FAIR Computational Workflows

Computational workflows describe the complex multi-step methods that are used for data collection, data preparation, analytics, predictive modelling, and simulation that lead to new data products. They can inherently contribute to the FAIR data principles: by processing data according to established metadata; by creating metadata themselves during the processing of data; and by tracking and recording data provenance. These properties aid data quality assessment and contribute to secondary data usage. Moreover, workflows are digital objects in their own right. This paper argues that FAIR principles for workflows need to address their specific nature in terms of their composition of executable software steps, their provenance, and their development.Accepted for Data Intelligence special issue: FAIR best practices 2019. Carole Goble acknowledges funding by BioExcel2 (H2020 823830), IBISBA1.0 (H2020 730976) and EOSCLife (H2020 824087) . Daniel Schober's work was financed by Phenomenal (H2020 654241) at the initiation-phase of this effort, current work in kind contribution. Kristian Peters is funded by the German Network for Bioinformatics Infrastructure (de.NBI) and acknowledges BMBF funding under grant number 031L0107. Stian Soiland-Reyes is funded by BioExcel2 (H2020 823830). Daniel Garijo, Yolanda Gil, gratefully acknowledge support from DARPA award W911NF-18-1-0027, NIH award 1R01AG059874-01, and NSF award ICER-1740683

Next Generation Cloud Computing: New Trends and Research Directions

The landscape of cloud computing has significantly changed over the last decade. Not only have more providers and service offerings crowded the space, but also cloud infrastructure that was traditionally limited to single provider data centers is now evolving. In this paper, we firstly discuss the changing cloud infrastructure and consider the use of infrastructure from multiple providers and the benefit of decentralising computing away from data centers. These trends have resulted in the need for a variety of new computing architectures that will be offered by future cloud infrastructure. These architectures are anticipated to impact areas, such as connecting people and devices, data-intensive computing, the service space and self-learning systems. Finally, we lay out a roadmap of challenges that will need to be addressed for realising the potential of next generation cloud systems.Comment: Accepted to Future Generation Computer Systems, 07 September 201

Proceedings of the First International Workshop on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS 2014): Porto, Portugal

Proceedings of: First International Workshop on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS 2014). Porto (Portugal), August 27-28, 2014

A manifesto for future generation cloud computing: research directions for the next decade

The Cloud computing paradigm has revolutionised the computer science horizon during the past decade and has enabled the emergence of computing as the fifth utility. It has captured significant attention of academia, industries, and government bodies. Now, it has emerged as the backbone of modern economy by offering subscription-based services anytime, anywhere following a pay-as-you-go model. This has instigated (1) shorter establishment times for start-ups, (2) creation of scalable global enterprise applications, (3) better cost-to-value associativity for scientific and high performance computing applications, and (4) different invocation/execution models for pervasive and ubiquitous applications. The recent technological developments and paradigms such as serverless computing, software-defined networking, Internet of Things, and processing at network edge are creating new opportunities for Cloud computing. However, they are also posing several new challenges and creating the need for new approaches and research strategies, as well as the re-evaluation of the models that were developed to address issues such as scalability, elasticity, reliability, security, sustainability, and application models. The proposed manifesto addresses them by identifying the major open challenges in Cloud computing, emerging trends, and impact areas. It then offers research directions for the next decade, thus helping in the realisation of Future Generation Cloud Computing

Helmholtz Portfolio Theme Large-Scale Data Management and Analysis (LSDMA)

The Helmholtz Association funded the "Large-Scale Data Management and Analysis" portfolio theme from 2012-2016. Four Helmholtz centres, six universities and another research institution in Germany joined to enable data-intensive science by optimising data life cycles in selected scientific communities. In our Data Life cycle Labs, data experts performed joint R&D together with scientific communities. The Data Services Integration Team focused on generic solutions applied by several communities

A proposed model to analyse risk and return for a large computing system adoption

