|
|
Acceleration of Axisymetric Ultrasound Simulations
Kukliš, Filip ; Vaverka, Filip (oponent) ; Jaroš, Jiří (vedoucí práce)
The simulation of ultrasound propagation through soft biological tissue has a wide range of practical applications. These include the design of transducers for diagnostic and therapeutic ultrasound, the development of new signal processing and imaging techniques, studying the aberration of ultrasound beams in heterogeneous media, ultrasonic tissue classification, training ultrasonographers to use ultrasound equipment and interpret ultrasound images, model-based medical image registration, and treatment planning and dosimetry for high-intensity focused ultrasound. However, ultrasound simulation presents a computationally difficult problem, as simulation domains are very large compared with the acoustic wavelengths of interest. But if the problem is axisymmetric, the governing equations can also be solved in 2D. This allows running simulations with larger grid size, with less computational resources and in a shorter time. This paper model and implements an acceleration of the Full-wave Nonlinear Ultrasound Simulation in an Axisymmetric Coordinate System implemented in Matlab using Mex Files for FFTW DST and DCT transformations. The axisymmetric simulation was implemented in C++ as an extension to the open source K-WAVE toolbox. The codes were optimized to run using one node of Salomon supercomputer cluster (IT4Innovations, Ostrava, Czechia) with two twelve-core Intel Xeon E5-2680v3 processors. To maximize computational efficiency, several stages of code optimization were performed. First, the FFTs were computed using the real-to-complex FFT from the FFTW library. Compared to the complex-to-complex FFT, this reduced the compute time and memory associated with the FFT by nearly 50%. Also, real-to-real DCTs and DSTs were computed using FFTW library, which ones in Matlab version, had to be invoked from dynamically loaded MEX Files. Second, to save memory bandwidth, all operations were computed in single precision. Third, element-wise operations were parallelized using OpenMP and then optimized using streaming SIMD extensions (SSE). The overall computation of the C++ k-space model is up to 34-times faster and uses less than one-third of the memory than Matlab version. The simulation which would take nearly two days by Matlab implementation can be now computed in one and half hour. This all allows running the simulation on the computational grid with 16384 × 8192 grid points within a reasonable time.
|
|
|
Implementace 2D ultrazvukových simulací
Šimek, Dominik ; Vaverka, Filip (oponent) ; Jaroš, Jiří (vedoucí práce)
Práca sa zaoberá návrhom a implementáciou 2D simulácie ultrazvukových vĺn. Simulácia ultrazvuku nachádza svoje uplatnenie v medicíne, biofyzike či rekonštrukcii obrazu. Ako príklad môžme uviesť použitie fokusovaného ultrazvuku na diagnostiku a liečbu rakoviny. Program je súčasťou simulačného balíka k-Wave určeného pre superpočítačové systémy, konkrétne stroje s architektúrou zdieľaného adresového priestoru. Program je implementovaný v jazyku C++ s využitím akcelerácie pomocou OpenMP. Pomocou implementovaného riešenia je možné riešiť simulácie veľkých rozmerov v 2D priestore. Práca sa ďalej zaoberá zjednotením kódu 2D a 3D simulácie pomocou moderných prostriedkov C++. Reálnym príkladom využitia je simulácia ultrazvuku pri transkraniálnej neuromodulácii a neurostimulácii, ktorá prebieha v doménach o veľkosti 16384x16384 (a viac) bodov mriežky. Simulácia takýchto rozmerov môže pri použití pôvodnej MATLAB 2D k-Wave trvať niekoľko dní. Implementované riešenie dosahuje voči MATLAB 2D k-Wave 7 až 8 násobné zrýchlenie na superpočítačoch Anselm a Salomon.
|
|
|
Efektivní komunikace v multi-GPU systémech
Špeťko, Matej ; Jaroš, Jiří (oponent) ; Vaverka, Filip (vedoucí práce)
Po predstavení CUDA technológie od Nvidie môžu byť na grafických kartách počítané všeobecné výpočty. Grafické karty sú v podstate paralelné procesory s vysokým výpočtovým výkonom. Moderné superpočítače bývajú vybavené grafickými kartami ako akcelerátormi. Pri niektorých aplikáciách však výkon jednej grafickej karty nestačí a ich výpočet musí byť rozdelený medzi niekoľko grafických kariet. Počas výpočtu je potrebné vymieňať medzi grafickými kartami čiastkové výsledky. Táto komunikácia značne brzdí výpočet a preto je potrebné skúmať metódy efektívnej komunikácie medzi grafickými kartami - metódy ktoré menej zapájajú CPU, znižujú odozvu a zdieľajú systémové zásobníky. V tejto diplomovej práci je skúmaná komunikácia grafických kariet v rámci jedného uzla aj v rámci celého superpočítača. Hlavný dôraz je na technológie GPUDirect od Nvidie a CUDA-Aware MPI. Následne je predstavený k-Wave toolbox, aplikácia pre simuláciu šírenia akustických vĺn. Táto aplikácia je akcelerovaná pomocou CUDA-Aware MPI. Do tejto aplikácie je taktiež pridaná podpora peer-to-peer prenosov pomocou CUDA Inter-process Communication.
