Leveraging performance of 3D finite difference schemes in large scientific computing simulations

Gone are the days when engineers and scientists conducted most of their experiments empirically. During these decades, actual tests were carried out in order to assess the robustness and reliability of forthcoming product designs and prove theoretical models. With the advent of the computational era, scientific computing has definetely become a feasible solution compared with empirical methods, in terms of effort, cost and reliability. Large and massively parallel computational resources have reduced the simulation execution times and have improved their numerical results due to the refinement of the sampled domain. Several numerical methods coexist for solving the Partial Differential Equations (PDEs). Methods such as the Finite Element (FE) and the Finite Volume (FV) are specially well suited for dealing with problems where unstructured meshes are frequent. Unfortunately, this flexibility is not bestowed for free. These schemes entail higher memory latencies due to the handling of irregular data accesses. Conversely, the Finite Difference (FD) scheme has shown to be an efficient solution for problems where the structured meshes suit the domain requirements. Many scientific areas use this scheme due to its higher performance. This thesis focuses on improving FD schemes to leverage the performance of large scientific computing simulations. Different techniques are proposed such as the Semi-stencil, a novel algorithm that increases the FLOP/Byte ratio for medium- and high-order stencils operators by reducing the accesses and endorsing data reuse. The algorithm is orthogonal and can be combined with techniques such as spatial- or time-blocking, adding further improvement. New trends on Symmetric Multi-Processing (SMP) systems -where tens of cores are replicated on the same die- pose new challenges due to the exacerbation of the memory wall problem. In order to alleviate this issue, our research is focused on different strategies to reduce pressure on the cache hierarchy, particularly when different threads are sharing resources due to Simultaneous Multi-Threading (SMT). Several domain decomposition schedulers for work-load balance are introduced ensuring quasi-optimal results without jeopardizing the overall performance. We combine these schedulers with spatial-blocking and auto-tuning techniques, exploring the parametric space and reducing misses in last level cache. As alternative to brute-force methods used in auto-tuning, where a huge parametric space must be traversed to find a suboptimal candidate, performance models are a feasible solution. Performance models can predict the performance on different architectures, selecting suboptimal parameters almost instantly. In this thesis, we devise a flexible and extensible performance model for stencils. The proposed model is capable of supporting multi- and many-core architectures including complex features such as hardware prefetchers, SMT context and algorithmic optimizations. Our model can be used not only to forecast execution time, but also to make decisions about the best algorithmic parameters. Moreover, it can be included in run-time optimizers to decide the best SMT configuration based on the execution environment. Some industries rely heavily on FD-based techniques for their codes. Nevertheless, many cumbersome aspects arising in industry are still scarcely considered in academia research. In this regard, we have collaborated in the implementation of a FD framework which covers the most important features that an HPC industrial application must include. Some of the node-level optimization techniques devised in this thesis have been included into the framework in order to contribute in the overall application performance. We show results for a couple of strategic applications in industry: an atmospheric transport model that simulates the dispersal of volcanic ash and a seismic imaging model used in Oil & Gas industry to identify hydrocarbon-rich reservoirs.Atrás quedaron los días en los que ingenieros y científicos realizaban sus experimentos empíricamente. Durante esas décadas, se llevaban a cabo ensayos reales para verificar la robustez y fiabilidad de productos venideros y probar modelos teóricos. Con la llegada de la era computacional, la computación científica se ha convertido en una solución factible comparada con métodos empíricos, en términos de esfuerzo, coste y fiabilidad. Los supercomputadores han reducido el tiempo de las simulaciones y han mejorado los resultados numéricos gracias al refinamiento del dominio. Diversos métodos numéricos coexisten para resolver las Ecuaciones Diferenciales Parciales (EDPs). Métodos como Elementos Finitos (EF) y Volúmenes Finitos (VF) están bien adaptados para tratar problemas donde las mallas no estructuradas son frecuentes. Desafortunadamente, esta flexibilidad no se confiere de forma gratuita. Estos esquemas conllevan latencias más altas debido al acceso irregular de datos. En cambio, el esquema de Diferencias Finitas (DF) ha demostrado ser una solución eficiente cuando las mallas estructuradas se adaptan a los requerimientos. Esta tesis se enfoca en mejorar los esquemas DF para impulsar el rendimiento de las simulaciones en la computación científica. Se proponen diferentes técnicas, como el Semi-stencil, un nuevo algoritmo que incrementa el ratio de FLOP/Byte para operadores de stencil de orden medio y alto reduciendo los accesos y promoviendo el reuso de datos. El algoritmo es ortogonal y puede ser combinado con técnicas como spatial- o time-blocking, añadiendo mejoras adicionales. Las nuevas tendencias hacia sistemas con procesadores multi-simétricos (SMP) -donde decenas de cores son replicados en el mismo procesador- plantean nuevos retos debido a la exacerbación del problema del ancho de memoria. Para paliar este problema, nuestra investigación se centra en estrategias para reducir la presión en la jerarquía de cache, particularmente cuando diversos threads comparten recursos debido a Simultaneous Multi-Threading (SMT). Introducimos diversos planificadores de descomposición de dominios para balancear la carga asegurando resultados casi óptimos sin poner en riesgo el rendimiento global. Combinamos estos planificadores con técnicas de spatial-blocking y auto-tuning, explorando el espacio paramétrico y reduciendo los fallos en la cache de último nivel. Como alternativa a los métodos de fuerza bruta usados en auto-tuning donde un espacio paramétrico se debe recorrer para encontrar un candidato, los modelos de rendimiento son una solución factible. Los modelos de rendimiento pueden predecir el rendimiento en diferentes arquitecturas, seleccionando parámetros suboptimos casi de forma instantánea. En esta tesis, ideamos un modelo de rendimiento para stencils flexible y extensible. El modelo es capaz de soportar arquitecturas multi-core incluyendo características complejas como prefetchers, SMT y optimizaciones algorítmicas. Nuestro modelo puede ser usado no solo para predecir los tiempos de ejecución, sino también para tomar decisiones de los mejores parámetros algorítmicos. Además, puede ser incluido en optimizadores run-time para decidir la mejor configuración SMT. Algunas industrias confían en técnicas DF para sus códigos. Sin embargo, no todos los aspectos que aparecen en la industria han sido sometidos a investigación. En este aspecto, hemos diseñado e implementado desde cero una infraestructura DF que cubre las características más importantes que una aplicación industrial debe incluir. Algunas de las técnicas de optimización propuestas en esta tesis han sido incluidas para contribuir en el rendimiento global a nivel industrial. Mostramos resultados de un par de aplicaciones estratégicas para la industria: un modelo de transporte atmosférico que simula la dispersión de ceniza volcánica y un modelo de imagen sísmica usado en la industria del petroleo y gas para identificar reservas ricas en hidrocarburo

