Portail d'apprentissage à distance de l'Ohio Supercomputer Center

L'interface Web fournit aux étudiants des laboratoires virtuels de calcul intensif basés sur des processeurs Intel® Xeon® Scalable.

En bref :

  • L'Ohio Supercomputer Center (OSC) fournit des laboratoires informatiques virtuels en offrant aux étudiants une interface Web facile à utiliser dans un outil.

  • L'environnement HPC OnDemand de l'OSC comprend des grappes basées sur des processeurs Intel® Xeon® Scalable. Pitzer, le nouveau système de l'OSC, est une grappe équipée de processeurs Intel® Xeon® Gold et Xeon® Platinum construit par Dell.

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Synthèse

En raison de la pandémie de COVID-19, les étudiants de l'Ohio State University (OSU) et de nombreux autres établissements ont dû s'adapter aux situations d'apprentissage à distance. Cela s'est avéré particulièrement difficile pour le travail normalement effectué en laboratoire dans un large éventail de domaines tels que les sciences, les mathématiques, l'informatique, les statistiques, le commerce et d'autres disciplines.

Mais grâce à l'Ohio Supercomputer Center (OSC), l'OSU était bien préparée pour le passage à l'apprentissage à distance. En outre, l'OSC a pu fournir des portails de laboratoires virtuels à d'autres universités. Il fournit ces laboratoires informatiques virtuels aux étudiants via une interface Web facile à utiliser au sein d'un outil baptisé OnDemand et développé par le centre. Les étudiants utilisent des tableaux de bord personnalisés développés par l'OSC pour accéder à des laboratoires numériques regroupant plusieurs disciplines enseignées, notamment l'architecture, les statistiques, l'agronomie, et plus encore. Lorsque les étudiants se connectent à OSC OnDemand, ils ont accès à un supercalculateur de l'OSC capable d'exécuter des charges de travail importantes avec des capacités de traitement avancées qui ne sont généralement pas disponibles pour les utilisateurs sur leurs propres ordinateurs.

Défi

Historiquement, la communauté du calcul intensif (HPC) utilisait une interface en ligne de commande pour entrer les commandes du système et se déplacer dans les fichiers ou les répertoires, ainsi que pour exécuter des programmes. Le manque d'interface Web en HPC donnait l'impression que son fonctionnement était à la traîne en matière de facilité d'utilisation.

Jusqu'à présent, de nombreux étudiants utilisaient uniquement des interfaces graphiques (GUI) en ligne et ne souhaitaient pas passer du temps à se familiariser avec des systèmes de fichiers, des répertoires et des entrées en ligne de commande. Les scientifiques et les ingénieurs préfèrent habituellement consacrer leur temps à faire progresser leur discipline plutôt que d'apprendre le calcul intensif. Le développement d'une interface Web facile à utiliser lèverait un obstacle permettant aux étudiants, clients commerciaux et chercheurs du secteur public d'avoir accès aux systèmes de grappes du superordinateur de l'OSC.

Solution

Le Dr. Alan Chalker, directeur des programmes stratégiques de l'OSC, a expliqué l'inspiration derrière OSC OnDemand : toutes les autres technologies développaient des portails utilisateurs basés sur le Web afin que les utilisateurs finaux puissent facilement interagir avec la technologie.

OnDemand est une interface Web accessible qui permet à toute personne ayant accès à l'OSC de se connecter et d'utiliser l'une des grappes du supercalculateur de l'OSC. Cela permettrait aux étudiants, aux chercheurs ou aux clients commerciaux de répondre à leurs besoins les plus exigeants en matière de traitement des données et de simulation de recherche.

L'architecture novatrice d'OnDemand garantit que les clients peuvent utiliser n'importe quel navigateur Web moderne et permet d'utiliser la sécurité du système sous-jacent et la gestion des utilisateurs.

L'environnement HPC OnDemand de l'OSC comprend des grappes basées sur des processeurs Intel® Xeon® Scalable. Pitzer, le nouveau système de l'OSC, est une grappe équipée de processeurs Intel® Xeon® Gold et Xeon® Platinum construit par Dell. Récemment, cette grappe à refroidissement liquide datant d'il y a deux ans est passée à près de 400 nœuds et 20 000 cœurs, ce qui porte le système à plus de 650 nœuds et près de 30 000 cœurs au total.

Lorsque les étudiants et les clients se connectent à OSC OnDemand, ils ont accès à un supercalculateur capable d'exécuter des charges de travail importantes avec des capacités de traitement avancées qui ne sont généralement pas disponibles pour tous les utilisateurs sur leur ordinateur personnel. Exploiter une grappe de l'OSC accélère le temps d'analyse des données et permet de réduire le coût par téraoctet lors du traitement des données.

