Nuovi orizzonti di ricerca con il calcolo ad alte prestazioni

Data di pubblicazione: 2009

Le esigenzeTop

Il sistema Windows HPC Server al servizio di una tecnologia innovativa sviluppata dai ricercatori italiani
Il gruppo di ricerca X-Ray Imaging Group sviluppa tecniche di tomografia computerizzata per i beni culturali, per la medicina e per l’industria. 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. 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.

“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 soluzioneTop

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.
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”.

“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”.

I beneficiTop

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.

“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.

“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”.


Case History in breve

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