General-Purpose Computing on Graphic Processing Unit (GPGPU): metodi e tecnologie per lo sviluppo di applicazioni

Microprocessori basati su singolo processore (CPU), hanno visto una rapida crescita di performances ed un abbattimento dei costi per circa venti anni. Questi microprocessori hanno portato una potenza di calcolo nell’ordine del GFLOPS (Giga Floating Point Operation per Second) sui PC Desktop e centinaia di GFLOPS su clusters di server. Questa ascesa ha portato nuove funzionalità nei programmi, migliori interfacce utente e tanti altri vantaggi. Tuttavia questa crescita ha subito un brusco rallentamento nel 2003 a causa di consumi energetici sempre più elevati e problemi di dissipazione termica, che hanno impedito incrementi di frequenza di clock. I limiti fisici del silicio erano sempre più vicini. Per ovviare al problema i produttori di CPU (Central Processing Unit) hanno iniziato a progettare microprocessori multicore, scelta che ha avuto un impatto notevole sulla comunità degli sviluppatori, abituati a considerare il software come una serie di comandi sequenziali. Quindi i programmi che avevano sempre giovato di miglioramenti di prestazioni ad ogni nuova generazione di CPU, non hanno avuto incrementi di performance, in quanto essendo eseguiti su un solo core, non beneficiavano dell’intera potenza della CPU. Per sfruttare appieno la potenza delle nuove CPU la programmazione concorrente, precedentemente utilizzata solo su sistemi costosi o supercomputers, è diventata una pratica sempre più utilizzata dagli sviluppatori. Allo stesso tempo, l’industria videoludica ha conquistato una fetta di mercato notevole: solo nel 2013 verranno spesi quasi 100 miliardi di dollari fra hardware e software dedicati al gaming. Le software houses impegnate nello sviluppo di videogames, per rendere i loro titoli più accattivanti, puntano su motori grafici sempre più potenti e spesso scarsamente ottimizzati, rendendoli estremamente esosi in termini di performance. Per questo motivo i produttori di GPU (Graphic Processing Unit), specialmente nell’ultimo decennio, hanno dato vita ad una vera e propria rincorsa alle performances che li ha portati ad ottenere dei prodotti con capacità di calcolo vertiginose. Ma al contrario delle CPU che agli inizi del 2000 intrapresero la strada del multicore per continuare a favorire programmi sequenziali, le GPU sono diventate manycore, ovvero con centinaia e centinaia di piccoli cores che eseguono calcoli in parallelo. Questa immensa capacità di calcolo può essere utilizzata in altri campi applicativi? La risposta è si e l’obiettivo di questa tesi è proprio quello di constatare allo stato attuale, in che modo e con quale efficienza pùo un software generico, avvalersi dell’utilizzo della GPU invece della CPU.

Tecnologie per la mobilità verso un middleware general-purpose

L'obiettivo della tesi è esplorare i più avanzati dispositivi, sensori e processori per la computazione spaziale, correlarli con i modelli di spatial computing, e derivarne un'architettura concettuale di middleware distribuito che possa supportare le più avanzate applicazioni in mobilità.

Elastic computing on Cloud resources for the CMS experiment

Nowadays, data handling and data analysis in High Energy Physics requires a vast amount of computational power and storage. In particular, the world-wide LHC Com- puting Grid (LCG), an infrastructure and pool of services developed and deployed by a ample community of physicists and computer scientists, has demonstrated to be a game changer in the efficiency of data analyses during Run-I at the LHC, playing a crucial role in the Higgs boson discovery. Recently, the Cloud computing paradigm is emerging and reaching a considerable adoption level by many different scientific organizations and not only. Cloud allows to access and utilize not-owned large computing resources shared among many scientific communities. Considering the challenging requirements of LHC physics in Run-II and beyond, the LHC computing community is interested in exploring Clouds and see whether they can provide a complementary approach - or even a valid alternative - to the existing technological solutions based on Grid. In the LHC community, several experiments have been adopting Cloud approaches, and in particular the experience of the CMS experiment is of relevance to this thesis. The LHC Run-II has just started, and Cloud-based solutions are already in production for CMS. However, other approaches of Cloud usage are being thought of and are at the prototype level, as the work done in this thesis. This effort is of paramount importance to be able to equip CMS with the capability to elastically and flexibly access and utilize the computing resources needed to face the challenges of Run-III and Run-IV. The main purpose of this thesis is to present forefront Cloud approaches that allow the CMS experiment to extend to on-demand resources dynamically allocated as needed. Moreover, a direct access to Cloud resources is presented as suitable use case to face up with the CMS experiment needs. Chapter 1 presents an overview of High Energy Physics at the LHC and of the CMS experience in Run-I, as well as preparation for Run-II. Chapter 2 describes the current CMS Computing Model, and Chapter 3 provides Cloud approaches pursued and used within the CMS Collaboration. Chapter 4 and Chapter 5 discuss the original and forefront work done in this thesis to develop and test working prototypes of elastic extensions of CMS computing resources on Clouds, and HEP Computing “as a Service”. The impact of such work on a benchmark CMS physics use-cases is also demonstrated.

