Approcci innovativi per future simulazioni HPC verso l'exascale computing con applicazioni alla fisica dei materiali

In questo lavoro di tesi sono state evidenziate alcune problematiche relative alle macchine exascale (sistemi che sviluppano un exaflops di Potenza di calcolo) e all'evoluzione dei software che saranno eseguiti su questi sistemi, prendendo in esame principalmente la necessità del loro sviluppo, in quanto indispensabili per lo studio di problemi scientifici e tecnologici di più grandi dimensioni, con particolare attenzione alla Material Science, che è uno dei campi che ha avuto maggiori sviluppi grazie all'utilizzo di supercomputer, ed ad uno dei codici HPC più utilizzati in questo contesto: Quantum ESPRESSO. Dal punto di vista del software sono state presentate le prime misure di efficienza energetica su architettura ibrida grazie al prototipo di cluster EURORA sul software Quantum ESPRESSO. Queste misure sono le prime ad essere state pubblicate nel contesto software per la Material Science e serviranno come baseline per future ottimizzazioni basate sull'efficienza energetica. Nelle macchine exascale infatti uno dei requisiti per l'accesso sarà la capacità di essere energeticamente efficiente, così come oggi è un requisito la scalabilità del codice. Un altro aspetto molto importante, riguardante le macchine exascale, è la riduzione del numero di comunicazioni che riduce il costo energetico dell'algoritmo parallelo, poiché in questi nuovi sistemi costerà di più, da un punto di vista energetico, spostare i dati che calcolarli. Per tale motivo in questo lavoro sono state esposte una strategia, e la relativa implementazione, per aumentare la località dei dati in uno degli algoritmi più dispendiosi, dal punto di vista computazionale, in Quantum ESPRESSO: Fast Fourier Transform (FFT). Per portare i software attuali su una macchina exascale bisogna iniziare a testare la robustezza di tali software e i loro workflow su test case che stressino al massimo le macchine attualmente a disposizione. In questa tesi per testare il flusso di lavoro di Quantum ESPRESSO e WanT, un software per calcolo di trasporto, è stato caratterizzato un sistema scientificamente rilevante costituito da un cristallo di PDI - FCN2 che viene utilizzato per la costruzione di transistor organici OFET. Infine è stato simulato un dispositivo ideale costituito da due elettrodi in oro con al centro una singola molecola organica.

Middleware per Internet of Things: Java Embedded come caso di studio

Grazie al progresso dell'elettronica, ai giorni nostri, è possibile costruire dispositivi elettronici molto piccoli, che col passare del tempo lo sono sempre più. Questo ci permette di poter imboccare nuove strade nel mondo dell'informatica, sfruttando proprio questo fatto. Le dimensioni ridotte dei dispositivi in commercio, come sensori, attuatori, tag e tanto altro, sono particolarmente adatte a nuovi scenari applicativi. Internet of Things è una visione in cui Internet viene esteso alle cose. Facendo largo uso di dispositivi come sensori e tag è possibile realizzare sistemi intelligenti che possono avere riscontri positivi nella vita di tutti i giorni. Tracciare la posizione degli oggetti, monitorare pazienti da remoto, rilevare dati sull'ambiente per realizzare sistemi automatici (ad esempio regolare automaticamente la luce o la temperatura di una stanza) sono solo alcuni esempi. Internet of Things è la naturale evoluzione di Internet, ed è destinato a cambiare radicalmente la nostra vita futura, poichè la tecnologia sarà sempre più parte integrante della nostra vita, aumentando sempre più il nostro benessere e riducendo sempre più il numero delle azioni quotidiane da compiere. Sempre più sono middleware, le piattaforme e i sistemi operativi che nascono per cercare di eliminare o ridurre le problematiche relative allo sviluppo di sistemi di questo genere, e lo scopo di questa tesi è proprio sottolinearne l'importanza e di analizzare gli aspetti che questi middleware devono affrontare. La tesi è strutturata in questo modo: nel capitolo uno verrà fatta una introduzione a Internet of Things, analizzando alcuni degli innumerevoli scenari applicativi che ne derivano, insieme però alle inevitabili problematiche di tipo tecnologico e sociale. Nel secondo capitolo verranno illustrate le tecnologie abilitanti di Internet of Things, grazie alle quali è possibile realizzare sistemi intelligenti. Nel terzo capitolo verranno analizzati gli aspetti relativi ai middleware, sottolineandone l'importanza e prestando attenzione alle funzioni che devono svolgere, il tutto riportando anche degli esempi di middleware esistenti. Nel quarto capitolo verrà approfondito il middleware Java Embedded di Oracle.

