Revista >> Martie 2022 [Nr. 242] >> Cercetare & Invatamant superior

CloudUT - De la probleme reale la soluții științifice

Prof. dr. ing. Dorian Gorgan, Facultatea de Automatica si Calculatoare, UTCN

18 Martie 2022

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca (UTCN) a semnat în luna aprilie 2020 contractul de finanțare din fonduri structurale în valoare nerambursabilă de aproape 5 milioane de lei pentru proiectul cu titlul „Cloud Cercetare UTCN-CLOUDUT” (http://cloudut.utcluj.ro). Proiectul CLOUDUT este cofinanțat din Fondul European de Dezvoltare Regională prin Programul Operațional Competitivitate 2014-2020, Axa 1, în cadrul apelului de proiecte „Dezvoltarea unor rețele de centre CD, coordonate la nivel național și racordate la rețele europene și internaționale de profil și asigurarea accesului cercetătorilor la publicații științifice și baze de date europene și internaționale”.

Cu o perioadă de implementare de 2 ani (2020-2022) și alți 5 ani de durabilitate (2022-2027), obiectivele principale ale proiectului se concentrează pe crearea unei infrastructuri de calcul de înaltă performanță, numită CloudUT și creșterea capacității de cercetare și colaborare a colectivelor de cercetare științifică interdisciplinară din Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca (UTCN).
Dezvoltarea unei infrastructuri de calcul de înaltă performanță, integrabilă în structuri naționale și internaționale de tip cloud și sisteme de date masive reprezintă principalul deziderat al proiectului care se integrează în Strategia de dezvoltare instituțională a universității privind Dezvoltarea infrastructurii de cercetare-inovare.
Infrastructura CloudUT, în special datorită capabilității flexibile de configurare și extindere dinamică a serviciilor după necesitățile colectivelor și proiectelor de cercetare beneficiare, permite o mai bună valorificare atât a resurselor de procesare, cât și a potențialului științific uman. Se are în vedere refolosirea mult mai eficientă a rezultatelor proiectelor de cercetare, a aplicațiilor și serviciilor software, a modelelor de date și a lucrărilor științifice elaborate în domeniul științific și ingineresc. Toate aceste rezultate constituie un portofoliu prin care colectivele de cercetare din UTCN pot aduce o contribuție mai valoroasă în consorțiile unor proiecte internaționale de cercetare.
De asemenea, infrastructura de calcul de tip cloud și centrul de date masive constituie baza și cadrul unor colaborări interdisciplinare între diferitele colective de cercetare din Universitatea Tehnică și de creștere a capacității de participare în proiecte naționale și internaționale de cercetare în domeniile big data, inteligență artificială, date spațiale, date satelitare sau Internet of Things (IoT). Această capacitate științifică și profesională permite utilizarea acestor tehnologii într-o gamă largă de aplicații inginerești, economice și administrative, solicitate de mediul economic regional și național.
Implementarea proiectului permite susținerea cu prioritate a temelor de cercetare cu potențial de performanță crescută pentru universitate, în acord cu programul Orizont Europe și respectiv cu Strategia națională de cercetare, dezvoltare și inovare 2021-2027. De asemenea, crește capacitatea de cercetare, în scopul ridicării nivelului de competitivitate științifică pe plan internațional al Universității Tehnice din Cluj-Napoca, implicit și al comunității științifice locale și regionale.

CloudUT – Infrastructura de calcul de înaltă performanță
Infrastructura CloudUT de bază (Figura 1) a fost proiectată si dezvoltată pentru particularitățile UTCN, astfel încât să îndeplinească cerințele și performanțele necesare proiectelor de cercetare din domeniul științific și ingineresc specific universitar.

Au fost achiziționate:
● Echipamente IT pentru comunicații și echipamente conexe necesare realizării infrastructurii CLOUDUT compusă, în principal, din 10 noduri totalizând 20 procesoare, 320 nuclee de calcul si 5.120 GB RAM, 2 noduri GPU, 2 noduri pentru management, unitate de stocare 72TB, interconectate intern la 25Gbps și extern la 10 Gbps. Fiecare nod GPU are 2 procesoare cu 20 core-uri, 512GB, 1TB SSD, 2 acceleratoare Tesla V100 GPU cu câte 640 tensor cores și 5.120 nuclee CUDA, 32GB memorie dedicată și suport pentru virtualizare. Un nod GPU are în plus un accelerator de calcul intensiv NVIDIA A100 GPU 40GB;
● Aplicații informatice și licențe pentru software (platforma VMware cu suport pentru management, virtualizare, orchestrare și automatizare, cu capabilități vCloud);
● Servicii de asistență tehnică și consultanță;
● Servicii de instruire a personalului de exploatare.
Infrastructura de calcul de înaltă performanță CloudUT a devenit deja funcțională la începutul anului 2021, iar echipa de experți a început să lucreze la dezvoltarea și experimentarea unor aplicații și servicii informatice specifice domeniului științific și ingineresc din UTCN. Principalele teme de interes au fost big data, inteligență artificială, robotică, date spațiale, date satelitare, IoT, simulare complexă și proiectare asistată de calculator.
Proiectul CLOUDUT a implementat infrastructura CloudUT pentru întreaga comunitate de cercetare din UTCN, iar începând cu 1 noiembrie 2021 infrastructura CloudUT a trecut în faza de exploatare experimentală. În această fază, colectivele de cercetare și implementare proiecte din UTCN încep să folosească intensiv experimental infrastructura CloudUT.
Pentru o cât mai simplă și eficientă utilizare a infrastructurii CloudUT de către toate colectivele de cercetare din UTCN, s-a înființat Centrul CloudUT ca o structură organizatorică care asigură, prin grupul de experți, managementul infrastructurii CloudUT și consultanța științifică, tehnică și tehnologică necesară colectivelor de cercetare care exploatează infrastructura de calcul în activitatea de cercetare. Utilizarea infrastructurii se face conform unor politici de utilizare și a unor proceduri operaționale prezentate pe pagina web a Centrului CloudUT (https://cloudut.utcluj.ro/cloudut-politici-de-utilizare/).
Comunicarea Centrului CloudUT cu comunitatea științifică din UTCN se realizează online prin intermediul aplicației Ticketing care permite: (1) Solicitarea unor resurse de calcul performant (Mașină Virtuală); (2) Solicitarea unei consultanțe grupului de experți CloudUT; (3) Raportarea unei probleme generale în utilizarea infrastructurii; (4) Probleme referitoare la utilizarea unor aplicații, servicii cloud sau resurse de calcul; (5) Solicitare Webhosting în CloudUT.
Centrul CloudUT și aplicația Ticketing au fost prezentate și lansate în exploatare la Conferința Cercetării în UTCN, din cadrulediției 2021 a Salonului Cercetării, Inovării și Inventicii Pro Invent (https://proinvent.utcluj.ro/index.html).

