In-Situ and In-Transit methods : toward a continuum between interactive and offline application at high scale

Abstract

Les simulations paralllèles sont devenues des outils indispensables dans de nombreux domaines scientifiques. Pour simuler des phénomènes complexes, ces simulations sont exécutées sur de grandes machines parallèles. La puissance de calcul de ces machines n'a cessé de monter permettant ainsi le traitement de simulations de plus en plus imposantes. En revanche, les systèmes d'I/O nécessaires à la sauvegarde des données produites par les simulations ont suivit une croissance beaucoup plus faible. Actuellement déjà, il est difficile pour les scientifiques de sauvegarder l'ensemble des données désirées et d'avoir suffisament de puissance de calcul pour les analyser par la suite. A l'ère de l'Exascale, on estime que moins de 1% des données produites par une simulation pourronts être sauvegardées. Ces données sont pourtant une des clés vers des découvertes scientifiques majeures. Les traitements in-situ sont une solution prometteuse à ce problème. Le principe est d'effectuer des analyses alors que la simulation est en cours d'exécution et que les données sont encore en mémoire. Cette approche permet d'une part d'éviter le goulot d'étranglement au niveau des I/O mais aussi de profiter de la puissance de calcul offerte par les machines parallèles pour effectuer des traitements lourds en calcul. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser le paradigme du dataflow pour permettre la construction d'applications in-situ complexes. Pour cela, nous utilisons l'intergiciel FlowVR permettant de coupler des codes parallèles hétérogènes en créant des canaux de communication entre eux afin de former un graphe. FlowVR dispose de suffisament de flexibilité pour permettre plusieurs stratégies de placement des processus d'analyses que cela soit sur les nœuds de la simulation, sur des cœurs dédiés ou des nœuds dédiés. De plus, les traitements in-situ peuvent être exécutés de manière asynchrone permettant ainsi un faible impact sur les performances de la simulation. Pour démontrer la flexibilité de notre approche, nous nous sommes intéressés au cas à la dynamique moléculaire et plus particulièrement Gromacs, un code de simulation de dynamique moléculaire couramment utilisé par les biologistes pouvant passer à l'échelle sur plusieurs milliers de coeurs. En étroite collaboration avec des experts du domaine biologique, nous avons contruit plusieurs applications. Notre première application consiste à permettre à un utilisateur de guider une simulation de dynamique moléculaire vers une configuration souhaitée. Pour cela, nous avons couplé Gromacs à un visualiseur et un bras haptique. Grâce à l'intégration de forces émises par l'utilisateur, celui ci peut guider des systèmes moléculaires de plus d'un million d'atomes. Notre deuxième application se concentre sur les simulations longues sur les grandes machines parallèles. Nous proposons de remplacer la méthode native d'écriture de Gromacs et de la déporter dans notre infrastructure en utilisant deux méthodes distinctes. Nous proposons également un algorithme de rendu parallèle pouvant s'adapter à différentes configurations de placements. Notre troisième application vise à étudier les usages que peuvent avoir les biologistes avec les applications in-situ. Nous avons développé une infrastructure unifiée permettant d'effectuer des traitements aussi bien sur des simulations intéractives, des simulations longues et en post-mortem.Parallel simulations have become a powerwul tool in several scientific areas. To simulate complex phenomena, these simulations are running on large parallel machines. The computational power available on those machines has increased a lot in the last years allowing to simulate very large models. Unfortunately, the I/O capabilities necessary to save the data produced by simulation has not grown at the same pace. Nowadays, it is already difficult to save all the needed data and to have enough computational power to analyse them afterwards. At the exascale time frame, it is expected that less than 1% of the total data produced by simulations will be saved. Yet, these data may lead to major discoveries. In-situ analytics are a promising solution to this problem. The idea is to treat the data while the simulation is still running and the data are in memory. This way, the I/O bottleneck is avoided and the computational power avaible on parallel machines can be used as well for analytics. In this thesis, we propose to use the dataflow paradigm to enable the construction of complex in-situ applications. We rely on the FlowVR middleware which is designed to couple parallel heterogeneous codes by creating communication channels between them to form a graph. FlowVR is flexible enough to allow several placement strategies on simulation nodes, dedicated cores or dedicated nodes. Moreover, in-situ analytics are executed asynchronously leading to a low impact on the simulation performances. To demonstrate the flexibility of our approach, we used Gromacs, a commonly used parallel molecular dynamic simulation package, as application target. With the help of biology experts, we have built several realistic applications. The first one is allowing a user to steer a molecular simulation toward a desired state. To do so, we have couple Gromacs with a live viewer and an haptic device. The user can then apply forces to drive molecular systems of more than 1 million atoms. Our second application focus on long simulation running in batch mode on supercomputers. We replace the native writing method of Gromacs by two methods in our infrastructure. We also propose a implemented a flexible rendering algorithm able to able to various placement strategies. Finally, we study the possible usage o biologists with our infrastructure. We propose a unifed framework able to run treatments on interactive simulation, long simulations and in post-process