Optimized scheduling in real-time environments with column generation

Im Bereich sicherheitsrelevanter eingebetteter Systeme stellt sich der Designprozess von Anwendungen als sehr komplex dar. Entsprechend einer gegebenen Hardwarearchitektur lassen sich Steuergeräte aufrüsten, um alle bestehenden Prozesse und Signale pünktlich auszuführen. Die zeitlichen Anforderungen sind strikt und müssen in jeder periodischen Wiederkehr der Prozesse erfüllt sein, da die Sicherstellung der parallelen Ausführung von größter Bedeutung ist. Existierende Ansätze können schnell Designalternativen berechnen, aber sie gewährleisten nicht, dass die Kosten für die nötigen Hardwareänderungen minimal sind. Wir stellen einen Ansatz vor, der kostenminimale Lösungen für das Problem berechnet, die alle zeitlichen Bedingungen erfüllen. Unser Algorithmus verwendet Lineare Programmierung mit Spaltengenerierung, eingebettet in eine Baumstruktur, um untere und obere Schranken während des Optimierungsprozesses bereitzustellen. Die komplexen Randbedingungen zur Gewährleistung der periodischen Ausführung verlagern sich durch eine Zerlegung des Hauptproblems in unabhängige Unterprobleme, die als ganzzahlige lineare Programme formuliert sind. Sowohl die Analysen zur Prozessausführung als auch die Methoden zur Signalübertragung werden untersucht und linearisierte Darstellungen angegeben. Des Weiteren präsentieren wir eine neue Formulierung für die Ausführung mit fixierten Prioritäten, die zusätzlich Prozessantwortzeiten im schlimmsten anzunehmenden Fall berechnet, welche für Szenarien nötig sind, in denen zeitliche Bedingungen an Teilmengen von Prozessen und Signalen gegeben sind. Wir weisen die Anwendbarkeit unserer Methoden durch die Analyse von Instanzen nach, welche Prozessstrukturen aus realen Anwendungen enthalten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass untere Schranken schnell berechnet werden können, um die Optimalität von heuristischen Lösungen zu beweisen. Wenn wir optimale Lösungen mit Antwortzeiten liefern, stellt sich unsere neue Formulierung in der Laufzeitanalyse vorteilhaft gegenüber anderen Ansätzen dar. Die besten Resultate werden mit einem hybriden Ansatz erzielt, der heuristische Startlösungen, eine Vorverarbeitung und eine heuristische mit einer kurzen nachfolgenden exakten Berechnungsphase verbindet.

Wearable computing e body area network: Android e wristox2 come caso di studio

In questa tesi verranno affrontati due argomenti principali. Il primo sono le tecnologie wearable, comprendendo anche la notazione più generica di tecnologie bearable, che si stanno sempre più diffondendo negli ultimi anni; il secondo sono le BAN (Body Area Network), reti di sensori e dispositivi posti sul corpo umano, utilizzate per rendere possibile la comunicazione e l'interazione fra i device wearable. Si partirà da una trattazione di tipo generico degli argomenti, descrivendo l'architettura fisica delle tecnologie, con focalizzazione sull'aspetto informatico prevalentemente che su quello elettronico e telecomunicazionistico. Si parlerà degli attuali impieghi dei dispositivi e delle reti, e delle loro probabili evoluzioni future. Si introdurranno poi i protocolli di comunicazione principali e se ne analizzeranno le differenze, decretando se sia o meno conveniente puntare su uno o sull'altro rispetto alle esigenze di progetto. Verrà introdotto il sistema operativo Android, descrivendo la sua architettura e fornendo le informazioni basilari per comprendere al meglio il rapporto esistente con la tecnologia Bluetooth.

