Dipartimento di Fisica dell`Università di Bologna Nuovi orizzonti di

Caso di successo Microsoft
Infrastruttura
Dipartimento di Fisica dell’Università di Bologna
Nuovi orizzonti di ricerca con il calcolo ad
alte prestazioni
Informazioni generali
Settore
Education
Il Cliente
Il Dipartimento di Fisica dell’Università di
Bologna è sede di alcuni importanti
laboratori di enti di ricerca italiani, come
la Sezione di Bologna dell'Istituto
Nazionale di Fisica Nucleare, e
collabora attivamente con il Centro
Nazionale per la Ricerca e lo Sviluppo
delle Tecnologie Informatiche e la
sezione locale dell'Istituto Nazionale di
Geofisica e Vulcanologia. È inoltre sede
di uno dei centri di calcolo Linux più
potenti al mondo per l’analisi dei dati
provenienti dal CERN di Ginevra.
Le Esigenze
 Disporre di una piattaforma hardware
e software in grado di effettuare
calcoli complessi ad alta velocità
 Evitare la riscrittura del codice
esistente
 Ottenere un sistema portatile per
effettuare acquisizioni ad alta
risoluzione ed elaborazioni di
immagini tridimensionali
La Soluzione
 Predisposizione di un cluster di prova
su Microsoft Windows HPC Server
2008 nel centro di ricerca Microsoft
 Porting e ottimizzazione del codice
sviluppato da X-Ray Imaging Group
con Microsoft Visual Studio 2008
 Realizzazione nel laboratorio del
Dipartimento di Fisica di un cluster a 4
nodi e 8 core
 Configurazione dell’architettura di
calcolo parallelo
I Benefici
 Accelerazione dei tempi di calcolo di
un fattore anche fino a 75 con il nuovo
cluster
 Riduzione da 20 giorni a 6 ore con il
nuovo cluster dei calcoli necessari per
la tomografia della statua Kongo
Rikishi
 Possibilità di eseguire analisi
tomografiche complete in tempo reale
 Apertura di nuove possibilità
applicative nel campo dei beni
culturali e della medicina
“Il sistema operativo Microsoft per il calcolo parallelo ci permette di
sviluppare algoritmi per applicazioni che non avremmo mai potuto
considerare utilizzando strumenti tradizionali di elaborazione dei dati,
con l’ulteriore vantaggio derivato da un riutilizzo efficiente del codice
già scritto in ambiente Windows”.
— Prog. Giuseppe Levi, gruppo di ricerca X-Ray Imaging Group, Dipartimento di
Fisica dell’Università di Bologna
Un centro di eccellenza italiano nell’ambito dell’analisi tomografica supera i
vincoli legati alla potenza di calcolo e realizza un sistema unico al mondo per
lo studio dei Beni Culturali. La piattaforma di calcolo parallelo necessaria per
l’elaborazione in tempo reale di immagini radiografiche per la tomografia
tridimensionale è stata sviluppata con Microsoft Windows HPC Server,
mentre Microsoft Visual Studio 2008 ha consentito il porting del codice
evitandone la riscrittura.
Le Esigenze
Il sistema Windows HPC Server al
servizio di una tecnologia innovativa
sviluppata dai ricercatori italiani
All’interno del Dipartimento di Fisica
dell’Università di Bologna, il gruppo di
ricerca X-Ray Imaging Group sviluppa
tecniche di tomografia computerizzata per i
beni culturali, per la medicina e per
l’industria. La ricerca nell’ambito dell’analisi
tomografica è consolidata da molti anni,
ma recentemente il gruppo guidato dal
Professor Franco Casali ha sviluppato
strumenti e metodi innovativi per l’analisi
tomografica ad alta risoluzione su opere
d’arte di grandi dimensioni. I dispositivi e i
software per l’acquisizione, l’elaborazione
dei dati e la generazione di immagini
tridimensionali sviluppati da questo gruppo
di ricercatori costituiscono un’eccellenza
unica al mondo, il cui campo di
applicazione si estende dalla tutela delle
opere d’arte alla medicina. Le nuove
tecniche di analisi hanno determinato un
forte impatto sui sistemi di elaborazione dei
dati e una recente tomografia, effettuata in
collaborazione con il Centro di
Conservazione e Restauro “La Venaria
Reale” (Torino), sulla statua giapponese
alta più di 2 metri Kongo Rikishi del
tredicesimo secolo ha generato 24.000
radiografie e 120 Gigabyte di dati,
impegnando i ricercatori per due mesi. Il
software di elaborazione utilizzato dall’XRay Imaging Group e sviluppato in
collaborazione con Lawrence Livermore
National Laboratory è scritto in C++ e
installato su un computer con processore
Intel Dual Core e sistema operativo
Microsoft Windows XP Professional.
Questo sistema ha impiegato 20 giorni per
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effettuare i calcoli necessari alla
restituzione visiva dell’analisi tomografica.
