Mini-batch stochastic approaches for accelerated multiplicative updates in nonnegative matrix factorisation with beta-divergence

International audienceNonnegative matrix factorisation (NMF) with β-divergence is a popular method to decompose real world data. In this paper we propose mini-batch stochastic algorithms to perform NMF efficiently on large data matrices. Besides the stochastic aspect, the mini-batch approach allows exploiting intensive computing devices such as general purpose graphical processing units to decrease the processing time and in some cases outperform coordinate descent approach

Accelerating the Lawson-Hanson NNLS solver for large-scale Tchakaloff regression designs

We deal with the problem of computing near G-optimal compressed designs for high-degree polynomial regression on fine discretizations of 2d and 3d regions of arbitrary shape. The key tool is Tchakaloff-like compression of discrete probability measures, via an improved version of the Lawson-Hanson NNLS solver for the corresponding full and large-scale underdetermined moment system, that can have for example a size order of 10\u2c63 (basis polynomials) x 10\u2c64 (nodes)

HPC algorithms for nonnegative decompositions

Muchos problemas procedentes de aplicaciones del mundo real pueden ser modelados como problemas matemáticos con magnitudes no negativas, y por tanto, las soluciones de estos problemas matemáticos solo tienen sentido si son no negativas. Estas magnitudes no negativas pueden ser, por ejemplo, las frecuencias en una señal sonora, las intensidades de los pixeles de una imagen, etc. Algunos de estos problemas pueden ser modelados utilizando un sistema de ecuaciones lineales sobredeterminado. Cuando la solución de dicho problema debe ser restringida a valores no negativos, aparece un problema llamado problema de mínimos cuadrados no negativos (NNLS por sus siglas en inglés). La solución de dicho problema tiene múltiples aplicaciones en ciencia e ingeniería. Otra descomposición no negativa importante es la Factorización de Matrices No negativas (NMF por sus siglas en inglés). La NMF es una herramienta muy popular utilizada en varios campos, como por ejemplo: clasificación de documentos, aprendizaje automático, análisis de imagen o separación de señales sonoras. Esta factorización intenta aproximar una matriz no negativa con el producto de dos matrices no negativas de menor tamaño, creando habitualmente representaciones por partes de los datos originales. Los algoritmos diseñados para calcular la solución de estos dos problemas no negativos tienen un elevado coste computacional, y debido a ese elevado coste, estas descomposiciones pueden beneficiarse mucho del uso de técnicas de Computación de Altas Prestaciones (HPC por sus siglas en inglés). Estos sistemas computacionales de altas prestaciones incluyen desde los modernos computadores multinucleo a lo último en aceleradores de calculo (Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU), Intel Many Integrated Core (MIC), etc.). Para obtener el máximo rendimiento de estos sistemas, los desarrolladores deben utilizar tecnologías software tales como la programación paralela, la vectoración o el uso de librerías de computación altas prestaciones. A pesar de que existen diversos algoritmos para calcular la NMF y resolver el problema NNLS, no todos ellos disponen de una implementación paralela y eficiente. Además, es muy interesante reunir diversos algoritmos con propiedades diferentes en una sola librería computacional. Esta tesis presenta una librería computacional de altas prestaciones que contiene implementaciones paralelas y eficientes de los mejores algoritmos existentes actualmente para calcular la NMF. Además la tesis también incluye una comparación experimental entre las diferentes implementaciones presentadas. Esta librería centrada en el cálculo de la NMF soporta múltiples arquitecturas tales como CPUs multinucleo, GPUs e Intel MIC. El objetivo de esta librería es ofrecer un abanico de algoritmos eficientes para ayudar a científicos, ingenieros o cualquier tipo de profesionales que necesitan hacer uso de la NMF. Otro problema abordado en esta tesis es la actualización de las factorizaciones no negativas. El problema de la actualización se ha estudiado tanto para la solución del problema NNLS como para el calculo de la NMF. Existen