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.

Analisi e progettazione di un sistema di link discovery semi-automatico nell'ambito dei Linked Open Data

Lo scopo di questo elaborato è di analizzare e progettare un sistema in grado di supportare la definizione dei dati nel formato utilizzato per definire in modo formale la semantica dei dati, ma soprattutto nella complessa e innovativa attività di link discovery. Una attività molto potente che, tramite gli strumenti e le regole del Web Semantico (chiamato anche Web of Data), permette data una base di conoscenza sorgente ed altre basi di conoscenza esterne e distribuite nel Web, di interconnettere i dati della base di conoscenza sorgente a quelli esterni sulla base di complessi algoritmi di interlinking. Questi algoritmi fanno si che i concetti espressi sulla base di dati sorgente ed esterne vengano interconnessi esprimendo la semantica del collegamento ed in base a dei complessi criteri di confronto definiti nel suddetto algoritmo. Tramite questa attività si è in grado quindi di aumentare notevolmente la conoscenza della base di conoscenza sorgente, se poi tutte le basi di conoscenza presenti nel Web of Data seguissero questo procedimento, la conoscenza definita aumenterebbe fino a livelli che sono limitati solo dalla immensa vastità del Web, dando una potenza di elaborazione dei dati senza eguali. Per mezzo di questo sistema si ha l’ambizioso obiettivo di fornire uno strumento che permetta di aumentare sensibilmente la presenza dei Linked Open Data principalmente sul territorio nazionale ma anche su quello internazionale, a supporto di enti pubblici e privati che tramite questo sistema hanno la possibilità di aprire nuovi scenari di business e di utilizzo dei dati, dando una potenza al dato che attualmente è solo immaginabile.

Tecniche di resource discovery nel grid computing

In questa tesi vengono analizzate le principali tecniche di Resource Discovery in uso nei sistemi di Grid Computing, valutando i principali vantaggi e svantaggi di ogni soluzione. Particolare attenzione verrà riposta sul Resource Discovery ad Agenti, che si propone come architettura capace di risolvere in maniera definitiva i classici problemi di queste reti. All'interno dell'elaborato, inoltre, ogni tecnica presentata verrà arricchita con una sua implementazione pratica: tra queste, ricordiamo MDS, Chord e l'implementazione Kang.

Assimilation of data from conventional and non conventional networks through a LETKF scheme in the COSMO model

The present work studies a km-scale data assimilation scheme based on a LETKF developed for the COSMO model. The aim is to evaluate the impact of the assimilation of two different types of data: temperature, humidity, pressure and wind data from conventional networks (SYNOP, TEMP, AIREP reports) and 3d reflectivity from radar volume. A 3-hourly continuous assimilation cycle has been implemented over an Italian domain, based on a 20 member ensemble, with boundary conditions provided from ECMWF ENS. Three different experiments have been run for evaluating the performance of the assimilation on one week in October 2014 during which Genova flood and Parma flood took place: a control run of the data assimilation cycle with assimilation of data from conventional networks only, a second run in which the SPPT scheme is activated into the COSMO model, a third run in which also reflectivity volumes from meteorological radar are assimilated. Objective evaluation of the experiments has been carried out both on case studies and on the entire week: check of the analysis increments, computing the Desroziers statistics for SYNOP, TEMP, AIREP and RADAR, over the Italian domain, verification of the analyses against data not assimilated (temperature at the lowest model level objectively verified against SYNOP data), and objective verification of the deterministic forecasts initialised with the KENDA analyses for each of the three experiments.

Elaborazione di Big Data: un’applicazione dello Speed Layer di Lambda Architecture

I Big Data hanno forgiato nuove tecnologie che migliorano la qualità della vita utilizzando la combinazione di rappresentazioni eterogenee di dati in varie discipline. Occorre, quindi, un sistema realtime in grado di computare i dati in tempo reale. Tale sistema viene denominato speed layer, come si evince dal nome si è pensato a garantire che i nuovi dati siano restituiti dalle query funcions con la rapidità in cui essi arrivano. Il lavoro di tesi verte sulla realizzazione di un’architettura che si rifaccia allo Speed Layer della Lambda Architecture e che sia in grado di ricevere dati metereologici pubblicati su una coda MQTT, elaborarli in tempo reale e memorizzarli in un database per renderli disponibili ai Data Scientist. L’ambiente di programmazione utilizzato è JAVA, il progetto è stato installato sulla piattaforma Hortonworks che si basa sul framework Hadoop e sul sistema di computazione Storm, che permette di lavorare con flussi di dati illimitati, effettuando l’elaborazione in tempo reale. A differenza dei tradizionali approcci di stream-processing con reti di code e workers, Storm è fault-tolerance e scalabile. Gli sforzi dedicati al suo sviluppo da parte della Apache Software Foundation, il crescente utilizzo in ambito di produzione di importanti aziende, il supporto da parte delle compagnie di cloud hosting sono segnali che questa tecnologia prenderà sempre più piede come soluzione per la gestione di computazioni distribuite orientate agli eventi. Per poter memorizzare e analizzare queste moli di dati, che da sempre hanno costituito una problematica non superabile con i database tradizionali, è stato utilizzato un database non relazionale: HBase.

