able to scale at least up to 1024 parallel instances on the supply chain network problem solved

    Dynamic load balancing on heterogeneous clusters for parallel ant colony optimization

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    © 2016 Springer Science+Business Media New York Ant colony optimisation (ACO) is a nature-inspired, population-based metaheuristic that has been used to solve a wide variety of computationally hard problems. In order to take full advantage of the inherently stochastic and distributed nature of the method, we describe a parallelization strategy that leverages these features on heterogeneous and large-scale, massively-parallel hardware systems. Our approach balances workload effectively, by dynamically assigning jobs to heterogeneous resources which then run ACO implementations using different search strategies. Our experimental results confirm that we can obtain significant improvements in terms of both solution quality and energy expenditure, thus opening up new possibilities for the development of metaheuristic-based solutions to “real world” problems on high-performance, energy-efficient contemporary heterogeneous computing platforms

    Parallelised and vectorised ant colony optimization

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    Ant Colony Optimisation (ACO) is a versatile population-based optimisation metaheuristic based on the foraging behaviour of certain species of ant, and is part of the Evolutionary Computation family of algorithms. While ACO generally provides good quality solutions to the problems it is applied to, two key limitations prevent it from being truly viable on large-scale problems: A high memory requirement that grows quadratically with instance size, and high execution time. This thesis presents a parallelised and vectorised implementation of ACO using OpenMP and AVX SIMD instructions; while this alone is enough to improve upon the execution time of the algorithm, this implementation also features an alternative memory structure and a novel candidate set approach, the use of which significantly reduces the memory requirement of ACO. This parallelism is enabled through the use of Max-Min Ant System, an ACO variant that only utilises local memory during the solution process and therefore risks no synchronisation issues, and an adaptation of vRoulette, a vector-compatible variant of the common roulette wheel selection method. Through the use of these techniques ACO is also able to find good quality solutions for the very large Art TSPs, a problem set that has traditionally been unfeasible to solve with ACO due to high memory requirements and execution time. These techniques can also benefit ACO when it comes to solving other problems. In this case the Virtual Machine Placement problem, in which Virtual Machines have to be efficiently allocated to Physical Machines in a cloud environment, is used as a benchmark, with significant improvements to execution time

    Optimización de algoritmos bioinspirados en sistemas heterogéneos CPU-GPU.

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    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

    Comparative evaluation of platforms for parallel Ant Colony Optimization

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    The rapidly growing field of nature-inspired computing concerns the development and application of algorithms and methods based on biological or physical principles. This approach is particularly compelling for practitioners in high-performance computing, as natural algorithms are often inherently parallel in nature (for example, they may be based on a “swarm”-like model that uses a population of agents to optimize a function). Coupled with rising interest in nature-based algorithms is the growth in heterogenous computing; systems that use more than one kind of processor. We are therefore interested in the performance characteristics of nature-inspired algorithms on a number of different platforms. To this end, we present a new OpenCL-based implementation of the Ant Colony Optimization algorithm, and use it as the basis of extensive experimental tests. We benchmark the algorithm against existing implementations, on a wide variety of hardware platforms, and offer extensive analysis. This work provides rigorous foundations for future investigations of Ant Colony Optimization on high-performance platforms

    Multi-Strategy <em>MAX-MIN</em> Ant System for Solving Quota Traveling Salesman Problem with Passengers, Incomplete Ride and Collection Time

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    This study proposes a novel adaptation of MAX-MIN Ant System algorithm for the Quota Traveling Salesman Problem with Passengers, Incomplete Ride, and Collection Time. There are different types of decisions to solve this problem: satisfaction of the minimum quota, acceptance of ride requests, and minimization of travel costs under the viewpoint of the salesman. The Algorithmic components proposed regards vehicle capacity, travel time, passenger limitations, and a penalty for delivering a passenger deliverance out of the required destination. The ant-based algorithm incorporates different sources of heuristic information for the ants and memory-based principles. Computational results are reported, showing the effectiveness of this ant-based algorithm

    Ant Colony Optimization

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    Ant Colony Optimization (ACO) is the best example of how studies aimed at understanding and modeling the behavior of ants and other social insects can provide inspiration for the development of computational algorithms for the solution of difficult mathematical problems. Introduced by Marco Dorigo in his PhD thesis (1992) and initially applied to the travelling salesman problem, the ACO field has experienced a tremendous growth, standing today as an important nature-inspired stochastic metaheuristic for hard optimization problems. This book presents state-of-the-art ACO methods and is divided into two parts: (I) Techniques, which includes parallel implementations, and (II) Applications, where recent contributions of ACO to diverse fields, such as traffic congestion and control, structural optimization, manufacturing, and genomics are presented
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