|
|
|
Simulace lomové zkoušky ve stavebnictví
Bordovský, Gabriel ; Vaverka, Filip (oponent) ; Jaroš, Jiří (vedoucí práce)
Tato práce optimalizuje program pro simulaci lomové zkoušky ve stavebnictví. Simulace je využívána k validaci lomových vlastností materiálu používaných při rekonstrukci historických budov. Názorně jsou prezentovány možnosti efektivnějšího využití procesoru při zachování kvality výsledků. V práci jsou analyzovány jednotlivé kroky simulace a následně navrženy možnosti optimalizace kritických úseku pomocí vektorizace či paralelizace. Techniky a postupy použité v této práci mohou být aplikovány na obdobné výpočty a tím výrazně zkrátit dobu potřebnou k výpočtu. Čas výpočtu prototypu byl přes 7,7 hodiny. Optimalizovaná verze zvládá sekvenčně stejný výpočet za 2,1 hodiny nebo paralélně na osmi jádrech za 21 minut. Oproti původní verzi je tak optimalizovaná paralelní verze 21-krát rychlejší.
|
|
|
Simulace šíření ultrazvuku v kostech
Kadlubiak, Kristián ; Vaverka, Filip (oponent) ; Jaroš, Jiří (vedoucí práce)
Odhaduje sa, že v roku 2012 sa objavilo celosvetovo neuveriteľných 14.1 milióna nových prípadov rakoviny. Toto číslo je alarmujúce. Napriek tomu, že zdravý životný štýl môže zredukovať riziko vzniku rakoviny, vždy existuje istá pravdepodobnosť, že sa rakovina objaví aj u úplne zdravého jedinca. Na úspech liečenia rakoviny majú vplyv najmä dva faktory. Po prvé - včasná diagnostika je absolútne nevyhnutná, po druhé - musí existovať vhodná operačná metóda na odstránenie poškodeného tkaniva. V obidvoch prípadoch má ultrazvuk veľký potenciál ako neinvazívna metóda. Fotoakustická spektroskopia je zobrazovacia metóda so skvelými vlastnosťami, založená na princípe ultrazvuku, schopná detegovať tumor. High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU) je neinvazívny chirurgický postup. Tieto metódy by však neboli možné bez presnej simulácie šírenia ultrazvuku. Balíček k-Wave je open source toolbox pre MATLAB, ktorý implementuje tieto simulácie. Vyvstáva otázka, prečo nie sú tieto metódy bežne používané v praxi? Dôvodom je fakt, že simulácia šírenia ultrazvuku je veľmi časovo náročná operácia, čo robi tieto metódy neefektívnymi. Avšak existujú spôsoby akcelerácie takýchto simulácií. Implementácia simulácie na GPU je veľmi perspektívny prístup k akcelerácií. Hlavnou úlohou tejto diplomovej práce je akcelerácia simulácie šírenia ultrazvuku v kostiach a iných tvrdých tkanivách. Implementácia vyvinutá v rámci diplomovej práce bola testovná na rôznych superpočítačoch ako napríklad Anselm v Ostrave alebo Piz Daint v Lugane. Implementované riešenie dosahuje pozoruhodné zrýchlenie v porovnaní s originálnym prototypom v prostredí MATLAB. V najlepšom prípade bola implementácia schopná urýchliť simuláciu približne 160 násobne. To znamená, že simulácia, ktorá by za iných okolností trvala 6,5 dňa, je dnes dokončená za jednu hodinu. Toto zrýchlenie bolo dosiahnuté počas simulácie s rozmermi 416x416x416 bodov a za použitia karty NVIDIA Tesla P100. Diplomová práca obsahuje porovnanie výkonu na rôznych grafických kartách, aby čitateľovi umožnila komplexnejší náhľad na akceleračné schopnosti vyvinutej implementácie a tiež poskytuje bližší pohľad na pamäťovú náročnosť a numerickú presnosť aplikácie. Vďaka schopnosti aplikácie naplno využiť potenciál grafických kariet, majú lekári a vyskumníci z celého sveta v rukách mocný nástroj.
