Cílem výzkumu INFRA laboratoře je vývoj vlastních paralelních aplikací pro moderní HPC infrastruktury, optimalizace a akcelerace paralelních kódů našich uživatelů a jejich optimální nasazení na výpočetní infrastrukturu IT4Innovations.
Jedná se například o paralelizaci, akceleraci a optimalizaci simulačního nástroje ESPRESO, který je flagship projektem IT4Innovations, vývoj nástrojů pro snížení spotřeby elektrické energie HPC infrastruktur, vývoj a implementace nástrojů pro zpracování a vizualizaci medicínských dat ve spolupráci s FN Ostrava, paralelizace a akcelerace nástrojů pro syntézu obrazu (rendering) a vizualizaci vědeckých dat a implementace ucelených řešení pro usnadnění přístupu k HPC infrastruktuře jako např. Rendering-as-a-Service nebo Solver-as-a-Service.
Laboratoř se také aktivně podílí na řešení mezinárodních projektů. Mezi hlavní můžeme zmínit H2020 Centrum excelence v HPC POP2 zabývající se analýzou a optimalizací paralelních kódů, H2020 FET HPC projekt READEX zabývající se optimalizací spotřeby elektrické energie HPC infrastruktur při běhu paralelních aplikací nebo Intel Parallel Computing Centre (IPCC) zaměřené na portování a optimalizaci kódů pro nové HPC platformy.
Portfolio
Vývoj a implementace paralelních aplikací pro moderní architektury
Laboratoře PAR a INFRA společně vyvíjí vlastní vysoce paralelní open source simulační nástroj ESPRESO založený na metodě konečných prvků pro efektivní využití dostupné HPC infrastruktury.
Zatímco PAR laboratoř se věnuje vývoji nových numerických metod a paralelních algoritmů, členové INFRA laboratoře se specializují na optimalizaci a zlepšení škálovatelnosti jednotlivých metod nástroje. Hlavní témata vývoje jsou:
- paralelizace vysoce škálovatelného FETI řešiče a jeho akcelerace pomocí HPC akcelerátorů (GPU, Xeon Phi, … )
- vývoj vysoce paralelního I/O modulu pro načítání, předzpracování a ukládání FEM síti
- optimalizace sestavovače FEM matic pro CPU (vektorizace) a jeho akcelerace pomocí GPU
- spolupráce na vývoji platformy Solver-as-a-Service
Analýza a optimalizace HPC aplikací
Nabízíme podporu při nasazení existujících kódů na HPC systémy IT4Innovations nebo systémy našich partnerů. V rámci této podpory jsme při nasazení na HPC platformy schopni asistovat v profilování daných kódů a jejich případné optimalizaci.
Laboratoř je od roku 2018 členem Centra excelence POP2 (Performance Optimization and Productivity) v rámci programu H2020. Jeho hlavním cílem je asistence s analýzou paralelních aplikací, identifikace problémových častí kódu a doporučení optimalizačních technik vedoucích ke zlepšení výkonu a škálovatelnosti dané aplikace. V rámci projektu nabízíme služby bez poplatku akademickým institucím, výzkumným institucím i komerčním organizacím se sídlem v EU.
Výzkum v oblasti energetické efektivity HPC infrastruktur (READEX, etc.)
IT4Innovations bylo členem konsorcia evropského projektu Horizon 2020 Runtime Exploitation of Application Dynamism for Energy-efficient eXascale computing (READEX, 2015—2018), který vyvinul metodologii optimalizující spotřebu elektrické energie superpočítačů při běhu HPC aplikací.
V návaznosti na tento projekt vyvíjíme open source knihovnu MERIC, která zajišťuje měření spotřeby zdrojů analyzované aplikace, a také ladění celé řady hardwarových parametrů, které ovlivňují energetickou spotřebu. S pomocí této knihovny a přidružených nástrojů jsme schopni detailní analýzy chování komplexních paralelních aplikací, vizualizace naměřených dat a identifikace optimální konfigurace laděných parametrů, která zajistí maximální možnou energetickou úsporu.
