High-performance cell-based simulations of cardiac electrophysiology using task parallelism

Cardiac electrophysiology is the study of electrical activity in the heart; disorders of the heart's electrical synchronisation system, named cardiac arrhythmias, are responsible for half of the deaths related to cardiovascular disease. Cardiac electrophysiology relies on computer models that simulate the behaviour of the heart and how it is affected by cardiac arrhythmias. The existing software are already very sophisticated and valid tools, but not yet powerful to take into account all the individual cardiac cells in a human heart, which are around 2 billion; instead, they group them and assume the same behaviour for all the cells belonging to the same group. This limitation does not allow one to describe precisely the interaction between neighbouring cells, which is fundamental for a better understanding of the cardiac diseases. Finer models, called cell-based models would be able to provide more accurate simulations, but only with a relevant backward in terms of computational cost. Due to their complexity, cell-based softwares need to use High Performance Computing (HPC) and large computer architectures, called supercomputers. Although, using these platforms is not trivial: specific competences are required to achieve efficient performance and the variability between platforms leads to portability issues. To deal with these issues it can be convenient to rely on runtime systems, libraries handling the executions of programs; if well designed, a runtime system can improve the performance of a software and extend its portability, while requiring moderate efforts by the programmer. The challenges represented by cell-based models are the focus of many research efforts; this work is part of them, and specifically it investigated the possible benefits for cardiac cell models derived by the use of a runtime system. This document describes the introductory work made to combine a cardiac cell-base model application, DEMI software, with a runtime system, StarPU. The used approach will be illustrated, and a perspective on how it could be possible to extend the work will be provided as well.

L'elettrofisologia cardiaca è la disciplina che studia l'attività elettrica del cuore; le patologie del sistema di sincronizzazione elettrica del cuore, chiamate aritimie, sono responsabili della metà dei decessi legati a problemi cardiovascolari. I modelli software sono utilizzati per simulare il funzionamento del cuore e come viene compromesso dalle aritmie. I software già in uso sono molto sofisticati, ma non sono abbastanza potenti per prendere in considerazione tutte le cellule cardiache del cuore umano, che sono all'incirca 2 miliardi; invece, le raggruppano e assumono lo stesso comportamento per tutte le cellule appartenenti allo stesso gruppo. Questa limitazione non permette di descrivere precisamente l'interazione tra cellule vicine, che è fondamentale per una migliore comprensione delle patologie cardiache. Modelli più precisi, chiamati cell-based (approccio cellulare) sarebbero in grado di fornire simulazioni più accurate, ma richiedono un rilevante aumento delle risorse computazionali. A causa della loro complessità, i cell-based software necessitano del calcolo ad alte prestazioni (HPC) e di grandi infrastrutture di calcolo, chiamate supercomputer. Tuttavia, l'utilizzo di queste piattaforme non è banale: per ottenere performance efficienti sono necessari competenze specifiche e le differenze tra piattaforme portano a problemi di portabilità. Per affrontare questi problemi, può essere conveniente utilizzare dei runtime systems, librerie che gestiscono l'esecuzione dei programmi; se ben implementato, un runtime system può migliorare le performance di un software ed estendere la sua portabilità, richiedendo un impegno moderato da parte del programmatore. Le sfide rappresentate dai cell-based models sono oggetto di molti sforzi di ricerca; questo lavoro ne fa parte, e specificatamente indaga i possibili benefici per un modello cell-based derivanti dall'uso di un runtime system. Questo documento descrive il lavoro introduttivo che è stato fatto per combinare un'applicazione cell-based, DEMI, con un runtime system, StarPU e fornisce indicazioni per il proseguimento del progetto.