Schválené projekty 2019

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2019

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 404 010 Kč

Z toho 0,18 % - 99 192 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 433 100
EKF  3 711 635
FAST  2 600 000
FS   8 127 164
FEI 15 797 594
HGF   5 859 651
FMT  7 597 824
VC 10 177 850
CELKEM 55 304 818

KódSP2019/59
Název projektuVýzkum infrastruktury a vývoj HPC knihoven a nástrojů
ŘešitelVysocký Ondřej Ing.
Školitel projektuIng. Lubomír Říha, Ph.D.<br />
Období řešení projektu01.01.2019 - 31.12.2019
Předmět výzkumuProjekt je zaměřen na rozvoji existujících nástrojů vyvíjených na IT4Innovations v rámci Laboratoře pro výzkum infrastruktury.

Společné téma této SGS je efektivnější využití infrastruktury IT4I, kterého bude dosaženo díky: optimalizací knihoven pro dosažení vyššího výkonu (téma 1. a 4.), zásadní zvýšení uživatelského komfortu díky novému webovému rozhraní (téma 2) a umožnění vizualizace vědeckých dat pomocí nejpopulárnějšího open-source nástroje pro modelování a tvorbu 3D grafiky.

Konkrétně se členové projektu zaměří na implementaci nových metod do knihovny BEM4I, implementace nového I/O rozhraní nástrojů MERIC a RADAR, vytvoření nového webového rozhraní knihovny ESPRESO, vytvoření nového vizualizačního nástroje založeného na nové verzí Blender 2.8.
Členové řešitelského týmuIng. Martin Beseda
Ing. Markéta Hrabánková
Ing. Milan Jaroš
Ing. Michal Kravčenko
Ing. Lukáš Malý
Ing. Ondřej Meca
Ing. Michal Merta, Ph.D.
Ing. Tomáš Panoc
Bc. Jan Pastorek
Ing. Ivo Peterek
Ing. Lubomír Říha, Ph.D.
Bc. Lukáš Sideradis
Ing. Matej Špeťko
Ing. Petr Strakoš, Ph.D.
Ing. Alena Ješko, Ph.D.
Ing. Radim Vavřík
Ing. Ondřej Vysocký
Ing. Jan Zapletal, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu) * Efektivní paralelní implementace metody hraničních prvků *

Skupina zabývající se efektivní diskretizací hraničních integrálních rovnic naváže na výsledky výzkumu a vývoje předchozích SGS s touto tematikou (SP2018/161, SP2017/165, SP2016/113, SP2015/160). V rámci těchto projektů byl podpořen vývoj hraničně-prvkové knihovny BEM4I, její paralelizace ve sdílené a distribuované paměti a vektorizace výpočetně nejnáročnějších částí kódu. Dosažené výsledky byly publikovány ve významných časopisech (např. [1-4, 7]) a prezentovány na mezinárodních konferencích [5,6] (např. SC16, SC17, SC18, PASC 17, PASC 18, PARENG 2017, ICNAAM 2017, FastBEM workshop 2016-2018). Cílem skupiny v rámci aktuálního projektu bude další rozvoj knihovny BEM4I, zejména efektivního paralelního sestavení diskretizovaného operátoru pro multi-trace formulaci úloh transmise a vývoj vhodných předpodmiňovačů.

V rámci SGS bude věnována pozornost vývoji paralelního řešiče pro časově harmonickou vlnovou (Helmholtzovu) úlohu s po částech konstantním vlnovým číslem (tedy na oblastech tvořených různými materiály). Metoda hraničních prvků je pro řešení podobných problémů velice vhodná, protože umožňuje relativně snadno řešit problémy na neomezených oblastech. K řešení bude využita multi-trace formulace (MTF) problému, která je vhodná pro větší škálu úloh než jiné používané metody (např. single-trace formulace).

Implementace bude vycházet z kódu, který byl vyvinut během spolupráce s Laboratoire Jacques-Louis Lions na Université Pierre et Marie Curie v Paříži. Vývoj paralelní verze kódu již započal a bude pokračovat v rámci předloženého SGS projektu. Schéma pro paralelizaci v distribuované paměti vychází z algoritmu představeného v [7]. Algoritmus však musí být dále upraven a optimalizován pro daný problém k zajištění škálovatelnosti i pro rozsáhlé úlohy s komplikovanými rozhraními.