“La risoluzione delle radiografie effettuate
con i nuovi strumenti è tripla rispetto agli
standard medicali e l’algoritmo di
elaborazione dei dati è molto complesso”,
spiegano i ricercatori del X-Ray Imaging
Group. “I tempi di computazione dei dati
sui computer del nostro laboratorio
risultavano inaccettabili per l’analisi delle
opere di grandi dimensioni e abbiamo
quindi valutato quali sistemi informatici
avrebbero potuto offrirci la potenza di
calcolo necessaria per un sistema che ha
fra i suoi punti forza la portabilità e la
possibilità di effettuare analisi rapide di
grandi oggetti. Le tecnologie di calcolo
parallelo costituivano la soluzione adatta al
nostro obiettivo di ridurre ad alcune ore il
processo di ricostruzione delle immagini
tomografiche”.
La Soluzione
Dai primi test nel centro di ricerca
Microsoft a una rapida
implementazione dell’architettura ad
alte prestazioni nei laboratori del
Dipartimento di Fisica
La disponibilità di cluster in ambiente Linux
presso i centri di ricerca universitari
avrebbe potuto offrire una soluzione alle
necessità di calcolo per l’analisi
tomografica, ma sarebbe risultata
necessaria una riscrittura parziale del
codice già sviluppato su piattaforma
Microsoft Windows. Sarebbero inoltre
emersi problemi di compatibilità con gli
strumenti commerciali di acquisizione delle
immagini aventi il supporto nativo su
Windows e difficoltà nella costruzione di un
sistema compatto e facilmente
trasportabile nelle località dove sono
collocati gli oggetti da sottoporre ad analisi.
Microsoft ha messo a disposizione il
proprio centro di ricerca di Redmond per
effettuare test su tecnologia Windows HPC
Server 2008 delle applicazioni sviluppate
dall’ X-Ray Imaging Group di Bologna. I
dati provenienti da una scansione
tomografica sono stati trasferiti su un
cluster configurato da Microsoft per le
esigenze dei ricercatori e il codice software
è stato ricompilato in brevissimo tempo con
Microsoft Visual Studio 2008. Dopo la
definizione degli script di automazione del
processo di restituzione grafica sono
cominciati test con oggetti di complessità
crescente e i risultati hanno superato ogni
aspettativa. La base tecnologica per la
nuova architettura di calcolo ad alte
prestazioni era così definita e pronta per
poter essere impiegata nei laboratori del
Dipartimento di Fisica dell’Università di
Bologna.
“Dopo i risultati positivi ottenuti a Redmond
abbiamo configurato un cluster locale con
la massima facilità nella nostra sede e in
poche ore abbiamo definito l’immagine per
i nodi, inviandola a tutte le macchine e
predisponendo così la nuova architettura di
calcolo parallelo”, afferma il Professor
Giuseppe Levi. “Ritengo che una simile
operazione su sistemi Linux avrebbe
presentato un maggior livello di
complessità, mentre la piattaforma
Microsoft ha anche consentito di effettuare
un debug con Visual Studio 2008 che ha
eliminato alcuni difetti del codice originale,
rendendolo più solido e contribuendo
all’aumento di prestazioni”.
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Il laboratorio dell’X-Ray Imaging Group è
stato rapidamente dotato di un cluster a 4
nodi e 8 core, gestito da Microsoft HPC
Server 2008 SP1 e dotato degli strumenti
di gestione Job Management Utility e Node
Management Utility. Entro breve verrà
aumentata la capacità di banda della rete
d’interconnessione dei nodi con tecnologia
infiniband per ottenere un sistema a
elevate prestazioni, basso costo e ridotto
impegno di gestione sistemistica.
“La semplicità di utilizzo degli strumenti
Microsoft per la configurazione del calcolo
parallelo è impressionante e il software di
distribuzione dei job si è rivelato
estremamente intuitivo”, afferma Rosa
Brancaccio, ricercatrice del Dipartimento di
Fisica dell’Università di Bologna. “Il porting
del codice è stato immediato e abbiamo
anche ottenuto la possibilità di controllare
in tempo reale l’esito di ogni singolo task”.
“Il rapporto instauratosi con l’Università ha
portato Microsoft alla decisione di
espandere il servizio di test e consulenza a
Independent Software Vendors (ISVs) e
clienti selezionati. Clusters di diverse
dimensioni sono ora utilizzati con successo
da vari istituti per provare tecnologie non
ancora rilasciate sul mercato (come HPC
Server 2008 R2) o portare i propri codici su
piattaforma Windows”, afferma Giovanni
Marchetti, architetto di infrastrutture
informatiche che ha collaborato al progetto
per conto di Microsoft a Redmond.