Spatial computing per smart devices

Magic Carpet, nato come un middleware orientato a una dimostrazione sullo spatial computing, che inizialmente coinvolgeva solo smart devices ed un tappeto di tag NFC, è il punto di partenza per uno studio sulle tecnologie abilitanti in tale campo. Il prodotto finale è una toolchain per lo sviluppo e la distribuzione, su dispositivi connessi, di applicazioni di spatial computing. Essa comprende un interprete per un DSL basato su un core calculus formalizzato, Field Calculus, e un middleware che supporta l'astrazione curando, a basso livello, le comunicazioni con il vicinato e le percezioni ambientali.

Evoluzione tecnologica in ambito End User Computing: un caso d'uso basato su Horizon Workspace Portal

L'obbiettivo del progetto di cui tratta questa tesi è costituire un ambiente intuitivo e facilmente utilizzabile dall'utente finale che permetta di accedere sia alle applicazioni aziendali sia ai desktop virtuali da qualsiasi dispositivo effettui l'accesso. Grazie alle recenti tecnologie di End User Computing messe a disposizione da VMware è possibile virtualizzare qualsiasi applicazione Windows e renderla disponibile tramite Internet a qualsiasi utente la richieda, indifferentemente dal sistema operativo o dal luogo in cui si trova. Il progetto descritto nella tesi spiega come implementare tale ambiente tramite il prodotto Horizon Workspace Portal integrato nella suite Horizon 6.

Introduction to Reservoir Computing Methods

Il documento tratta la famiglia di metodologie di allenamento e sfruttamento delle reti neurali ricorrenti nota sotto il nome di Reservoir Computing. Viene affrontata un'introduzione sul Machine Learning in generale per fornire tutti gli strumenti necessari a comprendere l'argomento. Successivamente, vengono dati dettagli implementativi ed analisi dei vantaggi e punti deboli dei vari approcci, il tutto con supporto di codice ed immagini esplicative. Nel finale vengono tratte conclusioni sugli approcci, su quanto migliorabile e sulle applicazioni pratiche.

Swarm constructability: designing through embedded tectonic behaviors in swarm robotic systems

Con questa tesi di laurea si muovono i primi passi di una ricerca applicata finalizzata alla costruzione-deposizione di materiale da parte di sciami di mini-robot dal comportamento indipendente che si coordinano tramite segnali lasciati e rilevati nell’ambiente in cui si muovono. Lo sviluppo di tecniche di progettazione e fabbricazione digitale ha prodotto un aumento nel grado di interconnessione tra tecnologia e design, dunque, di nuove possibilità tettoniche. Le relazioni tettoniche tradizionali stanno infatti subendo una trasformazione radicale, potendo essere esplicitamente informate e dunque mediate attraverso gli strumenti digitali dall’ideazione alla produzione. Questa mediazione informata del contenuto tettonico (che opera costantemente) è distintivo di un approccio material-based alla progettazione che aumenta l’integrazione tra struttura, materia e forma entro le tecnologie di fabbricazione (R.Oxman). Dei numerosi processi di fabbricazione per l’architettura che si servono di tecnologia robotica, pochi sono capaci di superare la logica gerarchica, rigida e lineare-sequenziale che serve di fatto agli obiettivi di automazione ed ottimizzazione. La distribuzione di forme di intelligenza semplificata ad un numero elevato di unità robot è quindi qui proposta come alternativa al modello appena descritto. Incorporando semplici decisioni di carattere architettonico negli agenti-robot che costituiscono il sistema distribuito di entità autonome, la loro interazione e le decisioni prese individualmente producono comportamento collettivo e l’integrazione delle suddette relazioni tettoniche. Nello sviluppo del progetto, si è fatto così riferimento a modelli comportamentali collettivi (di sciame) osservabili in specie comunitarie che organizzano strutture materiali -come termiti e vespe- ed in organismi semplici -come le muffe cellulari della specie Physarum polycephalum. Per queste specie biologiche il processo di costruzione non dipende da un ‘piano generale’ ma è guidato esclusivamente da azioni dei singoli individui che comunicano lasciando tracce chimiche nell’ambiente e modificano il loro comportamento rilevando le tracce lasciate dagli altri individui. A questo scopo, oltre alle simulazioni in digitale, è stato indispensabile sviluppare dei prototipi funzionali di tipo fisico, ovvero la realizzazione di mini-robot dal movimento indipendente, in grado di coordinarsi tra loro tramite segnali lasciati nell’ambiente e capaci di depositare materiale.

