Title
Razvoj i analiza metoda paralelizacije višeskalnih modela mišića
Creator
Kaplarević-Mališić, Ana, 1974-
Copyright date
2016
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Inventory ID
D-2919
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 25.03.2016.
Other responsibilities
mentor
Ivanović, Miloš, 1978-
član komisije
Stojanović, Boban, 1977-
član komisije
Balaž, Antun, 1973-
član komisije
Filipović, Nenad, 1970-
Academic Expertise
Prirodno-matematičke nauke
Academic Title
-
University
Univerzitet u Kragujevcu
Faculty
Prirodno-matematički fakultet
Publisher
[А. Капларевић-Малишић]
Format
144 lista
Abstract (sr)
Višeskalni model mišićne kontrakcije obuhvata fizičke i biohemijske procese koji se odvijaju na više prostornih i vremenskih skala. Zbog velike računske složenosti, ovakvi modeli mogu biti upotrebljivi samo primenom tehnika paralelizacije i upotrebom računarskih resursa visokih performansi. Postojeća rešenja za ubrzavanje višeskalnih simulacija mišića su oslonjena na univerzalne softverske okvire za paralelizaciju višeskalnih modela. Ona podrazumevaju upotrebu skupe računarske opreme visokih performansi, što stvara visoku cenu troškova eksploatacije i čini preskupom njihovu upotrebu u svakodnevnoj kliničkoj praksi. Pored toga, nijedno od rešenja ne koristi nikakvu metodologiju
kojom bi se specifična znanja o domenu iskoristila u svrhu boljeg iskorišćenja raspoloživih računarskih resursa. Ova disertacija je rezultat istraživanja vezanih za prevazilaženje ova dva nedostatka postojećih rešenja.
U disertaciji je uveden koncept distribuiranja proračuna višeskalnih modela mišića u okruženju sastavljenom od standardnih procesorskih jezgara i grafičkih procesorskih jedinica. Koncept je primenjen u kontekstu dvoskalnog modela mišića, u kojem je model konačnih elemenata na makroskali uparen sa Haksli modelom kinetike poprečnih mostova na mikro skali. Paralelno rešenje je bazirano na statičkoj dekompoziciji domena mikromodela. Uvedeni koncept je implementiran kao softverska platforma, Mexie, koja predstavlja prenosivo i proširivo softversko rešenje modularne arhitekture. Platforma koristi specifičan metod raspoređivanja poslova prilagođen heterogenom izvršnom okruženju, gde se u obzir uzimaju različite brzine izračunavanja i memorijska ograničenja resursa.
Algoritam raspodele uzima u obzir i različitost u računskoj kompleksnosti mikromodela.
Kako kompleksnost mikromodela ne može biti precizno određena pre izvršenja dvoskalne simulacije, definisana je metodologija za procenu. Metodologija je bazirana na upotrebi Hilovog fenomenološkog modela za predviđanje stanja i ulaznih parametara mikromodela tokom dvoskalne simulacije. Na osnovu procenjenih vrednosti, specifičan alat za procenu, obučen tehnikama mašinskog učenja, procenjuje računsku kompleksnost svih mikromodela.
Implementirano rešenje je verifikovano na testnim modelima, kao i na realnom modelu, pokazujući visoku iskorišćenost raspoloživih resursa, čvrsto skaliranje i ubrzanja od dva reda veličine u odnosu na sekvencijalnu varijantu. Zahvaljujući efikasnosti modela i značajnom poboljšanju odnosa cena/performanse, otvoren je put za nova istraživanja u oblasti fiziologije mišića i napravljen značajan korak u smeru upotrebe višeskalnih modela mišića u budućoj kliničkoj praksi.
Abstract (en)
Multi-scale models of muscle contraction rely on the integration of physical and biochemical properties across multiple length and time scales, consequentially they are highly CPU consuming.
Feasible usage of these models can be reached only by employing high performance computing
environments. Existing efforts for accelerating multi-scale muscle simulations lean on general
purpose parallelization techniques and frameworks. These solutions imply the usage of expensive
large-scale computational resources, which produces overwhelming costs for the everyday practical
application of such models. Additionally, none of them employ any methodology based on
specific model domain knowledge to provide customized resource utilization. The thesis resulted
from the investigations addressed to both of these deficiencies.
The dissertation introduces concept of the distributed calculations of the multi-scale muscle models
in a mixed CPU–GPU environment in order to improve computational speed within a reasonable
budget. The concept is applied to a two-scale muscle model, in which a finite element macro
model is coupled with the microscopic Huxley kinetics model. The parallel solution is based on
decomposition of the micro model domain and static scheduling policy. Computations related to
Huxley models run on both CPUs and GPUs, while finite element calculations are executed sequentially
and solely on the CPU. Introduced concept is implemented as a software platform, Mexie,
which represents a portable and extensible software solution with modular architecture. The
platform uses a specific load balancing method customized for heterogeneous execution environments.
