Com o objetivo de compartilhar com os programas de pós-graduação recursos computacionais de alto desempenho, a Rede Integrada de Pesquisa em Alta Velocidade (RePesq) da Universidade Federal de Juiz de Fora acaba de ser contemplada para expandir seu datacenter em chamada da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), em parceria com o Ministério da Ciência e Tecnologia (MCTI) – Infraestrutura de Pesquisa em Áreas Prioritárias (Proinfra 2021). O valor a ser financiado é de 2.514.699,98 milhões de reais. Também foi contemplado neste edital o Núcleo de Espectroscopia e Estrutura Molecular (Neem) da UFJF.

O laboratório multiusuário, localizado no Instituto de Ciências Exatas (ICE), está vinculado ao Programa de Pós-Graduação em Ciências da Computação (PPGCC), mas atende a todos os PPGS que precisam realizar pesquisas com computadores de alta velocidade. “O datacenter da RePesq é de alta segurança e confiabilidade, acessível tanto por meio da rede de comunicação da UFJF quanto por meio de uma rede própria”, informa o coordenador da Rede, o professor Marcelo Moreno. 

Para facilitar o atendimento simultâneo às diferentes demandas de uso de recursos computacionais advindas das variadas áreas de pesquisa, o laboratório oferece serviços de computação em nuvem (cloud computing) em suas diferentes modalidades. Para a chamada da Finep, foi desenvolvido um subprojeto intitulado RePesqIA, para abrigar cargas de trabalho em Inteligência Artificial (IA) e Computação Gráfica (CG), o que inclui os experimentos das mais diversas áreas do conhecimento que vêm aplicando técnicas de machine learning, deep learning, visão computacional, ray-tracing em tempo real, fotorrealismo, realidade virtual e realidade aumentada para avançar em suas contribuições científicas. 

Agilidade no processamento

O novo equipamento a ser adquirido é um cluster de servidores de plataforma aberta, de propósito geral, voltados ao ambiente de datacenter de alto desempenho e que incluem, cada um, dois aceleradores de processamento gráfico (GPUs) de última geração, capazes de serem particionados e virtualizados. O dimensionamento da partição ou da GPU virtual é feito sob demanda, de acordo com as necessidades de cada usuário pesquisador, conforme requisitado à RePesq. 

“Os recursos agregados com o novo equipamento seguem a missão da RePesq desde sua concepção, sendo disponibilizados de forma compartilhada a todos os pesquisadores dos PPGs da UFJF e seus parceiros, alocados sob demanda e monitorados para garantir seu uso eficiente, de alto desempenho e de forma justa à comunidade científica”, assegura Moreno.

O docente explica que as capacidades podem ser elasticamente redimensionadas, conforme disponibilidade e imposição da carga de trabalho em execução: “Tal abordagem é similar à encontrada em nuvens públicas voltadas à computação baseada em IA (AI Cloud), como os serviços oferecidos por Google, Amazon e Microsoft a altos custos, ou com uso gratuito por intervalo de tempo muito curto.”

Entre as vantagens do cluster com aceleração por GPUs, destaca-se a possibilidade de os usuários poderem transferir a única parte de seus experimentos que ainda realizam fora da RePesq para dentro da infraestrutura. “Todas as iniciativas em andamento, em torno de Inteligência Artificial, serão potencializadas ao contar com tempos longos e altas capacidades de recursos, se tiverem o processamento de treinamentos e inferências também trazidos para o laboratório”, garante. 

“Já pesquisadores das áreas de visão computacional e realidade virtual poderão realizar suas renderizações e inferências em tempo real, a qualquer momento, não dependendo de fundos para contratação de nuvem pública. Neste contexto mostra-se importante não somente o processamento, mas também a alta velocidade da rede da RePesq, atualmente em 10Gbps e que para o cluster solicitado seria acrescido para 25Gbps. Tal desempenho não pode ser alcançado em nuvem pública. Isso habilita o stream de dados de ultra alta definição e baixas latências na interação de usuários finais com mundos virtuais, por exemplo.”

Infraestrutura 

O novo cluster a ser adquirido com a verba desta chamada da Finep é composto por oito servidores de rack, cada qual conta com dois CPUs de 16 núcleos e dois GPUs Tensor Core particionáveis e virtualizáveis, incluindo licenças de software necessárias. “Trata-se de um incremento de 256 CPUs, 16 GPUs, particionáveis em até 64 GPUs, simultaneamente. Para interligar os nós do cluster e integrá-lo ao datacenter, está incluído também um switch topo de rack Ethernet 10/25/40/50/100 Gbps, com no mínimo 8 portas 25Gbps”, detalha o pesquisador.