problemas no negativos cuya solución es próxima a otros problemas que ya han sido resueltos, el problema de la actualización consiste en aprovechar la solución de un problema A que ya ha sido resuelto, para obtener la solución de un problema B cercano al problema A. Utilizando esta aproximación, el problema B puede ser resuelto más rápido que si se tuviera que resolver sin aprovechar la solución conocida del problema A. En esta tesis se presenta una metodología algorítmica para resolver ambos problemas de actualización: la actualización de la solución del problema NNLS y la actualización de la NMF. Además se presentan evaluaciones empíricas de las soluciones presentadas para ambos problemas. Los resultados de estas evaluaciones muestran que los algoritmos propuestos son más rápidos que resoMolts problemes procedents de aplicacions del mon real poden ser modelats com problemes matemàtics en magnituts no negatives, i per tant, les solucions de estos problemes matemàtics només tenen sentit si son no negatives. Estes magnituts no negatives poden ser, per eixemple, la concentració dels elements en un compost químic, les freqüències en una senyal sonora, les intensitats dels pixels de una image, etc. Alguns d'estos problemes poden ser modelats utilisant un sistema d'equacions llineals sobredeterminat. Quant la solució de este problema deu ser restringida a valors no negatius, apareix un problema nomenat problema de mínims quadrats no negatius (NNLS per les seues sigles en anglés). La solució de este problema te múltiples aplicacions en ciències i ingenieria. Un atra descomposició no negativa important es la Factorisació de Matrius No negatives(NMF per les seues sigles en anglés). La NMF es una ferramenta molt popular utilisada en diversos camps, com per eixemple: classificacio de documents, aprenentage automàtic, anàlisis de image o separació de senyals sonores. Esta factorisació intenta aproximar una matriu no negativa en el producte de dos matrius no negatives de menor tamany, creant habitualment representacions a parts de les dades originals. Els algoritmes dissenyats per a calcular la solució de estos dos problemes no negatius tenen un elevat cost computacional, i degut a este elevat cost, estes descomposicions poden beneficiar-se molt del us de tècniques de Computació de Altes Prestacions (HPC per les seues sigles en anglés). Estos sistemes de computació de altes prestacions inclouen des dels moderns computadors multinucli a lo últim en acceleradors de càlcul (Unitats de Processament Gràfic (GPU), Intel Many Core (MIC), etc.). Per a obtindre el màxim rendiment de estos sistemes, els desenrolladors deuen utilisar tecnologies software tals com la programació paralela, la vectorisació o el us de llibreries de computació de altes prestacions. A pesar de que existixen diversos algoritmes per a calcular la NMF i resoldre el problema NNLS, no tots ells disponen de una implementació paralela i eficient. Ademés, es molt interessant reunir diversos algoritmes en propietats diferents en una sola llibreria computacional. Esta tesis presenta una llibreria computacional de altes prestacions que conté implementacions paraleles i eficients dels millors algoritmes existents per a calcular la NMF. Ademés, la tesis també inclou una comparació experimental entre les diferents implementacions presentades. Esta llibreria centrada en el càlcul de la NMF soporta diverses arquitectures tals com CPUs multinucli, GPUs i Intel MIC. El objectiu de esta llibreria es oferir una varietat de algoritmes eficients per a ajudar a científics, ingeniers o qualsevol tipo de professionals que necessiten utilisar la NMF. Un atre problema abordat en esta tesis es la actualisació de les factorisacions no negatives. El problema de la actualisació se ha estudiat tant per a la solució del problema NNLS com per a el càlcul de la NMF. Existixen problemes no negatius la solució dels quals es pròxima a atres problemes no negatius que ya han sigut resolts, el problema de la actualisació consistix en aprofitar la solució de un problema A que ya ha sigut resolt, per a obtindre la solució de un problema B pròxim al problema A. Utilisant esta aproximació, el problema B pot ser resolt molt mes ràpidament que si tinguera que ser resolt des de 0 sense aprofitar la solució coneguda del problema A. En esta tesis es presenta una metodologia algorítmica