Transcription factor-based biosensors enlightened by the analyte

Whole cell biosensors (WCBs) have multiple applications for environmental monitoring, detecting a wide range of pollutants. WCBs depend critically on the sensitivity and specificity of the transcription factor (TF) used to detect the analyte. We describe the mechanism of regulation and the structural and biochemical properties of TF families that are used, or could be used, for the development of environmental WCBs. Focusing on the chemical nature of the analyte, we review TFs that respond to aromatic compounds (XylS-AraC, XylR-NtrC, and LysR), metal ions (MerR, ArsR, DtxR, Fur, and NikR) or antibiotics (TetR and MarR). Analyzing the structural domains involved in DNA recognition, we highlight the similitudes in the DNA binding domains (DBDs) of these TF families. Opposite to DBDs, the wide range of analytes detected by TFs results in a diversity of structures at the effector binding domain. The modular architecture of TFs opens the possibility of engineering TFs with hybrid DNA and effector specificities. Yet, the lack of a crisp correlation between structural domains and specific functions makes this a challenging task.We are grateful to Spanish Ministry of Economy for Grant BIO2010-14809 to GM. Work in FdlC laboratory was financed by the Spanish Ministry of Economy and Competitivity (BFU2011-26608) and by the European Seventh Framework Program [projects 612146/FP7-ICT-2013-10 (PLASWIRES), 289326/KBBE-2011-5 (ST-FLOW) and 282004/FP7-HEALTH-2011-2.3.1-2 (EvoTAR)].USD 1,425 APC fee funded by the EC FP7 Post-Grant Open Access PilotPeer reviewe

Negative feedback increases information transmission, enabling bacteria to discriminate sublethal antibiotic concentrations

