Tomáš Rebok
MetaCentrum, CESNET z.s.p.o.
CERIT-SC, Masarykova univerzita
(rebok@ics.muni.cz)
Národní gridová infrastruktura MetaCentrum
& související služby pro akademickou obec
2.10.2013
• aktivita sdružení CESNET
• od roku 1996 koordinátor Národní Gridové Infrastruktury
− integruje velká/střední HW centra (clustery, výkonné servery a
úložiště) několika univerzit/organizací v rámci ČR
→ prostředí pro (spolu)práci
v oblasti výpočtů a práce s daty
− součást e-infrastruktury CESNET
− integrováno do evropské
gridové infrastruktury (EGI)
MetaCentrum @ CESNET
2.10.2013
• skupina vzájemně propojených „běžných“ počítačů
(dříve )
Výpočetní cluster
2.10.2013
• skupina vzájemně propojených „běžných“ počítačů
(dnes)
Výpočetní cluster
2.10.2013
• přístupné zaměstnancům a studentům VŠ/univerzit, AV ČR,
výzkumným ústavům, atp.
− komerční subjekty pouze pro veřejný výzkum
• nabízí:
− výpočetní zdroje
− úložné kapacity
− aplikační programy
• po registraci k dispozici zcela zdarma
−„placení“ formou publikací s poděkováním
→ prioritizace uživatelů při plném vytížení zdrojů
MetaCentrum NGI
http://metavo.metacentrum.cz
2.10.2013
• výpočetní zdroje: cca 13500 jader (x86_64)
− uzly s nižším počtem výkonných jader:
− 2x4-8 jader
− uzly se středním počtem jader (SMP stroje):
− 32-80 jader
− paměť až 1 TB na uzel
− uzly s vysokým počtem jader: SGI UV 2000
− 288 jader (x86_64), 6 TB operační paměti
− 384 jader (x86_64), 6 TB operační paměti
− další „exotický“hardware:
− uzly s GPU kartami, Xeon Phi, SSD disky, …
http://metavo.metacentrum.cz/cs/state/hardware.html
NGI – dostupný výpočetní hardware
2.10.2013
• cca 3 PB pro pracovní data
− úložiště v Brně, Plzni, ČB, Praze
− uživatelská kvóta 1-3 TB na každém z úložišť
• cca 22 PB pro dlouhodobá/archivní data
− (HSM – MAID,páskové knihovny)
− „neomezená“uživatelská kvóta
http://metavo.metacentrum.cz/cs/state/nodes
NGI – dostupný úložný hardware
2.10.2013
• ~ 300 různých aplikací (instalováno na požádání)
− viz http://meta.cesnet.cz/wiki/Kategorie:Aplikace
• průběžně udržované vývojové prostředí
− GNU, Intel,PGI,ladící a optimalizační nástroje (TotalView,Allinea),…
• generický matematický software
− Matlab, Maple, Mathematica, gridMathematica,…
• komerční i volný software pro aplikační chemii
− Gaussian 09, Gaussian-Linda,Gamess,Gromacs,Amber,…
• materiálové simulace
− ANSYS Fluent CFD, Ansys Mechanical,Ansys HPC…
• strukturní biologie, bioinformatika
− CLC Genomics Workbench,Geneious,Turbomole,Molpro,…
− řada volně dostupnýchbalíků
• …
NGI – dostupný software
2.10.2013
• dávkové úlohy
− popisnýskript úlohy
− oznámenístartu a ukončeníúlohy
• interaktivní úlohy
− textový i grafický režim
• cloudové rozhraní
− základní kompatibilita s Amazon EC2
− uživatelé nespouští úlohy,ale virtuální stroje
opět zaměřeno na vědecké výpočty
možnost vyladit si obraz a přenést ho do MetaCentra/CERIT-SC (Windows, Linux)
NGI – výpočetní prostředí
1.2.2017
NGI pod pokličkou
ssh (Linux)
putty (Windows)
all the nodes available
under the domain
metacentrum.cz
https://wiki.metacent
rum.cz/wiki/Frontend
alfrid
NGI v číslech…
• cca 13540 jader, cca 600 uzlů
• za rok 2016:
• 1611 uživatelů (k 31.12.2016)
• cca 3,6 mil. spuštěných úloh
•cca 9800 úloh denně
•cca 2200 úloh / uživatel
• celkem propočítáno cca 9,5 tis. CPUlet
27.6.2014
… a grafech
27.6.2014
… a grafech
27.6.2014
… a grafech
27.6.2014
… a grafech
27.6.2014
… a grafech
27.6.2014
MetaCentrum NGI – výpočetní služby
Suitable for:
• long-term and/or large-scale computations
• (primarily batch processing)
• applications not requiring special OSs (features)
• pre-installed or users’ ones
How to compute?