Parteneriate și colaborări
S-au încheiat acorduri de colaborare cu organizații naționale și internaționale pentru standardizarea, interconectarea și utilizarea resurselor de calcul în sisteme cloud europene: Organization for the Advancement of Structured Information Standard (OASIS), University of Geneva (UNIGE), European Open Science Cloud (EOSC), sau sisteme cloud din țară: Universitatea Politehnica din București (UPB), Universitatea Politehnica din Timișoara (UPT), Institutul Național de Cercetare – Dezvoltare în Informatică București (ICI).
Prin proiectul CLOUDUT, UTCN a aderatîn iunie 2021 ca membru la Inițiativa Națională privind Cloud pentru Știința Deschisă (RO-NOSCI). RO-NOSCI (https://uefiscdi.gov.ro/ro-nosci) reprezintă o coaliție de organizații la nivel național având ca scop constituirea unui cloud național pentru știință deschisă, în contextul dezvoltării ecosistemuluiEuropean Open Science Cloud (https://eosc.eu, https://eosc-portal.eu). Inițiativa Cloud European pentru Știință Deschisă (EOSC) reprezintă principalul suport pentru găzduirea și prelucrarea datelor de cercetare pentru a sprijini activitatea științifică în Uniunea Europeană.

Aplicații și servicii CloudUT
Echipa de experți din Centrul CloudUT a dezvoltat și experimentat o serie de aplicații și servicii specifice necesare cercetării științifice și tehnologice în domenii tehnice și inginerești (Figura 2. Aplicații și servicii CloudUT: (a) Utilizare Matlab și PyTorch în aplicații de viziune artificială; (b) Utilizarea Ansys în simulare complexă și Figura 3).

Temele științifice sunt din domeniile bigdata, deep learning, IOT, simulare complexă, proiectare asistată de calculator. Domeniiletehnice se referă la arhitecturi distribuite, calcul paralel, date masive, arhitecturi flexibile, virtualizare, servicii cloud, date deschise, sau alte direcții din domenii tehnice cum ar fi mecanic, construcții, electric, automatică, calculatoare, arhitectură etc.
Tehnologiile disponibile în infrastructura CloudUT se referă la noduri de calcul performant, noduri de orchestrare și virtualizare, noduri GPU de calcul intensiv și prelucrare grafică, noduri de stocare date, platforme de simulare și proiectare asistată cum ar fi MATLAB, ANSYS, PyTorch, Dockers, Kubernetes etc.
În acest context, au fost dezvoltate și experimentate aplicații și servicii CloudUT:
● Serviciu de prelucrare a datelor spațiale folosind tehnici de analiză vizuală
NEARBY@CloudUT este un serviciu pentru procesarea și analiza datelor multidimensionale din imagini astronomice bazat pe analiza vizuală a imaginilor procesate. Funcționalitățile de bază includ încărcarea datelor de intrare, procesarea automată a datelor astronomice și validarea rezultatelor obținute.
● Învățare profundă pentru viziune artifi-
cială folosind PyTorch și Matlab
Dezvoltarea în PyTorch și MATLAB a rețelelor neuronale antrenate având ca scop clasificarea și segmentarea imaginilor care pot fi salvate și integrate apoi în aplicații modulare, pentru a furniza informații de nivel înalt pe baza datelor primite de la senzori.
● Soluții pentru virtualizarea GPU în arhitectura CloudUT
Virtualizarea unităților GPU din cadrul arhitecturii CloudUT poate fi utilizată pentru aplicațiile de tip CAD în accelerarea calculelor complexe. Arhitecturile unităților de procesare grafică sunt mult mai complexe și mai restrictive decât cele ale unităților de procesare centrală, fiind astfel mai dificil de virtualizat.