Distributed computing and data storage in proteomics: many hands make light work, and a stronger memory

Modern day proteomics generates ever more complex data, causing the requirements on the storage and processing of such data to outgrow the capacity of most desktop computers. To cope with the increased computational demands, distributed architectures have gained substantial popularity in the recent years. In this review, we provide an overview of the current techniques for distributed computing, along with examples of how the techniques are currently being employed in the field of proteomics. We thus underline the benefits of distributed computing in proteomics, while also pointing out the potential issues and pitfalls involved.acceptedVersio

Many-Task Computing and Blue Waters

This report discusses many-task computing (MTC) generically and in the context of the proposed Blue Waters systems, which is planned to be the largest NSF-funded supercomputer when it begins production use in 2012. The aim of this report is to inform the BW project about MTC, including understanding aspects of MTC applications that can be used to characterize the domain and understanding the implications of these aspects to middleware and policies. Many MTC applications do not neatly fit the stereotypes of high-performance computing (HPC) or high-throughput computing (HTC) applications. Like HTC applications, by definition MTC applications are structured as graphs of discrete tasks, with explicit input and output dependencies forming the graph edges. However, MTC applications have significant features that distinguish them from typical HTC applications. In particular, different engineering constraints for hardware and software must be met in order to support these applications. HTC applications have traditionally run on platforms such as grids and clusters, through either workflow systems or parallel programming systems. MTC applications, in contrast, will often demand a short time to solution, may be communication intensive or data intensive, and may comprise very short tasks. Therefore, hardware and software for MTC must be engineered to support the additional communication and I/O and must minimize task dispatch overheads. The hardware of large-scale HPC systems, with its high degree of parallelism and support for intensive communication, is well suited for MTC applications. However, HPC systems often lack a dynamic resource-provisioning feature, are not ideal for task communication via the file system, and have an I/O system that is not optimized for MTC-style applications. Hence, additional software support is likely to be required to gain full benefit from the HPC hardware

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

Development of High Performance Molecular Dynamics with Application to Multimillion-Atom Biomass Simulations

An understanding of the recalcitrance of plant biomass is important for efficient economic production of biofuel. Lignins are hydrophobic, branched polymers and form a residual barrier to effective hydrolysis of lignocellulosic biomass. Understanding lignin\u27s structure, dynamics and its interaction and binding to cellulose will help with finding more efficient ways to reduce its contribution to the recalcitrance. Molecular dynamics (MD) using the GROMACS software is employed to study these properties in atomic detail. Studying complex, realistic models of pretreated plant cell walls, requires simulations significantly larger than was possible before. The most challenging part of such large simulations is the computation of the electrostatic interaction. As a solution, the reaction-field (RF) method has been shown to give accurate results for lignocellulose systems, as well as good computational efficiency on leadership class supercomputers. The particle-mesh Ewald method has been improved by implementing 2D decomposition and thread level parallelization for molecules not accurately modeled by RF. Other scaling limiting computational components, such as the load balancing and memory requirements, were identified and addressed to allow such large scale simulations for the first time. This work was done with the help of modern software engineering principles, including code-review, continuous integration, and integrated development environments. These methods were adapted to the special requirements for scientific codes. Multiple simulations of lignocellulose were performed. The simulation presented primarily, explains the temperature-dependent structure and dynamics of individual softwood lignin polymers in aqueous solution. With decreasing temperature, the lignins are found to transition from mobile, extended to glassy, compact states. The low-temperature collapse is thermodynamically driven by the increase of the translational entropy and density fluctuations of water molecules removed from the hydration shell