• batch jobs
• the work described by job scripts
• interactive jobs
• text interface
• graphical user interface (VNC)
Grid computing
Suitable for:
• applications requiring special environment (OS) and/or
features
• one can run various operating systems (incl. Windows OS) and/or
application equipment
• administrator/root access is provided
How to compute?
• OpenNebula GUI for deployed nodes management
• nodes simply created based on predefined templates
• interact via:
• cloud/VM console
• internal OS services (SSH, VNC, Rdesktop, …)
Cloud computing
Cloud computing
Hadoop:
• an open-source framework for distributed storage and
distributed processing of large volumes of data
• large data blocks splitted and distributed amongst nodes
• a MapReduce-based algorithm (= data processing code) is
distributed over the distributed blocks and processed in parallel
Suitable for:
• huge datasets to be processed
• but NOT suitable for arbitrary data processing one can imagine
• just for the processing meeting the MapReduce programming
model
• e.g., counting the number of times words occur in a corpus
Hadoop computing
Suitable for:
• user communities with well-defined processing needs
• workload & computing pipeline orchestrators available via GUI
• usually adapted to user needs and/or because of
interoperability with our infrastructure
• in background, the proper computing method is used (grid, cloud, etc.)
How to compute?
• Galaxy, Chipster, etc.
• Docker instances in close future
Specialized frontends/environments
VI CESNET & Úložné služby
26.9.2013
e-infrastruktura CESNET:
doplňkové služby
1.2.2017
• Úložné služby:
‒ infrastruktura (Plzeň, Jihlava, Brno) o kapacitě 22 PB
• určeno pro zálohy, archivace, sdílení velkých dat, …
‒ hierarchická úložiště (HSM – pásky, MAID),„cena/kapacita“
‒ FileSender: http://filesender.cesnet.cz
• zasílání souborů až 500 GB
‒ OwnCloud: http://owncloud.cesnet.cz
• prostor 100 GB / uživatel
• Podpora vzdálené spolupráce
‒ videokonference (H.323, SIP)
‒ webkonference (Adobe Connect)
‒ streaming, IP telefonie
e-infrastruktura CESNET – další služby I.
1.2.2017
• Páteřní síť: CESNET2
‒ jádro sítě 100Gbps, přímé propojení do evropské sítě GÉANT
• Sledování provozu sítě
‒ detekce anomálií, monitoring kvalitativních charakteristik sítě
• Bezpečnost
‒ řešení bezpečnostních incidentů,CESNET CERTS
• Federace identit: EduID.CZ
‒ jedno heslo pro přístup k více službám
• Certifikační autorita
‒ uživatelské a serverové certifikáty (TERENA)
• Bezdrátová síť: Eduroam.cz
‒ koordinace na národní úrovni
• … (viz http://www.cesnet.cz/sluzby )
e-infrastruktura CESNET – další služby II.
VI CESNET & Úložné služby
26.9.2013
Služby pro podporu vědy a výzkumu
Centrum CERIT-SC
• výzkumné centrum vybudovanéna ÚVT MU
− transformace Superpočítačového centra Brno (SCB) při Masarykově univerzitě do
nové podoby
• významný člen/partnernárodního gridové infrastruktury
I. poskytovatel HW a SW zdrojů
• SMP uzly (2592 jader)
• HD uzly (2624 jader)
• 2x SGI UV uzel (384+288 jader, 6 TB paměti)
• Xeon Phi cluster
• úložné kapacity (~ 3,5 PB)
• SW výbava totožná s MetaVO
II. službynad rámec„běžného“
HW centra–
zázemí pro kolaborativní výzkum
26.9.2013
http://www.cerit-sc.cz
CERIT-SC – cíle Centra
Hlavní cíle Centra:
I. Podpora experimentů s novýmiformami,architekturou a konfiguracemie-
Infrastruktury
• vysoce flexibilní infrastruktura (experimentům příznivé prostředí)
• vlastní výzkum, zaměřený na principy a technologie e-Infrastruktury a její
optimalizaci
II. Studium a posun možností špičkové e-Infrastruktury úzkou výzkumnou
spolupracímezi informatiky a uživateli takovéto infrastruktury
• výpočetní a úložné kapacity jsou pouze nástrojem
• zaměření na inteligentní a nové použití těchto nástrojů
− synergický posun informatiky a spolupracujících věd (kolaborativní výzkum)
− pro informatiku generování nových otázek
− pro vědy generování nových příležitostí
26.9.2013
CERIT-SC – zázemí
Snaha o maximální zapojení studentů:
• bakalářského -> magisterského -> doktorského studia
• nejen úzce zaměřená a dedikovaná pracovní síla, ale především
→ výchova nových odborníků v oblasti e-infrastruktur
→ výchova erudovaných uživatelů e-infrastruktury
Silné odborné zázemí:
• dostupnostodborníků/konzultantů jak teoretického,tak praktického
zaměření
‒ dlouholetá tradice spolupráce s Fakultou informatiky MU
‒ dlouholetá tradice spolupráce se sdružením CESNET
• dlouhodobé zkušenosti s provozováním e-infrastruktury
‒ SCB (nyní CERIT-SC) je zakladatel MetaCentra
26.9.2013
Kolaborativní výzkum
Rekonstrukce stromů I.
