Schválené projekty 2018

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2018

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 008 271 Kč

Z toho 2.5% - 1 375 200 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 169 170
EKF  3 711 750
FAST  2 600 000
FS  8 523 694
FEI 14 727 528
HGF  6 164 359
FMT  7 136 570
VC  9 600 000
CELKEM 53 633 071

KódSP2018/134
Název projektuVývoj nástrojů pro optimalizaci spotřeby elektrické energie HPC aplikací
ŘešitelVysocký Ondřej Ing.
Školitel projektuIng. Jan Zapletal, Ph.D.<br />
Období řešení projektu01.01.2018 - 31.12.2018
Předmět výzkumu * Anotace *

V rámci projektu se řešitelé zaměří na další vývoj nástrojů MERIC a RADAR, které již ve své pilotní verzi slouží k manuální evaluaci dynamického chování paralelních aplikací v prostředí HPC. Knihovna MERIC umožňuje instrumentaci uživatelských aplikací, změření spotřeby čerpaných zdrojů a dynamickou úpravu hardwarových (HW) a softwarových (SW) parametrů. Matematickou analýzu naměřených dat zajišťuje nástroj RADAR, který především generuje konfigurační soubor s energeticky optimálním nastavením pro produkční běhy analyzované aplikace. Doposud provedené experimenty ukazují, že tento způsob analýzy a následná aplikace optimálních hodnot HW/SW parametrů může vést ke značné úspoře elektrické energie.

Přínosem navrhovaného projektu bude rozšíření nástroje MERIC o podporu nových architektur (Intel Xeon Phi, ARM a další), které umožní jejich srovnání z hlediska spotřeby elektrické energie a možných úspor při statickém a dynamickém ladění SW i HW parametrů. Nástroj RADAR bude obohacen o grafické uživatelské rozhraní a další metody vyhodnocení naměřených dat.


* Složení týmu *

Tento tým tvoří především řešitelé Evropského projektu Horizon 2020 READEX (Runtime Explotation of Application Dynamism for Energy-efficient eXascale computing) jehož cílem je vyvinout a implementovat nástroje založené na automatické a dynamické změně hodnot široké škály parametrů superpočítačových aplikací umožňující dosáhnout výrazných vylepšení v budoucích energeticky-efektivních exascalových aplikacích.

Jedná se o jediný aktivní tým na IT4Innovations zabývající se výzkumem v oblasti úspory elektrické energie při běhu HPC aplikací, což je jednou z klíčových oblastí budoucího směřování IT4Innovations.

Kromě tohoto projektu se garant a členové týmu podílí nebo podíleli na interních projektech BEM4I, ESPRESO, MolDYN, či na mezinárodních projektech PRACE nebo projektu Intel Parallel Computing Center na IT4Innovations.

Členové týmu se zúčastnili řady stáží (např. TU Graz, EPCC, Université de Toulouse) či sezonních škol na zahraničních univerzitách (PRACE Spring School 2014 Linz, Rakousko; CSCS Summer School 2016, Lugano, Švýcarsko; International HPC Summer School 2017, Boulder, Colorado). Odborný garant je držitelem cen Josepha Fouriera a Prof. Babušky za rok 2017, další členové získali Děkanské vyznamenání VŠB FEI 2015, cenu děkana VUT FIT 2014, nebo grant Podpora vědy a výzkumu v Moravskoslezském kraji 2017.

Tento tým zabývající se efektivním využití elektrické energie se utvořil v minulém roce, přesto jsou garant a členové týmu spoluautory jednoho publikovaného žurnálového článku [1], jednoho podaného konferenčního článku (SCOPUS) [2] a dvou impaktovaných článků zaměřených na toto téma, které jsou ve stavu podané [3,4]. Kromě toho jsou autory dalších článků zabývajících se problematikou HPC [5-8]:

[1] O. Vysocky, M. Beseda, L. Riha, J. Zapletal, V. Nikl, M. Lysaght, V. Kannan, "Evaluation of the HPC Applications Dynamic Behavior in Terms of Energy Consumption", in P. Iványi, B.H.V. Topping, G. Várady, (Editors), "Proceedings of the Fifth International Conference on Parallel, Distributed, Grid and Cloud Computing for Engineering", Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 3, 2017. doi:10.4203/ccp.111.3 (PARENG)

[2] Vysocky O, Zapletal J, Beseda M, Riha L, Nikl V, Lysaght M, Kannan V (2017) "MERIC and RADAR generator: tools for energy evaluation and runtime tuning of HPC applications" (HPCSE)

