Photonic Interconnection Networks for Exascale Computers

[ES] En los últimos años, distintos proyectos alrededor del mundo se han centrado en el diseño de supercomputadores capaces de alcanzar la meta de la computación a exascala, con el objetivo de soportar la ejecución de aplicaciones de gran importancia para la sociedad en diversos campos como el de la salud, la inteligencia artificial, etc. Teniendo en cuenta la creciente tendencia de la potencia computacional en cada generación de supercomputadores, este objetivo se prevee accesible en los próximos años. Alcanzar esta meta requiere abordar diversos retos en el diseño y desarrollo del sistema. Uno de los principales es conseguir unas comunicaciones rápidas y eficientes entre el inmenso número de nodos de computo y los sitemas de memoria. La tecnología fotónica proporciona ciertas ventajas frente a las redes eléctricas, como un mayor ancho de banda en los enlaces, un mayor paralelismo a nivel de comunicaciones gracias al DWDM o una mejor gestión del cableado gracias a su reducido tamaño. En la tesis se ha desarrollado un estudio de viabilidad y desarrollo de redes de interconexión haciendo uso de la tecnología fotónica para los futuros sistemas a exaescala dentro del proyecto europeo ExaNeSt. En primer lugar, se ha realizado un análisis y caracterización de aplicaciones exaescala. Este análisis se ha utilizado para conocer el comportamiento y requisitos de red que presentan las aplicaciones, y con ello guiarnos en el diseño de la red del sistema. El análisis considera tres parámetros: la distribución de mensajes en base a su tamaño y su tipo, el consumo de ancho de banda requerido a lo largo de la ejecución y la matriz de comunicación espacial entre los nodos. El estudio revela la necesidad de una red eficiente y rápida, debido a que la mayoría de las comunaciones se realizan en burst y con mensajes de un tamaño medio inferior a 50KB. A continuación, la tesis se centra en identificar los principales elementos que diferencian las redes fotónicas de las eléctricas. Identificamos una secuencia de pasos en el diseño de un simulador, ya sea haciéndolo desde cero con tecnología fotónica o adaptando un simulador de redes eléctricas existente para modelar la fotónica. Después se han realizado dos estudios de rendimiento y comparativas entre las actuales redes eléctricas y distintas configuraciones de redes fotónicas utilizando topologías clásicas. En el primer estudio, realizado tanto con tráfico sintético como con trazas de ExaNeSt en un toro, fat tree y dragonfly, se observa como la tecnología fotónica supone una clara mejora respecto a la eléctrica. Además, el estudio muestra que el parámetro que más afecta al rendimiento es el ancho de banda del canal fotónico. El segundo estudio muestra el comportamiento y rendimiento de aplicaciones reales en simulaciones a gran escala en una topología jellyfish. En este estudio se confirman las conclusiones obtenidas en el anterior, revelando además que la tecnología fotónica permite reducir la complejidad de algunas topologías, y por ende, el coste de la red. En los estudios realizados se ha observado una baja utilización de la red debido a que las topologías utilizadas para redes eléctricas no aprovechan las características que proporciona la tecnología fotónica. Por ello, se ha propuesto Segment Switching, una estrategia de conmutación orientada a reducir la longitud de las rutas mediante el uso de buffers intermedios. Los resultados experimentales muestran que cada topología tiene sus propios requerimientos. En el caso del toro, el mayor rendimiento se obtiene con un mayor número de buffers en la red. En el fat tree el parámetro más importante es el tamaño del buffer, obteniendo unas prestaciones similares una configuración con buffers en todos los switches que la que los ubica solo en el nivel superior. En resumen, esta tesis estudia el uso de la tecnología fotónica para las redes de sistemas a exascala y propone aprovechar[CA] Els darrers anys, múltiples projectes de recerca a