EUFORIA-projekti

EUFORIA (EU Fusion fOR Iter Applications) on Euroopan unionin 7. puiteohjelmasta rahoitettu projekti, jonka tavoitteena on kehittää fuusion mallinnusyhteisölle kokonaisvaltainen  laskentainfrastruktuuri yhdistämällä grid- ja suurteholaskentaa.

EUFORIA-projekti tulee parantamaan ITER-reaktorin kokoluokan plasmanmallinnuskapasiteettia optimoimalla ja integroimalla joukon kriittisiä reuna- ja ydinkuljetusohjelmistoja grid- ja suurteholaskentaympäristöihin. Tämä erilaisten laskentaympäristöjen käyttöönotto on tärkeä osa projektia. Projektissa erityisesti uutta on mahdollisuus linkittää ja yhdistää dynaamisesti eri laskenta-alustoilla suoritettuja ohjelmia yhdeksi yhdistetyksi työksi käyttäen erityistä töiden hallintamoottoria, joka tarjoaa tarvittavan integraation plasmanmallinnussovelluksille. Näin luotu yhdistetty laskentaympäristö lisää huomattavasti fuusioplasman mallintamiskapasiteettia ja tarjoaa samalla uuden laskenta-alustan fuusioyhteisölle.

Toteutus

EUFORIA-projekti muodostuu kahdesta osiosta, joita aluksi toteutetaan rinnan, mutta jotka projektin myöhemmässä vaiheessa yhdistetään. Ensimmäinen osio on kehitys ja käyttöönotto -osio, jossa projektiin valittuja ohjelmia optimoidaan ja muokataan grid- ja suurteholaskenta-alustoille soveltuviksi. Oleellisena tässä osiossa on laskentainfrastruktuurin käyttöönotto, jota kehitetään projektiin osallistuville. Niinpä tämä osio on pääasiassa tarkoitettu ohjelmien ja sovellusten kehittäjille, koska pääpaino on plasmafysiikkaohjelmien toteutuksessa ja ohjelmien rakenteessa. Jotta projektin tuottama hyöty ei jäisi vain projektiin osallistuville, vaan leviäisi laajemminkin fuusionmallinnusyhteisöön, yleisiä kursseja järjestetään sovellusten mukauttamisesta eri laskenta-alustoille. Lisäksi saadut tulokset fuusio-ohjelmien kehitystyöstä julkaistaan yleisesti saataville sekä opastetaan uusia ohjelmien kehittäjiä heidän tuodessaan ohjelmansa EUFORIA-projektiin. Tämä vaihe yksistään tekee suuren harppauksen fuusion mallinnuskapasiteetissa.

Toinen vaihe projektista keskittyy standardointiin ja integrointiin. Tässä vaiheessa on kaksi osiota.  Teknologiapainotteisessa osiossa kehitetään työkaluja ja teknologioita, jotta käyttäjille saataisiin läpinäkyvä menetelmä resurssien jakamiseen ja aikatauluttamiseen sekä mallinnusohjelmien dynaamiseen yhdistämiseen.  Käyttäjä ja fysiikka -painotteisessa osiossa muodostetaan optimoiduista ohjelmista monimutkaisia kokonaisuuksia, joissa yhdistetään standardoiduilla tietorakenteilla ja tiedonsiirtomenetelmillä ohjelmia yhdeksi kokonaisuudeksi. Avainkomponentteja näissä ovat yhteiset tietorakenteet niin reuna- kuin ydinplasmasimulaatioille, yhdistettyjen töiden hallintatyökalut ja tiedon käsittely ja visualisointiohjelmat. Myös tämä vaihe yksinään on merkittävä askel fuusionmallinnusyhteisön mallinnuskapasiteetissa ja -kyvyssä.

Tavoitteet
EUFORIA-projektille on asetettu seuraavat tavoitteet:
Grid-laskentapalveluiden käyttöönotto
Suurteholaskentainfrastruktuurin käyttöönotto
Kehittää portaali käyttäjille
Standardikäsitteistön muokkaaminen reuna- ja ydinplasmasimulaatioille
Fuusiosimulaatiosovellusten  optimoiminen ja mukauttaminen  seuraaville alustoille:
Sarjamuotoinen grid-laskenta
Rinnakkais-grid-laskenta 
Suurteholaskenta
Ohjelma-alustan kehittäminen tarjoamaan:
Dynaamisen yhdistettyjen töiden hallinnan
Korkealaatuista tulosten visualisointia
Tiedonkäsittely- ja keruukapasiteettia
Tarvittavan välitysohjelmiston kehittäminen laskentaresurssien käyttöönottoa varten.

Näiden tavoitteiden lisäksi on useita tiedonlevittämis- ja kontaktien luomisaktiviteetteja, joilla fuusioyhteisölle saadaan levitettyä tietoa laskentainfrastruktuurista, ja joilla projektissa ollaan yhteydessä muihin vastaaviin infrastruktuuri- ja tutkimusprojekteihin.