V rámci této části projektu se magisterský student bude věnovat vývoji předpodmiňovačů pro metodu hraničních prvků. Předpodmínění bude realizováno pomocí operátorů opačných řádů, konkrétně operátory, které se v hraničních formulacích již přirozeně vyskytují. Stěžejní částí bude implementace nových konečně-dimenzionálních prostorů. Jedním z nich bude prostor globálně spojitých bubble-lineárních funkcí, které poslouží pro sestavení hypersingulárního operátoru pro předpodmínění rovnice s operátorem jednoduché vrstvy. Druhým prostorem bude lineární obal konstantních funkcí definovaných na duální síti. V případě trojúhelníkové primární sítě tedy půjde o funkce definované na 'mnohoúhelnících'. Pro tento případ bude nutné upravit integrační rutiny. Poslední částí, kterou by se měl student zabývat, je podpora integrace na čtyřúhelnících, čímž bude možné snížit výpočetní náročnost integrace na duální síti. Prostor bubble-lineárních funkcí poslouží k aproximaci funkcí z prostoru Neumannových stop.


* Webové rozhraní masivně paralelní knihovny ESPRESO *

V rámci IT4Innovations se dlouhodobě vyvíjí knihovna ESPRESO [8,9], která byla zvolena flagship projektem celého ústavu. Tato knihovna slouží pro řešení úloh diskretizovaných pomocí konečně prvkových sítí pomocí metody rozložení oblastí. Tato metoda je vhodná pro řešení extrémně velkých úloh díky schopnosti efektivně využít vysoko-výkonnostních kapacit. Pro zajištění optimálního běhu této knihovny a definici řešené úlohy je však nutné správně zadat celou řadu parametrů pomocí textového konfiguračního souboru v předem definovaném formátu. Toto zadávání je mnohdy komplikované, protože klade na uživatele požadavek znalosti řady klíčových slov. Problematická je také kontrola správnosti vstupů, která se provede až během spuštění knihovny, což prodlužuje proces definování vstupní úlohy.

Náplní této části projektu by mělo být zjednodušení tohoto procesu pomocí webového rozhraní, které bude sloužit jako jednoduchý průvodce nastavením pro uživatele od prvotního načtení úlohy až po zobrazení jejích výsledků. Webové rozhraní bude poskytovat veškerou funkcionalitu samotné knihovny ESPRESO a zároveň bude poskytovat jednoduchý post-processing výsledků ve formě 3D vizualizace, grafů, statistik a průběhu řešení úlohy. Rozhraní bude rovněž umožnovat jednoduché využití vysoko-výkonnostních kapacit IT4Innovations komunitě i mimo HPC, tím že poskytne předpřipravenou knihovnu, kterou lze využívat i bez znalosti dané infrastruktury.

Vytvořené rozhraní bude využívat populárního nástroje React [12] pro tvorbu interaktivního webu. Pro zajištění snadné udržitelnosti kódu a konzistence se samotnou knihovnou ESPRESO, bude celé rozhraní automaticky vytvořeno z konfiguračního souboru, který lze z této knihovny jednoduše vygenerovat. Tento soubor poskytuje popis veškerých parametrů a jejich možných hodnot, které ESPRESO akceptuje. Webové rozhraní konfigurační soubor umožní editovat a poslat na předem připravenou infrastrukturu spolu se souborem popisujícím vstupní konečně-prvkovou sít. Rozhraní bude podporovat formáty běžně užívané v inženýrské komunitě (ANSYS, OpenFOAM, ABAQUS, NASTRAN). Jejich efektivní načítání bude zajištěno pomocí nového modulu ESPRESO knihovny pro paralelní načítání vstupů [10]. Komunikace s infrastrukturou bude zajištěna pomocí Solver-as-a-service funkcionality, která je na IT4Innovations taktéž vyvíjená [11]. Prezentaci výsledků bude zajišťovat open-source knihovna ParaviewWeb [13], která umožnuje vizualizovat vědecká data pomocí webového prohlížeče.


* Nástroj pro vizualizaci vědeckých dat v prostředí softwaru Blender *

V rámci skupiny Vizualizace a Virtuální Reality (VaVR), která se dlouhodobě zabývá využitím a dalším rozšiřováním open-source software Blender pro potřeby HPC, bude jako součást této SGS vyvíjen nástroj pro vizualizaci vědeckých dat v prostředí Blender. Nástroj tak doplní již existující rozšířenou funkcionalitu Blender, díky které je možné efektivně využít infrastruktury superpočítačového klastru v oblasti vizualizace a zpracování obrazových dat. Z předchozích projektů se jedná zejména o paralelní renderer CyclesPhi umožňující masivní rendering s využitím akcelerátorů Intel Xeon Phi a CPU [14, 15, 16] nebo plug-in pro zpracování medicínských dat [17].