Measurements of Higgs boson production and couplings in diboson final states with the ATLAS detector at the LHC

Measurements are presented of production properties and couplings of the recently discovered Higgs boson using the decays into boson pairs, H --> gamma-gamma, H --> ZZ* --> 4 leptons and H --> WW --> 2 leptons + 2 neutrinos. The results are based on the complete pp collision data sample recorded by the ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider at centre-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of about 25/fb. Evidence for Higgs boson production through vector-boson fusion is reported. Results of combined fits probing Higgs boson couplings to fermions and bosons, as well as anomalous contributions to loop-induced production and decay modes, are presented. All measurements are consistent with expectations for the Standard Model Higgs boson.

Search for Extra Dimensions in diphoton events using proton-proton collisions recorded at sqrts=7 TeV with the ATLAS detector at the LHC

The large difference between the Planck scale and the electroweak scale, known as the hierarchy problem, is addressed in certain models through the postulate of extra spatial dimensions. A search for evidence of extra spatial dimensions in the diphoton channel has been performed using the full set of proton-proton collisions at root s = 7 TeV recorded in 2011 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. This dataset corresponds to an integrated luminosity of 4.9 fb(-1). The diphoton invariant mass spectrum is observed to be in good agreement with the Standard Model expectation. In the context of the model proposed by Arkani-Hamed, Dimopoulos and Dvali, 95% confidence level lower limits of between 2.52 and 3.92 TeV are set on the ultraviolet cutoff scale MS depending on the number of extra dimensions and the theoretical formalism used. In the context of the Randall-Sundrum model, a lower limit of 2.06 (1.00) TeV at 95% confidence level is set on the mass of the lightest graviton for couplings of k/(M) over bar (Pl) = 0.1(0.01). Combining with the ATLAS dilepton searches based on the 2011 data, the 95% confidence level lower limit on the Randall-Sundrum graviton mass is further tightened to 2.23 (1.03) TeV for k/(M) over bar (Pl) = 0.1(0.01).

Electron and photon energy calibration with the ATLAS detector using LHC Run 1 data

This paper presents the electron and photon energy calibration achieved with the ATLAS detector using about 25 fb−1 of LHC proton–proton collision data taken at centre-of-mass energies of √s = 7 and 8 TeV. The reconstruction of electron and photon energies is optimised using multivariate algorithms. The response of the calorimeter layers is equalised in data and simulation, and the longitudinal profile of the electromagnetic showers is exploited to estimate the passive material in front of the calorimeter and reoptimise the detector simulation. After all corrections, the Z resonance is used to set the absolute energy scale. For electrons from Z decays, the achieved calibration is typically accurate to 0.05% in most of the detector acceptance, rising to 0.2% in regions with large amounts of passive material. The remaining inaccuracy is less than 0.2–1% for electrons with a transverse energy of 10 GeV, and is on average 0.3% for photons. The detector resolution is determined with a relative inaccuracy of less than 10% for electrons and photons up to 60 GeV transverse energy, rising to 40% for transverse energies above 500 GeV.

Measurement of the muon reconstruction performance of the ATLAS detector using 2011 and 2012 LHC proton-proton collision data

This paper presents the performance of the ATLAS muon reconstruction during the LHC run with pp collisions at √s = 7–8 TeV in 2011–2012, focusing mainly on data collected in 2012. Measurements of the reconstruction efficiency and of the momentum scale and resolution, based on large reference samples of J/ψ → μμ, Z → μμ and ϒ → μμ decays, are presented and compared to Monte Carlo simulations. Corrections to the simulation, to be used in physics analysis, are provided. Over most of the covered phase space (muon |η| < 2.7 and 5 ≲ pT ≲ 100 GeV) the efficiency is above 99% and is measured with per-mille precision. The momentum resolution ranges from 1.7% at central rapidity and for transverse momentum pT ≅ 10 GeV, to 4% at large rapidity and pT ≅ 100 GeV. The momentum scale is known with an uncertainty of 0.05% to 0.2% depending on rapidity. A method for the recovery of final state radiation from the muons is also presented.