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

Optimization Methods Applied to Power Systems Ⅱ

Electrical power systems are complex networks that include a set of electrical components that allow distributing the electricity generated in the conventional and renewable power plants to distribution systems so it can be received by final consumers (businesses and homes). In practice, power system management requires solving different design, operation, and control problems. Bearing in mind that computers are used to solve these complex optimization problems, this book includes some recent contributions to this field that cover a large variety of problems. More specifically, the book includes contributions about topics such as controllers for the frequency response of microgrids, post-contingency overflow analysis, line overloads after line and generation contingences, power quality disturbances, earthing system touch voltages, security-constrained optimal power flow, voltage regulation planning, intermittent generation in power systems, location of partial discharge source in gas-insulated switchgear, electric vehicle charging stations, optimal power flow with photovoltaic generation, hydroelectric plant location selection, cold-thermal-electric integrated energy systems, high-efficiency resonant devices for microwave power generation, security-constrained unit commitment, and economic dispatch problems

Mathematics in Software Reliability and Quality Assurance

This monograph concerns the mathematical aspects of software reliability and quality assurance and consists of 11 technical papers in this emerging area. Included are the latest research results related to formal methods and design, automatic software testing, software verification and validation, coalgebra theory, automata theory, hybrid system and software reliability modeling and assessment

Knowledge Modelling and Learning through Cognitive Networks

One of the most promising developments in modelling knowledge is cognitive network science, which aims to investigate cognitive phenomena driven by the networked, associative organization of knowledge. For example, investigating the structure of semantic memory via semantic networks has illuminated how memory recall patterns influence phenomena such as creativity, memory search, learning, and more generally, knowledge acquisition, exploration, and exploitation. In parallel, neural network models for artificial intelligence (AI) are also becoming more widespread as inferential models for understanding which features drive language-related phenomena such as meaning reconstruction, stance detection, and emotional profiling. Whereas cognitive networks map explicitly which entities engage in associative relationships, neural networks perform an implicit mapping of correlations in cognitive data as weights, obtained after training over labelled data and whose interpretation is not immediately evident to the experimenter. This book aims to bring together quantitative, innovative research that focuses on modelling knowledge through cognitive and neural networks to gain insight into mechanisms driving cognitive processes related to knowledge structuring, exploration, and learning. The book comprises a variety of publication types, including reviews and theoretical papers, empirical research, computational modelling, and big data analysis. All papers here share a commonality: they demonstrate how the application of network science and AI can extend and broaden cognitive science in ways that traditional approaches cannot

RFID Technology in Intelligent Tracking Systems in Construction Waste Logistics Using Optimisation Techniques

Construction waste disposal is an urgent issue for protecting our environment. This paper proposes a waste management system and illustrates the work process using plasterboard waste as an example, which creates a hazardous gas when land filled with household waste, and for which the recycling rate is less than 10% in the UK. The proposed system integrates RFID technology, Rule-Based Reasoning, Ant Colony optimization and knowledge technology for auditing and tracking plasterboard waste, guiding the operation staff, arranging vehicles, schedule planning, and also provides evidence to verify its disposal. It h relies on RFID equipment for collecting logistical data and uses digital imaging equipment to give further evidence; the reasoning core in the third layer is responsible for generating schedules and route plans and guidance, and the last layer delivers the result to inform users. The paper firstly introduces the current plasterboard disposal situation and addresses the logistical problem that is now the main barrier to a higher recycling rate, followed by discussion of the proposed system in terms of both system level structure and process structure. And finally, an example scenario will be given to illustrate the system’s utilization

Shortest Route at Dynamic Location with Node Combination-Dijkstra Algorithm

Abstract— Online transportation has become a basic requirement of the general public in support of all activities to go to work, school or vacation to the sights. Public transportation services compete to provide the best service so that consumers feel comfortable using the services offered, so that all activities are noticed, one of them is the search for the shortest route in picking the buyer or delivering to the destination. Node Combination method can minimize memory usage and this methode is more optimal when compared to A* and Ant Colony in the shortest route search like Dijkstra algorithm, but can’t store the history node that has been passed. Therefore, using node combination algorithm is very good in searching the shortest distance is not the shortest route. This paper is structured to modify the node combination algorithm to solve the problem of finding the shortest route at the dynamic location obtained from the transport fleet by displaying the nodes that have the shortest distance and will be implemented in the geographic information system in the form of map to facilitate the use of the system. Keywords— Shortest Path, Algorithm Dijkstra, Node Combination, Dynamic Location (key words