[3] O. Vysocky, M. Beseda, L. Riha, J. Zapletal, V. Nikl, M. Lysaght, V. Kannan, (2017) "Energy efficient computing achieved by manual evaluation of the dynamic behavior of HPC applications" (PARENG special issue - ADES journal)

[4] Kumaraswamy M, Chowdhury A, Gerndt M, Bendifallah Z, Bouizi O, Říha L, Vysocký O, Beseda M, and Zapletal J (2017), Domain Knowledge Specification for Energy Tuning, Concurrency Computat: Pract Exper, 2017;00:1–6. (PACO special issue - CCPE journal)

[5] Veit, A., Merta, M., Zapletal, J., Lukas, D. Efficient solution of time-domain boundary integral equations arising in sound-hard scattering, (2016) International Journal for Numerical Methods in Engineering, Volume 107, Issue 5, pp.430-449, Q1.

[6] Bandara, K., Cirak, F., Of, G., Steinbach, O., Zapletal, J. Boundary element based multiresolution shape optimisation in electrostatics. Journal of Computational Physics 297, Elsevier 2015, Q1

[7] Merta, M., Zapletal, J. Acceleration of boundary element method by explicit vectorization. Advances in Engineering Software 86, Elsevier 2015, Q2

[8] Zapletal, J.; Merta, M.; Malý, L. Boundary element quadrature schemes for multi- and many-core architectures. Computers & Mathematics with Applications, 2017, 74, 157-173, Q1.
Členové řešitelského týmuIng. Martin Beseda
Ing. Ivo Peterek
Ing. David Ulčák
Ing. Ondřej Vysocký
Ing. Jan Zapletal, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu) * Cíle projektu a očekávané výstupy *

Superpočítačové clustery jsou důležitým prvkem ve vývoji nových technologií a rozšiřování našich znalostí pomocí simulací. Výstavba nových, větších superpočítačů využívající soudobé technologie je však limitována energetickou spotřebou takovýchto strojů. V návaznosti na projekt READEX je cílem vyvinout a implementovat nástroje založené na dynamické změně hodnot široké škály hardwarových a softwarových parametrů umožňující dosáhnout výrazných úspor v budoucích energeticky efektivních exascalových aplikacích.

Knihovna MERIC, která zajišťuje dynamické ladění aplikací, bude upravena a rozšířena o vlastnosti, které umožní její nasazení na nových dostupných platformách. Rozšiřování nástroje je omezeno na platformy disponující systémem měření spotřeby elektrické energie a dovolující provádět změny ve vybraných HW parametrech, které jsou pomocí knihovny MERIC laděny, čímž je potenciálně dosaženo úspor energie.

Soudobé procesory Intel poskytují RAPL čítače pro odhad spotřeby energie s chybou v řádu jednotek procent. Ostatní platformy musí disponovat obdobným HW čítačem nebo speciálním externím zařízením pro přesné měření energie. Oproti technologii RAPL, tyto externí měřiče obvykle poskytují informace jak o spotřebě procesorů a RAM pamětí, tak celých výpočetních uzlů.

Pro další rozšíření tak bude možné uvažovat procesory Intel Xeon Phi KNL, Intel Skylake a případně na další stroje splňující tyto podmínky (budoucí malý cluster IT4Innovations). V současnosti již probíhá spolupráce s Barcelona Supercomputing Center (BSC), kde nám byl v rámci projektu Mont Blanc udělen přístup k výzkumným ARM platformám. Tato spolupráce nám umožnila implementovat podporu v nástroji MERIC pro ARM Jetson-TX a ThunderX. Nyní očekáváme zpřístupnění clusteru s ARM ThunderX2, který je v BSC novinkou. Tato architektura je očekávaná jako první skutečný HPC procesor s výkonem srovnatelným se současnými serverovými x86 procesory.

Přínos aplikovaní uvedené metodiky na jednotlivých platformách bude prezentován pomocí testovacího balíku paralelních aplikací, které budou analyzovány pomocí vyvinutých nástrojů. Pro tyto aplikace bude připraven repositář na code.it4i.cz.

Významným přínosem bude rozšíření nástroje RADAR, který bude obohacen o nové metody vyhodnocení naměřených dat, a především o grafické uživatelské rozhraní, které vůči současnému způsobu ovládání rozsáhlým konfiguračním souborem zásadně zvýší uživatelskou přívětivost. Ta je v současné době limitujícím prvkem v rozšíření uživatelské základny těchto nástrojů.