L'OSC construit également des tableaux de bord virtuels OnDemand personnalisés pour différents cours dans d'autres universités. Par exemple, l'OSC a créé un laboratoire virtuel OnDemand pour les étudiants en architecture de l'université d'État de Kent afin qu'ils puissent gérer des travaux de dessin complexe sur Maya. « Il s'agit de catégories d'étudiants qui normalement n'utiliseraient pas le calcul intensif. Là, ils l'utilisent pour leurs cours et découvrent la puissance du calcul intensif et des supercalculateurs. Ces étudiants finiront par utiliser leur expérience des superordinateurs sur le marché du travail et par réaliser l'importance de l'accès au calcul intensif », précise le Dr. Chalker.

L'OSC a également créé un portail OnDemand spécial pour les clients commerciaux appelé AweSim. Un utilisateur d'AweSim, NASCAR, utilise des flux de travail développés par TotalSim pour effectuer des simulations de voitures de course.1

Pour les administrateurs système, l'OSC fournit un accès en ligne aux ressources de calcul intensif facile à installer. Les outils comprennent des applications de gestion et de suivi des travaux ainsi que des environnements de bureau graphiques et des applications de bureau, notamment RStudio Server, Jupyter Notebook, Matlab, Abaqus/CAE, ainsi que d'autres outils.

OnDemand permet aux utilisateurs de télécharger des fichiers, de créer, de modifier, de soumettre et de surveiller des travaux, d'exécuter des applications avec interface graphique, de se connecter via Secure Shell (SSH), ainsi que d'exécuter et de partager des applications. Aucun logiciel client ne doit être installé ni configuré.

Une instance OnDemand peut être installée dans d'autres centres de supercalculateurs, institutions ou centres de recherche sans être connectée aux supercalculateurs de l'OSC. Par exemple, l'université d'Alabama, à Birmingham, utilise OnDemand comme interface unique pour tous ses supercalculateurs.

Résultats

À l'automne 2019, l'OSU a commencé à intégrer un volet laboratoire dans son cours d'introduction aux statistiques, destiné aux étudiants de premier cycle en sciences de la vie, à l'aide de RStudio via l'interface OnDemand. L'an dernier, à l'heure où le cours n'était pas encore donné à distance, avant la pandémie, les étudiants ont assisté en présentiel aux séances de laboratoire. Ils ont utilisé les ressources du supercalculateur de l'OSC via OnDemand pour effectuer ces expériences de laboratoire. Cette expérience les a mieux préparés à la mise en place des laboratoires virtuels à distance.

L'OSU dirige désormais les laboratoires RStudio pour la troisième session en utilisant une interface Web à distance. Pouvoir offrir des cours à distance aux élèves est encore plus important avec la pandémie de COVID-19, pendant laquelle aucun élève ne se trouve dans une salle de classe à l'OSU.

L'OSC a créé un flux de travail qui permet aux étudiants d'accéder à RStudio pour leur classe de statistiques via le système OnDemand fonctionnant sur la grappe Owens de l'OSC. L'OSC met de côté quatre à huit nœuds sur la grappe, ce qui permet à jusqu'à 200 étudiants d'effectuer leurs travaux de statistiques. Cela permet de gagner du temps et de réduire les coûts de mise en place et de maintenance d'un système informatique distinct pour chaque élève.

Architecture de la grappe Pitzer de l'OSC.

L'OSC a créé des flux de travail, l'interface du cours, et a chargé des liens vers le manuel, les devoirs à domicile et les informations sur l'affectation des travaux de laboratoire. « En tant qu'instructeur, j'ai remanié les cours de laboratoire afin qu'ils puissent bien s'intégrer à une interface Web » explique Laura Kubatko, professeure de statistique à l'OSU. « Le personnel de l'OSC a été fantastique, ils ont participé à la première session pour aider les étudiants à tout mettre en place. Je sais que chaque étudiant a la même expérience pendant la session à distance puisqu'ils voient tous la même chose. »

« Les sessions OnDemand à distance sont populaires auprès des étudiants » poursuit Mme Kubatko. « J'ai constaté un plus grand intérêt de la part des étudiants pour ce format en ligne que pendant les quinze années au cours desquelles j'ai enseigné ce cours. L'OSU a décidé de continuer le cours sous forme de laboratoire en ligne même après le retour des étudiants sur le campus. »

L'OSU est également en train de transférer d'autres laboratoires de cours sur l'interface en ligne grâce à OnDemand. Mme Kubatko, qui est également co-directrice de l'Institut des biosciences mathématiques à l'OSU, indique que l'OSU a mené une expérience de recherche de premier cycle en analyse de données topologiques en mai 2020. Dans la mesure où les étudiants n'ont pas pu se rendre à l'OSU pour une session sur place, l'OSC a mis en place des flux de travail afin que la session puisse être menée via OnDemand. « Au cours de cette session, les étudiants ont utilisé OnDemand pour exécuter l'application Matlab afin d'effectuer des calculs sophistiqués pour une analyse de données topologiques à grande échelle. Certains étudiants n'ayant pas accès à une licence Matlab, l'interface Web OnDemand était le seul moyen pour eux de participer à cette session. », précise Mme Kubatko.

