Tecnologías Específicas

Ingeniería de Computadores

Descripcion y Objetivos

La red de interconexión es un elemento fundamental en los supercomputadores y los centros de proceso de datos (CPDs o Data-centers) en la era Exascale y Big-Data, donde los datos almacenados y procesados en todo el planeta se van a multiplicar por diez en los próximos seis años. El supercomputador Frontier, que es el más potente conocido en la actualidad, ofrece una potencia de cómputo de 1,102 Exaflop/s que se consigue poniendo en funcionamiento al mismo tiempo los 8.730.112 de cores disponibles. Por otro lado, los CPDs actuales, formados igualmente por decenas de miles de nodos de cómputo y almacenamiento, se dedican a ofrecer servicios a aplicaciones on-line de uso intensivo de datos (OLDI services), deep learning, almacenamiento masivo y cloud computing. Estos servicios manejan enormes volúmenes de datos y al mismo tiempo requieren unos tiempos de respuesta del sistema mínimos. En definitiva, la red de interconexión debe ofrecer unas prestaciones adecuadas para realizar en un tiempo mínimo las operaciones de comunicación de las aplicaciones que se ejecutan en Supercomputadores y CPDs.

Por ello, garantizar unas altas prestaciones en la red de interconexión es crucial, ya que de otro modo puede convertirse en el cuello de botella del sistema completo, si no es capaz de responder con un alto rendimiento y una baja latencia cuando se ejecutan aplicaciones de cómputo intensivo el sistema. Entre los factores más importantes que condicionan las prestaciones (y por tanto el diseño) de la red de interconexión destacan la topología, el algoritmo de encaminamiento, la arquitectura de los elementos de la red (conmutadores y enlaces), etc.

En concreto, este trabajo fin de grado se centra en el estudio y la aplicación de algoritmos de encaminamiento de tipo adaptativo a las redes de interconexión de última generación. Para ello, se realizará un estudio del estado del arte de estos algoritmos de encaminamiento, y se modelarán en el simulador de redes de interconexión INASim, disponible en el grupo RAAP. Finalmente, se realizarán una serie de experimentos de simulación con diferentes topologías de red de interconexión y diferentes configuraciones de los elementos de la red, para comprobar que la implementación de los algoritmos de encaminamiento en el simulador se han realizado correctamente. También, se realizará un estudio de las prestaciones de la red de interconexión cuando utilizan encaminamiento adaptativo, bajo los patrones de comunicación de determinadas aplicaciones y servicios.

 

Metodología y Competencias

Para alcanzar los objetivos del TFG, las actividades principales a realizar por el alumno son las siguientes (se indica el tiempo estimado de realización en meses, asumiendo una dedicación de 8 meses, 37,5 horas/mes y 300 horas de dedicación total al TFG:

1. Conocer con un nivel de detalle adecuado a la carga del TFG el estado del arte de las redes de interconexión de altas prestaciones, las topologías y algoritmos de encaminamiento para redes de interconexión de altas prestaciones y de las herramientas de simulación de redes, mediante el estudio de la bibliografía y los simuladores disponibles en el grupo RAAP (1,5 meses).
2. Familiarizarse con el proceso de desarrollo del simulador INASim (1,5 meses). 
3. Modelado de algoritmos de encaminamiento adaptativo en INASim (2 meses).
4. Estudio comparativo y evaluación de las prestaciones de los modelos desarrollados (2 meses).
5. Documentación de los resultados y redacción de la memoria de TFG (1 mes).

Competencias adquiridas:

[CO19] Ejercicio original a realizar individualmente y presentar y defender ante un tribunal universitario, consistente en un proyecto de naturaleza profesional en el ámbito de la tecnología específica de la Ingeniería en Informática que ha realizado el estudiante. En este ejercicio se deben sintetizar e integrar las competencias adquiridas en las enseñanzas.

[IC3] Capacidad de analizar y evaluar arquitecturas de computadores, incluyendo plataformas paralelas y distribuidas, así como desarrollar y optimizar software para las mismas.

[IC4] Capacidad de diseñar e implementar software de sistema y de comunicaciones.

[IC7] Capacidad para analizar, evaluar, seleccionar y configurar plataformas hardware para el desarrollo y ejecución de aplicaciones y servicios informáticos.

[IC8] Capacidad para diseñar, desplegar, administrar y gestionar redes de computadores.

[UCLM3] Correcta comunicación oral y escrita.

[INS1] Capacidad de análisis, síntesis y evaluación.

[INS2] Capacidad de organización y planificación.

[SIS5] Creatividad.

 

Medios a utilizar

- Clúster CELLIA del RAAP: este clúster está formado por 50 nodos de cómputo, procesadores Intel Xeon E5, 32 GB de RAM, GPUs y una red de interconexión Ethernet. El clúster está disponible para ser empleado durante la duración del TFG en la ejecución de experimentos y pruebas.
- Simulador de red de interconexión INASim, propiedad del grupo RAAP de la UCLM.
- Ordenador tipo PC (preferiblemente con MAC o Ubuntu 20.04 instalados).

 

Bibliografía

La bibliografía básica para el desarrollo del TFG es la siguiente:

- Jose Duato, Sudhakar Yalamanchili, and Ni Lionel. 2002. Interconnection Networks: An Engineering Approach. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA.

- William James Dally and Brian Patrick Towles. 2004. Principles and Practices of Interconnection Networks. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA.

- Diversos libros y artículos sobre redes de interconexión, modelado y simulación.
- Documentación de los simuladores y librerías asociadas.
- Manuales de C++.
- HOWTO's para lanzar simulaciones de gran tamaño en los clústeres de cómputo GALGO y CELLIA, disponibles en el I3A.

Toda la bibliografía está disponible.