V první fázi tohoto projektu by mělo vzniknout grafické rozhraní, které zajistí jednoduché vytvoření konfiguračního souboru pro následující spuštění analýzy naměřených dat. Druhá fáze tuto aplikaci rozšíří a vznikne tak nástroj, ve kterém budou vykreslovány uživatelem požadované grafy (např. závislosti spotřeby el. energie nebo času výpočtu na jednotlivých laděných parametrech) a tabulky, které jsou dnes součástí rozsáhlé zprávy generované nástrojem RADAR ve formátu LaTeX. Přidaná hodnota této části spočívá v možnosti interaktivně měnit parametry vykreslovaných grafů (záměna os grafu, rozsah vykreslovaných hodnot a řada dalších), které jsou dnes zadávaných pomocí konfiguračního souboru nástroje RADAR. Tímto postupem uživatel rychle zjistí, které parametry mají vliv na spotřebu a které nikoliv. Výhodou bude možnost provést tuto analýzu pro jednotlivé části aplikace a získat přehled o jejím dynamickém chování. Podle zvolených možností by aplikace přímo vykreslovala jednotlivé grafické prvky požadovaných vlastností a po dosažení cílové podoby výstupní zprávy o chování analyzované aplikace by došlo k vygenerování finálního dokumentu.

Hlavními cíli projektu tedy jsou:

Vytvoření grafického rozhraní pro tvorbu konfiguračních souborů pro nástroj RADAR

Rozšíření grafického rozhraní v interaktivní nástroj pro tvorbu výsledné zprávy

Rozšíření knihovny MERIC pro zajištění podpory nových HW platforem



Očekávané publikace

1 článek v časopisu s impakt faktorem

1 článek ve sborníku mezinárodní či tuzemské konference



* Impakt projektu *

Efektivní využití elektrické energie superpočítačů je atraktivním tématem pro HPC komunitu. Dosavadní výsledky dosažené pomocí přístupu prezentovaného projektem READEX přináší 10 až 30 procent úspory energie na Intel Xeon E5 procesorech generace Haswell (výsledky prezentované ve výše uvedených článcích). Tyto slibné výsledky bude zajímavé porovnat s možnostmi úspory na více alternativních platformách a srovnat také celkovou spotřebu energie při řešení konkrétních úloh.

První část grafického rozhraní povede k výrazně snazšímu ovládání nástroje RADAR, zatímco druhá část bude sloužit k rychlejšímu získání výsledků analýzy, které budou přehlednější a dají tak uživateli více informací. Grafické rozhraní nástroje RADAR odstraní překážku k většímu rozšíření uživatelské základny obou nástrojů.

Práce na projektu mohou obohatit členy o nové zkušenosti uplatnitelné v následujících projektech, především těch zaměřených na úsporu a efektivní využití elektrické energie superpočítačů a datových center.

V neposlední řadě lze nástroje a metodiku vyvinuté v rámci tohoto projektu nasadit na aplikace běžící na infrastruktuře IT4Innovations a snížit tak její spotřebu energie.


* Postup řešení a časový harmonogram *

Grafické rozhraní nástroje RADAR bude vytvořeno stejně jako RADAR samotný pomocí jazyka Python s využitím některého z dostupných GUI frameworků (https://wiki.python.org/moin/GuiProgramming). V první fázi se bude jednat o samostatnou aplikaci generující konfigurační soubor pro současný RADAR. V druhé fázi dojde k užšímu propojení obou aplikací, kdy bude využíváno algoritmů a struktur, které nástroj RADAR vytváří.

Knihovna MERIC již poskytuje podporu pro čtyři rozdílné platformy, tudíž kód této aplikace je částečně připraven pro rozšíření podpory pro další platformy. Jednotlivé platformy však mají svá specifika, které musí být knihovnou MERIC reflektovány.



Časový harmonogram:

Q1 – Implementace grafického rozhraní pro tvorbu konfiguračních souborů nástroje RADAR

Q2 – Dokončení implementace podpory pro nové HW platformy v balíku MERIC

Q3 – Dokončení druhé fáze tvorby grafické rozhraní nástroje RADAR

Q4 – Vytvoření benchmarků nově podporovaných architektur a publikace výsledků srovnávající energetickou efektivitu dostupných platforem s využitím dynamického ladění HW a SW parametrů

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia92000,-92000,-
3. Materiálové náklady0,-0,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek25600,-25600,-
5. Služby0,-0,-
6. Cestovní náhrady120000,-120000,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory26400,-26400,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady264000,-
Uznané náklady264000,-
Celkem běžné finanční prostředky264000,-264000,-