Libro de Actas JCC&BD 2018 : VI Jornadas de Cloud Computing & Big Data

Se recopilan las ponencias presentadas en las VI Jornadas de Cloud Computing & Big Data (JCC&BD), realizadas entre el 25 al 29 de junio de 2018 en la Facultad de Informática de la Universidad Nacional de La Plata.Universidad Nacional de La Plata (UNLP) - Facultad de Informátic

High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications

This open access book was prepared as a Final Publication of the COST Action IC1406 “High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications (cHiPSet)“ project. Long considered important pillars of the scientific method, Modelling and Simulation have evolved from traditional discrete numerical methods to complex data-intensive continuous analytical optimisations. Resolution, scale, and accuracy have become essential to predict and analyse natural and complex systems in science and engineering. When their level of abstraction raises to have a better discernment of the domain at hand, their representation gets increasingly demanding for computational and data resources. On the other hand, High Performance Computing typically entails the effective use of parallel and distributed processing units coupled with efficient storage, communication and visualisation systems to underpin complex data-intensive applications in distinct scientific and technical domains. It is then arguably required to have a seamless interaction of High Performance Computing with Modelling and Simulation in order to store, compute, analyse, and visualise large data sets in science and engineering. Funded by the European Commission, cHiPSet has provided a dynamic trans-European forum for their members and distinguished guests to openly discuss novel perspectives and topics of interests for these two communities. This cHiPSet compendium presents a set of selected case studies related to healthcare, biological data, computational advertising, multimedia, finance, bioinformatics, and telecommunications

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

Global Optimization: Software and Applications

Mathematical models are a gateway into both theoretical and experimental understand- ing. However, sometimes these models need certain parameters to be established in order to obtain the optimal behaviour or value. This is done by using an optimization method that obtains certain parameters for optimal behaviour, as described by an objective function that may be a minimum (or maximum) result. Global optimization is a branch of optimization that takes a model and determines the global minimum for a given domain. Global opti- mization can become extremely challenging when the domain yields multiple local minima. Moreover, the complexity of the mathematical model and the consequent lengths of calcu- lations tend to increase the amount of time required for the solver to find the solution. To address these challenges, two software packages were developed to aid a solver in optimizing a black box objective function. The first software package is called Computefarm, a distributed local-resource computing software package that parallelizes the iteration step of a solver by distributing objective function evaluations to idle computers. The second software package is an Optimization Database that is used to monitor the global optimization process by storing information on the objective function evaluation and any extra information on the objective function. The Optimization Database is also used to prevent data from being lost during a failure in the optimization process. In this thesis, both Computefarm and the Optimization Database are used in the context of two particular applications. The first application is quantum error correction gate design. Quantum computers cannot rely on software to correct errors because of the quantum me- chanical properties that allow non-deterministic behaviour in the quantum bit. This means the quantum bits can change states between (0, 1) at any point in time. There are various ways to stabilize the quantum bits; however, errors in the system of quantum bits and the sys- tem to measure the states can occur. Therefore, error correction gates are designed to correct for these different types of errors to ensure a high fidelity in the overall circuit. A simulation of a quantum error correction gate is used to determine the properties of components needed to correct for errors in the circuit of the qubit system. The gate designs for the three-qubit and four-qubit systems are obtained by solving a feasibility problem for the intrinsic fidelity ii(error-correction percentage) to be above the prescribed 99.99% threshold. The Optimization Database is used with the MATLAB ’s Global Search algorithm to obtain the results for the three-qubit and four-qubit systems. The approach used in this thesis yields a faster high- fidelity (≤ 99.99%) three-qubit gate time than obtained previously, and obtained a solution for a fast high-fidelity four-qubit gate time. The second application is Rational Design of Materials, in which global optimization is used to find stable crystal structures of chemical compositions. To predict crystal structures, the enthalpy that determines the stability of the structure is minimized. The Optimization Database is used to store information on the obtained structure that is later used for identification of the crystal structure and Compute- farm is used to speed up the global optimization process. Ten crystal structures for carbon and five crystal structures for silicon-dioxide are obtained by using Global Convergence Par- ticle Swarm Optimization. The stable structures, graphite (carbon) and cristobalite (silicon dioxide), are obtained by using Global Convergence Particle Swarm Optimization. Achieving these results allows for further research on the stable and meta-stable crystal structures to understand various properties like hardness and thermal conductivity