Computing primal solutions with exact arithmetics in SCIP.

The research for exact solutions of mixed integer problems is an active topic in the scientific community. State-of-the-art MIP solvers exploit a floating- point numerical representation, therefore introducing small approximations. Although such MIP solvers yield reliable results for the majority of problems, there are cases in which a higher accuracy is required. Indeed, it is known that for some applications floating-point solvers provide falsely feasible solutions, i.e. solutions marked as feasible because of approximations that would not pass a check with exact arithmetic and cannot be practically implemented. The framework of the current dissertation is SCIP, a mixed integer programs solver mainly developed at Zuse Institute Berlin. In the same site we considered a new approach for exactly solving MIPs. Specifically, we developed a constraint handler to plug into SCIP, with the aim to analyze the accuracy of provided floating-point solutions and compute exact primal solutions starting from floating-point ones. We conducted a few computational experiments to test the exact primal constraint handler through the adoption of two main settings. Analysis mode allowed to collect statistics about current SCIP solutions' reliability. Our results confirm that floating-point solutions are accurate enough with respect to many instances. However, our analysis highlighted the presence of numerical errors of variable entity. By using the enforce mode, our constraint handler is able to suggest exact solutions starting from the integer part of a floating-point solution. With the latter setting, results show a general improvement of the quality of provided final solutions, without a significant loss of performances.

Sviluppo storico ed economico del cloud computing: Cloud foundry come esempio di platform as a service

Il Cloud Computing è una realtà sempre più diffusa e discussa nel nostro periodo storico, ma probabilmente non è ancora chiaro a tutti di cosa si tratta e le potenzialità che possiede. Infatti, non esiste ancora una definizione univoca e condivisa e questo può creare confusione. Oggi le grandi compagnie nella comunità informatica spingono sempre di più per affermare i servizi Cloud a livello mondiale, non solo per le aziende del settore, ma anche per tutte le altre. Ed è così che le aziende di tutto il mondo si muovono per imparare e adottare questa nuova tecnologia, per spostare i loro centri dati e le loro applicazioni nel Cloud. Ma dove e quando nasce il Cloud Computing? Quali sono realmente i benefici per le aziende che adottano questa tecnologia? Questo è l'obiettivo della mia tesi: cercare di far chiarezza sulla sua definizione, indagare sulla sua nascita e fare un quadro economico del suo sviluppo, analizzando i benefici per le aziende e le opportunità offerte. Come caso di studio ho scelto la piattaforma Cloud Foundry perchè in questo momento è in forte espansione e sta facendo un grosso lavoro per cercare di rendere il suo prodotto uno standard per il Cloud Computing. Come esempio particolare di piattaforma basata su Cloud Foundry si parlerà di Bluemix, la piattaforma Cloud offerta da IBM, una delle più grandi aziende nel settore informatico.