Rekonstrukceindividuálníchstromů z laserových skenů
• partner: Centrum výzkumu globální změny AV ČR (CzechGlobe)
• cíl projektu: návrh algoritmu pro rekonstrukci
3D modelů stromů
− z mraku nasnímaných 3D bodů
 strom nasnímán laserovým snímačem LiDAR
 výstupem jsou souřadnice XYZ +
intenzita odrazu
− očekávanývýstup: 3D struktura popisující strom
 identifikovat základní strukturální prvky
(kmen a hlavní větve)
− primární zaměření: smrky
• hlavní problémy: překryvy (mezery v datech)
Rekonstrukce stromů II.
Rekonstrukce individuálních stromů laserového skenu – cont’d
• v rámci DP navržena inovativní metoda rekonstrukce
3D modelů smrkových stromů
• rekonstruované modely využity v návazném
výzkumu
− získávání statistických informací o množství dřevité
biomasy a o základní struktuře stromů
− parametrizované opatřování zelenou biomasou
(mladé větve + jehličky) – součást PhD práce
− importování modelů do nástrojů umožňujících analýzu
šíření slunečního záření s využitím DART modelů
26.9.2013
Rekonstrukce lesů I.
Rekonstrukce lesních porostů z full-wave LiDAR skenů
• „s jídlem roste chuť“ 
• návazná PhD práce, příprava budoucího společného projektu
• cíl: co nejvěrnější 3D rekonstrukce celých lesních
porostů z leteckých full-wave LiDARových skenů
• možné využití hyperspektrálních skenů, termálních skenů,
in-situ měření, …
26.9.2013
Rekonstrukce lesů II.
Rekonstrukce lesních porostů z full-wave LiDAR skenů
‒ skeny získávány leteckým snímáním
‒ diametrálně odlišný problém – extrémní množství bodů,které
jsou však mnohem řidší
• nastíněné algoritmy
pro přesné rekonstrukce
jednotlivých stromů
nelze aplikovat
• nutno revidovat i metody
pro vizualizaci a uložení
dat/modelů
Identifikace problémových uzavírek I.
Hledání problematických uzavírek v silniční síti ČR
• partner: Centrum Dopravního Výzkumu v.v.i., Olomouc
cíl projektu: nalezení metodypro identifikaci problémových uzavírekv
silniční síti ČR (aktuálně Zlínského kraje)
− identifikace uzavírek vedoucích (dle definovaných ohodnocovacích funkcí) k
problémům v dopravě
− převedený problém: nalezení všech rozpadů grafu
− zjednodušený problém: nalezení všech rozpadů grafu generovaných N
hranami
• hlavní problémy: výpočetnínáročnost (NP-těžký problém)
− přístup „hrubou silou“ selhával již při uzavření 3 hran
Identifikace problémových uzavírek II.
1
10
100
1 000
10 000
100 000
1 000 000
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Celkovýpočet hran v síti
1
2
3
Počet
uzavřených
hran
Počet kombinací
(logaritmické Síť Zlínského kraje
724 uzlů
974 hran
1. 974
2. 473 851
3. 153 527 724
4. 37 268 855 001
5. 7 230 157 870 194
...
Kde je problém?