This thesis presents Organisational Sustainability Modelling (OSM), a new method to model and analyse risk and return systematically for the adoption of large systems such as Cloud Computing. Return includes improvements in technical efficiency, profitability and service. Risk includes controlled risk (risk-control rate) and uncontrolled risk (beta), although uncontrolled risk cannot be evaluated directly. Three OSM metrics, actual return value, expected return value and risk-control rate are used to calculate uncontrolled risk. The OSM data collection process in which hundreds of datasets (rows of data containing three OSM metrics in each row) are used as inputs is explained. Outputs including standard error, mean squared error, Durbin-Watson, p-value and R-squared value are calculated. Visualisation is used to illustrate quality and accuracy of data analysis. The metrics, process and interpretation of data analysis is presented and the rationale is explained in the review of the OSM method.Three case studies are used to illustrate the validity of OSM:• National Health Service (NHS) is a technical application concerned with backing up data files and focuses on improvement in efficiency.• Vodafone/Apple is a cost application and focuses on profitability.• The iSolutions Group, University of Southampton focuses on service improvement using user feedback.The NHS case study is explained in detail. The expected execution time calculated by OSM to complete all backup activity in Cloud-based systems matches actual execution time to within 0.01%. The Cloud system shows improved efficiency in both sets of comparisons. All three case studies confirm there are benefits for the adoption of a large computer system such as the Cloud. Together these demonstrations answer the two research questions for this thesis:1. How do you model and analyse risk and return on adoption of large computing systems systematically and coherently?2. Can the same method be used in risk mitigation of system adoption?Limitations of this study, a reproducibility case, comparisons with similar approaches, research contributions and future work are also presented

Arquitectura, técnicas y modelos para posibilitar la Ciencia de Datos en el Archivo de la Misión Gaia