In the cell, noise constrains information transmission through signaling pathways and regulatory networks. There is growing evidence that the channel capacity of cellular pathways is limited to a few bits, questioning whether cells quantify external stimuli or rely on threshold detection and binary on/off decisions. Here, using fluorescence microscopy and information theory, we analyzed the ability of the transcriptional regulator TetR to sense and quantify the antibiotic tetracycline. The results showed that noise filtering by negative feedback increased information transmission up to 2 bits, generating a graded response able to discriminate different antibiotic concentrations. This response matched the antibiotic subinhibitory selection window, suggesting that information transmission through TetR is optimized to quantify sublethal antibiotic levels. Noise filtering by negative feedback may thus boost the discriminative power of cellular sensors, enabling signal quantification.This work was funded by grants BFU2017-86378-P and BFU2014-62190-EXP from the Spanish MINECO and by the European Seventh Framework Program [projects 612146/FP7-ICT-2013-10 (PLASWIRES) and 289326/KBBE-2011-5 (ST-FLOW)]

La división y adjudicación de los bienes en la partición de la herencia. Reconstruyendo el diseño legislativo cubano en torno a la última de las operaciones particionales

El presente artículo parte de la necesidad de hacer un estudio sobre el contenido de la división y adjudicación como la última de las operaciones particionales del caudal hereditario en Cuba, a raíz de las complejidades propias del instituto, las que no solo se manifiestan en el ámbito teórico-doctrinal sino también en el legaly de interpretación judicial, sobre todo a partir de las modificaciones legislativas introducidas en los últimos tres años en el país. En este sentido se aporta un diagnóstico de las principales insuficiencias que en el ámbito sustantivo inciden en la deficitaria interpretación y aplicación de las normas que regulan el contenido de la división y adjudicación de los bienes hereditarios en Cuba, y con ello la determinación de posibles pautas que permitan perfeccionar el régimen jurídico de la institución objeto de análisis.This article is based on the need for a study on the content of division and allocation as the last of partition operations of heredity in Cuba originated in the complexities of the Institute, which not only appear in theoretical doctrinal environment but also in the legal and judicial interpretation environment, mainly from the legislative amendments introduced in the last three years in the county. Inthis sense, a diagnosis of main misinterpretations that according to law influence the basic interpretation and application of norms which regulate the content of division and allocation of heredity in Cuba and consequently to determine possible guides which allow making the juridical regime better for the institution under analysis

Analysis and comparison of competitive balance in the Spanish ACB basketball league : a preliminary study

Regardless its relevance in sports economics, competitive balance has not been studied neither in Spanish nor in European professional basketball. In this preliminary study we measured the competitive balance in the Spanish ACB League from seasons 1983/1984 to 2003/2004 using the well-known winning percentage standard deviation index. Results showed great difference between seasons and a general low competitive balance index. In addition, tournament designing did not seem to affect the competitive balance in ACB

Hacia un estándar objetivo del fumus comissi delicti en la prisión preventiva

La presente investigación platea, para afirmar que se está ante un estándar del fumus comissi delicti, se requiere un determinado grado de probabilidad, uno de alta probabilidad del injusto penal de intervención delictual y del injusto penal delictual, pero entendiendo por probabilidad, no a la mayor existencia de elementos positivos que los negativos, sino como el grado de corroboración a partir de los elementos existentes y de soporte de una hipótesis(concebida desde la perspectiva de la probabilidad inductiva). Para ello se deberá concatenar criterios objetivos, como los siguientes: 1) La correcta formulación de hipótesis de atribución de un factum delictivo de un hecho jurídico-penalmente relevante, 2) La verificación si la hipótesis está suficientemente justificada, 3) La elección de la hipótesis que mejor justifique la intervención delictual o autoría (no la certeza). Acotando, los criterios del “ser” no son exclusivos en la determinación de la prueba y su valoración, sino que es necesario la concatenación con los criterios del “deber ser”, dado que las instituciones jurídico penales se construyen a partir de este último, por lo que es necesario conocer las categorías de imputación y la dogmática

La cultura organizacional y la calidad del servicio educativo en el CETPRO público Huaral, 2016

La investigación titulada “Cultura organizacional y calidad del servicio educativo en el CETPRO público Huaral, 2016; tuvo como objetivo general determinar la relación que existe entre la cultura organizacional y la calidad del servicio educativo en el CETPRO público Huaral, 2016. La población estuvo constituida por 20 docentes, los cuales fueron considerados como una población censal y en los cuales se aplicó las variables de estudio. El método que se ha empleó fue el hipotético deductivo, además la investigación tuvo un diseño no experimental de nivel correlacional y de corte transversal, que recopiló los datos en un momento determinado el cual fue desarrollado al aplicar los cuestionarios: cuestionario sobre cultura organizacional, formado por 21 Ítems en la escala de Likert y el cuestionario sobre calidad del servicio educativo, formado por 25 Ítems en la escala de Likert, estos lograron brindar información importante sobre las variables de estudio, mediante la evaluación de cada una de sus dimensiones. De igual forma, luego de haber realizado el procesamiento de la información después de haber aplicado los cuestionarios, se prosiguió al análisis estadístico de los datos y se arribó a la siguiente conclusión: la cultura organizacional se relaciona directamente (Rho = 0,999) y significativamente (p = 0,000 < 0,05) con la calidad del servicio educativo en el CETPRO público Huaral, 2016; comprobándose de esta manera la hipótesis de la investigación