Grâce à un financement de la National Science Foundation (NSF), l'OSC a également développé une version open-source appelée Open OnDemand (OOD) qui permet aux organismes de recherche et aux universités de gérer leur propre instance sur OnDemand. Par ailleurs, l'OSC a créé un portail OnDemand spécial pour les clients commerciaux appelé AweSim OnDemand. L'OSC a créé AweSim avec M&S-as-a-service en collaboration avec des experts de la modélisation et de la simulation (M&S). Ce programme offre aux petites et moyennes entreprises (PME) du secteur manufacturier une conception basée sur la simulation afin d'améliorer l'innovation et de renforcer leur compétitivité économique.

L'architecture novatrice de Open OnDemand garantit que les clients peuvent utiliser n'importe quel navigateur Web moderne, et utilise la sécurité du système sous-jacent ainsi que la gestion des utilisateurs.

En cliquant sur des liens spécifiques dans Open OnDemand, les clients peuvent lancer Open XDMoD, qui fournit des statistiques et des analyses détaillées sur les travaux et l'utilisation des ressources.

OnDemand, Open OnDemand et AweSim OnDemand sont utilisés par un grand nombre d'institutions internationales. En 2019, OnDemand était utilisé sur 136 sites américains et 70 sites internationaux, dont de grandes universités, des laboratoires de recherche nationaux, des hôpitaux et des sites commerciaux.

Toutes les grappes du supercalculateur de l'OSC utilisent des processeurs Intel Xeon qui offrent des performances élevées, une fiabilité avancée et une sécurité matérielle optimisée pour les charges de travail exigeantes. De plus, les grappes sont dotées de processeurs graphiques, d'interconnexions, d'énormes nœuds de mémoire et d'un stockage de données partagé. L'architecture en grappe de l'OSC est capable de prendre en charge les travaux de modélisation et de simulation de calcul intensif les plus exigeants.

La récente expansion de Pitzer lève des contraintes majeures sur la taille des problématiques auxquelles le système peut s'attaquer. Elle permettra à l'OSC de résoudre un éventail beaucoup plus large d'échelles de turbulences spatiales et temporelles. Il s'agit notamment de développer des méthodes pour réduire le bruit des avions à réaction, d'évaluer les charges de décollage et d'atterrissage verticales sur les porte-avions ainsi que les phénomènes qui dominent le vol hypersonique. Cela fournit à l'ensemble de la communauté des utilisateurs les ressources de calcul supplémentaires nécessaires telles que les processeurs, les processeurs graphiques et la mémoire.

Synthèse de la solution

En raison de la pandémie de COVID-19, les étudiants à l'OSU et de nombreux autres établissements pratiquent l'enseignement à distance. Il est particulièrement difficile pour les étudiants de travailler en laboratoire en apprentissage à distance. L'Ohio Supercomputer Center a créé un outil en ligne facile à utiliser appelé OnDemand. Cet outil est utilisé par les étudiants pour un accès à distance en ligne destiné aux cours de laboratoire dans des disciplines telles que l'architecture, les mathématiques, l'agronomie, et plus encore. OnDemand fonctionne sur des systèmes de calcul intensif de l'OSC permettant aux étudiants d'accéder à la puissance d'un supercalculateur. L'OSC a également créé des tableaux de bord virtuels à distance personnalisés pour les cours d'autres universités, ainsi que pour les entreprises, via son portail AweSim OnDemand.

OnDemand peut être lancé depuis des stations de travail, des PC, des ordinateurs portables, ou même des téléphones mobiles et des tablettes et donne ainsi accès à l'incroyable puissance du calcul intensif. « OnDemand lève un obstacle pour les chercheurs, les scientifiques, les étudiants et les enseignants, ce qui permet à un plus grand nombre de personnes d'utiliser le calcul intensif plus facilement et de manière plus diversifiée », explique le Dr. Chalker.

Caractéristiques techniques de la grappe OnDemand de l'OSC, la grappe Pitzer :

Grappe Owens :

  • 824 nœuds de serveurs EMC PowerEdge de Dell
  • Processeurs Intel® Xeon® E5 2680 v4

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