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 26/05/2017.The massive amounts of data that the world produces every day pose new challenges to modern societies in terms of how to leverage their inherent value. Social networks, instant messaging, video, smart devices and scientific missions are just mere examples of the vast number of sources generating data every second. As the world becomes more and more digitalized, new needs arise for organizing, archiving, sharing, analyzing, visualizing and protecting the ever-increasing data sets, so that we can truly develop into a data-driven economy that reduces inefficiencies and increases sustainability, creating new business opportunities on the way. Traditional approaches for harnessing data are not suitable any more as they lack the means for scaling to the larger volumes in a timely and cost efficient manner. This has somehow changed with the advent of Internet companies like Google and Facebook, which have devised new ways of tackling this issue. However, the variety and complexity of the value chains in the private sector as well as the increasing demands and constraints in which the public one operates, needs an ongoing research that can yield newer strategies for dealing with data, facilitate the integration of providers and consumers of information, and guarantee a smooth and prompt transition when adopting these cutting-edge technological advances. This thesis aims at providing novel architectures and techniques that will help perform this transition towards Big Data in massive scientific archives. It highlights the common pitfalls that must be faced when embracing it and how to overcome them, especially when the data sets, their transformation pipelines and the tools used for the analysis are already present in the organizations. Furthermore, a new perspective for facilitating a smoother transition is laid out. It involves the usage of higher-level and use case specific frameworks and models, which will naturally bridge the gap between the technological and scientific domains. This alternative will effectively widen the possibilities of scientific archives and therefore will contribute to the reduction of the time to science. The research will be applied to the European Space Agency cornerstone mission Gaia, whose final data archive will represent a tremendous discovery potential. It will create the largest and most precise three dimensional chart of our galaxy (the Milky Way), providing unprecedented position, parallax and proper motion measurements for about one billion stars. The successful exploitation of this data archive will depend to a large degree on the ability to offer the proper architecture, i.e. infrastructure and middleware, upon which scientists will be able to do exploration and modeling with this huge data set. In consequence, the approach taken needs to enable data fusion with other scientific archives, as this will produce the synergies leading to an increment in scientific outcome, both in volume and in quality. The set of novel techniques and frameworks presented in this work addresses these issues by contextualizing them with the data products that will be generated in the Gaia mission. All these considerations have led to the foundations of the architecture that will be leveraged by the Science Enabling Applications Work Package. Last but not least, the effectiveness of the proposed solution will be demonstrated through the implementation of some ambitious statistical problems that will require significant computational capabilities, and which will use Gaia-like simulated data (the first Gaia data release has recently taken place on September 14th, 2016). These ambitious problems will be referred to as the Grand Challenge, a somewhat grandiloquent name that consists in inferring a set of parameters from a probabilistic point of view for the Initial Mass Function (IMF) and Star Formation Rate (SFR) of a given set of stars (with a huge sample size), from noisy estimates of their masses and ages respectively. This will be achieved by using Hierarchical Bayesian Modeling (HBM). In principle, the HBM can incorporate stellar evolution models to infer the IMF and SFR directly, but in this first step presented in this thesis, we will start with a somewhat less ambitious goal: inferring the PDMF and PDAD. Moreover, the performance and scalability analyses carried out will also prove the suitability of the models for the large amounts of data that will be available in the Gaia data archive.Las grandes cantidades de datos que se producen en el mundo diariamente plantean nuevos retos a la sociedad en términos de cómo extraer su valor inherente. Las redes sociales, mensajería instantánea, los dispositivos inteligentes y las misiones científicas son meros ejemplos del gran número de fuentes generando datos en cada momento. Al mismo tiempo que el mundo se digitaliza cada vez más, aparecen nuevas necesidades para organizar, archivar, compartir, analizar, visualizar y proteger la creciente