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

A Scalable and Adaptive Network on Chip for Many-Core Architectures

In this work, a scalable network on chip (NoC) for future many-core architectures is proposed and investigated. It supports different QoS mechanisms to ensure predictable communication. Self-optimization is introduced to adapt the energy footprint and the performance of the network to the communication requirements. A fault tolerance concept allows to deal with permanent errors. Moreover, a template-based automated evaluation and design methodology and a synthesis flow for NoCs is introduced

Application of clustering analysis and sequence analysis on the performance analysis of parallel applications

High Performance Computing and Supercomputing is the high end area of the computing science that studies and develops the most powerful computers available. Current supercomputers are extremely complex so are the applications that run on them. To take advantage of the huge amount of computing power available it is strictly necessary to maximize the knowledge we have about how these applications behave and perform. This is the mission of the (parallel) performance analysis. In general, performance analysis toolkits oUer a very simplistic manipulations of the performance data. First order statistics such as average or standard deviation are used to summarize the values of a given performance metric, hiding in some cases interesting facts available on the raw performance data. For this reason, we require the Performance Analytics, i.e. the application of Data Analytics techniques in the performance analysis area. This thesis contributes with two new techniques to the Performance Analytics Veld. First contribution is the application of the cluster analysis to detect the parallel application computation structure. Cluster analysis is the unsupervised classiVcation of patterns (observations, data items or feature vectors) into groups (clusters). In this thesis we use the cluster analysis to group the CPU burst of a parallel application, the regions on each process in-between communication calls or calls to the parallel runtime. The resulting clusters obtained are the diUerent computational trends or phases that appear in the application. These clusters are useful to understand the behaviour of computation part of the application and focus the analyses to those that present performance issues. We demonstrate that our approach requires diUerent clustering algorithms previously used in the area. Second contribution of the thesis is the application of multiple sequence alignment algorithms to evaluate the computation structure detected. Multiple sequence alignment (MSA) is technique commonly used in bioinformatics to determine the similarities across two or more biological sequences: DNA or roteins. The Cluster Sequence Score we introduce applies a Multiple Sequence Alignment (MSA) algorithm to evaluate the SPMDiness of an application, i.e. how well its computation structure represents the Single Program Multiple Data (SPMD) paradigm structure. We also use this score in the Aggregative Cluster Re-Vnement, a new clustering algorithm we designed, able to detect the SPMD phases of an application at Vne-grain, surpassing the cluster algorithms we used initially. We demonstrate the usefulness of these techniques with three practical uses. The Vrst one is an extrapolation methodology able to maximize the performance metrics that characterize the application phases detected using a single application execution. The second one is the use of the computation structure detected to speedup in a multi-level simulation infrastructure. Finally, we analyse four production-class applications using the computation characterization to study the impact of possible application improvements and portings of the applications to diUerent hardware conVgurations. In summary, this thesis proposes the use of cluster analysis and sequence analysis to automatically detect and characterize the diUerent computation trends of a parallel application. These techniques provide the developer / analyst an useful insight of the application performance and ease the understanding of the application’s behaviour. The contributions of the thesis are not reduced to proposals and publications of the techniques themselves, but also practical uses to demonstrate their usefulness in the analysis task. In addition, the research carried out during these years has provided a production tool for analysing applications’ structure, part of BSC Tools suite

Contribution to Quality-driven Evolutionary Software Development process for Service-Oriented Architectures

The quality of software is a key element for the successful of a system. Currently, with the advance of the technology, consumers demand more and better services. Models for the development process have also to be adapted to new requirements. This is particular true in the case of service oriented systems (domain of this thesis), where an unpredictable number of users can access to one or several services. This work proposes an improvement in the models for the software development process based on the theory of the evolutionary software development. The main objective is to maintain and improve the quality of software as long as possible and with the minimum effort and cost. Usually, this process is supported on methods known in the literature as agile software development methods. Other key element in this thesis is the service oriented software architecture. Software architecture plays an important role in the quality of any software system. The Service oriented architecture adds the service flexibility, the services are autonomous and compact assets, and they can be improved and integrated with better facility. The proposed model in this thesis for evolutionary software development makes emphasis in the quality of services. Therefore, some principles of evolutionary development are redefined and new processes are introduced, such as: architecture assessment, architecture recovery and architecture conformance. Every new process will be evaluated with case studies considering quality aspects. They have been selected according to the market demand, they are: the performance, security and evolutionability. Other aspects could be considered of the same way than the three previous, but we believe that these quality attributes are enough to demonstrate the viability of our proposal