tot el món s'han centrat en el disseny de superordinadors capaços d'assolir la barrera de computació exascala, amb l'objectiu de donar suport a l'execució d'aplicacions importants per a la nostra societat, com ara salut, intel·ligència artificial, meteorologia, etc. Segons la tendència creixent en la potència de càlcul en cada generació de superordinadors, es preveu assolir aquest objectiu en els propers anys. No obstant això, assolir aquest objectiu requereix abordar diferents reptes importants en el disseny i desenvolupament del sistema. Un dels principals és aconseguir comunicacions ràpides i eficients entre l'enorme nombre de nodes computacionals i els sistemes de memòria. La tecnologia fotònica proporciona diversos avantatges respecte a les xarxes elèctriques actuals, com ara un major ample de banda als enllaços, un major paral·lelisme de la xarxa gràcies a DWDM o una millor gestió del cable a causa de la seva mida molt més xicoteta. En la tesi, s'ha desenvolupat un estudi de viabilitat i desenvolupament de xarxes d'interconnexió mitjançant tecnologia fotònica per a futurs sistemes exascala dins del projecte europeu ExaNeSt. En primer lloc, s'ha dut a terme un estudi de caracterització d'aplicacions exascala dels requisits de xarxa. Els resultats de l'anàlisi ajuden a entendre els requisits de xarxa de les aplicacions exascale i, per tant, ens guien en el disseny de la xarxa del sistema. Aquesta anàlisi considera tres paràmetres principals: la distribució dels missatges en funció de la seva mida i tipus, el consum d'ample de banda requerit durant tota l'execució i els patrons de comunicació espacial entre els nodes. L'estudi revela la necessitat d'una xarxa d'interconnexió ràpida i eficient, ja que la majoria de comunicacions consisteixen en ràfegues de transmissions, cadascuna amb una mida mitjana de missatge de 50 KB. A continuació, la tesi se centra a identificar els principals elements que diferencien les xarxes fotòniques de les elèctriques. Identifiquem una seqüència de passos en el disseny i implementació d'un simulador: tractar la tecnologia fotònica des de zero o per ampliar un simulador de xarxa elèctrica existent per modelar la fotònica. Després, es presenten dos estudis principals de comparació de rendiment entre xarxes elèctriques i diferents configuracions de xarxes fotòniques mitjançant topologies clàssiques. En el primer estudi, realitzat tant amb trànsit sintètic com amb traces d'ExaNeSt en un toro, fat tree i dragonfly, vam trobar que la tecnologia fotònica representa una millora notable respecte a la tecnologia elèctrica. A més, l'estudi mostra que el paràmetre que més afecta el rendiment és l'amplada de banda del canal fotònic. Aquest darrer estudi analitza el rendiment d'aplicacions reals en simulacions a gran escala en una topologia jellyfish. Els resultats d'aquest estudi corroboren les conclusions obtingudes en l'anterior, revelant també que la tecnologia fotònica permet reduir la complexitat d'algunes topologies i, per tant, el cost de la xarxa. En els estudis anteriors ens adonem que la xarxa estava infrautilitzada principalment perquè les topologies estudiades per a xarxes elèctriques no aprofiten les característiques proporcionades per la tecnologia fotònica. Per aquest motiu, proposem Segment Switching, una estratègia de commutació destinada a reduir la longitud de les rutes mitjançant la implementació de memòries intermèdies en nodes intermedis al llarg de la ruta. Els resultats experimentals mostren que cadascuna de les topologies estudiades presenta diferents requisits de memòria intermèdia. Per al toro, com més gran siga el nombre de memòries intermèdies a la xarxa, major serà el rendiment. Per al fat tree, el paràmetre clau és la mida de la memòria intermèdia, aconseguint un rendiment similar tant amb una configuració amb memòria intermèdia en tots els co[EN] In the last recent years, multiple research projects around the world have focused on the design of supercomputers able to reach the exascale computing barrier, with the aim of