Työt projektissa jaetaan erityisille työryhmille, joiden työ koordinoidaan varmistaakseen eri työvaiheiden valmistuminen ajallaan. Tarpeellisen johtamisorganisaatioon ja resursseihin projektin eri tasoilla on erityisesti panostettu.

Konsortio
EUFORIA-konsortio koostuu 14 eurooppalaisesta instituutista:
 Chalmers University of Technology (Koordinaattori),  Ruotsista
 Max Plank Institute for Plasma Physics (IPP),  Saksasta
 Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Espanjasta
Centro de Investigaciones Energéticas, Medio Ambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Espanja
Forschungszentrum Karlsruhe (FZK), Saksa
Finnish IT Center for Science (CSC), Suomi
Abo Akademi University (ABO), Suomi
University of Edinburgh (UEDIN), Iso-britannia
Barcelona Supercomputing Center (BSC), Espanja
French Atomic Energy Commission (CEA), Ranska
University Louis Pasteur - Strasbourg I (ULP), Ranska 
University of Ljubljana (UOL), Slovenia
Poznan Supercomputing and Networking Center PSNC, Puola
Italian National Agency for New Technologies, Energy and the Environment (ENEA), Italia

Projektin rakenne

Verkostoituminen
NA1 – johtaminen 
NA2 - dokumentaatio ja opetus
NA3 - tiedottaminen

Palveluaktiviteetit - infrastruktuurin käyttöönotto
SA1 - Grid-infrastruktuuri
SA2 - suurteholaskentainfrastruktuuri
SA3 - käyttäjätuki HPC ja Grid -aktiviteeteille

Tutkimusaktiviteetit

JRA1 - ohjelmien ja työkalujen muokkaaminen Grid-infrastruktuurille
JRA2 - ohjelmien ja työkalujen muokkaaminen suurteholaskentainfrastruktuurille
JRA3 - fysiikkaintergraatio - yhdistettyjen töiden hallinta
JRA4 - visualisointi

Verkostoituminen (Network Activities, NA)

NA1: Johtaminen

NA1-työryhmän tehtävänä on konsortioiden hallinnollinen tukeminen ja johtaminen. Myös eri tutkimus- ja palveluaktiviteettien koordinointi on tämän työryhmän tehtävänä, erityisesti painottuen eri aktiviteettien väliseen viestintään.

NA1:n tavoitteet

Johtaa ja hallinnoida konsortioita kokonaisuudessaan
Koordinoida tutkimus- (JRA) ja palvelu- (SA) aktiviteetteja
Koordinoida muita verkottumis- (NA2 ja NA3) aktiviteetteja 
Koordinoida yhteistyö EGEE, DEISA, ICEAGE ja BELIEF -projektien kanssa
Etsiä yhteishenkilöitä muista EU- ja kansainvälisistä Grid ja HPC -projekteista
Etsiä muita mahdollisia rahoituslähteitä projektille

Onnistunut hallinnointi näkyy koko projektin tuloksissa ja saavutetaan jatkuvalla projektin seurannalla sekä aktiviteettien välietapeilla.

NA2: Dokumentaatio ja opetus

NA2-osio tuottaa tarvittavaa dokumentaatiota sekä opetusta, jotta projektin suurteholaskenta- ja Grid-infrastruktuuri saadaan käyttöön. NA2 sisältää opetusohjelman, joka on suunniteltu auttamaan käyttäjiä tarvittavien tietojen ja taitojen hallitsemiseen käyttääkseen laskentainfrastruktuuria.

NA2:n tavoitteet
Tuottaa dokumentaatiota käyttäjille Grid ja HPC -infrastruktuurista
-Opettaa ohjelmien kehittäjiä ja käyttäjiä

NA3: Tiedottaminen
Projektista tiedottaminen on erittäin oleellista, jotta mahdolliset käyttäjät saavat tietoa mitä projekti voi heille tarjota. Tiedon pitää olla stimuloivan houkuttelevaa ja korostaa hyötyjä joita saa liittyessään DEISA:an, EGEE:hen ja EUFORIA:n grid ja hpc -yhteisöihin. Mahdollisille käyttäjille suunnatuista opetustilaisuuksista tiedottaminen on myös oleellinen osa tiedottamista ja tämän osion oletetaan tuottavan yleiskuva koko projektista.

NA3:n tavoitteet

Tiedottaa grid- ja suurteholaskennan hyödyistä ja syistä fuusion tutkimuksessa ja EUFORIA:n infrastruktuurin käytöstä.
Määritellä tiedottamiskanavat ja viestit
Tarjota tiedotusmateriaalia, muokata sitä kohdeyleisölle ja saattaa se saataville.
Tiedottaa tiedeyhteisöjä projektiin osallistumisesta
Tiedottaa potentiaalisia käyttäjiä, jotta nämä voisivat tulla EUFORIA:n käyttäjiksi.
Pitää yhteisöt ajan tasalla uudesta parannuksista ja toiminnoista.