Constituído por infraestrutura física e virtual, o espaço físico de 36 metros quadrados abriga os equipamentos de datacenter e do laboratório de apoio. Atualmente, além do Datacenter Tier-3 [ANSI/TIA-942], há ainda 12 servidores, 16 núcleos e 64 GB RAM cada, totalizando 192 núcleos e 768 GB RAM, duas unidades storage em rede, com 28TB cada, totalizando 56TB de capacidade, 20 switches, dez estações de trabalho, um no-break de 60KVA trifásico, quatro condicionadores de ar de 58000 BTUs cada, sistema de controle de acesso por biometria e cinco câmeras de vigilância, qualidade HD, com sistema de monitoramento. 

Moreno reconhece que a nova aquisição permitirá atender demandas que aplicam técnicas de IA ou de CG e que exigem altíssima capacidade de processamento, por longos períodos de experimentação. Isso será possível pela aceleração oferecida por GPUs, fundamental para viabilizar o treinamento de modelos avançados de inteligência artificial, a inferência de modelos complexos, a renderização de mundos virtuais fotorrealísticos em tempo real, entre várias outras aplicações, atualmente demandados por vários dos usuários da RePesq. 

Aplicações múltiplas

Por se tratar de laboratório multiusuário, a RePesq atende projetos e demandas nos mais variados campos do conhecimento, incluindo diversas áreas prioritárias definidas pelo MCTI. “Em tecnologias habilitadoras, vem permitindo o desenvolvimento de algoritmos de inteligência artificial, incluindo reconhecimento de linguagem natural, criação de técnicas para consolidação de grafos de conhecimento, representação da semântica computacional de objetos multimodais, reconhecimento de ações baseadas em vídeo, entre outros. Outra tecnologia habilitadora que vem sendo pesquisada é a Internet das Coisas, desde quando o parque computacional da Rede foi integrado a workflows internacionais de pesquisa, como no projeto H2020 Fasten (abordagem de Indústria 4.0), e no Fasten Vita, que culminou em um ambiente de IoT capaz de produzir remotamente EPIs e respiradores por meio de impressão 3D”, exemplifica.

Parceria com a Embrapa, voltada para processamento e comparação do custo dos nutrientes dos lácteos com produtos típicos brasileiros, possibilita apoiar os processos de tomadas de decisão para o desenvolvimento mais sustentável da agropecuária. Também nessa linha da sustentabilidade, um projeto em andamento envolve a resolução de problemas de roteamento e construção de estações de recarga e de roteamento e localização de veículos elétricos compartilhados. 

Há ainda pesquisas relacionadas à qualidade de vida, como a concepção de sistema de informação para monitoramento e tratamento da dor crônica; fabricação de EPIs e respiradores para hospitais; uso de visão computacional para reabilitação física à distância; e a modelagem de interfaces cérebro-máquina para reabilitação de AVC. Além disso, no setor de Comunicações, há aplicações no compartilhamento de serviços de computação de borda em redes móveis 5G, concepção da próxima geração da TV Digital terrestre junto ao Fórum SBTVD, entre outras iniciativas. 

Sobre a RePesq

A Rede Integrada de Pesquisa em Alta Velocidade foi concebida por meio do projeto Finep/CT-Infra Estratégias para Inovação em Pesquisa e Pós-Graduação na UFJF (2012), tendo iniciado suas operações em 2019. Conforme investimentos, projetos, publicações e resultados elencados nos campos anteriores, nota-se que a RePesq vem mantendo um alto grau de compartilhamento do seu parque instalado. “Com as adversidades da pandemia de Covid-19, a importância dessas abordagens ficou ainda mais evidente, devido à falta de acesso físico dos pesquisadores aos seus laboratórios específicos, em um período que durou mais de dois anos”, considera Moreno.

Adaptando os procedimentos operacionais para que toda a gerência do datacenter pudesse ser feita de forma remota e segura, o datacenter RePesq não interrompeu sua missão, tendo inclusive aumentado sua demanda “e, ainda assim, manteve a mesma qualidade dos serviços prestados, como anteriormente”. Nesses três anos de sua existência operacional, o laboratório já atendeu projetos de 18 professores de sete programas de pós-graduação e 32 discentes de iniciação científica, mestrado e doutorado. Ao todo, há parcerias com 16 instituições públicas e privadas, como a USP, UnB, UFMG e Embrapa, ANP e Shell.  

Pesquisa está alinhada aos ODS da ONU

As ações de pesquisa da UFJF estão alinhadas aos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da Organização das Nações Unidas (ONU). A rede citada nesta matéria está alinhada com os ODS 3 (Saúde e Bem-Estar), ODS 4 (Educação de qualidade), ODS 9 (Indústria, inovação e infraestrutura), ODS 11 (Cidades e comunidades sustentáveis) e ODS 17 (Parcerias e meios de implementação). Confira a lista completa no site da ONU.

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