Problematiche di trust e privacy negli ambienti di cloud computing

Questa tesi si prefigge l’obiettivo di analizzare alcuni aspetti critici della sicurezza in ambito cloud. In particolare, i problemi legati alla privacy, dai termini di utilizzo alla sicurezza dei dati personali più o meno sensibili. L’aumento esponenziale di dati memorizzati nei sistemi di cloud storage (es. Dropbox, Amazon S3) pone il problema della sensibilità dei dati su un piano tutt'altro che banale, dovuto anche a non ben chiare politiche di utilizzo dei dati, sia in termini di cessione degli stessi a società di terze parti, sia per quanto riguarda le responsabilità legali. Questa tesi cerca di approfondire ed esaminare le mancanze più preoccupanti degli stessi. Oltre ad analizzare le principali criticità e i punti deboli dei servizi cloud, l’obiettivo di questo lavoro sarà quello di fare chiarezza sui passi e le infrastrutture che alcune aziende (es. Amazon) hanno implementato per avvicinarsi all’idea di 'safeness' nel cloud. Infine, l’ultimo obiettivo posto sarà l’individuazione di criteri per la valutazione/misura del grado di fiducia che l’utente può porre in questo contesto, distinguendo diversi criteri per classi di utenti. La tesi è strutturata in 4 capitoli: nel primo sarà effettuata una tassonomia dei problemi presenti nei sistemi cloud. Verranno presentati anche alcuni avvenimenti della storia recente, in cui queste problematiche sono affiorate. Nel secondo capitolo saranno trattate le strategie di 'safeness' adottate da alcune aziende, in ambito cloud. Inoltre, saranno presentate alcune possibili soluzioni, dal punto di vista architetturale. Si vedrà come il ruolo dell'utente sarà di estrema importanza. Il terzo capitolo sarà incentrato sulla ricerca di strumenti e metodi di valutazione che un utente, o gruppo di utenti, può utilizzare nei confronti di questi sistemi. Infine, il quarto capitolo conterrà alcune considerazioni conlusive sul lavoro svolto e sui possibili sviluppi di questa tesi.

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.

Programmazione di Sistemi Embedded con Linguaggi ad Agenti: un caso di studio basato su Jason e Arduino

I paradigmi di programmazione più utilizzati nella realizzazione di sistemi embedded presentano delle limitazioni, in quanto non consentono di modellare alcuni aspetti fondamentali. Il paradigma ad agenti presenta delle caratteristiche che consentono di modellare alcuni aspetti fondamenetali di un sistema embedded, oltre a fornire un livello di astrazione più elevato. All'interno di questa tesi verranno mostrati i concetti fondamentali di questo paradigma, mostrando inoltre i costrutti di base di un linguaggio ad agenti come Jason. Nella programmazione ad agenti, l'ambiente riveste un ruolo fondomentale. All'interno di questa trattazione verrà introdotto un paradigma per la programmazione di ambienti, descrivendo inoltre il framework di riferimento: CArtAgo. Dopo aver descritto i concetti e gli strumenti per applicare il paradigma ad agenti, verrà proposto un metodo per la realizzazione di sistemi embedded tramite l'applicazione di Jason sulla scheda di prototipazione Arduino.