Design of alternative energy storage systems for hybrid vehicles based on statistical processing of driving cycles information

Hybrid vehicles represent the future for automakers, since they allow to improve the fuel economy and to reduce the pollutant emissions. A key component of the hybrid powertrain is the Energy Storage System, that determines the ability of the vehicle to store and reuse energy. Though electrified Energy Storage Systems (ESS), based on batteries and ultracapacitors, are a proven technology, Alternative Energy Storage Systems (AESS), based on mechanical, hydraulic and pneumatic devices, are gaining interest because they give the possibility of realizing low-cost mild-hybrid vehicles. Currently, most literature of design methodologies focuses on electric ESS, which are not suitable for AESS design. In this contest, The Ohio State University has developed an Alternative Energy Storage System design methodology. This work focuses on the development of driving cycle analysis methodology that is a key component of Alternative Energy Storage System design procedure. The proposed methodology is based on a statistical approach to analyzing driving schedules that represent the vehicle typical use. Driving data are broken up into power events sequence, namely traction and braking events, and for each of them, energy-related and dynamic metrics are calculated. By means of a clustering process and statistical synthesis methods, statistically-relevant metrics are determined. These metrics define cycle representative braking events. By using these events as inputs for the Alternative Energy Storage System design methodology, different system designs are obtained. Each of them is characterized by attributes, namely system volume and weight. In the last part the work, the designs are evaluated in simulation by introducing and calculating a metric related to the energy conversion efficiency. Finally, the designs are compared accounting for attributes and efficiency values. In order to automate the driving data extraction and synthesis process, a specific script Matlab based has been developed. Results show that the driving cycle analysis methodology, based on the statistical approach, allows to extract and synthesize cycle representative data. The designs based on cycle statistically-relevant metrics are properly sized and have satisfying efficiency values with respect to the expectations. An exception is the design based on the cycle worst-case scenario, corresponding to same approach adopted by the conventional electric ESS design methodologies. In this case, a heavy system with poor efficiency is produced. The proposed new methodology seems to be a valid and consistent support for Alternative Energy Storage System design.

Progettare l'inserimento di General Purpose Technologies nelle Organizzazioni con il Design Thinking: evidenze dal campo e metodologia proposta

Vista la crescente necessità di svolgere progetti d'innovazione guidati dalle nuove tecnologie, la presente ricerca risponde all'esigenza di trovare una metodologia efficace per poterli affrontare proficuamente. In un primo momento, l'elaborato propone una metodologia che permette di elaborare una classificazione dei progetti d'innovazione technology-driven in classi ed un pacchetto di tools funzionali al riconoscimento dell'appartenenza alle stesse. In un secondo momento, giunti a comprensione del fatto che ad ognuna delle classi corrisponde uno specifico fine raggiungibile con una specifica metodologia, lo studio descrive la metodologia seguita per raggiungere una efficace e ripetibile elaborazione di principi progettuali, buone pratiche e strumenti che permettano ad una Organizzazione di appropriarsi del valore di una tecnologia General Purpose (GPT) attraverso l'ideazione di soluzioni innovativa. La progettazione è figlia di un approccio di Design Thinking (DT), sia poichè esso è stato usato nello svolgimento stesso della ricerca, sia perchè la metodologia DT è alla base della modellazione del processo proposto per la classe.

Parallelization of the algorithm WHAM with NVIDIA CUDA.

The aim of my thesis is to parallelize the Weighting Histogram Analysis Method (WHAM), which is a popular algorithm used to calculate the Free Energy of a molucular system in Molecular Dynamics simulations. WHAM works in post processing in cooperation with another algorithm called Umbrella Sampling. Umbrella Sampling has the purpose to add a biasing in the potential energy of the system in order to force the system to sample a specific region in the configurational space. Several N independent simulations are performed in order to sample all the region of interest. Subsequently, the WHAM algorithm is used to estimate the original system energy starting from the N atomic trajectories. The parallelization of WHAM has been performed through CUDA, a language that allows to work in GPUs of NVIDIA graphic cards, which have a parallel achitecture. The parallel implementation may sensibly speed up the WHAM execution compared to previous serial CPU imlementations. However, the WHAM CPU code presents some temporal criticalities to very high numbers of interactions. The algorithm has been written in C++ and executed in UNIX systems provided with NVIDIA graphic cards. The results were satisfying obtaining an increase of performances when the model was executed on graphics cards with compute capability greater. Nonetheless, the GPUs used to test the algorithm is quite old and not designated for scientific calculations. It is likely that a further performance increase will be obtained if the algorithm would be executed in clusters of GPU at high level of computational efficiency. The thesis is organized in the following way: I will first describe the mathematical formulation of Umbrella Sampling and WHAM algorithm with their apllications in the study of ionic channels and in Molecular Docking (Chapter 1); then, I will present the CUDA architectures used to implement the model (Chapter 2); and finally, the results obtained on model systems will be presented (Chapter 3).

