Ανάπτυξη Συστοιχιών Υπολογιστών (Beowulf Clusters) με τη Χρήση Desktop Η/Υ, Graphics Processing Units (GPUs) και Ελεύθερου Λογισμικού για Παράλληλη Επεξεργασία (Parallel Computing) με Εφαρμογές στη Βιοϊατρική Τεχνολογία

Abstract

Μια συστοιχία είναι πρακτικά ένας υπερυπολογιστής, που θεωρητικά μπορεί να φτιάξει και να χρησιμοποιήσει οποιοσδήποτε. Πιο συγκεκριμένα η συστοιχία είναι ένας παράλληλος υπολογιστής φτιαγμένος από συνηθισμένα εμπορικά κομμάτια. Αυτή η προσέγγιση εκμεταλλεύεται την εκπληκτική απόδοση, που είναι τώρα διαθέσιμη στους εμπορικούς προσωπικούς υπολογιστές. Με πολλές μετρικές, συμπεριλαμβανομένης της υπολογιστικής ταχύτητας, του μεγέθους της κύριας μνήμης, του διαθέσιμου χώρου στο δίσκο και του εύρους ζώνης, ένας μόνο υπολογιστής του σήμερα είναι πιο ισχυρός από τους υπερυπολογιστές του παρελθόντος. Αξιοποιώντας τη δύναμη των δεκάδων χιλιάδων τέτοιων ισχυρών επεξεργαστικών στοιχείων τόσο χαμηλού κόστους, μπορεί κανείς να δημιουργήσει έναν ισχυρό υπερυπολογιστή. Στην παρούσα εργασία επιδιώξαμε τη δημιουργία μιας συστοιχίας υπολογιστών από απλούς υπολογιστές, οι οποίοι μπορούν να βρεθούν με χαμηλό ή και μηδενικό κόστος και έτσι να δημιουργηθεί ένα υπολογιστικό εργαλείο, το οποίο θα μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση υπολογιστικών προβλημάτων στη βιοϊατρική τεχνολογία. Η προσπάθειά μας έδειξε ότι κάτι τέτοιο είναι εφικτό και μάλιστα στις δοκιμές που κάναμε δείξαμε ότι η χρήση μιας συστοιχίας μπορεί να μειώσει τον υπολογιστικό χρόνο σημαντικά (>50×). Η απόδοση αυτή ήταν εξαιρετικά σημαντική αφού πολλά από τα προβλήματα της βιοϊατρικής τεχνολογίας είναι εξαιρετικά απαιτητικά σε υπολογιστική ισχύ και άρα κοστοβόρα αν πρέπει κανείς να χρησιμοποιήσει εμπορικά διαθέσιμα clusters για την επίλυσή τους. Η λύση που εμείς προτείναμε αποτελεί έναν φθηνό και αποτελεσματικό τρόπο για την επίλυση υπολογιστικών προβλημάτων και μάλιστα που μπορεί να είναι διαθέσιμος σε έναν ακαδημαϊκό χώρο, διαθέσιμο προς όλους που έχουν αντίστοιχα προβλήματα. Το πρόβλημα, που επιλέξαμε να επιλύσουμε αφορούσε στο μετασχηματισμό Fourier σημάτων βολταμετρίας. Οι υπολογιστικές απαιτήσεις του προβλήματος αυτού ήταν εξαιρετικά απαιτητικές αφού ένας επεξεργαστής για να καταφέρει να μετασχηματίσει πέντε σήματα χρειάστηκαν περίπου τέσσερις ώρες. Αντίστοιχα, με τη χρήση της συστοιχίας χρειάστηκαν 4.2 min για την ολοκλήρωση των αποτελεσμάτων. Ως εκ τούτου, φάνηκε ότι τέτοιες προσπάθειες είναι εξαιρετικά σημαντικές για την υποβοήθηση του ερευνητικού έργου και ειδικότερα σε εποχές, όπου οι πόροι είναι εξαιρετικά περιορισμένοι και ο ανταγωνισμός εξαιρετικά υψηλός.