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

Reliable Generation of Native-Like Decoys Limits Predictive Ability in Fragment-Based Protein Structure Prediction

Our previous work with fragment-assembly methods has demonstrated specific deficiencies in conformational sampling behaviour that, when addressed through improved sampling algorithms, can lead to more reliable prediction of tertiary protein structure when good fragments are available, and when score values can be relied upon to guide the search to the native basin. In this paper, we present preliminary investigations into two important questions arising from more difficult prediction problems. First, we investigated the extent to which native-like conformational states are generated during multiple runs of our search protocols. We determined that, in cases of difficult prediction, native-like decoys are rarely or never generated. Second, we developed a scheme for decoy retention that balances the objectives of retaining low-scoring structures and retaining conformationally diverse structures sampled during the course of the search. Our method succeeds at retaining more diverse sets of structures, and, for a few targets, more native-like solutions are retained as compared to our original, energy-based retention scheme. However, in general, we found that the rate at which native-like structural states are generated has a much stronger effect on eventual distributions of predictive accuracy in the decoy sets, as compared to the specific decoy retention strategy used. We found that our protocols show differences in their ability to access native-like states for some targets, and this may explain some of the differences in predictive performance seen between these methods. There appears to be an interaction between fragment sets and move operators, which influences the accessibility of native-like structures for given targets. Our results point to clear directions for further improvements in fragment-based methods, which are likely to enable higher accuracy predictions

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

Evolutionary Computation 2020

Intelligent optimization is based on the mechanism of computational intelligence to refine a suitable feature model, design an effective optimization algorithm, and then to obtain an optimal or satisfactory solution to a complex problem. Intelligent algorithms are key tools to ensure global optimization quality, fast optimization efficiency and robust optimization performance. Intelligent optimization algorithms have been studied by many researchers, leading to improvements in the performance of algorithms such as the evolutionary algorithm, whale optimization algorithm, differential evolution algorithm, and particle swarm optimization. Studies in this arena have also resulted in breakthroughs in solving complex problems including the green shop scheduling problem, the severe nonlinear problem in one-dimensional geodesic electromagnetic inversion, error and bug finding problem in software, the 0-1 backpack problem, traveler problem, and logistics distribution center siting problem. The editors are confident that this book can open a new avenue for further improvement and discoveries in the area of intelligent algorithms. The book is a valuable resource for researchers interested in understanding the principles and design of intelligent algorithms

Evolutionary approaches to optimisation in rough machining

This thesis concerns the use of Evolutionary Computation to optimise the sequence and selection of tools and machining parameters in rough milling applications. These processes are not automated in current Computer-Aided Manufacturing (CAM) software and this work, undertaken in collaboration with an industrial partner, aims to address this. Related research has mainly approached tool sequence optimisation using only a single tool type, and machining parameter optimisation of a single-tool sequence. In a real world industrial setting, tools with different geometrical profiles are commonly used in combination on rough machining tasks in order to produce components with complex sculptured surfaces. This work introduces a new representation scheme and search operators to support the use of the three most commonly used tool types: end mill, ball nose and toroidal. Using these operators, single-objective metaheuristic algorithms are shown to find near-optimal solutions, while surveying only a small number of tool sequences. For the first time, a multi-objective approach is taken to tool sequence optimisation. The process of ‘multi objectivisation’ is shown to offer two benefits: escaping local optima on deceptive multimodal search spaces and providing a selection of tool sequence alternatives to a machinist. The multi-objective approach is also used to produce a varied set of near-Pareto optimal solutions, offering different trade-offs between total machining time and total tooling costs, simultaneously optimising tool sequences and the cutting speeds of individual tools. A challenge for using computationally expensive CAM software, important for real world machining, is the time cost of evaluations. An asynchronous parallel evolutionary optimisation system is presented that can provide a significant speed up, even in the presence of heterogeneous evaluation times produced by variable length tool sequences. This system uses a distributed network of processors that could be easily and inexpensively implemented on existing commercial hardware, and accessible to even small workshops