QUERO-QUERO CIÊNCIA. Ciência da Computação: Solução em processamento de alto desempenho (HPC) é tema de artigo científico do LNCC apresentado no ICCSA 2022

O trabalho,  publicado na Springer - Lecture Notes in Computer Science, "Reducing Cache Miss Rate Using Thread Oversubscription to Accelerate an MPI-OpenMP-Based 2-D Hopmoc Method", foi apresentado pelo doutorando do Programa de Pós-Graduação do Laboratório Nacional de Computação Científica (PPG-LNCC) Frederico Luís Cabral em importante evento da Ciência da Computação, o International Conference on Computational Science and Its Applications (ICCSA 2022), que aconteceu entre 4 - 7 de julho de 2022.  A apresentação, que foi realizada  on line no dia 05 de julho,  também contou com público presencial na Universidade de Málaga, Espanha.

A equipe do Serviço de Comunicação Institucional do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC) entrevistou os autores do artigo, para conferir a participação no estudo e conhecer um pouco mais sobre a pesquisa realizada. Acompanhe.

“O projeto “Pesquisa e desenvolvimento de otimização e modernização de código para métodos numéricos de diferenças finitas para solução de equações diferenciais parciais em arquiteturas paralelas híbridas” tem como finalidade desenvolver técnicas que permitam otimizar a execução de métodos numéricos em ambiente de HPC.

Nós utilizamos ferramentas que fazem uma espécie de diagnóstico no comportamento dos programas (métodos numéricos) que nos permitem identificar as partes que precisam ser melhoradas, ou seja, que estejam impedindo o ganho de desempenho. É com base nesse diagnóstico (que chamamos de perfilagem do programa) que desenvolvemos técnicas para solucionar o problema identificado. Após essa etapa, a técnica desenvolvida é testada também com o uso dessas ferramentas de perfilagem que permitem identificar se o objetivo foi atingido. Muitas vezes é tentativa e erro, até chegarmos num resultado satisfatório. Por isso os recursos humanos, de hardware e de software são essenciais. 

É um trabalho de pesquisa, que como qualquer outro, requer dedicação, paciência e principalmente recursos. 

A pesquisa é feita pela colaboração da equipe de pesquisa em HPC do SEPAD/CENAPAD do LNCC com a UFF (Universidade Federal Fluminense), o CEFET-RJ e a UFLA (Universidade Federal de Lavras-MG), coordenada no LNCC pela professora Carla Osthoff. 

É importante que possamos oferecer à comunidade acadêmica técnicas para o uso eficiente dos recursos computacionais, que custam caro e consomem uma grande quantidade de energia. Nossa pesquisa é nessa linha, com esse objetivo.” Explicam Frederico Cabral e Carla Osthoff.

O artigo conta com pesquisadores do LNCC que atuam na área de processamento de alto desempenho (HPC – High-performance computing), campo da ciência da computação que trata do processamento de grandes volume de dados em velocidades altíssimas, na escala de  petaflops e exaflops,  oferecendo recursos computacionais para  auxílio na solução de problemas complexos, contem-nos um pouco sobre a motivação para a realização do estudo.

Como mencionado, a pesquisa é parte de uma colaboração da equipe de pesquisa em HPC do SEPAD/CENAPAD do LNCC com a UFF (Universidade Federal Fluminense), o CEFET-RJ e a UFLA (Universidade Federal de Lavras-MG). O trabalho em questão mostra como o uso intenso de recursos computacionais, neste caso um uso “exagerado” no número de processos (que são basicamente programas em execução), pode melhorar a eficiência na utilização da memória do supercomputador, levando a um ganho considerável de desempenho. Em linguagem mais técnica: um número de processos que exceda o número de processadores disponíveis na máquina pode reduzir a taxa de cache misses e, consequentemente, melhorar a localidade de dados para certos métodos numéricos.

Neste caso, o método numérico que foi usado é o HOPMOC, que foi desenvolvido para solucionar a Equação de Convecção-Difusão em ambiente de alto desempenho e os experimentos realizados em processadores Intel ® de 4ª geração (Microarquitetura Haswell) e também em processadores da família Intel® Xeon® Scalable Processors, também chamados de “Caskade Lake”, disponíveis no Santos Dumont, nos nós de expansão. 

Como mencionado no estudo, “o conjunto de técnicas abordadas melhorou o desempenho do método numérico paralelo”, com vistas a facilitar a simulação, em especial,  de condições realísticas. De quais áreas do conhecimento estamos falando nesse caso para as suas aplicações? Podem nos dar exemplos?

A Equação de Convecção-Difusão é usada em uma gama variada de áreas, desde as várias engenharias, escoamento de fluidos, contaminação de solos, entre várias outras aplicações. Um dos nossos objetivos é poder estender o estudo atual para outros métodos, de outras equações e problemas. Desenvolver técnicas que permitam o uso cada vez mais eficiente dos recursos computacionais é uma demanda atual e nosso trabalho segue nessa linha.

No LNCC, qual é a linha de pesquisa que atuam e quais são as suas aplicações?

Nossa atuação consiste em desenvolver técnicas que permitam o uso da computação de alto desempenho por cada vez mais áreas distintas. Quanto mais pesquisadores de diversas áreas puderem usar os supercomputadores eficientemente, melhor para todo mundo. Exatamente por isso, há a demanda por técnicas cada vez mais sofisticadas que permitam o uso eficiente desses recursos. Cada área de pesquisa pode ter suas peculiaridades, então o que torna um programa eficiente pode não funcionar bem em outros programas. Neste sentido, nossa pesquisa tenta atender cada área, desenvolvendo técnicas específicas para essas áreas.

Podem falar um pouco mais sobre a área de HPC no país, em especial os desafios?

O Supercomputador Santos Dumont, que fica nas dependências do LNCC, atende toda a comunidade científica brasileira, abrigando projetos de diversas áreas como física, química, biologia, engenharias, computação quântica, desenvolvimento de fármacos, etc.

Os maiores desafios são encontrar as melhores soluções para essas diversas áreas, ou seja, há uma demanda para o desenvolvimento de técnicas em HPC que melhoram o desempenho dessas aplicações, garantindo o uso eficiente de recursos computacionais. Quando falamos em uso eficiente estamos nos referindo também à “computação verde”, ou seja, o uso sustentável e limpo da energia. Esse é um tema super atual e de extrema importância.

Veja o artigo completo, cujos autores são Cabral. F. L., Osthoff, C. e Gonzaga de Oliveira. S. L.  publicado no "Lecture Notes in Computer Science - Springer":
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-10522-7_24

Créditos
Texto por Anmily Paula Martins (SECIN-LNCC), Frederico Luís Cabral (CENAPAD-LNCC) e Carla Osthoff (CENAPAD-LNCC).
Colaboração: Tathiana Tapajós (SECIN-LNCC) e Graziele Soares(SECIN-LNCC)

Imagem
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