I Benefici
I cluster in parallelo offrono
un’enorme accelerazione della
capacità computazionale con un
sistema compatto e flessibile
I test effettuati nel centro ricerche di
Microsoft su un’architettura a 64 bit con 20
core distribuiti su 5 nodi hanno permesso
di ottenere una riduzione dei tempi di
calcolo di un fattore 28. La nuova
piattaforma realizzata su tecnologia
Microsoft Windows HPC Server 2008 nei
laboratori del Dipartimento di Fisica utilizza
un maggior numero di processori per
ottenere un sistema ad altissime
prestazioni, fino ad un accelerazione di un
fattore 75, con la semplicità di
configurazione e la flessibilità della
piattaforma Microsoft Windows.
“L’ottimizzazione del nostro codice
realizzata con Microsoft Visual Studio 2008
e la nuova logica di calcolo parallelo hanno
determinato un’accelerazione sovralineare
nei tempi di elaborazione dei dati”,
sottolinea il Professor Levi. “Il passaggio
dai nostri precedenti sistemi con dual core
a 20 core utilizzati nei test ha ridotto i tempi
di un fattore molto superiore a quanto ci
aspettavamo e nel nuovo sistema di analisi
tomografica questo significa ridurre a sole
6 ore il tempi di elaborazione delle
immagini per un grande oggetto come la
statua del Kongo Rikishi”.
Questa drastica riduzione dei tempi di
produzione dei risultati è considerata dai
ricercatori fondamentale, insieme alla
portabilità del sistema, per effettuare
successive acquisizioni in caso di
contrattempi o necessità particolari. La
riduzione da 20 giorni a 17 ore dei calcoli
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necessari per la tomografia del Kongo
Rikishi dimostra la velocità del nuovo
sistema e consente un’ulteriore evoluzione
degli algoritmi di ricostruzione
tridimensionale, aprendo così nuovi
orizzonti di ricerca.
Il calcolo ad alte prestazioni rende
possibile la ricerca su nuovi scenari
applicativi nel campo dei beni
culturali e nella medicina
L’X-Ray Imaging Group di Bologna è
attualmente l’unico gruppo di ricerca al
mondo in grado di effettuare analisi
tomografiche su oggetti di grandi
dimensioni. L’architettura di calcolo
parallelo realizzata con Microsoft Windows
HPC Server 2008 permette oggi di
evolvere ulteriormente gli algoritmi per
ridurre il “rumore” e ottenere rendering
tridimensionali in tempo reale ad altissima
risoluzione direttamente sul luogo di
acquisizione delle immagini radiografiche.
Le tecniche tomografiche sviluppate dal
Dipartimento di Fisica trovano poi
un’ulteriore applicazione nel campo della
medicina.
“Questa rapida evoluzione del nostro
sistema ottenuta con il calcolo parallelo ci
permetterà entro breve di effettuare analisi
con algoritmi molto complessi, come ad
esempio sistemi di riduzione del rumore
dovuto alla diffusione nel caso delle statue
in marmo che richiedono alte energie,
mentre nelle applicazioni medicali
consentirà di effettuare TAC ad altissima
risoluzione passando dall’attuale mezzo
millimetro a un ventesimo di millimetro”,
afferma Rosa Brancaccio. “La possibilità di
effettuare elaborazioni in tempo reale
risolverà i problemi legati ai piccoli
movimenti del paziente e permetterà di
sottoporre a TAC numerosi pazienti tutti i
giorni, mentre l’altissima risoluzione delle
immagini offrirà diagnosi molto più
accurate rispetto alle attuali”.
La piattaforma di analisi tomografica
sviluppata con Microsoft Windows HPC
Server 2008 ha quindi aperto scenari fino a
ieri impensabili a causa delle limitazioni
computazionali. L’analisi in tempo reale di
grandi oggetti e le nuove applicazioni
medicali costituiscono i primi risultati
ottenuti con la grande potenza di calcolo
oggi disponibile e con la possibilità di
integrare in un framework tecnologico
standard gli applicativi di acquisizione,
ricostruzione e visualizzazione, anche
introducendo algoritmi di intelligenza
artificiale per automatizzare l’intero
processo.
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“Il sistema operativo Microsoft per il calcolo
parallelo ci permette di sviluppare algoritmi
per applicazioni che non avremmo mai
potuto considerare utilizzando strumenti
tradizionali di elaborazione dei dati, con
l’ulteriore vantaggio derivato da un riutilizzo
efficiente del codice già scritto in ambiente
Windows”, conclude il Professor Giuseppe
Levi. “Alla luce dell’esperienza compiuta
con questa piattaforma per il calcolo ad
alte prestazioni ritengo che in breve tempo
Windows HPC Server 2008 costituirà la
piattaforma ideale per numerose tipologie
di applicazioni”.
Prodotti e tecnologie

Microsoft Windows HPC Server 2008
SP1

Microsoft Visual Studio® 2008.
®
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Pubblicato novembre 2009
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