[論文レビュー] Complex Workflow Management and Integration of Distributed Computing Resources by Science Gateway Portal for Molecular Dynamics Simulations in Materials Science

Yuri Gordienko, L. V. Bekenov+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2014

Distributed and Parallel Computing Systems参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、分子動力学（MD）シミュレーションにおける材料科学分野のための、WS-PGRADEおよびgUSE技術に基づくウェブベースのプラットフォーム、IMP Science Gateway Portalを提示する。このプラットフォームは、クラスターやグリッド、クラウドなどの異種分散コンピューティングリソースをシームレスに統合・管理するワークフロー管理を可能にする。本研究では、グラフェンのナノインデンテーションや窒化ホウ素ナノチューブの熱安定性といった複雑なMDワークフローを効率的かつスケーラブルに実行できることを示し、下位層のシステムに精通していないユーザーでも、多様なインfra構造上で容易に実行可能であることを確認した。

ABSTRACT

The "IMP Science Gateway Portal" (http://scigate.imp.kiev.ua) for complex workflow management and integration of distributed computing resources (like clusters, service grids, desktop grids, clouds) is presented. It is created on the basis of WS-PGRADE and gUSE technologies, where WS-PGRADE is designed for science workflow operation and gUSE - for smooth integration of available resources for parallel and distributed computing in various heterogeneous distributed computing infrastructures (DCI). The typical scientific workflow with possible scenarios of its preparation and usage is considered. Several typical science applications (scientific workflows) are considered for molecular dynamics (MD) simulations of complex behavior of various nanostructures (nanoindentation of graphene layers, defect system relaxation in metal nanocrystals, thermal stability of boron nitride nanotubes, etc.). The advantages and drawbacks of the solution are shortly analyzed in the context of its practical applications for MD simulations in materials science, physics and nanotechnologies with available heterogeneous DCIs.

研究の動機と目的

• 材料科学の研究者に対して、異種分散コンピューティングインfraストラクチャ（DCI）の複雑さを抽象化する、使いやすいサイエンスゲートウェイベースのインターフェースを提供すること。
• デスクトップグリッド、サービスグリッド、クラスタ、クラウドを含む多様なDCIにおいて、複雑な分子動力学（MD）シミュレーションワークフローを効率的に実行できること。
• LAMMPS、R、Pizza.py、AtomEye、debyerなどの複数の科学的ツールを統合し、エンドツーエンドのシミュレーションと解析を可能にする統一されたワークフロー環境を提供すること。
• グラフェン、金属ナノクリスタル、窒化ホウ素ナノチューブといったナノ構造を含む実際のMDシミュレーションシナリオにおいて、ゲートウェイソリューションの利点と制限を評価すること。
• 異種インフラ上で自動的かつスケーラブルにジョブを実行できる仕組みを用いて、パラメータスイープや大規模MDシミュレーションの実現可能性を実証すること。

提案手法

• 本ゲートウェイは、ワークフローオchestrationのためのWS-PGRADEフレームワークと、XtremWeb-HEP、OurGrid、BOINC SZDG、EDGeSプラットフォームを含む異種DCIを透明に統合するためのgUSE技術に基づいている。
• 科学的ワークフローは、グラフィカルインターフェースを用いて再利用可能で設定可能なパイプラインとして設計され、MDシミュレーション、データ処理、可視化ツールを連結可能にしている。
• DCI-Bridgeコンponentを通じて、低レベルのアクセスプロトコルやリソース管理を抽象化することで、複数のDCIタイプにわたるジョブの送信と監視を可能にしている。
• 原子スケールのシミュレーションにはLAMMPS MDパッケージが使用され、統計解析にはR、ファイル操作にはPizza.py、可視化にはAtomEyeが用いられている。
• X線回折および中性子回折解析には、ワークフローに統合されたdebyerツールが対応しており、構造的特徴の同定を支援している。
• カスタマイズ可能なGUIとポータレットを提供することで、研究者がインfra構造の詳細に煩わされず、科学的課題に集中できるようにしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非専門家である材料科学分野のユーザーが、異種分散コンピューティングインフラの複雑さをどのように効果的に抽象化できるか。
• RQ2 デスクトップグリッドおよびサービスグリッドを含む複数のDCIタイプにまたがるMDシミュレーションのパフォーマンスとスケーラビリティはどの程度か。
• RQ3 統一されたワークフロー環境が、LAMMPS、R、debyerなどの多様な科学的ツールをエンドツーエンドのシミュレーションと解析に統合できるか。
• RQ4 実世界の材料科学アプリケーションにおけるMDシミュレーションに、WS-PGRADE/gUSE/DCI-Bridgeスタックを使用する実用的利点と制限は何か。
• RQ5 ナノインデンテーションや熱安定性研究のような複雑なパラメータスイープMDワークフローを、本ゲートウェイが効率的かつ信頼性高くサポートできるか。

主な発見

• IMP Science Gateway Portalは、クラスターやデスクトップグリッド、クラウドリソースを含む異種DCIに、単一のウェブベースインターフェースを通じて透明にアクセス可能であることを実証した。
• 本ゲートウェイは、LAMMPSによるMDシミュレーション、Rによる統計解析、AtomEyeによる可視化を含む複雑なマルチステップの科学的ワークフローを、ツール間のシームレスなデータフローとともにサポートしている。
• 本システムは、グラフェン膜のナノインデンテーションや窒化ホウ素ナノチューブの熱安定性研究を含む、多様なインfra構造上でMDシミュレーションを効果的に実行した。
• 引張り下での金属ナノクリスタルのパラメータスイープシミュレーションが、大規模かつ高スループットなワークフローとして効率的に実行された。
• debyerツールのワークフローへの統合により、XRDおよびND解析が自動化され、構造的特徴の同定能力が向上した。
• 本ソリューションにより、非計算科学者にとっての入り口障壁が低減され、システム管理やジョブスケジューリングの詳細に煩わされず、科学的課題に集中できるようになった。