Palveluaktiviteetit (Service Activities, SA)

SA1: Grid -infrastruktuurin käyttöönotto ja hallinta
Tämän aktiviteetin tavoitteena on tarjota kehittynyt grid-infrastruktuuri tieteelliseen laskentaan fuusion tutkimuksessa Euroopan tutkimusalueella. Tässä osiossa hajautetun laskennan resurssit yhdistetään yhdeksi koherentiksi grid-palveluksi, joka mahdollistaa tutkijoille uusien tieteellisten haasteiden käsittelyn.

SA1:n tavoitteet
Ottaa käyttöön, ylläpitää ja operoida grid-laskentapalvelun keskeisiä palveluja.
Koordinoida turvallisesti ja luotettavasti grid-resurssien käyttöönottoa, ylläpitoa ja käyttöä, joita projektiin osallistuvat tarjoavat.
Tarjota tukea virtuaaliorganisaatioille (vo) ja resurssien tarjoajille, ja siten auttaa loppukäyttäjiä ja vo-hallinnoijia ja ylläpitäjiä saavuttamaan tavoitteensa ja myötävaikuttaa infrastruktuurin onnistuneeseen käyttöön.

Tämän  projektin ympäristö riippuu grid-laskennan pohjautuvan tutkimuksen keskittymisestä Euroopassa. Infrastruktuuri tulee olemaan yhteensopiva EGEE-välitysohjelmiston palveluiden kanssa ja näin auttaa grid-välitysohjemistojen standardoinnissa ja e-infrastruktuurin vahvistamisessa Euroopassa. Tämän saavuttamiseksi käytetään kansainvälisten toimijoiden, kuten e-IRG:n ja GGF:n suosituksia.

SA2: suurteholaskentainfrastruktuuri (HPC)
SA2:n tavoite on tarjota ohjelmien kehittäjille ja tutkijoille turvallinen yhteys suurteholaskentapalveluihin ja tukipalvelut eri supertietokonekeskuksista. (CSC, BSC, EPCC)
Palveluita tarvitsevat  JRA2:n ohjelmoijat, jotka  keskittyvät optimoimaan fuusionmallinnusohjelmistoja. Jotta optimointityötä voidaan tehdä kunnolla, on ohjelmoijilla ja tutkijoilla oltava sopiva laskentaympäristö testausta, virheiden etsintää ja ajamista varten. Lisäksi supertietokoneita tarvitaan soveltuvuustesteihin ja tutkijoiden ajoihin.

SA2:n tavoitteet
Tarjota laskentapalvelutukea ohjelmistojen optimoijille JRA2-aktiviteetissa.
Tarjota pääsy supertietokoneisiin soveltuvuustestejä varten

SA3: Käyttäjätuki Grid- ja suurteholaskennalle
Tarjota tieteellisille käyttäjille käyttäjätukimekanismi, jotta he voisivat saada EUFORIA-projektin tarjoamat grid- ja HPC-laskentapalvelut käyttöönsä nopeasti ja tehokkaasti. Käyttäjille tulee olemaan yksi käyttöliittymä, joka tarjoaa keskeiset yhteydet samalla hyödyntäen osaamista osallistujainstituuteista. Käyttöliittymä tarjoaa rekisteröitymisen, resurssien ja käyttäjätilin hallinnan sekä käyttötuen kaikille käyttäjille.

SA3:n tavoitteet
Tarjota, yhden käyttöliittymän kautta, käyttäjien ja resurssien hallinnan, raportoinnin ja keskeiset käyttötukipalvelut palvelun käyttäjille.
Tarjota laaja-alaista tukea ohjelmien optimointiin ja siirtämiselle Euforia-infrastruktuurille

Tutkimusaktiviteetit (Joint Research Activities, JRA)

JRA1: Ohjelmien muuntaminen Grid-infrastuktuurille

Tässä aktiviteetissa pilottijoukko plasman reuna- ja ydinkuljetusmallinnusohjelmia mukautetaan grid-laskentaan. Tärkein tavoite on tutkia grid-laskennan mahdollisuuksia fuusiotutkimuksessa aloittaen pienestä pilottiohjelmien joukosta, jotka vaikuttavat sopivimmilta grid-laskentaan.  Ensimmäisessä vaiheessa joukko sarjaohjelmia muokataan grid-laskentaan. Toisessa vaiheessa kaksi kytkettyä ohjelmaa asennetaan grid-alustalle testausta varten. Erityisesti huomiota kiinnitetään rinnakkais- ja sarjatöiden yhdistämisessä siihen millaista hyötyä uudella sekalaskentastrategialla voisi olla tulevaisuuden fuusiotutkimuksessa. Ohjelmien sopeuttamisessa ja tiedon hallinnassa opitut asiat käytetään arvokkaana tulevissa fuusiosimulaatioissa ja -kokeiluissa.