|
|
|
Simulace vody na GPU
Hanzlíček, Jiří ; Jaroš, Jiří (oponent) ; Vaverka, Filip (vedoucí práce)
Cílem této práce je najít vhodný model kapaliny, jehož numerickou simulaci lze realizovat jako interaktivní. Tento požadavek vede na řešení založené na vysoce paralelním algoritmu. Implementace je provedena na procesoru i na grafické kartě tak, aby bylo možné dosáhnout srovnání výpočetního výkonu jednotlivých zařízení na zvoleném modelu.
|
|
|
Taktování moderních procesorů s ohledem na výkon, spotřebu a teplotu
Kelečéni, Jakub ; Vaverka, Filip (oponent) ; Nikl, Vojtěch (vedoucí práce)
Táto práca rieši problematiku závislosti - celkovej doby výpočtu, spotreby energie a teploty - na pracovnej frekvencií serverového procesora. V teoretickej časti je popísaná architektúra použitého procesora, sada benchmarkov a druhy algoritmov. Praktická časť je zameraná na testovanie navrhnutej sady benchmarkov (násobenie matíc, quicksort, výpočet PI, Ackermannova funkcia, LAMMPS, PMBW, Linpack). Sada benchmarkov pozostáva z jednovláknových a paralelných algoritmov. Testovanie prebiehalo pri nastavení troch rôznych frekvencií CPU a pri spustení paralelných benchmarkov na rôznom počte výpočtových vlákien. Pri každom teste boli zaznamenávaná údaje o spotrebe CPU a RAM. V práci je zohľadnený vplyv paralelizácie na spotrebu energie a na čas výpočtu. Získané údaje sú zhrnuté do tabuliek a grafov. Výsledkom práce je zhodnotenie vhodnosti konfigurácie CPU s ohľadom na čas výpočtu a spotrebu energie, pre jednotlivé benchmarky. Zo získaných výsledkov vyplýva, že vhodnosť použitej frekvencie CPU je závislá od charakteru výpočtového problému, a tiež od požiadavky pre dosiahnutie najlepšieho času, alebo spotreby.
|
|
|
Návrh binárních amplitudových hologramů pro optické generování ultrazvuku akcelerovaný pomocí GPU
Knotek, Martin ; Vaverka, Filip (oponent) ; Jaroš, Jiří (vedoucí práce)
V této práci se zabýváme možnostmi urychlení vědeckých výpočtů s použitím grafických výpočetních jednotek. Termínem vědecký výpočet v tomto kontextu rozumíme specifický algoritmus, který počítá povrch binárních hologramů, jež se používají při generování ultrazvuku. Zaměříme se na návrh hologramu, zvláště pak na rychlost, se kterou můžeme vypočítat povrch takového hologramu. Za tímto účelem použijeme dvě populární platformy pro paralelní zpracování dat - CUDA a OpenMP. Výsledný povrch hologramu je důležitý, protože ovlivňuje specifické fyzikální vlastnosti hologramu.
|
|
|
Návrh digitálních filtrů na GPU
Vaverka, Filip ; Maršík, Lukáš (oponent) ; Polok, Lukáš (vedoucí práce)
Tato práce ukazuje jeden z přístupů k návrhu digitálních filtrů s nekonečnou impulzní odezvou a volitelným řádem. Prezentované řešení je založeno na evolučním genetickém algoritmu a umožňuje tedy přímý návrh filtru dle jeho specifikací. Hlavním přínosem práce je paralelní implementace genetického algorimu, která je akcelerovaná pomocí GPU. Filtry jsou navrhovány v kaskádové reprezentaci. Řešení také umožňuje specifikovat požadovanou jak frekvenční, tak fázovou charakteristiku filtru.
|
|
|
Lokalizace mobilního robota pomocí kamery
Vaverka, Filip ; Orság, Filip (oponent) ; Rozman, Jaroslav (vedoucí práce)
Tato práce popisuje návrh a realizaci metody lokalizace mobilního robota. Metoda je založena čistě na obrazových datech získaných pomocí monokulární kamery. Lokalizace je v popisovaném řešení chápána jako asociační problém a jde tedy o lokalizaci v topologickém modelu prostření, který je předem vytvořen. Základem metody je generativní pravděpodobnostní model vzhledu prostředí. Tento způsob lokalizace umožňuje eliminovat některé obtížné problémy, kterými trpí klasické lokalizační metody.
|
host ::
RSS.