per a resoldre els dos problemes de actualisació: la actualisació de la solució del problema NNLS i la actualisació de la NMF. Ademés es presenten evaluacions empíriques de les solucions presentades per als dos problemes. Els resultats de estes evaluacions mostren que els algoritmes proposts son més ràpits que resoldre el problema des de 0 en tots elsMany real world-problems can be modelled as mathematical problems with nonnegative magnitudes, and, therefore, the solutions of these problems are meaningful only if their values are nonnegative. Examples of these nonnegative magnitudes are the concentration of components in a chemical compound, frequencies in an audio signal, pixel intensities on an image, etc. Some of these problems can be modelled to an overdetermined system of linear equations. When the solution of this system of equations should be constrained to nonnegative values, a new problem arises. This problem is called the Nonnegative Least Squares (NNLS) problem, and its solution has multiple applications in science and engineering, especially for solving optimization problems with nonnegative restrictions. Another important nonnegativity constrained decomposition is the Nonnegative Matrix Factorization (NMF). The NMF is a very popular tool in many fields such as document clustering, data mining, machine learning, image analysis, chemical analysis, and audio source separation. This factorization tries to approximate a nonnegative data matrix with the product of two smaller nonnegative matrices, usually creating parts based representations of the original data. The algorithms that are designed to compute the solution of these two nonnegative problems have a high computational cost. Due to this high cost, these decompositions can benefit from the extra performance obtained using High Performance Computing (HPC) techniques. Nowadays, there are very powerful computational systems that offer high performance and can be used to solve extremely complex problems in science and engineering. From modern multicore CPUs to the newest computational accelerators (Graphics Processing Units(GPU), Intel Many Integrated Core(MIC), etc.), the performance of these systems keeps increasing continuously. To make the most of the hardware capabilities of these HPC systems, developers should use software technologies such as parallel programming, vectorization, or high performance computing libraries. While there are several algorithms for computing the NMF and for solving the NNLS problem, not all of them have an efficient parallel implementation available. Furthermore, it is very interesting to group several algorithms with different properties into a single computational library. This thesis presents a high-performance computational library with efficient parallel implementations of the best algorithms to compute the NMF in the current state of the art. In addition, an experimental comparison between the different implementations is presented. This library is focused on the computation of the NMF supporting multiple architectures like multicore CPUs, GPUs and Intel MIC. The goal of the library is to offer a full suit of algorithms to help researchers, engineers or professionals that need to use the NMF. Another problem that is dealt with in this thesis is the updating of nonnegative decompositions. The updating problem has been studied for both the solution of the NNLS problem and the NMF. Sometimes there are nonnegative problems that are close to other nonnegative problems that have already been solved. The updating problem tries to take advantage of the solution of a problem A, that has already been solved in order to obtain a solution of a new problem B, which is closely related to problem A. With this approach, problem B can be solved faster than solving it from scratch and not taking advantage of the already known solution of problem A. In this thesis, an algorithmic scheme is proposed for both the updating of the solution of NNLS problems and the updating of the NMF. Empirical evaluations for both updating problems are also presented. The results show that the proposed algorithms are faster than solving the problems from scratch in all of the tested cases.San Juan Sebastián, P. (2018). HPC algorithms for nonnegative decompositions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/11306