Cílem je vytvoření open-source vizualizačního nástroje pro uživatele superpočítačového klastru. Nástroj však může sloužit i širší uživatelské komunitě mimo HPC. Hlavní výzvou bude vytvoření tohoto nástroje pro novou verzi Blender 2.8, jejíž vydání je plánováno na Q1 2019. Podpora v podobě vývoje nových rozšiřujících modulů v následujícím období tak bude žádoucí. Nástroj bude umožňovat načítání širokého spektra výstupních formátů dat ze simulačních software jako např. ANSYS EnSight, LS-DYNA a další. Vzhledem k tomu, že bude nástroj vyvíjen pro populární prostředí Blender, je zde potenciál zajímavého impaktu, vzhledem k široké uživatelské základně, která je celosvětová.

K vytvoření vizualizačního nástroje bude využito analogie se softwarem COVISE [18], který slouží jako distribuované prostředí pro integraci simulací, post-processingu a vizualizací. COVISE pro vytvoření výsledného výstupu využívá modulární hierarchie, která spočívá v propojování specifických modulů s různou funkcionalitou. Podobný koncept bude možné vytvořit také v prostředí Blender a to prostřednictvím jeho „Compositing nodes“. Vytvoření obdobné modulární hierarchie s využitím Compositing nodes bude představovat hlavní technický problém během tvorby vizualizačního nástroje. Po jeho úspěšném zvládnutí se následně bude jednat o aplikaci analogického postupu při tvorbě jednotlivých modulů poskytujících požadovanou dílčí funkcionalitu.


* Vývoj nového I/O rozhraní pro nástroje MERIC a RADAR pro efektivní využití elektrické energie HPC aplikacemi *

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 rámci projektu READEX (Runtime Explotation of Application Dynamism for Energy-efficient eXascale computing) byly vyvinuty nástroje založené na dynamické změně hodnot široké škály hardwarových a softwarových parametrů umožňující dosáhnout výrazných úspor v budoucích energeticky efektivních exascalových aplikacích. Jedná se o knihovnu MERIC, která zajišťuje měření hardwarových parametrů pro vybrané části aplikace a ladění hardwarových a softwarových parametrů. Analýzu výstupních souborů zajišťují nástroje RADAR, které vedle grafické prezentace chování analyzované aplikace, produkuje rovněž konfigurační soubor pro MERIC s nastavením laděných parametrů pro jednotlivé části aplikace.

Cílem této části projektu je rozšíření knihovny MERIC o nový způsob ukládání dat, který umožní rychlejší paralelní zápis naměřených dat, ale především zjednoduší následnou práci s výstupními daty i případný přenos na jiný systém. Současná implementace vede k produkci stovek až tisíců souborů ve formátu csv, které je složité spravovat na úložišti systému stejně tak následně zpracovat nástroji RADAR. Odstranění tohoto problému povede k zásadnímu navýšení uživatelské přívětivosti, která je v současné době limitujícím prvkem v rozšíření uživatelské základny těchto nástrojů.

Pro nový I/O systém byl zvolen formát HDF5 [23], který umožní uložit veškerá výstupní data do jediného souboru. Výhodou tohoto formátu je vedle efektivního paralelního zápisu a čtení souboru, rovněž jeho přenositelnost na libovolný systém a v neposlední řadě také možnost prohlížení obsahu binárního souboru pomocí nástrojů, které se instalují společně s knihovnou samotnou.

Nástroj RADAR včetně grafického uživatelského rozhraní bude rovněž nutné rozšířit o podporu nového formátu. Zároveň však chceme zachovat i stávající způsob ukládání výstupních dat pro případ chybějící knihovny HDF5 na cílovém systému.

Vyvíjené nástroje podporují řadu architektur, především však jsou dostupné na infrastruktuře IT4Innovations, kde ji mohou uživatele využít pro optimalizaci svých aplikací.

Na tomto projektu budou pracovat řešitelé Evropského projektu Horizon 2020 READEX a řešitelé projektu SGS2018/134 na kterou je navazováno. 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 těchto projektů se členové týmu podílí nebo podíleli na interních projektech BEM4I, ESPRESO, MolDYN, či na mezinárodních projektech PHC BARRANDE 2018, Intel Parallel Computing Center na IT4Innovations a dalších projektech PRACE.

Členové týmu se rovněž zúčastnili řady stáží (např. TU Graz, EPCC, Université de Toulouse, UNIBO) 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). Jan Zapletal 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 roce 2017, za tuto dobu tento tým publikoval výstupy své práce nejen v řadě konferenčních článků například [21,22] ale i ve dvou impaktovaných časopisech [8,20] a především se podílel kapitolou na knize System Scenario-based Design Principles and Applications [19].