A study on tackling visual odometry by a transformer architecture

This dissertation describes a deepening study about Visual Odometry problem tackled with transformer architectures. The existing VO algorithms are based on heavily hand-crafted features and are not able to generalize well to new environments. To train them, we need carefully fine-tune the hyper-parameters and the network architecture. We propose to tackle the VO problem with transformer because it is a general-purpose architecture and because it was designed to transformer sequences of data from a domain to another one, which is the case of the VO problem. Our first goal is to create synthetic dataset using BlenderProc2 framework to mitigate the problem of the dataset scarcity. The second goal is to tackle the VO problem by using different versions of the transformer architecture, which will be pre-trained on the synthetic dataset and fine-tuned on the real dataset, KITTI dataset. Our approach is defined as follows: we use a feature-extractor to extract features embeddings from a sequence of images, then we feed this sequence of embeddings to the transformer architecture, finally, an MLP is used to predict the sequence of camera poses.

Building Information Modelling (BIM) Effectiveness in Performing Life Cycle Assessment of Building

The scope of this project is to study the effectiveness of building information modelling (BIM) in performing life cycle assessment in a building. For the purposes of the study will be used “Revit” which is a BIM software and Tally which is an LCA tool integrated in Revit. The project is divided in six chapters. The first chapter consists of a theoretical introduction into building information modelling and its connection to life cycle assessment. The second chapter describes the characteristics of building information modelling (BIM). In addition, a comparison has been made with the traditional architectural, engineering and construction business model and the benefits to shift into BIM. In the third chapter it will be a review of the most well-known and available BIM software in the market. In chapter four life cycle assessment (LCA) will be described in general and later on specifically for the purpose of the case study that will be used in the following chapter. Moreover, the tools that are available to perform an LCA will be reviewed. Chapter five will present the case study that consists of a model in a BIM software (Revit) and the LCA performed by Tally, an LCA tool integrated into Revit. In the last chapter will be a discussion of the results that were obtained, the limitation and the possible future improvement in performing life cycle assessment (LCA) in a BIM model.

Implementazione dell'algoritmo filtered back-projection (FBP) per architetture low-power di tipo systems-on-chip

Il presente lavoro di tesi, svolto presso i laboratori dell'X-ray Imaging Group del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e all'interno del progetto della V Commissione Scientifica Nazionale dell'INFN, COSA (Computing on SoC Architectures), ha come obiettivo il porting e l’analisi di un codice di ricostruzione tomografica su architetture GPU installate su System-On-Chip low-power, al fine di sviluppare un metodo portatile, economico e relativamente veloce. Dall'analisi computazionale sono state sviluppate tre diverse versioni del porting in CUDA C: nella prima ci si è limitati a trasporre la parte più onerosa del calcolo sulla scheda grafica, nella seconda si sfrutta la velocità del calcolo matriciale propria del coprocessore (facendo coincidere ogni pixel con una singola unità di calcolo parallelo), mentre la terza è un miglioramento della precedente versione ottimizzata ulteriormente. La terza versione è quella definitiva scelta perché è la più performante sia dal punto di vista del tempo di ricostruzione della singola slice sia a livello di risparmio energetico. Il porting sviluppato è stato confrontato con altre due parallelizzazioni in OpenMP ed MPI. Si è studiato quindi, sia su cluster HPC, sia su cluster SoC low-power (utilizzando in particolare la scheda quad-core Tegra K1), l’efficienza di ogni paradigma in funzione della velocità di calcolo e dell’energia impiegata. La soluzione da noi proposta prevede la combinazione del porting in OpenMP e di quello in CUDA C. Tre core CPU vengono riservati per l'esecuzione del codice in OpenMP, il quarto per gestire la GPU usando il porting in CUDA C. Questa doppia parallelizzazione ha la massima efficienza in funzione della potenza e dell’energia, mentre il cluster HPC ha la massima efficienza in velocità di calcolo. Il metodo proposto quindi permetterebbe di sfruttare quasi completamente le potenzialità della CPU e GPU con un costo molto contenuto. Una possibile ottimizzazione futura potrebbe prevedere la ricostruzione di due slice contemporaneamente sulla GPU, raddoppiando circa la velocità totale e sfruttando al meglio l’hardware. Questo studio ha dato risultati molto soddisfacenti, infatti, è possibile con solo tre schede TK1 eguagliare e forse a superare, in seguito, la potenza di calcolo di un server tradizionale con il vantaggio aggiunto di avere un sistema portatile, a basso consumo e costo. Questa ricerca si va a porre nell’ambito del computing come uno tra i primi studi effettivi su architetture SoC low-power e sul loro impiego in ambito scientifico, con risultati molto promettenti.