Detection of base travel groups with different sensitivities to new high-speed rail services: Non-negative tensor decomposition approach

金沢大学理工研究域地球社会基盤学系How many base travel groups (models) are necessary for clarifying the long-term day-to-day dynamics of intercity travel? In the past, several travel purposes (e.g., sightseeing, business, etc.) have been assumed. However, mobile-phone location data enables us to answer the above question because of their detailed time-series information. In this study, we propose a method for deriving the basic travel groups necessary for clarifying the time-series changes by applying nonnegative tensor factorization (NTF). This method is applied to the time-series data of several long-distance travelers to the Ishikawa prefecture, to where the Hokuriku High-speed rail (HSR) has been newly extended. Based on this, the number of base travel groups necessary for predicting the effect of the new HSR is estimated as twelve, which is greater than the number used in the previous demand forecasting models. The estimated groups include components that appear to correspond to different travel purposes (e.g., sightseeing, business, and homecoming), as in previous surveys. These results confirm that the methodology proposed in this study can clearly extract groups with different elasticities, due to the traffic service. The HSR effect can be clarified by dividing it into several characteristics and detailed components. In addition, if multiple HSR effects are analyzed, a more accurate demand-forecasting model for the new HSR service can be proposed.Embargo Period 12 month

Machine Learning on Neutron and X-Ray Scattering

Neutron and X-ray scattering represent two state-of-the-art materials characterization techniques that measure materials' structural and dynamical properties with high precision. These techniques play critical roles in understanding a wide variety of materials systems, from catalysis to polymers, nanomaterials to macromolecules, and energy materials to quantum materials. In recent years, neutron and X-ray scattering have received a significant boost due to the development and increased application of machine learning to materials problems. This article reviews the recent progress in applying machine learning techniques to augment various neutron and X-ray scattering techniques. We highlight the integration of machine learning methods into the typical workflow of scattering experiments. We focus on scattering problems that faced challenge with traditional methods but addressable using machine learning, such as leveraging the knowledge of simple materials to model more complicated systems, learning with limited data or incomplete labels, identifying meaningful spectra and materials' representations for learning tasks, mitigating spectral noise, and many others. We present an outlook on a few emerging roles machine learning may play in broad types of scattering and spectroscopic problems in the foreseeable future.Comment: 56 pages, 12 figures. Feedback most welcom

General Purpose Computation on Graphics Processing Units Using OpenCL

Computational Science has emerged as a third pillar of science along with theory and experiment, where the parallelization for scientific computing is promised by different shared and distributed memory architectures such as, super-computer systems, grid and cluster based systems, multi-core and multiprocessor systems etc. In the recent years the use of GPUs (Graphic Processing Units) for General purpose computing commonly known as GPGPU made it an exciting addition to high performance computing systems (HPC) with respect to price and performance ratio. Current GPUs consist of several hundred computing cores arranged in streaming multi-processors so the degree of parallelism is promising. Moreover with the development of new and easy to use interfacing tools and programming languages such as OpenCL and CUDA made the GPUs suitable for different computation demanding applications such as micromagnetic simulations. In micromagnetic simulations, the study of magnetic behavior at very small time and space scale demands a huge computation time, where the calculation of magnetostatic field with complexity of O(Nlog(N)) using FFT algorithm for discrete convolution is the main contribution towards the whole simulation time, and it is computed many times at each time step interval. This study and observation of magnetization behavior at sub-nanosecond time-scales is crucial to a number of areas such as magnetic sensors, non volatile storage devices and magnetic nanowires etc. Since micromagnetic codes in general are suitable for parallel programming as it can be easily divided into independent parts which can run in parallel, therefore current trend for micromagnetic code concerns shifting the computationally intensive parts to GPUs. My PhD work mainly focuses on the development of highly parallel magnetostatic field solver for micromagnetic simulators on GPUs. I am using OpenCL for GPU implementation, with consideration that it is an open standard for parallel programming of heterogeneous systems for cross platform. The magnetostatic field calculation is dominated by the multidimensional FFTs (Fast Fourier Transform) computation. Therefore i have developed the specialized OpenCL based 3D-FFT library for magnetostatic field calculation which made it possible to fully exploit the zero padded input data with out transposition and symmetries inherent in the field calculation. Moreover it also provides a common interface for different vendors' GPUs. In order to fully utilize the GPUs parallel architecture the code needs to handle many hardware specific technicalities such as coalesced memory access, data transfer overhead between GPU and CPU, GPU global memory utilization, arithmetic computation, batch execution etc. In the second step to further increase the level of parallelism and performance, I have developed a parallel magnetostatic field solver on multiple GPUs. Utilizing multiple GPUs avoids dealing with many of the limitations of GPUs (e.g., on-chip memory resources) by exploiting the combined resources of multiple on board GPUs. The GPU implementation have shown an impressive speedup against equivalent OpenMp based parallel implementation on CPU, which means the micromagnetic simulations which require weeks of computation on CPU now can be performed very fast in hours or even in minutes on GPUs. In parallel I also worked on ordered queue management on GPUs. Ordered queue management is used in many applications including real-time systems, operating systems, and discrete event simulations. In most cases, the efficiency of an application itself depends on usage of a sorting algorithm for priority queues. Lately, the usage of graphic cards for general purpose computing has again revisited sorting algorithms. In this work i have presented the analysis of different sorting algorithms with respect to sorting time, sorting rate and speedup on different GPU and CPU architectures and provided a new sorting technique on GPU