supporting the execution of important applications for our society, such as health, artificial intelligence, meteorology, etc. According to the growing trend in the computational power in each supercomputer generation, this objective is expected to be reached in the coming years. However, achieving this goal requires addressing distinct major challenges in the design and development of the system. One of the main ones is to achieve fast and efficient communications between the huge number of computational nodes and the memory systems. Photonics technology provides several advantages over current electrical networks, such as higher bandwidth in the links, greater network parallelism thanks to DWDM, or better cable management due to its much smaller size. In this thesis, a feasibility study and development of interconnection networks have been developed using photonics technology for future exascale systems within the European project ExaNeSt. First, a characterization study of exascale applications from the network requirements has been carried out. The results of the analysis help understand the network requirements of exascale applications, and thereby guide us in the design of the system network. This analysis considers three main parameters: the distribution of the messages based on their size and type, the required bandwidth consumption throughout the execution, and the spatial communication patterns between the nodes. The study reveals the need for a fast and efficient interconnection network, since most communications consist of bursts of transmissions, each with an average message size of 50 KB. Next, this dissertation concentrates on identifying the main elements that differentiate photonic networks from electrical ones. We identify a sequence of steps in the design and implementation of a simulator either i) dealing with photonic technology from scratch or ii) to extend an existing electrical network simulator in order to model photonics. After that, two main performance comparison studies between electrical networks and different configurations of photonic networks are presented using classical topologies. In the former study, carried out with both synthetic traffic and traces of ExaNeSt in a torus, fat tree and dragonfly, we found that photonic technology represents a noticeable improvement over electrical technology. Furthermore, the study shows that the parameter that most affects the performance is the bandwidth of the photonic channel. The latter study analyzes performance of real applications in large-scale simulations in a jellyfish topology. The results of this study corroborates the conclusions obtained in the previous, also revealing that photonic technology allows reducing the complexity of some topologies, and therefore, the cost of the network. In the previous studies we realize that the network was underutilized mainly because the studied topologies for electrical networks do not take advantage of the features provided by photonic technology. For this reason, we propose Segment Switching, a switching strategy aimed at reducing the length of the routes by implementing buffers at intermediate nodes along the path. Experimental results show that each of the studied topologies presents different buffering requirements. For the torus, the higher the number of buffers in the network, the higher the performance. For the fat tree, the key parameter is the buffer size, achieving similar performance a configuration with buffers on all switches that locating buffers only at the top level. In summary, this thesis studies the use of photonic technology for networks of exascale systems, and proposes to take advantage of the characteristics of this technology in current electrical network topologies.This thesis has been conceived from the work carried out by Polytechnic University of Valencia in the ExaNeSt European projectDuro Gómez, J. (2021). Photonic Interconnection Networks for Exascale Computers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166796TESI