Rovněž jsme členy iniciativy PowerStack zahrnující experty z celého světa zabývající se spotřebou elektrické energie počítačových čipů, paralelních aplikací nebo celých superpočítačových center. Cílem iniciativy je identifikace jednotlivých vrstev ovlivňujících spotřebu energie, specifikace jejich funkcionality a rozhraní nezbytné pro zajištění měření a kontroly aktuální i dlouhodobé spotřeby energie výpočetní infrastruktury a asociaci těchto měření s jednotlivými běhy aplikací.
Paralelní renderování obrazu na HPC infrastrukturách
Vizualizace počítačem generovaných scén, kde je vyžadováno dosažení reálného vzhledu, je výpočetně velmi náročný proces. Tuto problematiku řeší renderování (rendering). V současné době se nejčastěji používají metody renderování, které věrně simulují fyzikální chování světla. Takto je možné dosáhnout velmi kvalitních výsledků, lidským okem nerozeznatelných od skutečné fotografie.
Laboratoř v této oblasti úspěšně spolupracuje s Blender Institute, který vyvíjí 3D software Blender. V laboratoři vyvíjíme verzi rendereru Cycles, který je součástí Blender tak, schopnou plně využít specifických vlastností našich superpočítačů a jejich vysokého výkonu jako celku. Otevírají se tak možnosti pro interaktivní renderování velmi rozsáhlých a náročných scén.
Nabízíme externím partnerům služby v oblasti renderování rozšířenou verzí softwaru Blender s podporou neakcelerovaných i GPU akcelerovaných uzlů. Naše řešení je zpracováno do podoby kompletní služby s názvem Rendering-as-a-Service. Ta umožnuje uživateli provozovat vzdálený rendering z pohodlí svého počítače přímo z prostředí Blender.
Vývoj v oblasti virtuální reality (VR)
V laboratoři se také zabýváme oblastí virtuální reality. Zejména pak využitím HPC prostředků pro generování obrazu pro VR. Toto téma úzce souvisí s tématem renderování na HPC infrastruktuře. Specifickým požadavkem v této oblasti je zejména potřeba generovat obraz virtuální scény ve vysokém rozlišení a současně ve vysoké zobrazovací frekvenci. Mimo to, je nutné mít možnost s virtuální scénou interagovat ze strany uživatele. Nároky jsou tak kladeny na vysoký výpočetní výkon a nízkou latenci přenosu dat mezi uživatelem a výpočetním sálem.
Zpracování a vizualizace medicínských dat
Zdravotnictví je jedním z oborů lidské činnosti, kde při vyšetřování pacientů vzniká velké množství dat. To klade důraz na jejich zpracování, uchovávaní a zabezpečení. Typickým zástupcem jsou data z diagnostických přístrojů využívajících počítačové tomografie (CT) nebo magnetické rezonance (MRI). IT4Innovations řeší zpracování těchto dat společně s Fakultní nemocnicí Ostrava. Cílem společných aktivit je automatizace procesů tvorby 3D modelů z CT a MRI za účelem vývoje nových diagnostických přístupů případně zkvalitnění těch stávajících.
Jedním z přikladů, kdy je možno ze 3D modelu získat informaci, která je jinak nedostupná, je přesné měření velikosti fraktury očnice. Při rozhodování, zda pacient podstoupí operaci nebo bude použita konzervativní léčba, je rozměr fraktury očnice jedním z hlavních rozhodovacích kritérií. V současné době je však možné tuto velikost určit pouze přibližně na základě CT snímků a zjednodušeného empirického přístupu.
Vývoj simulátoru vlaku
IT4Innovations je spoluřešitelem TAČR projektu, který má za cíl vývoj sytému pro detekci překážek na železniční trati. Při vývoji detekčního systému bude využíváno nástrojů umělé inteligence v kombinaci s moderními senzory pro sběr dat a monitorování situace před vlakem.
Celý systém bude podpořen softwarem pro simulaci různých stavů a událostí na trati, které by byly v reálném provozu velmi obtížně realizovatelné. Vznikne tak kompletní virtuální simulátor podmínek na železniční trati, který umožní optimalizaci vyvíjeného detekčního systému a současně tak vznikne samostatný produkt, který umožní vývoj analogických detekčních systému pro různá vlaková prostředí.
