DEL CASPUR PER IL CALCOLO SCIENTIFICO
E TECNICO AD ALTE PRESTAZIONI
di Giorgio Amati, Simone Meloni e Claudia Truini
Nel 2005, il CASPUR organizzò la sua prima scuola estiva di High Performance Computing e, a partire dal 2007 ha iniziato a riformulare le propre attività formative nell’HPC anche con l’intento di superare gli argomenti specifici e di rendere la didattica più rapida ed efficace. Il buon successo riportato, ci spinge a migliorare ulte-riormente l’offerta, integrando temi tecnici e scientifici, rivolgendoci ad altri settori disciplinari ed al mondo delle imprese ed utilizzando nuovi strumenti di erogazione.
• Abstract
Since 2005, CASPUR has been revamping its activity in the field of High Performance Computing (HPC) education. In the beginning, the first edition of a yearly Summer School on advanced topics of HPC was organized, during two weeks in the late summer, with the goal to explore subjects like code optimization and code parallelization as well as to have scientific lectures held by well-known experts in the field. The success of the Summer School suggested to us to make an additional effort in education. In 2007 four courses on different HPC topics were proposed. Now, having considered the success of the previous years, 11 different courses and a total of more than 15 are planned for 2009. About 300 students are expected to follow the 2009 CASPUR HPC education pro-gram. For the future, we are working to make CASPUR a valuable centre for high edu-cation on ICT, not only for the typical HPC community but also for all research, services and business communities, currently less familiar with HPC. To reach this goal we intend to develop new courses focused on: more technical-scientific integration; security, net-working and other general topics more appealing for the non-scientific users; commu-nities having no straight interest in HPC techniques but that could benefit from them. In addition, we intend to test and implement effective e-learning platforms to extend the number of possible learners.
Dott. Simone Meloni
CASPUR Settore HPC s.meloni@caspur.it
Dott. Giorgio Amati
CASPUR Settore HPC g.amati@caspur.it
A partire dal 2005 il CASPUR ha iniziato a riformulare la propria offerta formativa per il calcolo tecnico e scientifico avanzato, anche noto come High Performance Computing (HPC). La prima azione intrapresa in questa direzione è stata la realiz-zazione, a fine estate del 2005, della prima edizione della Scuola Estiva di Calcolo Avanzato. Dopo quella iniziativa ed a partire dal 2007, la nostra offerta si è andata arricchendo con una serie di corsi, denominati “Corsi HPC”, che sono andati co-stantemente crescendo in numero ed in contenuti. Nel prossimi paragrafi illustre-remo le caratteristiche salienti delle due iniziative.
Dott.ssa Claudia Truini
La Scuola Estiva, giunta ormai alla quinta edizione, è di carattere residenziale e intensivo e prevede un totale di 70 ore di lezione tra didattica frontale ed eser-citazione, distribuite su due settimane. Nel corso della scuola vengono trattati tutti gli argomenti ritenuti più significativi relativi al calcolo scientifico e tecnico avanzato. Accanto ai classici aspetti di ottimizzazione per architetture HPC e di calcolo paral-lelo, il programma prevede anche argomenti particolarmente innovativi come il calcolo su architetture non convenzionali (Graphics Processing Unit). In aggiunta agli argomenti tecnologici vengono anche trattati argomenti di carattere più scien-tifico. Questa parte del programma, sviluppata da ricercatori attivi in vari settori di-sciplinari, viene aggiornata di anno in anno. Ad esempio, nell’edizione 2009 è in calendario una lezione sulla progettazione ed analisi di algoritmi che sarà tenuta dal Prof. Giuseppe Italiano dell’Università Tor Vergata di Roma e un seminario sullo sviluppo di piattaforme per il calcolo parallelo tenuto invece dal Prof. Raffaele Tri-piccione dell’Università di Ferrara1. Per quanto riguarda la residenzialità della scuola,
tale formula è stata scelta per consentire agli studenti di interagire tra di loro e con i docenti anche al di fuori dell’orario di lezione, promuovendo così un continuo e proficuo rapporto informale. Altre informazioni sull’edizione 2009 della Scuola Estiva sono disponibili sul sito www.caspur.it/scuolaestiva.
Passando adesso ai Corsi HPC, il programma offerto, che inizialmente (nel 2007) era composto da 4 corsi, nel 2009 è arrivato a comprenderne ben 11. Gli argomenti trattati spaziano dalla formazione di base nell’ambito del computing (corsi base di Linux/UNIX, programmazione in C/C++, Fortran etc.), alla forma-zione per l’HPC (ottimizzaforma-zione di codici per macchine HPC, programmaforma-zione pa-rallela etc.), alla gestione di infrastrutture di ICT (amministrazione di sistemi linux stand-alone ed in cluster). È inoltre previsto che, in caso di richiesta, si svolgano repliche dei singoli corsi. A differenza di quelli della Scuola Estiva questi corsi sono monotematici e sono distribuiti su tre giorni, per un totale di 18 ore di lezione tra didattica frontale ed esercitazione. La lista completa dei Corsi HPC 2009 è dispo-nibile sul sito corsihpc.caspur.it.