It takes into account differences in computational speeds and memory limits of available
computing resources. Additionally, the dispatch algorithm considers computational weights of
each micro model, providing more balanced workload. Since these computational weights could
not be known before exact two-scale simulation run, a novel methodology for assessing their values
is introduced. The methodology uses simple Hill phenomenological model in order to predict
model states and input parameters of all micro models during two-scale simulation. These estimated
data is then used by specific predictor tool, trained by machine learning techniques, for
assessing micro model computational complexities.
Implemented solution was verified on both benchmark and real-world example, showing high utilization
of involved processing units, strong scalability and speed-up of two orders of magnitude
compared to the sequential CPU run. This major improvement in computational feasibility and
significant lowering of price-to-performance ratio of the multi-scale muscle models paves the way
for new discoveries in the field of muscle modeling and usage of shuch models in the future clinical
applications, as well.
Authors Key words
višeskalne simulacije, modeliranje mišića, model konačnih elemenata, Haksli model,
Hilov model, grafičke procesorske jedinice, politika raspodele, hibridni programski
modeli, MPI, CUDA
Authors Key words
multi-scale simulations, muscle modeling, finite element model, Huxley muscle model, Hill phenomenological
muscle model, graphic processing unit, scheduling policy, hybrid programming model,
MPI, CUDA
Classification
612.74:004.9(043.3)
Subject
Računarske simulacije - Modeliranje mišića
Type
Tekst
Abstract (sr)
Višeskalni model mišićne kontrakcije obuhvata fizičke i biohemijske procese koji se odvijaju na više prostornih i vremenskih skala. Zbog velike računske složenosti, ovakvi modeli mogu biti upotrebljivi samo primenom tehnika paralelizacije i upotrebom računarskih resursa visokih performansi. Postojeća rešenja za ubrzavanje višeskalnih simulacija mišića su oslonjena na univerzalne softverske okvire za paralelizaciju višeskalnih modela. Ona podrazumevaju upotrebu skupe računarske opreme visokih performansi, što stvara visoku cenu troškova eksploatacije i čini preskupom njihovu upotrebu u svakodnevnoj kliničkoj praksi. Pored toga, nijedno od rešenja ne koristi nikakvu metodologiju
kojom bi se specifična znanja o domenu iskoristila u svrhu boljeg iskorišćenja raspoloživih računarskih resursa. Ova disertacija je rezultat istraživanja vezanih za prevazilaženje ova dva nedostatka postojećih rešenja.
U disertaciji je uveden koncept distribuiranja proračuna višeskalnih modela mišića u okruženju sastavljenom od standardnih procesorskih jezgara i grafičkih procesorskih jedinica. Koncept je primenjen u kontekstu dvoskalnog modela mišića, u kojem je model konačnih elemenata na makroskali uparen sa Haksli modelom kinetike poprečnih mostova na mikro skali. Paralelno rešenje je bazirano na statičkoj dekompoziciji domena mikromodela. Uvedeni koncept je implementiran kao softverska platforma, Mexie, koja predstavlja prenosivo i proširivo softversko rešenje modularne arhitekture. Platforma koristi specifičan metod raspoređivanja poslova prilagođen heterogenom izvršnom okruženju, gde se u obzir uzimaju različite brzine izračunavanja i memorijska ograničenja resursa.
Algoritam raspodele uzima u obzir i različitost u računskoj kompleksnosti mikromodela.
Kako kompleksnost mikromodela ne može biti precizno određena pre izvršenja dvoskalne simulacije, definisana je metodologija za procenu. Metodologija je bazirana na upotrebi Hilovog fenomenološkog modela za predviđanje stanja i ulaznih parametara mikromodela tokom dvoskalne simulacije. Na osnovu procenjenih vrednosti, specifičan alat za procenu, obučen tehnikama mašinskog učenja, procenjuje računsku kompleksnost svih mikromodela.
Implementirano rešenje je verifikovano na testnim modelima, kao i na realnom modelu, pokazujući visoku iskorišćenost raspoloživih resursa, čvrsto skaliranje i ubrzanja od dva reda veličine u odnosu na sekvencijalnu varijantu. Zahvaljujući efikasnosti modela i značajnom poboljšanju odnosa cena/performanse, otvoren je put za nova istraživanja u oblasti fiziologije mišića i napravljen značajan korak u smeru upotrebe višeskalnih modela mišića u budućoj kliničkoj praksi.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.