* Reference *

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

[2] Merta, M., Zapletal, J., Jaros, J. Many Core Acceleration of the Boundary Element Method. In: Proceedings of High Performance Computing in Science and Engineering. Basel: Springer International Publishing, 2016, s. 116-125. ISBN 978-3-319-40360-1.

[3] Zapletal, J., Merta, M., Maly, L. Boundary element quadrature schemes for multi- and many-core architectures, Computers & Mathematics with Applications. Computers and Mathematics with Applications 74, Issue 1, 2017, s. 157-173.

[4] Zapletal, J., Of, G., Merta, M. Parallel and vectorized implementation of analytic evaluation of boundary integral operators. Engineering Analysis with Boundary Elements 96, 2018, s. 194-208,

[5] Kravcenko, M., Maly, L., Merta, M., Zapletal, J. Parallel assembly of ACA BEM matrices on Xeon Phi clusters. PPAM 2017, LNCS 10777, 2018, s. 101-110.

[6] Kravcenko, M., Merta, M., Zapletal, J. Using discrete mathematics to optimize parallelism in boundary element method. PARENG 2017, Civil-Comp Proceedings 111, 2017.

[7] Kravcenko, M., Merta, M., Zapletal, J. Distributed fast boundary element methods for Helmholtz problems. Submitted (2018).

[8] L. Říha, M. Merta, R. Vavřík, T. Brzobohatý, A. Markopoulos, O. Meca, O. Vysocký, T. Kozubek, and V. Vondrák, “A massively parallel and memory-efficient FEM toolbox with a hybrid total FETI solver with accelerator support,” The International Journal of High Performance Computing Applications.

[9] L. Říha, T. Brzobohatý, A. Markopoulos, O. Meca, and T. Kozubek, “Massively parallel hybrid total FETI (HTFETI) solver,” in Proceedings of the Platform for Advanced Scientific Computing Conference (2016).

[10] O. Meca, L. Říha, T. Brzobohatý. Workflow for Parallel Processing of Sequential Mesh Databases, SC 2018, poster.

[11] J. Martinovič, Š. Kuchař, V. Svatoň, V. Vondrák, L. Vováček, M. Golasovski, A. Ronovský, D. Bezděk, T. Bech, J. Hartnack, J. Carlson, and O. R. Sorensen: „Hydrological Model Remote Execution and HPC as a Service“, in Supercomputing in Science and Engineering (2017).

[12] https://reactjs.org/

[13] https://www.paraview.org/web/

[14] Jaros, M., Riha, L., Karasek, T., Strakos, P., Krpelik, D. Rendering in Blender Cycles using MPI and Intel® Xeon Phi™ (2017) ACM International Conference Proceeding Series, Part F130523, art. no. a2.

[15] Jaroš, M., Říha, L., Strakoš, P., Karásek, T., Vašatová, A., Jarošová, M., Kozubek, T. Acceleration of Blender Cycles path-tracing engine using Intel® many integrated core architecture (2015) Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics), 9339, pp. 86-97.

[16] IXPUG Europe Spring 2018 in Bologna – Rendering in Blender Cycles using AVX-512 Vectorization, presented by M. Jaros and P. Strakos.

[17] Strakos, P., Jaros, M., Karásek, T., Jarosová, M., Krpelik, D., Vasatová, A., Buresova, T., Timkovic, J., Štembírek, J., & Vávra, P. (2016). Medical image processing tools for Blender with HPC support.

[18] https://www.hlrs.de/covise/

[19] P.G. Kjeldsberg, R. Schöne, M. Gerndt, L. Riha, V. Kannan, K. Diethelm, M-C. Sawley, J.Zapletal, O. Vysocky, M.Kumaraswamy, and W.E. Nagel "Runtime Exploitation of Application Dynamism for Energy-efficient Exascale Computing", book chapter in "System Scenario-based Design Principles and Applications", Springer International Publishing AG

[20] 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.

[21] 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

[22] 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"

[23] https://www.hdfgroup.org/solutions/hdf5/

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. Stipendia228000,-237000,-
3. Materiálové náklady0,-0,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek37000,-88129,-
5. Služby0,-0,-
6. Cestovní náhrady250000,-219871,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory85000,-85000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic250000,-220000,-
Plánované náklady850000,-
Uznané náklady850000,-
Celkem běžné finanční prostředky850000,-850000,-