El viaje de la vacuna contra la viruela: una expedición, dos océanos, tres continentes y miles de niños

España fomentó durante el periodo de la ilustración borbónica la formación de expediciones científicas, entre las que se encuentra la Real Expedición Filantrópica de la Vacuna (REFV), un ejemplo de biopolítica aplicado por el Estado para proteger la salud. La expedición dio la vuelta al mundo utilizando niños como reservorio para transportar el fluido vacuno. Francisco Xavier Balmis estableció una cadena humana brazo a brazo que materializó el éxito de la misión. En este artículo se analizan las características y avatares por las que pasaron los niños que contribuyeron a la propagación de la vacuna antivariólica.Spain encouraged, during the Bourbon dynasty, the formation of scientific expeditions, among which was the Royal Philanthropic Vaccine Expedition, an example of biopolitics applied by the state in order to protect health. The expedition went all over the world, using children as a reservoir to transport the vaccine fluid. Francisco Xavier Balmis established a human chain that arm-to-arm materialized the success of the mission. The characteristics and difficulties which children had to pass through and their contribution to the spread of the smallpox vaccine are analyzed

Arquitectura de memoria para explotar la localidad y el paralelismo a nivel de banco

[ES] La memoria principal constituye uno de los principales cuellos de botella de los procesadores manycore. Una de las causas es la arquitectura interna organizada en 8 bancos de las actuales DDR3. Cada banco contiene un buffer (row buffer) que contiene la última fila leída a fin de explotar la localidad espacial de las aplicaciones. Un acceso a un bloque que se encuentre en el row buffer, tiene un tiempo de acceso unas 3 veces menor que si se debe volver a leer la fila de la matriz de celdas. En los procesadores multinúcleo, las distintas aplicaciones compiten en el acceso a los bancos, lo que traduce en dos penalizaciones importantes: por una parte aparecen más conflictos de banco y por otra la tasa de aciertos del row buffer se ve seriamente reducida respecto a la ejecución individual. En consecuencia, son necesarias nuevas organizaciones y políticas de mapeo de direcciones físicas a posiciones en la memoria principal a fin de minimizar las interferencias y maximizar tanto las prestaciones como la equidad. Con este objetivo, en este trabajo se presentan y estudian nuevas organizaciones de los módulos de memoria principal off-chip.Duro Gómez, J. (2015). Arquitectura de memoria para explotar la localidad y el paralelismo a nivel de banco. http://hdl.handle.net/10251/55237TFG

A generic I/O architecture for data-intensiveapplications based on in-memorydistributed cache

Proceedings of the First PhD Symposium on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS PhD 2016) Timisoara, Romania. February 8-11, 2016.The evolution in scientific computing towards data-intensive applications and the increase of heterogeneity in the computing resources, are exposing new challenges in the I/O layer requirements. We propose a generic I/O architecture for data-intensive applications based on in-memory distributed caching. This solution leverages the evolution of network capacities and the price drop in memory to improve I/O performance for I/O-bounded applications adaptable to existing high-performance scenarios. We have showed the potential improvementsEuropean Cooperation in Science and Technology. COSTThis work is partially supported by EU under the COST Program Action IC1305: Network for Sustainable Ultrascale Computing (NESUS). This work is partially supported by the grant TIN2013-41350-P, Scalable Data Management Techniques for High-End Computing Systems from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness

Vaccine hesitancy in Spain (1801), Ruiz de Luzuriaga responses in defense of vaccination

La rápida difusión del método jenneriano se cimentó en la sencillez para practicarlo, en su aparente eficacia para combatir las viruelas y en su oportunidad epidemiológica, ya que apareció en el momento de mayor recrudecimiento de la enfermedad. El impulso inicial para su propagación, que originó un reconocido movimiento de protección de la salud poblacional, no estuvo exento de controversia. A la vez que se iban sumando defensores de la vacuna, aparecían opiniones contrarias que utilizaban críticas diversas para desprestigiarla. La más común era divulgar sus supuestos fracasos utilizando los medios de comunicación de la época, para lo que se aireaban casos ocurridos en los hijos de personalidades notables de la sociedad. Ignacio María Ruiz de Luzuriaga (1763-1822), en calidad de secretario de la Real Academia de Medicina Matritense asumió un papel catalizador, convirtiéndose en protagonista de la historia inicial de la vacunación en España. Ha sido considerado como introductor, divulgador y ardiente defensor de la vacuna, tal como se desprende del análisis de la abultada correspondencia que generó entre 1801 y 1802, catalogada como “Papeles sobre la vacuna”. Estos documentos, conservados en la biblioteca de la Academia, muestran su actividad como propagador del método y de su capacidad para dar respuesta a las dudas e inquietudes relacionadas con sus posibles efectos adversos, evitando que se pusiera en peligro la continuidad de las vacunaciones.The rapid diffusion of the jennerian method was founded in simplicity to practice, in its apparent effectiveness in combating smallpox and its epidemiological opportunity, as it appeared at the time of greatest recrudescence of the disease. The initial impulse for it’s propagation, which originated a recognized movement to protect population health, was not without controversy. At the same time that defenders of the vaccine were added, opposite opinions appeared that used diverse critics to discredit it. The most common was to reveal their alleged failures using the media of the time, so cases were reported that occurred in the children of notable people in society. Ignacio María Ruiz de Luzuriaga (1763-1822), as secretary of the Royal Academy of Medicine he assumed a catalytic role, becoming the protagonist of the initial history of vaccination in Spain. It has been considered as an introducer, disseminator and ardent defender of the vaccine, as can be seen from the analysis of the bulky correspondence generated between 1801 and 1802 cataloged as “Papeles sobre la vacuna”. These documents, preserved in the Academy library, show their activity as a propagator of the method and its capacity to respond to the doubts and concerns related to their possible adverse effects, avoiding jeopardizing the continuity of vaccines.Parte del estudio ha sido financiado con una ayuda a la investigación de la Fundación Española de Vacunología, Proyecto “Los papeles sobre la vacuna” (FEV1-11PA)