JRA1:n tavoitteet
Sopeuttaa joukko ohjelmia grid-ympäristöön.
Saada kokemusta ohjelman ajosta ja tiedon hallinnasta yhdistettyjen töiden yhteydessä

JRA2: Ohjelmien sopeuttaminen suurteholaskenta (HPC) -infrastruktuurille

JRA2-aktiviteetissa joukko keskeisiä plasmafysiikkaohjelmia muokataan osallistuvissa HPC-keskuksissa oleville rinnakkaissupertietokoneille. Tavoitteena on saada ohjelmat toimimaan nopeammin ja käyttämään useampia suorittimia, jotta voitaisiin laskea huomattavasti suurempia ongelmia ja siten saada fuusionmallinnuskapasiteettia lähemmäksi fuusioreaktorin täysimittaista mallintamista. Ohjelmat tullaan suunnittelemaan toimivaksi tehokkaasti nykyisillä teraskaalan - ja myös seuraavan sukupolven petaskaalan - supertietokoneilla.

JRA2:n tavoitteet
Parantaa ohjelmien skaalautuvuutta rinnakkaislaskennassa
Optimoida ohjelmat moderneille prosessoriarkkitehtuureille
Muokata ohjelmia siten, että ne voidaan integroida yhdistettyihin töihin.

JRA3: Yhdistettyjen töiden hallinta
Erillistien ohjelmien ja modulien kytkeminen yhteen vaatii koordinointia ja tietorakenteiden hallintaa sekä resurssien jakamista toimiakseen tehokkaasti. Workflow:n hallintatyökalu helpottaa integraatioprosessia ja tarjoaa rungon lisätehtävien, kuten töiden interaktiiviselle seuraamiselle ja ohjaamiselle.  Aktiviteetti tarjoaa myös mahdollisen aloituskohdan standardoiduille tietorakenteille ja jälkikäsittelytyökaluille.

JRA3:n tavoitteet
Jakaa työt GRID ja HPC -ympäristöihin
Kehittää yhtenäinen käyttöliittymä, joka tukee käyttäjien ja resurssien hallintaa sekä raportointia.

JRA4: Visualisointi
Tämän aktiviteetin tavoitteena on tarjota joukko yhtenäisiä visualisointityökaluja Euforia:n laskenta-alustaan integroiduille ohjelmille. Joitakin näistä työkaluista käytetään ohjelmien tuottamien tulosten jälkikäsittelyyn ja joitakin integroidaan yhdistettyjen töiden hallintaan mahdollistaen ajonaikaisen visualisoinnin ja monitoroinnin yhdistetyissä töissä. Kehitettävät visualisointityökalut pohjautuvat olemassa oleviin ohjelmiin, kuten pythoniin, numpyyn, matplotlib:iin ja VTK:hon.

JRA4:n tavoitteet

Tajota yhtenäiset etävisualisointityökalut yhdistettyjen töiden tuloksille.
Toteuttaa entistä tehokkaampia visualisointityökaluja, joita voidaan käyttää laskettujen tulosten jälkikäsittelyyn.
Kehittää uusi pakkaustyökalu suurien tietomäärien käsittelyyn, joita jotkut ohjelmat tuottavat.
Kehittää erityisiä visualisointityökaluja 4D tai 5D -jakaumafunktioille

Katso myös
ITER
Plasmafysiikka
Fuusio
Grid-laskenta
Suurteholaskenta
EGEE (EGEE Project: Enabling Grids for E-science)
EELA (EELA Project: creating a human network between Europe and Latin America)
DEISA (Distributed European Infrastructure for Super Computing Applications)
ICEAGE (International Collaboration to Extend and Advance Grid Education)
ERA (European Research Area)
GGF (Global Grid Forum) and OGF (Open Grid Forum)
BSC 
EPCC
CSC

Aiheesta muualla 
EUFORIA-projektin kotisivut (EU Fusion fOR Iter Applications)
ITER:n kotisivut (International Thermonuclear Experimental Reactor)
EGEE-projekti (Enabling Grids for E-sciencE)
DEISA-projekti (Distributed European Infrastructure for Super Computing Applications)
ICEAGE-projekti (International Collaboration to Extend and Advance Grid Education)
ERAn kotisivut (European Research Area)
e-IRG:n kotisivut (e-Infrastructure Reflection Group) (arkistoitu versio Wayback Machinessa)
OGF:n Kotisivut (Open Grid Forum)

Euroopan unioni