Design, realization and characterization of automated millifluidic bioreactors for investigating the molecular evolution of lytic or lysogenic vector phages infecting engineered host e. Coli

In questa tesi viene presentato un bioreattore in grado di mantenere nel tempo condizioni biologiche tali che consentano di massimizzare i cicli di evoluzione molecolare di vettori di clonazione fagici: litico (T7) o lisogeno (M13). Verranno quindi introdtti concetti legati alla Teoria della Quasispecie e alla relazione tra errori di autoreplicazione e pressioni selettive naturali o artificiali su popolazioni di virus: il modello naturale del sistema evolutivo. Tuttavia, mantenere delle popolazioni di virus significa formire loro un substrato dove replicare. Per fare ciò, altri gruppi di ricerca hanno giá sviluppato complessi e costosi prototipi di macchinari per la crescita continua di popolazioni batteriche: i compartimenti dei sistemi evolutivi. Il bioreattore, oggetto di questo lavoro, fa parte del progetto europeo Evoprog: general purpose programmable machine evolution on a chip (Jaramillo’s Lab, University of Warwick) che, utilizzando tecnologie fagiche e regolazioni sintetiche esistenti, sará in grado di produrre funzionalità biocomputazionali di due ordini di grandezza più veloci rispetto alle tecniche convenzionali, riducendo allo stesso tempo i costi complessivi. Il primo prototipo consiste in uno o piú fermentatori, dove viene fatta crescere la cultura batterica in condizioni ottimizzate di coltivazione continua, e in un cellstat, un volume separato, dove avviene solo la replicazione dei virus. Entrambi i volumi sono di pochi millilitri e appropriatamente interconnessi per consentire una sorta di screening continuo delle biomolecole prodotte all’uscita. Nella parte finale verranno presentati i risultati degli esperimenti preliminari, a dimostrazione dell’affidabilità del prototipo costruito e dei protocolli seguiti per la sterilizzazione e l’assemblaggio del bioreattore. Gli esperimenti effettuati dimostrano il successo di due coltivazioni virali continue e una ricombinazione in vivo di batteriofagi litici o lisogeni ingegnerizzati. La tesi si conclude valutando i futuri sviluppi e i limiti del sistema, tenendo in considerazione, in particolare, alcune applicazioni rivolte agli studi di una terapia batteriofagica.

Synthesis, characterization and crystallization of bionanocomposites based on PLLA, PCL and nanocellulose

In recent years, environmental concerns and the expected shortage in the fossil reserves have increased further development of biomaterials. Among them, poly(lactide) PLA possess some potential properties such as good ability process, excellent tensile strength and stiffness equivalent to some commercial petroleum-based polymers (PP, PS, PET, etc.). This biobased polymer is also biodegradable and biocompatible However, one great disadvantage of commercial PLA is slow crystallization rate, which restricts its use in many fields. Using of nanofillers is viewed as an efficient strategy to overcome this problem. In this thesis, the effect of bionanofillers in neat PLA and in blends of poly (L-lactide)(PLA)/poly(ε-Caprolactone) (PCL) has been investigated. The used nanofillers are: poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) and poly(L-lactide-b-ε-caprolactone) grafted on cellulose nanowhiskers and neat cellulose nanowhiskers (CNW). The grafting reaction of poly(L-lactide-co-caprolactone) and poly (L-lactide-b-caprolactone) on the nanocellulose has been performed by the grafting from technique. In this way the polymerization reaction it is directly initiated on the substrate surface. The condition of the reaction were chosen after a temperature and solvent screening. By non-isothermal an isothermal DSC analysis the effect of bionanofillers on PLA and 80/20 PLA/PCL was evaluated. Non-isothermal DSC scans show a nucleating effect of the bionanofillers on PLA. This effect is detectable during PLA crystallization from the glassy state. Cold crystallization temperature is reduced upon the addition of the poly(L-lactide-b-caprolactone) grafted on cellulose nanowhiskers that is most performing bionanofiller in acting as a nucleating agent. On the other hand, DSC isothermal analysis on the overall crystallization rate indicate that cellulose nanowhiskers are best nucleating agents during isothermal crystallization from the melt state. In conclusion, nanofillers have different behavior depending on the processing conditions. However, the efficiency of our nanofillers as nucleating agent was clearly demonstrated in both isothermal as in non-isothermal condition.