cantidad de datos, para que podamos desarrollar economías basadas en datos e información que sean capaces de reducir las ineficiencias e incrementar la sostenibilidad, creando nuevas oportunidades de negocio por el camino. La forma en la que se han manejado los datos tradicionalmente no es la adecuada hoy en día, ya que carece de los medios para escalar a los volúmenes más grandes de datos de una forma oportuna y eficiente. Esto ha cambiado de alguna manera con la llegada de compañías que operan en Internet como Google o Facebook, ya que han concebido nuevas aproximaciones para abordar el problema. Sin embargo, la variedad y complejidad de las cadenas de valor en el sector privado y las crecientes demandas y limitaciones en las que el sector público opera, necesitan una investigación continua en la materia que pueda proporcionar nuevas estrategias para procesar las enormes cantidades de datos, facilitar la integración de productores y consumidores de información, y garantizar una transición rápida y fluida a la hora de adoptar estos avances tecnológicos innovadores. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar nuevas arquitecturas y técnicas que ayudarán a realizar esta transición hacia Big Data en archivos científicos masivos. La investigación destaca los escollos principales a encarar cuando se adoptan estas nuevas tecnologías y cómo afrontarlos, principalmente cuando los datos y las herramientas de transformación utilizadas en el análisis existen en la organización. Además, se exponen nuevas medidas para facilitar una transición más fluida. Éstas incluyen la utilización de software de alto nivel y específico al caso de uso en cuestión, que haga de puente entre el dominio científico y tecnológico. Esta alternativa ampliará de una forma efectiva las posibilidades de los archivos científicos y por tanto contribuirá a la reducción del tiempo necesario para generar resultados científicos a partir de los datos recogidos en las misiones de astronomía espacial y planetaria. La investigación se aplicará a la misión de la Agencia Espacial Europea (ESA) Gaia, cuyo archivo final de datos presentará un gran potencial para el descubrimiento y hallazgo desde el punto de vista científico. La misión creará el catálogo en tres dimensiones más grande y preciso de nuestra galaxia (la Vía Láctea), proporcionando medidas sin precedente acerca del posicionamiento, paralaje y movimiento propio de alrededor de mil millones de estrellas. Las oportunidades para la explotación exitosa de este archivo de datos dependerán en gran medida de la capacidad de ofrecer la arquitectura adecuada, es decir infraestructura y servicios, sobre la cual los científicos puedan realizar la exploración y modelado con esta inmensa cantidad de datos. Por tanto, la estrategia a realizar debe ser capaz de combinar los datos con otros archivos científicos, ya que esto producirá sinergias que contribuirán a un incremento en la ciencia producida, tanto en volumen como en calidad de la misma. El conjunto de técnicas e infraestructuras innovadoras presentadas en este trabajo aborda estos problemas, contextualizándolos con los productos de datos que se generarán en la misión Gaia. Todas estas consideraciones han conducido a los fundamentos de la arquitectura que se utilizará en el paquete de trabajo de aplicaciones que posibilitarán la ciencia en el archivo de la misión Gaia (Science Enabling Applications). Por último, la eficacia de la solución propuesta se demostrará a través de la implementación de dos problemas estadísticos que requerirán cantidades significativas de cómputo, y que usarán datos simulados en el mismo formato en el que se producirán en el archivo de la misión Gaia (la primera versión de datos recogidos por la misión está disponible desde el día 14 de Septiembre de 2016). Estos ambiciosos problemas representan el Gran Reto (Grand Challenge), un nombre grandilocuente que consiste en inferir una serie de parámetros desde un punto de vista probabilístico para la función de masa inicial (Initial Mass Function) y la tasa de formación estelar (Star Formation Rate) dado un conjunto de estrellas (con una muestra grande), desde estimaciones con ruido de sus masas y edades respectivamente. Esto se abordará utilizando modelos jerárquicos bayesianos (Hierarchical Bayesian Modeling). Enprincipio,losmodelospropuestos pueden incorporar otros modelos de evolución estelar para inferir directamente la función de masa inicial y la tasa de formación estelar, pero en este primer paso presentado en esta tesis, empezaremos con un objetivo algo menos ambicioso: la inferencia de la función de masa y distribución de edades actual (Present-Day Mass Function y Present-Day Age Distribution respectivamente). Además, se llevará a cabo el análisis de rendimiento y escalabilidad para probar la idoneidad de la implementación de dichos modelos dadas las enormes cantidades de datos que estarán disponibles en el archivo de la misión Gaia...Depto. de Arquitectura de Computadores y AutomáticaFac. de InformáticaTRUEunpu

Improving Performance and Energy Efficiency of Heterogeneous Systems with rCUDA

Tesis por compendio[ES] En la última década la utilización de la GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computación de Propósito General en Unidades de Procesamiento Gráfico) se ha vuelto tremendamente popular en los centros de datos de todo el mundo. Las GPUs (Graphics Processing Units; Unidades de Procesamiento Gráfico) se han establecido como elementos aceleradores de cómputo que son usados junto a las CPUs formando sistemas heterogéneos. La naturaleza masivamente paralela de las GPUs, destinadas tradicionalmente al cómputo de gráficos, permite realizar operaciones numéricas con matrices de datos a gran velocidad debido al gran número de núcleos que integran y al gran ancho de banda de acceso a memoria que poseen. En consecuencia, aplicaciones de todo tipo de campos, tales como química, física, ingeniería, inteligencia artificial, ciencia de materiales, etc. que presentan este tipo de patrones de cómputo se ven beneficiadas, reduciendo drásticamente su tiempo de ejecución. En general, el uso de la aceleración del cómputo en GPUs ha significado un paso adelante y una revolución. Sin embargo, no está exento de problemas, tales como problemas de eficiencia energética, baja utilización de las GPUs, altos costes de adquisición y mantenimiento, etc. En esta tesis pretendemos analizar las principales carencias que presentan estos sistemas heterogéneos y proponer soluciones basadas en el uso de la virtualización remota de GPUs. Para ello hemos utilizado la herramienta rCUDA, desarrollada en la Universitat Politècnica de València, ya que multitud de publicaciones la avalan como el framework de virtualización remota de GPUs más avanzado de la actualidad. Los resutados obtenidos en esta tesis muestran que el uso de rCUDA en entornos de Cloud Computing incrementa el grado de libertad del sistema, ya que permite crear instancias virtuales de las GPUs físicas totalmente a medida de las necesidades de cada una de las máquinas virtuales. En entornos HPC (High Performance Computing; Computación de Altas Prestaciones), rCUDA también proporciona un mayor grado de flexibilidad de uso de las GPUs de todo el clúster de cómputo, ya que permite desacoplar totalmente la parte CPU de la parte GPU de las aplicaciones. Además, las GPUs pueden estar en cualquier nodo del clúster, independientemente del nodo en el que se está ejecutando la parte CPU de la aplicación. En general, tanto para Cloud Computing como en el caso de HPC, este mayor grado de flexibilidad se traduce en un aumento hasta 2x de la productividad de todo el sistema al mismo tiempo que se reduce el consumo energético en un 15%. Finalmente, también hemos desarrollado un mecanismo de migración de trabajos de la parte GPU de las aplicaciones que ha sido integrado dentro del framework rCUDA. Este mecanismo de migración ha sido evaluado y los resultados muestran claramente que, a cambio de una pequeña sobrecarga, alrededor de 400 milisegundos, en el tiempo de ejecución de las aplicaciones, es una potente herramienta con la que, de nuevo, aumentar la productividad y reducir el gasto energético del sistema. En resumen, en esta tesis se analizan los principales problemas derivados del uso de las GPUs como aceleradores de cómputo, tanto en entornos HPC como de Cloud Computing, y se demuestra cómo a través del uso del framework rCUDA, estos problemas pueden solucionarse. Además se desarrolla un potente mecanismo de migración de trabajos GPU, que integrado dentro del framework rCUDA, se convierte en una herramienta clave para los futuros planificadores de trabajos en clusters heterogéneos.[CA] En l'última dècada la utilització de la GPGPU(General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computació de Propòsit General en Unitats de Processament Gràfic) s'ha tornat extremadament popular en els centres de dades de tot el món. Les GPUs (Graphics Processing Units; Unitats de Processament Gràfic) s'han establert com a elements acceleradors de còmput que s'utilitzen al costat de les CPUs formant sistemes heterogenis. La naturalesa massivament paral·lela de les GPUs, destinades tradicionalment al còmput de gràfics, permet realitzar operacions numèriques amb matrius de dades a gran velocitat degut al gran nombre de nuclis que integren i al gran ample de banda d'accés a memòria que posseeixen. En conseqüència, les aplicacions de tot tipus de camps, com ara química, física, enginyeria, intel·ligència artificial, ciència de materials, etc. que presenten aquest tipus de patrons de còmput es veuen beneficiades reduint dràsticament el seu temps d'execució. En general, l'ús de l'acceleració del còmput en GPUs ha significat un pas endavant i una revolució, però no està exempt de problemes, com ara poden ser problemes d'eficiència energètica, baixa utilització de les GPUs, alts costos d'adquisició i manteniment, etc. En aquesta tesi pretenem analitzar les principals mancances que presenten aquests sistemes heterogenis i proposar solucions basades en l'ús de la virtualització remota de GPUs. Per a això hem utilitzat l'eina rCUDA, desenvolupada a la Universitat Politècnica de València, ja que multitud de publicacions l'avalen com el framework de virtualització remota de GPUs més avançat de l'actualitat. Els resultats obtinguts en aquesta tesi mostren que l'ús de rCUDA en entorns de Cloud Computing incrementa el grau de llibertat del sistema, ja que permet crear instàncies virtuals de les GPUs físiques totalment a mida de les necessitats de cadascuna de les màquines virtuals. En entorns HPC (High Performance Computing; Computació d'Altes Prestacions), rCUDA també proporciona un major grau de flexibilitat en l'ús de les GPUs de tot el clúster de còmput, ja que permet desacoblar totalment la part CPU de la part GPU de les aplicacions. A més, les GPUs poden estar en qualsevol node del clúster, sense importar el node en el qual s'està executant la part CPU de l'aplicació. En general, tant per a Cloud Computing com en el cas del HPC, aquest major grau de flexibilitat es tradueix en un augment fins 2x de la productivitat de tot el sistema al mateix temps que es redueix el consum energètic en aproximadament un 15%. Finalment, també hem desenvolupat un mecanisme de migració de treballs de la part GPU de les aplicacions que ha estat integrat dins del framework rCUDA. Aquest mecanisme de migració ha estat avaluat i els resultats mostren clarament que, a canvi d'una petita sobrecàrrega, al voltant de 400 mil·lisegons, en el temps d'execució de les aplicacions, és una potent eina amb la qual, de nou, augmentar la productivitat i reduir la despesa energètica de sistema. En resum, en aquesta tesi s'analitzen els principals problemes derivats de l'ús de les GPUs com acceleradors de còmput, tant en entorns HPC com de Cloud Computing, i es demostra com a través de l'ús del framework rCUDA, aquests problemes poden solucionar-se. A més es desenvolupa un potent mecanisme de migració de treballs GPU, que integrat dins del framework rCUDA, esdevé una eina clau per als futurs planificadors de treballs en clústers heterogenis.[EN] In the last decade the use of GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units) has become extremely popular in data centers around the world. GPUs (Graphics Processing Units) have been established as computational accelerators that are used alongside CPUs to form heterogeneous systems. The massively parallel nature of GPUs, traditionally intended for graphics computing, allows to perform numerical operations with data arrays at high speed. This is achieved thanks to the large number of cores GPUs integrate and the large bandwidth of memory access. Consequently, applications of all kinds of fields, such as chemistry, physics, engineering, artificial intelligence, materials science, and so on, presenting this type of computational patterns are benefited by drastically reducing their execution time. In general, the use of computing acceleration provided by GPUs has meant a step forward and a revolution, but it is not without problems, such as energy efficiency problems, low utilization of GPUs, high acquisition and maintenance costs, etc. In this PhD thesis we aim to analyze the main shortcomings of these heterogeneous systems and propose solutions based on the use of remote GPU virtualization. To that end, we have used the rCUDA middleware, developed at Universitat Politècnica de València. Many publications support rCUDA as the most advanced remote GPU virtualization framework nowadays. The results obtained in this PhD thesis show that the use of rCUDA in Cloud Computing environments increases the degree of freedom of the system, as it allows to create virtual instances of the physical GPUs fully tailored to the needs of each of the virtual machines. In HPC (High Performance Computing) environments, rCUDA also provides a greater degree of flexibility in the use of GPUs throughout the computing cluster, as it allows the CPU part to be completely decoupled from the GPU part of the applications. In addition, GPUs can be on any node in the cluster, regardless of the node on which the CPU part of the application is running. In general, both for Cloud Computing and in the case of HPC, this greater degree of flexibility translates into an up to 2x increase in system-wide throughput while reducing energy consumption by approximately 15%. Finally, we have also developed a job migration mechanism for the GPU part of applications that has been integrated within the rCUDA middleware. This migration mechanism has been evaluated and the results clearly show that, in exchange for a small overhead of about 400 milliseconds in the execution time of the applications, it is a powerful tool with which, again, we can increase productivity and reduce energy foot print of the computing system. In summary, this PhD thesis analyzes the main problems arising from the use of GPUs as computing accelerators, both in HPC and Cloud Computing environments, and demonstrates how thanks to the use of the rCUDA middleware these problems can be addressed. In addition, a powerful GPU job migration mechanism is being developed, which, integrated within the rCUDA framework, becomes a key tool for future job schedulers in heterogeneous clusters.This work jointly supported by the Fundación Séneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia) under grants (20524/PDC/18, 20813/PI/18 and 20988/PI/18) and by the Spanish MEC and European Commission FEDER under grants TIN2015-66972-C5-3-R, TIN2016-78799-P and CTQ2017-87974-R (AEI/FEDER, UE). We also thank NVIDIA for hardware donation under GPU Educational Center 2014-2016 and Research Center 2015-2016. The authors thankfully acknowledge the computer resources at CTE-POWER and the technical support provided by Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (RES-BCV-2018-3-0008). Furthermore, researchers from Universitat Politècnica de València are supported by the Generalitat Valenciana under Grant PROMETEO/2017/077. Authors are also grateful for the generous support provided by Mellanox Technologies Inc. Prof. Pradipta Purkayastha, from Department of Chemical Sciences, Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Kolkata, is acknowledged for kindly providing the initial ligand and DNA structures.Prades Gasulla, J. (2021). Improving Performance and Energy Efficiency of Heterogeneous Systems with rCUDA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/168081TESISCompendi