Transparent and adaptive application partitioning using mobile objects

The dynamic nature and heterogeneity of modern execution environments such as mobile, ubiquitous, and grid computing, present major challenges for the development and efficient execution of the applications targeted for these environments. In particular, applications tailored to run in a specific environment will show different and most likely sub-optimal behaviour when executed on a different and/or dynamic environment. Consequently, there has been growing interests in the area of application adaptation which aims to enable applications to cope with the varying execution environments. Adaptive application partitioning, a specific form of non-functional adaptation involving distribution of mobile objects across multiple host machines, is of particular interest to this thesis due to the diversity of its uses. In this approach, certain runtime information (known as context) is used to allow an object-oriented application to adaptively (re)adjust the placement of its objects during its execution, for purposes such as improving application performance and reliability as well as balancing resource utilisation across machines. Promoting the adoption of such adaptation requires a process that requires minimal human involvement in both the execution and the development of the relevant application. These challenges establish the main goals and contributions of this work, which include: 1) Proposing an effective application partitioning solution via the adoption of a decentralised adaptation strategy known as local adaptation. 2) Enabling adaptive application partitioning which does not require human intervention, through automatic collection of required information/context. 3) Proposing a solution for transparently injecting the required adaptation functionality into regular object-oriented applications allowing significant reduction of the associated development cost/effort. The proposed solutions have been implemented in a Java-based adaptation framework called MobJeX. This implementation, which was used as a test bed for the empirical experiments undertaken in this study, can be used to facilitate future research relevant to this particular study

Técnicas de optimización paralelas : esquema híbrido basado en hiperheurísticas y computación evolutiva