Caratteristica comune alla Scuola Estiva ed ai Corsi HPC, molto apprezzata dagli studenti, è la metodologia di insegnamento di tipo tutorial. Questo approccio con-siste nell’intervallare alle lezioni frontali sessioni di laboratorio nelle quali i concetti teorici descritti vengono subito messi in pratica. Per permettere ciò le lezioni di entrambe le iniziative sono tenute in un’aula didattica attrezzata con 25 postazioni di lavoro (vedi Figura 1) connesse ai sistemi di calcolo del CASPUR. Il numero dei PC coincide con il numero massimo di studenti ritenuto compatibile con l’efficacia di un generico corso.
A prescindere dalle positive valutazioni dei partecipanti, riteniamo che la ri-formulazione della formazione HPC sin qui descritta sia stata molto apprezzata dall’utenza. Infatti, il numero di richieste di partecipazione è cresciuto costante-mente ed in proporzione all’offerta di nuovi corsi. È un fatto che per il solo 2009, prevediamo circa 320 partecipanti, numero equivalente a quello raggiunto con
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1Tra i relatori delle precedenti sessioni, possiamo citare Stefano Baroni, Fabrizio Cleri, Jack Dongarra, Luca Formaggia, Jay Larson, Erik
tutte le edizioni della Scuola Estiva ed a tutti i Corsi HPC dei precedenti quattro anni di attività formativa.
Tuttavia, accingendoci a pianificare le attività future, abbiamo dovuto con-statare che l’attuale offerta formativa del CASPUR copre solo alcuni aspetti re-lativi all’utilizzo ed alla gestione delle infrastrutture di calcolo. Per completare il quadro di riferimento, abbiamo quindi ritenuto opportuno svolgere un’analisi più approfondita delle esigenze del mondo accademico ma anche di quello im-prenditoriale.
Per quanto riguarda il mondo accademico, si deve distinguere tra le mutate esigenze di quanti già fanno intenso uso del calcolo numerico e quelle di coloro che usano marginalmente gli strumenti informatici. Per quanto riguarda i primi, l’aumento della complessità dei modelli e dei metodi di simulazione rende più difficile l’applicazione delle tecniche di calcolo di base ai problemi reali; per quanto riguarda i secondi, l’esigenza prioritaria è quella di conoscere gli strumenti che consentono, facilmente ed efficientemente, una alta produttività (ancora HPC, se “P” assume il significato di “Productivity”).
Per quanto riguarda il mondo imprenditoriale, sembra crescere l’esigenza di avvalersi di centri di formazione neutrali rispetto alla scelta tra tecnologie open o proprietary, in grado di erogare formazione sugli strumenti più adeguati a rispon-dere ad una determinata necessità e, eventualmente, sulla loro integrazione.
La precedente analisi delle varie esigenze di formazione ci suggerisce di esten-dere l’attuale programma di corsi nelle seguenti direzioni:
• integrazione tra formazione scientifica e tecnica; • formazione per settori non vicini all’HPC;
• formazione per le imprese.
Un ulteriore punto è relativo all’accesso alla formazione da parte di una comunità più ampia, ottenibile attraverso metodi e strumenti per l’e-learning.
Figura 1
Quanto sopra sarà implementato sia per i Corsi HPC sia per la Scuola Estiva, tenendo in debita considerazione le specificità delle due iniziative.
Passiamo ad analizzare nel dettaglio i precedenti punti.
• Integrazione tra formazione scientifica e tecnica
I corsi di programmazione tecnica e scientifica e di calcolo ad alte prestazioni, or-ganizzati dal CASPUR o da altre istituzioni, insegnano come utilizzare gli strumenti informatici indipendentemente dalla disciplina scientifica alla quale si intende ap-plicarli. Quest’approccio è certamente efficace per l’insegnamento dei concetti basilari, ma sembra inadeguato per quello dei concetti evoluti, ossia di quelle tec-niche e strumenti che permettono di sfruttare al meglio i moderni sistemi di cal-colo. Ciò è vero soprattutto in quegli ambiti in cui il calcolo richiede la combinazione di diversi algoritmi, che possono presentare caratteristiche compu-tazionali tra loro in conflitto. Rimane aperto quindi un vuoto tra gli insegnamenti generalisti e la loro applicazione. È proprio questo vuoto che vogliamo colmare.
Intendiamo quindi disegnare e realizzare corsi di secondo livello in cui le tec-niche e gli strumenti, appresi nei corsi base, vengano applicati direttamente ai problemi tipici ed esemplificativi delle varie discipline scientifiche. In questi corsi verranno presentati sia gli aspetti fondamentali del modello e della metodologia della simulazione sia le tecniche computazionali utilizzabili per la loro implemen-tazione. Quindi alcuni selezionati esempi realistici verranno risolti con tecniche di calcolo numerico avanzato. Una positiva sperimentazione in questo senso è già stata avviata nel 2008 organizzando la scuola “Simulating activated processes” (vedi box a riguardo).
Comunque, per raggiungere l’integrazione, sarà necessario collaborare con isti-tuzioni o università che forniscano il supporto per lo sviluppo delle problematiche scientifiche.