Applicazioni di tecnologie IoT e wearable alla domotica: un caso di studio

Oggigiorno milioni di persone fanno uso di Internet per gli utilizzi più disparati: dalla ricerca di informazioni sul Web al gioco online; dall'invio e ricezione di email all'uso di applicazioni social e tante altre attività. Mentre milioni di dispositivi ci offrono queste possibilità, un grande passo in avanti sta avvenendo in relazione all'uso di Internet come una piattaforma globale che permetta a oggetti di tutti i giorni di coordinarsi e comunicare tra di loro. È in quest'ottica che nasce Internet of Things, l'Internet delle cose, dove un piccolo oggetto come un braccialetto può avere un grande impatto nel campo medico per il monitoraggio da remoto di parametri vitali o per la localizzazione di pazienti e personale e l'effettuazione di diagnosi da remoto; dove un semplice sensore ad infrarosso può allertarci a distanza di una presenza non autorizzata all'interno della nostra abitazione; dove un'autovettura è in grado di leggere i dati dai sensori distribuiti sulla strada. Questa tesi vuole ripercorrere gli aspetti fondamentali di Internet of Things, dai sistemi embedded fino alla loro applicazione nella vita odierna, illustrando infine un progetto che mostra come alcune tecnologie IoT e wearable possano integrarsi nella domotica, come per esempio l'utilizzo di uno smartwatch, come Apple Watch, per il controllo dell'abitazione.

Implementazione di una infrastruttura basata su Kafka e Storm per il Mobile Cloud computing

Lo scopo dell'elaborato di tesi è l'analisi, progettazione e sviluppo di un prototipo di una infrastruttura cloud in grado di gestire un grande flusso di eventi generati da dispositivi mobili. Questi utilizzano informazioni come la posizione assunta e il valore dei sensori locali di cui possono essere equipaggiati al fine di realizzare il proprio funzionamento. Le informazioni così ottenute vengono trasmesse in modo da ottenere una rete di device in grado di acquisire autonomamente informazioni sull'ambiente ed auto-organizzarsi. La costruzione di tale struttura si colloca in un più ampio ambito di ricerca che punta a integrare metodi per la comunicazione ravvicinata con il cloud al fine di permettere la comunicazione tra dispositivi vicini in qualsiasi situazione che si potrebbe presentare in una situazione reale. A definire le specifiche della infrastruttura e quindi a impersonare il ruolo di committente è stato il relatore, Prof. Mirko Viroli, mentre lo sviluppo è stato portato avanti da me e dal correlatore, Ing. Pietro Brunetti. Visti gli studi precedenti riguardanti il cloud computing nell'area dei sistemi complessi distribuiti, Brunetti ha dato il maggiore contributo nella fase di analisi del problema e di progettazione mentre la parte riguardante la effettiva gestione degli eventi, le computazioni in cloud e lo storage dei dati è stata maggiormente affrontata da me. In particolare mi sono occupato dello studio e della implementazione del backend computazionale, basato sulla tecnologia Apache Storm, della componente di storage dei dati, basata su Neo4j, e della costruzione di un pannello di visualizzazione basato su AJAX e Linkurious. A questo va aggiunto lo studio su Apache Kafka, utilizzato come tecnologia per realizzare la comunicazione asincrona ad alte performance tra le componenti. Si è reso necessario costruire un simulatore al fine di condurre i test per verificare il funzionamento della infrastruttura prototipale e per saggiarne l'effettiva scalabilità, considerato il potenziale numero di dispositivi da sostenere che può andare dalle decine alle migliaia. La sfida più importante riguarda la gestione della vicinanza tra dispositivi e la possibilità di scalare la computazione su più macchine. Per questo motivo è stato necessario far uso di tecnologie per l'esecuzione delle operazioni di memorizzazione, calcolo e trasmissione dei dati in grado di essere eseguite su un cluster e garantire una accettabile fault-tolerancy. Da questo punto di vista i lavori che hanno portato alla costruzione della infrastruttura sono risultati essere un'ottima occasione per prendere familiarità con tecnologie prima sconosciute. Quasi tutte le tecnologie utilizzate fanno parte dell'ecosistema Apache e, come esposto all'interno della tesi, stanno ricevendo una grande attenzione da importanti realtà proprio in questo periodo, specialmente Apache Storm e Kafka. Il software prodotto per la costruzione della infrastruttura è completamente sviluppato in Java a cui si aggiunge la componente web di visualizzazione sviluppata in Javascript.