Optimisation is the process of selecting the best element fr om a set of available alternatives. Solutions are termed good or bad depending on its performance for a set of objectives. Several algorithms to deal with such kind of problems have been defined in the literature. Metaheuristics are one of the most prominent techniques. They are a class of modern heuristics whose main goal is to com bine heuristics in a problem independent way with the aim of improving their per formance. Meta- heuristics have reported high-quality solutions in severa l fields. One of the reasons of the good behaviour of metaheuristics is that they are defin ed in general terms. Therefore, metaheuristic algorithms can be adapted to fit th e needs of most real-life optimisation. However, such an adaptation is a hard task, and it requires a high computational and user effort. There are two main ways of reducing the effort associated to th e usage of meta- heuristics. First, the application of hyperheuristics and parameter setting strategies facilitates the process of tackling novel optimisation pro blems and instances. A hyperheuristic can be viewed as a heuristic that iterativel y chooses between a set of given low-level metaheuristics in order to solve an optim isation problem. By using hyperheuristics, metaheuristic practitioners do no t need to manually test a large number of metaheuristics and parameterisations for d iscovering the proper algorithms to use. Instead, they can define the set of configur ations which must be tested, and the model tries to automatically detect the be st-behaved ones, in order to grant more resources to them. Second, the usage of pa rallel environments might speedup the process of automatic testing, so high qual ity solutions might be achieved in less time. This research focuses on the design of novel hyperheuristic s and defines a set of models to allow their usage in parallel environments. Differ ent hyperheuristics for controlling mono-objective and multi-objective multi-po int optimisation strategies have been defined. Moreover, a set of novel multiobjectivisa tion techniques has been proposed. In addition, with the aim of facilitating the usage of multiobjectivi- sation, the performance of models that combine the usage of m ultiobjectivisation and hyperheuristics has been studied. The proper performance of the proposed techniques has been v alidated with a set of well-known benchmark optimisation problems. In addi tion, several practical and complex optimisation problems have been addressed. Som e of the analysed problems arise in the communication field. In addition, a pac king problem proposed in a competition has been faced up. The proposals for such pro blems have not been limited to use the problem-independent schemes. Inste ad, new metaheuristics, operators and local search strategies have been defined. Suc h schemes have been integrated with the designed parallel hyperheuristics wit h the aim of accelerating the achievement of high quality solutions, and with the aim of fa cilitating their usage. In several complex optimisation problems, the current best -known solutions have been found with the methods defined in this dissertation.Los problemas de optimización son aquellos en los que hay que elegir cuál es la solución más adecuada entre un conjunto de alternativas. Actualmente existe una gran cantidad de algoritmos que permiten abordar este tipo de problemas. Entre ellos, las metaheurísticas son una de las técnicas más usadas. El uso de metaheurísticas ha posibilitado la resolución de una gran cantidad de problemas en diferentes campos. Esto se debe a que las metaheurísticas son técnicas generales, con lo que disponen de una gran cantidad de elementos o parámetros que pueden ser adaptados a la hora de afrontar diferentes problemas de optimización. Sin embargo, la elección de dichos parámetros no es sencilla, por lo que generalmente se requiere un gran esfuerzo computacional, y un gran esfuerzo por parte del usuario de estas técnicas. Existen diversas técnicas que atenúan este inconveniente. Por un lado, existen varios mecanismos que permiten seleccionar los valores de dichos parámetros de forma automática. Las técnicas más simples utilizan valores fijos durante toda la ejecución, mientras que las técnicas más avanzadas, como las hiperheurísticas, adaptan los valores usados a las necesidades de cada fase de optimización. Además, estas técnicas permiten usar varias metaheurísticas de forma simultánea. Por otro lado, el uso de técnicas paralelas permite acelerar el proceso de testeo automático, reduciendo el tiempo necesario para obtener soluciones de alta calidad. El objetivo principal de esta tesis ha sido diseñar nuevas hiperheurísticas e integrarlas en el modelo paralelo basado en islas. Estas técnicas se han usado para controlar los parámetros de varias metaheurísticas evolutivas. Se han definido diversas hiperheurísticas que han permitido abordar tanto problemas mono-objetivo como problemas multi-objetivo. Además, se han definido un conjunto de multiobjetivizaciones, que a su vez se han beneficiado de las hiperheurísticas propuestas. Las técnicas diseñadas se han validado con algunos de los problemas de test más ampliamente utilizados. Además, se han abordado un conjunto de problemas de optimización prácticos. Concretamente, se han tratado tres problemas que surgen en el ámbito de las telecomunicaciones, y un problema de empaquetado. En dichos problemas, además de usar las hiperheurísticas y multiobjetivizaciones, se han definido nuevos algoritmos, operadores, y estrategias de búsqueda local. En varios de los problemas, el uso combinado de todas estas técnicas ha posibilitado obtener las mejores soluciones encontradas hasta el momento

Computer Science & Technology Series : XVI Argentine Congress of Computer Science - Selected papers

CACIC’10 was the sixteenth Congress in the CACIC series. It was organized by the School of Computer Science of the University of Moron. The Congress included 10 Workshops with 104 accepted papers, 1 main Conference, 4 invited tutorials, different meetings related with Computer Science Education (Professors, PhD students, Curricula) and an International School with 5 courses. (http://www.cacic2010.edu.ar/). CACIC 2010 was organized following the traditional Congress format, with 10 Workshops covering a diversity of dimensions of Computer Science Research. Each topic was supervised by a committee of three chairs of different Universities. The call for papers attracted a total of 195 submissions. An average of 2.6 review reports were collected for each paper, for a grand total of 507 review reports that involved about 300 different reviewers. A total of 104 full papers were accepted and 20 of them were selected for this book.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI