[論文レビュー] The BioDynaMo Project: Creating a Platform for Large-Scale Reproducible Biological Simulations

Lukas Breitwieser, Roman Bauer+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Scientific Computing and Data Management参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

BioDynaMo は、C++ に基づくクラウド対応のプラットフォームであり、大規模で再現可能な生物学的シミュレーションを設計したもので、Cx3D のようなレガシ Java フレームワークに取って代わることを目的としている。OpenMP、構造体の配列（SoA）レイアウト、および crlibm を用いた再現可能な浮動小数点演算によりコードを近代化することで、最適化されたベンチマークで最大 320 倍の高速化を達成し、国際的なチームにおけるスケーラブルで保守可能なシミュレーションを可能にした。

ABSTRACT

Computer simulations have become a very powerful tool for scientific research. In order to facilitate research in computational biology, the BioDynaMo project aims at a general platform for biological computer simulations, which should be executable on hybrid cloud computing systems. This paper describes challenges and lessons learnt during the early stages of the software development process, in the context of implementation issues and the international nature of the collaboration.

研究の動機と目的

• 多様な計算生物学分野をカバーできる、スケーラブルで拡張可能な大規模生物学的シミュレーションプラットフォームの構築。
• クラウド対応、並列処理、保守性に欠けるレガシシミュレーションソフトウェア（例：Cx3D）の制限を克服すること。
• 標準化された、テスト駆動開発を用いたソフトウェア実践により、異種コンピューティング環境間での再現性と正しさを保証すること。
• 構造的なソフトウェア工学的手法と通信ツールを通じて、計算生物学分野における国際的協働を促進すること。
• 段階的でハイブリッド言語の移行により、最小限の混乱を伴いながらも、レガシ Java コードベースを高性能な C++ に近代化すること。

提案手法

• 1クラスずつ段階的に移行するハイブリッド手法を用い、C++ クラスを残りの Java コードと接続することで、Java ベースの Cx3D を C++ ポートに置き換えた。
• メモリアクセスパターンとベクトル化の可能性を向上させるために、配列の構造（SoA）へのデータレイアウト変換を実施した。
• 共有メモリ並列処理のための OpenMP と、タスクレベル並列処理のための Intel Cilk Plus を適用し、マルチコアアーキテクチャを最大限に活用した。
• Travis-CI を用いた継続的インテグレーションと、Cx3D 0.03 からの正解出力と比較する JSON 形式のシミュレーション出力による自動テストを統合した。
• cpplint や Eclipse 形式設定などの自動化ツールを用いて、Google C++ スタイルガイドに準拠したコーディング規範を強制した。
• crlibm 数学ライブラリを統合し、異なるプラットフォーム間でビット単位の同一浮動小数点結果を実現することで、再現性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レガシ生物学的シミュレーションフレームワークは、どのように現代のハイパフォーマンスコンピューティングアーキテクチャをサポートするように近代化できるか？
• RQ2 大規模かつ国際的な協働が可能なシミュレーションプラットフォームを維持するために、どのようなソフトウェア工学的手法が不可欠か？
• RQ3 シミュレーションの意味論を変更せずに、コード近代化によってどれほど性能を向上させられるか？
• RQ4 異なるハードウェアやコンパイラ環境間で、浮動小数点演算の再現性をどのように保証できるか？
• RQ5 ゲーム化の手法は、科学的ソフトウェア開発における性能最適化の加速に、どのような役割を果たすか？

主な発見

• ハイブリッド Java/C++ 結合による段階的 C++ ポーティング戦略により、継続的テストが可能になり、デバッグが著しく簡素化された。
• シングルスレッドでベクトル化されていない C++ バージョンは、元の Java バージョンと比較して中央値で 1.7 倍、最大で 4.8 倍の性能向上を達成した。
• インテル モダン コード開発チャレンジにおいて、レイアウト変換、OpenMP、カスタムメモリ管理を組み合わせた最適化 C++ コードは、元のシーケンシャル C++ バージョンと比較して 320 倍の高速化を達成した。
• crlibm ライブラリの統合により、浮動小数点演算の差異に起因する不一致を解消し、異なるプラットフォーム間で再現可能な浮動小数点結果を実現した。
• JSON 形式の出力比較による自動テストにより、近代化過程での機能的正しさが保証され、信頼性の高いレグレッションテストが可能になった。
• 継続的インテグレーション、GitHub プルリクエストによるコードレビュー、Slack やメーリングリストなどの通信ツールの組み合わせが、国際的協働の管理に不可欠であることが判明した。