Sekvenování Trifolium pratense (Jetel luční)
• partner: Ústav experimentální biologie PřF MU
• cíl: optimalizace dostupných nástrojů pro skládání a opravy chyb v
DNA kódech
− analýzy DNA (nejen) jetele vedou k výpočetně náročným problémům
− 50 GB vstup => cca 500 GB potřebné
paměti (aplikace Echo)
− existují větší vstupy
• v rámci DP paralelizováno a optimalizováno
až na cca 50% využití paměti
Korekce chyb a skládání genomu
Výpočetní chemie a biochemie I.
Výpočet konformace molekul z řídkých NMR dat
‒ partner: Středoevropskýtechnologický institut (CEITEC)
‒ cíl projektu: kombinované výpočetnízpracovánívýstupů několika
nezávislých experimentálních metod (vedoucí ke zjištění tvaru molekuly
určitého vzorku)
• kombinace výstupů molekulové dynamiky, NMR a SAXS metod
• existuje vyzrálý (i komerční) SW, avšak složitý na použití
→ náchylnost k chybám (při formulaci zadání)
→ složitost při kombinaci dat z různých zdrojů
• vlastní vývoj kombinovaných výpočetních metod (rozšíření existujících
nástrojů)
‒ obohacení SW pro zpracování NMR o simulaci molekulové dynamiky
‒ snaha vystačit s výsledky časově i finančně méně náročných variant exper.
‒ aktuální výsledky ukazují na mnohem realističtější geometrie
rekonstruovaných molekul
Výpočetní chemie a biochemie III.
Analýza transportních cest v proteinech
‒ partner: Loschmidt Laboratories MU
‒ cíl projektu: analýza možností transportu molekulligandu (např. léčivo)
na aktivní místa proteinů
• tj. zajištění nejen kýženého účinku molekuly na protein, ale zejména
ověření možností transportu této molekuly k aktivním místům proteinů
• v současné době jsou metody analýzy transportu buď nepřesné nebo velmi
výpočetně náročné (molekulová dynamika)
• snaha o nalezení metody pro analýzu energie nutné na průchod ligandu do
proteinu (vyhodnocení průchodnosti „tunelu“) méně náročným způsobem
‒ zejména se zajištěním věrohodných/přesných výsledků
Výpočetní chemie a biochemie IV.
41
2010 2014 2018
Chirurgické trenažéry Pre-operativní plánování Navigace během operace
Simulátor operace kataraktu
MSICS
Kryoablace: plánování
umístění elektrody
Laparoskopie: vizualizace
vnitřních struktur
Modelování měkkých tkání v reálném čase
Simulace vyžadují kombinaci různých reprezentací objektů:
– geometrie: detekce kolizí, vizualizace, metriky pro verifikaci a validaci
– fyzika: realistické chování objektů, deformace, interakce mezi objekty
•Využití biomechanických modelů vytvořených z pre-operativních dat pacientů
(CT, MRI) pro aplikace v medicíně
• reálný čas [25Hz] nebo dokonce hmatová (haptická) interakce [>500Hz]
Další spolupráce …
• Virtuální mikroskop, patologické atlasy
− partner: LF MU
• Biobanka klinických vzorků (BBMRI_CZ)
− partner: Masarykův onkologický ústav, Recamo
• Modely šíření epileptického záchvatu a dalších dějů v mozku
− partner: LF MU, ÚPT AV, CEITEC
• Bioinformatická analýza dat z hmotnostního spektrometru
− partner: Ústav experimentální biologie PřF MU
• Optimalizace Ansys výpočtu proudění čtyřstupňovou, dvouhřídelovou plynovou
turbínou s chlazením lopatek
− partner: SVS FEM
• 3.5 miliónu „smartmeterů“ v cloudu
− partner: Skupina ČEZ, MycroftMind
• Platforma pro poskytování specializovaných meteopredikcí pro oblast energetiky
− partner: CzechGlobe, NESS, MycroftMind
• …
•Národní gridová infrastruktura MetaCentrum:
− součást Velké infrastruktury CESNET (→ doplňkové služby)
− integrace HW center do uniformní infrastruktury
− výpočetní služby pro českou akademickou obec a veřejnývýzkum
+ úložné služby, aplikační programy, …
− open-sourcetechnologie (vč.jejich dalšího vývoje) + vlastní nástroje
•Centrum CERIT-SC:
− výpočetní služby(produkční i flexibilní infrastruktura,integrace do NGI)
− služby pro podporu kolaborativníhovýzkumu (spolupráce s partnery)
Závěr
www.cesnet.cz www.metacentrum.cz www.cerit-sc.cz