Análisis y sintonización de aplicaciones paralelas/distribuidas de bioinformática: caso de estudio mpiBLAST

En termes de temps d'execució i ús de dades, les aplicacions paral·leles/distribuïdes poden tenir execucions variables, fins i tot quan s'empra el mateix conjunt de dades d'entrada. Existeixen certs aspectes de rendiment relacionats amb l'entorn que poden afectar dinàmicament el comportament de l'aplicació, tals com: la capacitat de la memòria, latència de la xarxa, el nombre de nodes, l'heterogeneïtat dels nodes, entre d'altres. És important considerar que l'aplicació pot executar-se en diferents configuracions de maquinari i el desenvolupador d'aplicacions no port garantir que els ajustaments de rendiment per a un sistema en particular continuïn essent vàlids per a d'altres configuracions. L'anàlisi dinàmica de les aplicacions ha demostrat ser el millor enfocament per a l'anàlisi del rendiment per dues raons principals. En primer lloc, ofereix una solució molt còmoda des del punt de vista dels desenvolupadors mentre que aquests dissenyen i evaluen les seves aplicacions paral·leles. En segon lloc, perquè s'adapta millor a l'aplicació durant l'execució. Aquest enfocament no requereix la intervenció de desenvolupadors o fins i tot l'accés al codi font de l'aplicació. S'analitza l'aplicació en temps real d'execució i es considra i analitza la recerca dels possibles colls d'ampolla i optimitzacions. Per a optimitzar l'execució de l'aplicació bioinformàtica mpiBLAST, vam analitzar el seu comportament per a identificar els paràmetres que intervenen en el rendiment d'ella, com ara: l'ús de la memòria, l'ús de la xarxa, patrons d'E/S, el sistema de fitxers emprat, l'arquitectura del processador, la grandària de la base de dades biològica, la grandària de la seqüència de consulta, la distribució de les seqüències dintre d'elles, el nombre de fragments de la base de dades i/o la granularitat dels treballs assignats a cada procés. El nostre objectiu és determinar quins d'aquests paràmetres tenen major impacte en el rendiment de les aplicacions i com ajustar-los dinàmicament per a millorar el rendiment de l'aplicació. Analitzant el rendiment de l'aplicació mpiBLAST hem trobat un conjunt de dades que identifiquen cert nivell de serial·lització dintre l'execució. Reconeixent l'impacte de la caracterització de les seqüències dintre de les diferents bases de dades i una relació entre la capacitat dels workers i la granularitat de la càrrega de treball actual, aquestes podrien ser sintonitzades dinàmicament. Altres millores també inclouen optimitzacions relacionades amb el sistema de fitxers paral·lel i la possibilitat d'execució en múltiples multinucli. La grandària de gra de treball està influenciat per factors com el tipus de base de dades, la grandària de la base de dades, i la relació entre grandària de la càrrega de treball i la capacitat dels treballadors.

Parallel spinors on pseudo-riemannian spin(q) manifolds

We study simply-connected irreducible non-locally symmetric pseudo-Riemannian Spin(q) manifolds admitting parallel quaternionic spinors.

Glomus intraradices induces changes in root system architecture of rice independently of common symbiosis signaling

? Arbuscular mycorrhizal fungi colonize the roots of most monocotyledons and dicotyledons despite their different root architecture and cell patterning. Among the cereal hosts of arbuscular mycorrhizal fungi, Oryza sativa (rice) possesses a peculiar root system composed of three different types of roots: crown roots; large lateral roots; and fine lateral roots. Characteristic is the constitutive formation of aerenchyma in crown roots and large lateral roots and the absence of cortex from fine lateral roots. Here, we assessed the distribution of colonization by Glomus intraradices within this root system and determined its effect on root system architecture. ? Large lateral roots are preferentially colonized, and fine lateral roots are immune to arbuscular mycorrhizal colonization. Fungal preference for large lateral roots also occurred in sym mutants that block colonization of the root beyond rhizodermal penetration. ? Initiation of large lateral roots is significantly induced by G. intraradices colonization and does not require a functional common symbiosis signaling pathway from which some components are known to be needed for symbiosis-mediated lateral root induction in Medicago truncatula. ? Our results suggest variation of symbiotic properties among the different rice root-types and induction of the preferred tissue by arbuscular mycorrhizal fungi. Furthermore, signaling for arbuscular mycorrhizal-elicited alterations of the root system differs between rice and M. truncatula.

Gestión de recursos en nodos multi-core de memoria compartida

La gestión de recursos en los procesadores multi-core ha ganado importancia con la evolución de las aplicaciones y arquitecturas. Pero esta gestión es muy compleja. Por ejemplo, una misma aplicación paralela ejecutada múltiples veces con los mismos datos de entrada, en un único nodo multi-core, puede tener tiempos de ejecución muy variables. Hay múltiples factores hardware y software que afectan al rendimiento. La forma en que los recursos hardware (cómputo y memoria) se asignan a los procesos o threads, posiblemente de varias aplicaciones que compiten entre sí, es fundamental para determinar este rendimiento. La diferencia entre hacer la asignación de recursos sin conocer la verdadera necesidad de la aplicación, frente a asignación con una meta específica es cada vez mayor. La mejor manera de realizar esta asignación és automáticamente, con una mínima intervención del programador. Es importante destacar, que la forma en que la aplicación se ejecuta en una arquitectura no necesariamente es la más adecuada, y esta situación puede mejorarse a través de la gestión adecuada de los recursos disponibles. Una apropiada gestión de recursos puede ofrecer ventajas tanto al desarrollador de las aplicaciones, como al entorno informático donde ésta se ejecuta, permitiendo un mayor número de aplicaciones en ejecución con la misma cantidad de recursos. Así mismo, esta gestión de recursos no requeriría introducir cambios a la aplicación, o a su estrategia operativa. A fin de proponer políticas para la gestión de los recursos, se analizó el comportamiento de aplicaciones intensivas de cómputo e intensivas de memoria. Este análisis se llevó a cabo a través del estudio de los parámetros de ubicación entre los cores, la necesidad de usar la memoria compartida, el tamaño de la carga de entrada, la distribución de los datos dentro del procesador y la granularidad de trabajo. Nuestro objetivo es identificar cómo estos parámetros influyen en la eficiencia de la ejecución, identificar cuellos de botella y proponer posibles mejoras. Otra propuesta es adaptar las estrategias ya utilizadas por el Scheduler con el fin de obtener mejores resultados.

Configuración de la entrada/salida paralela para el cómputo de altas prestaciones

La E/S Paralela es un área de investigación que tiene una creciente importancia en el cómputo de Altas Prestaciones. Si bien durante años ha sido el cuello de botella de los computadores paralelos en la actualidad, debido al gran aumento del poder de cómputo, el problema de la E/S se ha incrementado y la comunidad del Cómputo de Altas Prestaciones considera que se debe trabajar en mejorar el sistema de E/S de los computadores paralelos, para lograr cubrir las exigencias de las aplicaciones científicas que usan HPC. La Configuración de la Entrada/Salida (E/S) Paralela tiene una gran influencia en las prestaciones y disponibilidad, por ello es importante “Analizar configuraciones de E/S paralela para identificar los factores claves que influyen en las prestaciones y disponibilidad de la E/S de Aplicaciones Científicas que se ejecutan en un clúster”. Para realizar el análisis de las configuraciones de E/S se propone una metodología que permite identificar los factores de E/S y evaluar su influencia para diferentes configuraciones de E/S formada por tres fases: Caracterización, Configuración y Evaluación. La metodología permite analizar el computador paralelo a nivel de Aplicación Científica, librerías de E/S y de arquitectura de E/S, pero desde el punto de vista de la E/S. Los experimentos realizados para diferentes configuraciones de E/S y los resultados obtenidos indican la complejidad del análisis de los factores de E/S y los diferentes grados de influencia en las prestaciones del sistema de E/S. Finalmente se explican los trabajos futuros, el diseño de un modelo que de soporte al proceso de Configuración del sistema de E/S paralela para aplicaciones científicas. Por otro lado, para identificar y evaluar los factores de E/S asociados con la disponibilidad a nivel de datos, se pretende utilizar la Arquitectura Tolerante a Fallos RADIC.

Genetic architecture of ambulatory blood pressure in the general population: insights from cardiovascular gene-centric array.

Genetic determinants of blood pressure are poorly defined. We undertook a large-scale, gene-centric analysis to identify loci and pathways associated with ambulatory systolic and diastolic blood pressure. We measured 24-hour ambulatory blood pressure in 2020 individuals from 520 white European nuclear families (the Genetic Regulation of Arterial Pressure of Humans in the Community Study) and genotyped their DNA using the Illumina HumanCVD BeadChip array, which contains ≈50 000 single nucleotide polymorphisms in >2000 cardiovascular candidate loci. We found a strong association between rs13306560 polymorphism in the promoter region of MTHFR and CLCN6 and mean 24-hour diastolic blood pressure; each minor allele copy of rs13306560 was associated with 2.6 mm Hg lower mean 24-hour diastolic blood pressure (P=1.2×10(-8)). rs13306560 was also associated with clinic diastolic blood pressure in a combined analysis of 8129 subjects from the Genetic Regulation of Arterial Pressure of Humans in the Community Study, the CoLaus Study, and the Silesian Cardiovascular Study (P=5.4×10(-6)). Additional analysis of associations between variants in gene ontology-defined pathways and mean 24-hour blood pressure in the Genetic Regulation of Arterial Pressure of Humans in the Community Study showed that cell survival control signaling cascades could play a role in blood pressure regulation. There was also a significant overrepresentation of rare variants (minor allele frequency: <0.05) among polymorphisms showing at least nominal association with mean 24-hour blood pressure indicating that a considerable proportion of its heritability may be explained by uncommon alleles. Through a large-scale gene-centric analysis of ambulatory blood pressure, we identified an association of a novel variant at the MTHFR/CLNC6 locus with diastolic blood pressure and provided new insights into the genetic architecture of blood pressure.

Promoter architecture of mouse olfactory receptor genes.

Odorous chemicals are detected by the mouse main olfactory epithelium (MOE) by about 1100 types of olfactory receptors (OR) expressed by olfactory sensory neurons (OSNs). Each mature OSN is thought to express only one allele of a single OR gene. Major impediments to understand the transcriptional control of OR gene expression are the lack of a proper characterization of OR transcription start sites (TSSs) and promoters, and of regulatory transcripts at OR loci. We have applied the nanoCAGE technology to profile the transcriptome and the active promoters in the MOE. nanoCAGE analysis revealed the map and architecture of promoters for 87.5% of the mouse OR genes, as well as the expression of many novel noncoding RNAs including antisense transcripts. We identified candidate transcription factors for OR gene expression and among them confirmed by chromatin immunoprecipitation the binding of TBP, EBF1 (OLF1), and MEF2A to OR promoters. Finally, we showed that a short genomic fragment flanking the major TSS of the OR gene Olfr160 (M72) can drive OSN-specific expression in transgenic mice.

Bone mineral density (BMD), micro-architecture estimation (TBS) and vertebral fracture assessment (VFA) extracted from a single DXA device in combination with clinical risk factors improve significantly the identification of women at high risk of fracture

Introduction: Osteoporosis (OP) is a systemic skeletal disease characterized by a low bone mineral density (BMD) and a micro-architectural (MA) deterioration. Clinical risk factors (CRF) are often used as a MA approximation. MA is yet evaluable in daily practice by the Trabecular Bone Score (TBS) measure. TBS is a novel grey-level texture measurement reflecting bone micro-architecture based on the use of experimental variograms of 2D projection images. TBS is very simple to obtain, by reanalyzing a lumbar DXA-scan. TBS has proven to have diagnosis and prognosis value, partially independent of CRF and BMD. The aim of the OsteoLaus cohort is to combine in daily practice the CRF and the information given by DXA (BMD, TBS and vertebral fracture assessment (VFA)) to better identify women at high fracture risk. Method: The OsteoLaus cohort (1400 women 50 to 80 years living in Lausanne, Switzerland) started in 2010. This study is derived from the cohort COLAUS who started in Lausanne in 2003. The main goals of COLAUS is to obtain information on the epidemiology and genetic determinants of cardiovascular risk in 6700 men and women. CRF for OP, bone ultrasound of the heel, lumbar spine and hip BMD, VFA by DXA and MA evaluation by TBS are recorded in OsteoLaus. Preliminary results are reported. Results: We included 631 women: mean age 67.4±6.7 y, BMI 26.1±4.6, mean lumbar spine BMD 0.943±0.168 (T-score -1.4 SD), TBS 1.271±0.103. As expected, correlation between BMD and site matched TBS is low (r2=0.16). Prevalence of VFx grade 2/3, major OP Fx and all OP Fx is 8.4%, 17.0% and 26.0% respectively. Age- and BMI-adjusted ORs (per SD decrease) are 1.8 (1.2- 2.5), 1.6 (1.2-2.1), 1.3 (1.1-1.6) for BMD for the different categories of fractures and 2.0 (1.4-3.0), 1.9 (1.4-2.5), 1.4 (1.1-1.7) for TBS respectively. Only 32 to 37% of women with OP Fx have a BMD < -2.5 SD or a TBS < 1.200. If we combine a BMD < -2.5 SD or a TBS < 1.200, 54 to 60% of women with an osteoporotic Fx are identified. Conclusion: As in the already published studies, these preliminary results confirm the partial independence between BMD and TBS. More importantly, a combination of TBS subsequent to BMD increases significantly the identification of women with prevalent OP Fx which would have been miss-classified by BMD alone. For the first time we are able to have complementary information about fracture (VFA), density (BMD), micro- and macro architecture (TBS & HAS) from a simple, low ionizing radiation and cheap device: DXA. Such complementary information is very useful for the patient in the daily practice and moreover will likely have an impact on cost effectiveness analysis.

RADIC: un middleware de tolerancia a fallos que preserva el rendimiento

La tolerancia a fallos es una línea de investigación que ha adquirido una importancia relevante con el aumento de la capacidad de cómputo de los súper-computadores actuales. Esto es debido a que con el aumento del poder de procesamiento viene un aumento en la cantidad de componentes que trae consigo una mayor cantidad de fallos. Las estrategias de tolerancia a fallos actuales en su mayoría son centralizadas y estas no escalan cuando se utiliza una gran cantidad de procesos, dado que se requiere sincronización entre todos ellos para realizar las tareas de tolerancia a fallos. Además la necesidad de mantener las prestaciones en programas paralelos es crucial, tanto en presencia como en ausencia de fallos. Teniendo en cuenta lo citado, este trabajo se ha centrado en una arquitectura tolerante a fallos descentralizada (RADIC – Redundant Array of Distributed and Independant Controllers) que busca mantener las prestaciones iniciales y garantizar la menor sobrecarga posible para reconfigurar el sistema en caso de fallos. La implementación de esta arquitectura se ha llevado a cabo en la librería de paso de mensajes denominada Open MPI, la misma es actualmente una de las más utilizadas en el mundo científico para la ejecución de programas paralelos que utilizan una plataforma de paso de mensajes. Las pruebas iniciales demuestran que el sistema introduce mínima sobrecarga para llevar a cabo las tareas correspondientes a la tolerancia a fallos. MPI es un estándar por defecto fail-stop, y en determinadas implementaciones que añaden cierto nivel de tolerancia, las estrategias más utilizadas son coordinadas. En RADIC cuando ocurre un fallo el proceso se recupera en otro nodo volviendo a un estado anterior que ha sido almacenado previamente mediante la utilización de checkpoints no coordinados y la relectura de mensajes desde el log de eventos. Durante la recuperación, las comunicaciones con el proceso en cuestión deben ser retrasadas y redirigidas hacia la nueva ubicación del proceso. Restaurar procesos en un lugar donde ya existen procesos sobrecarga la ejecución disminuyendo las prestaciones, por lo cual en este trabajo se propone la utilización de nodos spare para la recuperar en ellos a los procesos que fallan, evitando de esta forma la sobrecarga en nodos que ya tienen trabajo. En este trabajo se muestra un diseño propuesto para gestionar de un modo automático y descentralizado la recuperación en nodos spare en un entorno Open MPI y se presenta un análisis del impacto en las prestaciones que tiene este diseño. Resultados iniciales muestran una degradación significativa cuando a lo largo de la ejecución ocurren varios fallos y no se utilizan spares y sin embargo utilizándolos se restablece la configuración inicial y se mantienen las prestaciones.

Including the workload effect in the parallel program signature

Performance prediction and application behavior modeling have been the subject of exten- sive research that aim to estimate applications performance with an acceptable precision. A novel approach to predict the performance of parallel applications is based in the con- cept of Parallel Application Signatures that consists in extract an application most relevant parts (phases) and the number of times they repeat (weights). Executing these phases in a target machine and multiplying its exeuction time by its weight an estimation of the application total execution time can be made. One of the problems is that the performance of an application depends on the program workload. Every type of workload affects differently how an application performs in a given system and so affects the signature execution time. Since the workloads used in most scientific parallel applications have dimensions and data ranges well known and the behavior of these applications are mostly deterministic, a model of how the programs workload affect its performance can be obtained. We create a new methodology to model how a program’s workload affect the parallel application signature. Using regression analysis we are able to generalize each phase time execution and weight function to predict an application performance in a target system for any type of workload within predefined range. We validate our methodology using a synthetic program, benchmarks applications and well known real scientific applications.

Task-dependent influence of genetic architecture and mating frequency on division of labour in social insect societies.

Division of labour is one of the most prominent features of social insects. The efficient allocation of individuals to different tasks requires dynamic adjustment in response to environmental perturbations. Theoretical models suggest that the colony-level flexibility in responding to external changes and internal perturbation may depend on the within-colony genetic diversity, which is affected by the number of breeding individuals. However, these models have not considered the genetic architecture underlying the propensity of workers to perform the various tasks. Here, we investigated how both within-colony genetic variability (stemming from variation in the number of matings by queens) and the number of genes influencing the stimulus (threshold) for a given task at which workers begin to perform that task jointly influence task allocation efficiency. We used a numerical agent-based model to investigate the situation where workers had to perform either a regulatory task or a foraging task. One hundred generations of artificial selection in populations consisting of 500 colonies revealed that an increased number of matings always improved colony performance, whatever the number of loci encoding the thresholds of the regulatory and foraging tasks. However, the beneficial effect of additional matings was particularly important when the genetic architecture of queens comprised one or a few genes for the foraging task's threshold. By contrast, a higher number of genes encoding the foraging task reduced colony performance with the detrimental effect being stronger when queens had mated with several males. Finally, the number of genes encoding the threshold for the regulatory task only had a minor effect on colony performance. Overall, our numerical experiments support the importance of mating frequency on efficiency of division of labour and also reveal complex interactions between the number of matings and genetic architecture.