• Formazione per settori non vicini all’
HPC
Alcune comunità scientifiche, pur utilizzando il calcolo come un rilevante stru-mento di ricerca, non utilizzano risorse HPC. Il principale motivo consiste nella ini-ziale difficoltà di apprendimento dell’uso dei tipici strumenti del calcolo ad alte prestazioni. Questa difficoltà riguarda sia il cambio di piattaforma2sia la scarsa
disponibilità su piattaforme HPC di applicativi che rispondono alle specifiche esi-genze. Si sottolinea anche il fatto che i pacchetti applicativi utilizzati dagli utenti delle comunità scientifiche cui ci stiamo riferendo, necessitano sempre più spesso di significativi adattamenti alle specifiche esigenze, cosa non sempre possibile o di facile realizzazione.
Quindi la nostra proposta prevede corsi di programmazione sui linguaggi uti-lizzati da queste comunità, tra cui Matlab, Gauss e strumenti Microsoft e su come
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utilizzarli per il calcolo ad alte prestazioni, per esempio come programmare e ge-stire applicazioni parallele in linguaggi esotici per l’HPC standard. In questo modo intendiamo raggiungere l’obiettivo di abbattere la barriera tra le comunità consi-derate e l’HPC.
Inoltre, non debbono essere trascurate quelle comunità che utilizzano il calcolo per l’analisi dati piuttosto che per il number crunching. Già per il 2009 è stato isti-tuito un corso sui database e la loro applicazione alla biomedicina. Per il futuro ci prefiggiamo l’obiettivo di ampliare il nostro impegno nel settore dell’analisi e dell’elaborazione di grandi moli di dati introducendo corsi di base che trattino gli aspetti più tecnici relativi al data storage ed al data mining. A questi corsi se ne affiancheranno altri riguardanti l’applicazione di tali tecniche in settori scientifici specifici.
• Formazione per le imprese
Le piattaforme free e gli ambienti ibridi proprietary/free stanno avendo una sem-pre maggior penetrazione nelle imsem-prese italiane. I tecnici responsabili dell’instal-lazione e la gestione di infrastrutture ICT presso queste imprese hanno quindi l’esigenza di una formazione che sia neutrale rispetto alla piattaforma. Di contro, l’offerta disponibile di formazione ICT ci appare concentrata su singole tecnologie, spesso su quelle maggiormente diffuse, a volte per carenza di competenze.
Il CASPUR possiede compe-tenze su molte piattaforme (Mi-crosoft, Linux etc.) e, grazie al costante investimento nella in-novazione tecnologica, è in grado di fornire consulenza e formazione su diverse soluzioni per soddisfare le esigenze emergenti. Di conseguenza pos-siamo affermare che Il CASPUR è in grado di rispondere alla do-manda di formazione di qualità pur mantenendo una adeguata neutralità rispetto alle possibili piattaforme ed alle eventuali soluzioni.
Quindi, per il prossimo bien-nio, l’obiettivo è di istituire corsi che trattino argomenti relativi alle infrastrutture ICT, quali instal-lazione e gestione di sistemi operativi in ambiente distribuito,
• La scuola “Progress on simulating activated processes”
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applicazioni web (web 2.0, web services), networking e sicurezza, non pregiudi-zialmente orientati verso una particolare piattaforma operativa.
• Metodi e strumenti per l’
e-learning
Il programma di formazione che abbiamo appena descritto, attualmente prevede la presenza dei partecipanti alle lezioni presso la sede dei corsi. Questo pone degli ovvi limiti al numero dei partecipanti stessi e sfavorisce quelli esterni all’area ro-mana. Per superare almeno parzialmente tali limitazioni, stiamo valutando stru-menti e metodi di e-learning validi per l’insegnamento multilocalizzato. Le prime prove di e-learning sono state effettuate nell’autunno del 2008. Allo scopo ab-biamo utilizzato una tecnologia che consente di inviare dalla locazione principale ad una o più locazioni secondarie l’immagine e la voce del docente unitamente alle slide utilizzate. I partecipanti possono interagire solo in video e voce con il docente.
Mentre questo strumento sembra adeguato per la parte frontale della didattica, non lo è affatto per la quella riguardante esempi ed esercizi sulle postazioni di la-voro, che è alla base della modalità di erogazione dei nostri corsi. L’inadeguatezza si presenta con maggiore evidenza in quei corsi le cui sessioni di laboratorio pre-vedono operazioni invasive sulla postazione di lavoro utilizzata, come i corsi di system administration che richiedono l’installazione e la configurazione di com-puter stand-alone o in cluster.
Nel prossimo anno continueremo la sperimentazione sull’e-learning per im-plementare soluzioni che permettano un’alta interattività tra lo studente e il do-cente e tra le relative postazioni di lavoro, superando le limitazioni descritte in precedenza. Partiremo con quei corsi che, per le sessioni di laboratorio, richiedono strumenti standard (compilatori, ambienti di sviluppo) o presenti sulla postazione dello studente oppure accessibili in remoto su server CASPUR. In una fase succes-siva estenderemo la sperimentazione agli altri corsi.