Estudio y mejora de la técnica en representación de información tridimensional y bidimensional sobre display

En esta tesis se abordan diferentes cuestiones relacionadas con el procesamiento digital de imágenes condicionadas a la representación y visualización de las mismas. En primer lugar, se ha estudiado la representación y análisis de la función de light-field sobre displays automultiscópicos. Esto se consigue presentando a cada ojo un conjunto de imágenes similares, pero diferenciables en tanto a la disparidad espacial obtenida en relación a la distancia real de los objetos presentes en la escena. Específicamente, esta parte del trabajo se ha elaborado sobre el concepto de display multicapa, siendo éste, esencialmente, un dispositivo compuesto por múltiples capas en las que es posible representar diferentes imágenes, y cuya superposición permite proyectar direccionalmente información que cumpla los requisitos anteriormente descritos. La contribución en este sentido es la mejora de los algoritmos ya existentes para la síntesis de la función de light-field. Los métodos numéricos comúnmente empleados son muy sensibles al mal condicionamiento del problema, y por tanto, dependen enormemente de la solución inicial del problema. Se analizan diferentes métodos, y se presentan dos alternativas que mejoran los resultados previos sobre el método. como generalización del algoritmo WNMF, en tomografía de la atmósfera. Además se ha estudiado un método que permite mejorar la resolución de las imágenes mostradas por encima del límite que el ancho de banda del dispositivo determina. Esto se ha conseguido aplicando un desenfoque artificial al sistema observado y pre-compensando la imagen representada teniendo en cuenta el diámetro del círculo de confusión. Finalmente, se presenta una técnica basada en la medida y caracterización de un display con microlentes para mejorar la percepción de un observador no emétrope

Optimización de la factorización de matrices no negativas en Bioinformática

En los últimos años se ha incrementado el interés de la comunidad científica en la Factorización de matrices no negativas (Non-negative Matrix Factorization, NMF). Este método permite transformar un conjunto de datos de grandes dimensiones en una pequeña colección de elementos que poseen semántica propia en el contexto del análisis. En el caso de Bioinformática, NMF suele emplearse como base de algunos métodos de agrupamiento de datos, que emplean un modelo estadístico para determinar el número de clases más favorable. Este modelo requiere de una gran cantidad de ejecuciones de NMF con distintos parámetros de entrada, lo que representa una enorme carga de trabajo a nivel computacional. La mayoría de las implementaciones de NMF han ido quedando obsoletas ante el constante crecimiento de los datos que la comunidad científica busca analizar, bien sea porque los tiempos de cómputo llegan a alargarse hasta convertirse en inviables, o porque el tamaño de esos datos desborda los recursos del sistema. Por ello, esta tesis doctoral se centra en la optimización y paralelización de la factorización NMF, pero no solo a nivel teórico, sino con el objetivo de proporcionarle a la comunidad científica una nueva herramienta para el análisis de datos de origen biológico. NMF expone un alto grado de paralelismo a nivel de datos, de granularidad variable; mientras que los métodos de agrupamiento mencionados anteriormente presentan un paralelismo a nivel de cómputo, ya que las diversas instancias de NMF que se ejecutan son independientes. Por tanto, desde un punto de vista global, se plantea un modelo de optimización por capas donde se emplean diferentes tecnologías de alto rendimiento..