Diseño e implementación de un sistema de ficheros distribuido basado en Memcached

En la actualidad, 18 de los 20 sitios web más importantes en lo que a número de usuarios se refiere, utilizan Memcached para mejorar su rendimiento y escalabilidad (por ejemplo, Google, YouTube, Facebook, Twitter, etc.). En este Proyecto de Fin de Carrera se hará una aproximación para estudiar la viabilidad de utilizar Memcached como base para el diseño e implementación de un sistema de ficheros distribuido de alto rendimiento para entornos clúster. En este proyecto se pretende obtener una interfaz para trabajar con Memcached como si de un sistema de ficheros distribuido se tratase, permitiendo incluso, utilizar Memcached como caché para un sistema de ficheros local, siempre procurando que la interfaz diseñada e implementada sea lo más similar posible a la ofrecida por POSIX para las operaciones de entrada y salida estándar (open, read, write, close, etc.) Además en este proyecto se presenta la evaluación de rendimiento de todas las funcionalidades implementadas, de modo que se pueda juzgar la viabilidad y utilidad de un sistema de ficheros distribuido basado en Memcached. _____________________________________________________________________________________________________________Nowadays, 18 of the top 20 sites in terms of user counts are powered by Memcached to improve their performance and scalability (e. g. Google, YouTube, Facebook, Twitter, etc.). In this end-of-degree dissertation an approximation to the study of the viability of using Memcached as the base of the design and implementation of a distributed file system will be done. This work aims to obtain an interface (an API) for working with Memcached as a distributed file system and utilizing Memcached as a local file system‟s cache, always trying that the API designed and implemented is as similar as possible to the one used in POSIX for standard I/O operations (open, read, write, close, etc.) We have evaluated the performance of each one of the implemented functionalities and with the data obtained, evaluated the viability and utility of a distributed file system based in Memcached.Ingeniería en Informátic

Motivation as a Tool for Designing Lifelong Learning Robots

[Abstract] Designing robots has usually implied knowing beforehand the tasks to be carried out and in what domains. However, in the case of fully autonomous robots this is not possible. Autonomous robots need to operate in an open-ended manner, that is, deciding on the most interesting goals to achieve in domains that are not known at design time. This obviously poses a challenge from the point of view of designing the robot control structure. In particular, the main question that arises is how to endow the robot with a designer defined purpose and with means to translate that purpose into operational decisions without any knowledge of what situations the robot will find itself in. In this paper, we provide a formalization of motivation from an engineering perspective that allows for the structured design of purposeful robots. This formalization is based on a definition of the concepts of robot needs and drives, which are related through experience to the appropriate goals in specific domains. To illustrate the process, a motivational system to guide the operation of a real robot is constructed using this approach. A series of experiments carried out over it are discussed providing some insights on the design of purposeful motivated operation.This work was partially funded by the EU’s H2020 research programme (grant No 640891 DREAM), Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades of Spain/FEDER (grant RTI2018-101114-B-I00), Xunta de Galicia and FEDER (grant ED431C 2017/12), and by the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports through the FPU grant of Alejandro RomeroXunta de Galicia; ED431C 2017/1

Studying How Innate Motivations Can Drive Skill Acquisition in Cognitive Robots

This article belongs to the Proceedings of XoveTIC ConferenceAbstract: In this paper, we address the problem of how to bootstrap a cognitive architecture to opportunistically start learning skills in domains where multiple skills can be learned at the same time. To this end, taking inspiration from a series of computational models of the use of motivations in infants, we propose an approach that leverages two types of cognitive motivations: exploratory and proficiency based, the latter modulated by the concept of interestingness as an implementation of attentional mechanisms. This approach is tested in an illustrative experiment with a real robot.Xunta de Galicia; ED431C 2017/12Ministerio de Economía y Competitividad; TIN2015-63646-C5-1-