Scalable Data Analysis in High Performance Computing

Abstract

Á síðastliðnum áratug hefur orðið mikil aukning í framleiðslu og geymslu gagna í iðnaði sem og rannsóknum. Þrátt fyrir að gagnagreining sé ekki ný af nálinni, stendur hún frammi fyrir þeirri áskorun að ráða við síaukið magn, bandvídd og flækjustig gagna. Þetta gerir hefðbundnar aðferðir óskilvirkar og hefur þetta vandamál verið nefnt gagnagnótt (e. Big Data). Í vísindum koma gögn helst frá umfangsmiklum tilraunum og hermunum. Hingað til hefur ekki verið fyllilega unnið úr gögnunum, heldur hafa þau verið geymd í gagnageymslum fyrir greiningu síðar meir, vegna skorts á skilvirkum úrvinnsluaðferðum. Af þessu má draga þá ályktun að til að greina þessi gögn þurfi víðtæka umgjörð fyrir gagnagreiningu og algrímasöfn og er tölvuumhverfið sem miðað er við, misleit kerfi sem ætluð eru fyrir stórfellda tölvuvinnslu (e. high-performance computing).

Þessi ritgerð leggur til hönnun og frumgerðarútfærslu á slíkri umgjörð sem byggir á reynslu sem fengin er úr raunverulegum notkunardæmum, einkum jarðvísindum. Sérstaklega voru skoðuð dæmi um merkingu útlína hluta í punktaskýsgögnum og líffræðilegu myndefni, útlagar (e. outliers) í haffræðilegum tímaraðagögnum og flokkun á fjarkönnunarmyndefni. Til að ráða við hið mikla magn gagna voru tvö greiningaralgrím aðlöguð fyrir samhliða vinnslu í kerfum með samnota- og dreift minni. Þetta eru HPDBSCAN, sem er klösunaraðferð byggð á þéttiföllum og Distributed Max-Trees, síunaralgrím fyrir myndir. Báðar aðferðir voru færðar yfir í almenna frumgerð sem einfaldar framsetningu skalanlegra algríma fyrir aðrar sambærilegar greiningaraðferðir. Þar að auki gerir þetta kleift að setja fram skilgreiningu á þörfum fyrir hönnun víðtækra gagnagreiningaumgjarðar og söfn algríma fyrir misleit kerfi ætluð til dreifðrar stórtækrar tölvuvinnslu. Að lokum er frumgerð á útfærslu slíkrar umgjarðar kynnt sem nefnd er Juelich Machine Learning Library (JuML), sem veitir aðgang að lágtæknieiningum og tilbúnum útfærslum á greiningaralgrímum.

Over the last decades one could observe a drastic increase in the generation and storage of data in both, industry and science. While the field of data analysis is not new, it is now facing the challenge of coping with an increasing size, bandwidth and complexity of data. This renders traditional analysis methods and algorithms ineffective. This problem has been coined as the Big Data challenge. Concretely in science the major data producers are large-scale monolithic experiments and the outputs of domain simulations. Up until now, most of this data has not yet been completely analyzed, but rather stored in data repositories for later consideration due to the lack of efficient means of processing. As a consequence, there is a need for large-scale data analysis frameworks and algorithm libraries allowing to study these datasets. In context of scientific applications, potentially coupled with legacy simulations, the designated target platform are heterogeneous high-performance computing systems.

This thesis proposes a design and prototypical realization of such a framework based on the experience collected from empirical applications. For this, selected scientific use cases, with an emphasis on earth sciences, were studied. In particular, these are object segmentation in point cloud data and biological imagery, outlier detection in oceanographic time-series data as well as land cover type classification in remote sensing images. In order to deal with the data amounts, two analysis algorithms have been parallelized for shared- and distributed-memory systems. Concretely, these are HPDBSCAN, a density-based clustering algorithm, as well as Distributed Max-Trees, a filtering step for images. The presented parallelization strategies have been abstracted into a generalized paradigm, enabling the formulation of scalable algorithms for other similar analysis methods. Moreover, it permits the definition of requirements for the design of a large-scale data analysis framework and algorithm library for heterogeneous, distributed high-performance computing systems. In line with that, the thesis presents a prototypical realization called Juelich Machine Learning Library (JuML), providing essential low-level components and readily usable analysis algorithm implementations.