Análisis estratégico del mercado de la palta en el Perú

La palta es considerada dentro de la categoría super food a nivel mundial, no solo por los grandes beneficios nutricionales y de salud, sino por la alta demanda que tiene en diversos países del globo terrestre. Muestra de ello es el crecimiento global tanto de la producción en 27% en los últimos 5 años alcanzando los 6.4 millones de toneladas en 2018, mientras que la exportación creció a una tasa promedio anual de 12% llegando a los 2.5 millones de toneladas. Este comportamiento no ha sido ajeno a la industria peruana que produce en más de 20 regiones del país, permitiendo que aumente la producción de palta en un 44.43% en los últimos 5 años, plasmado en el aumento de volumen de exportaciones las cuales han crecido un 14% en promedio anualmente. Esto permite cuestionarse sobre las nuevas direcciones que debe tener la industria peruana en base al crecimiento, así como el nuevo entorno que se está viviendo. Es por eso que se plantea como objetivo de este presente estudio, desarrollar un planeamiento estratégico para la industria peruana de la palta. Para ello, se usará un modelo basado en el análisis del sector bajo el enfoque del análisis de las fuerzas externas e internas que influyen en la industria. Además, un benchmarking con los principales competidores a fin de identificar las oportunidades, amenazas, fortalezas y debilidades, que a partir de estas se generarán estrategias específicas. Con ello, permitirá a la industria tener a este estudio como un referente para un mayor conocimiento del panorama actual, y las directivas a tomar a fin de seguir consolidando el crecimiento sostenido que viene teniendo la industria. Finalmente, las estrategias que se elaborarán en este estudio es para poder realizarlas en el corto y largo plazo, y que sirve no solo para empresas del rubro, también para instituciones públicas e interesados, para lograr que el Perú busque tener el liderazgo del mercado de paltas.Trabajo de investigació

Algorithmic Trading Systems Based on Google Trends

[EN] In this paper we analyze five big data algorithmic trading systems based on artificial intelligence models that uses as predictors stats from Google Trends of dozens of financial terms. The systems were trained using monthly data from 2004 to 2017 and have been tested in a prospective way from January 2017 to February 2018. The performance of this systems shows that Google Trends is a good metric for global Investors’ Mood. Systems for Ibex and Eurostoxx are not profitable but Dow Jones, S&amp;P 500 and Nasdaq systems has been profitable using long and short positions during the period studied. This evidence opens a new field for the investigation of trading systems based on big data instead of Chartism.Gómez Martínez, R.; Prado Román, C.; De La Orden De La Cruz, MDC. (2018). Algorithmic Trading Systems Based on Google Trends. En 2nd International Conference on Advanced Reserach Methods and Analytics (CARMA 2018). Editorial Universitat Politècnica de València. 11-18. https://doi.org/10.4995/CARMA2018.2018.8295OCS111

Propionate fermentative genes of the gut microbiome decrease in inflammatory bowel disease

Changes in the gut microbiome have been associated with inflammatory bowel disease. A protective role of short chain fatty acids produced by the gut microbiota has been suggested as a causal mechanism. Nevertheless, multi-omic analyses have failed to identify a clear link between changes in specific taxa and disease states. Recently, metagenomic analyses unveiled that gut bacterial species have a previously unappreciated genomic diversity, implying that a geno-centric approach may be better suited to identifying the mechanisms involved. Here, we quantify the abundance of terminal genes in propionate-producing fermentative pathways in the microbiome of a large cohort of healthy subjects and patients with inflammatory bowel disease. The results show that propionate kinases responsible for propionate production in the gut are depleted in patients with Crohn's disease. Our results also indicate that changes in overall species abundances do not necessarily correlate with changes in the abundances of metabolic genes, suggesting that these genes are not part of the core genome. This, in turn, suggests that changes in strain composition may be as important as changes in species abundance in alterations of the gut microbiome associated with pathological conditions.Funding: This work was funded by project BFU2017-86378-P from the Spanish Ministry of Science and Innovation (MCINN) to F.d.l.C