Ubiquitous supercomputing : design and development of enabling technologies for multi-robot systems rethinking supercomputing

Abstract

Supercomputing, also known as High Performance Computing (HPC), is almost everywhere (ubiquitous), from the small widget in your phone telling you that today will be a sunny day, up to the next great contribution to the understanding of the origins of the universe.However, there is a field where supercomputing has been only slightly explored - robotics. Other than attempts to optimize complex robotics tasks, the two forces lack an effective alignment and a purposeful long-term contract. With advancements in miniaturization, communications and the appearance of powerful, energy and weight optimized embedded computing boards, a next logical transition corresponds to the creation of clusters of robots, a set of robotic entities that behave similarly as a supercomputer does. Yet, there is key aspect regarding our current understanding of what supercomputing means, or is useful for, that this work aims to redefine. For decades, supercomputing has been solely intended as a computing efficiency mechanism i.e. decreasing the computing time for complex tasks. While such train of thought have led to countless findings, supercomputing is more than that, because in order to provide the capacity of solving most problems quickly, another complete set of features must be provided, a set of features that can also be exploited in contexts such as robotics and that ultimately transform a set of independent entities into a cohesive unit.This thesis aims at rethinking what supercomputing means and to devise strategies to effectively set its inclusion within the robotics realm, contributing therefore to the ubiquity of supercomputing, the first main ideal of this work. With this in mind, a state of the art concerning previous attempts to mix robotics and HPC will be outlined, followed by the proposal of High Performance Robotic Computing (HPRC), a new concept mapping supercomputing to the nuances of multi-robot systems. HPRC can be thought as supercomputing in the edge and while this approach will provide all kind of advantages, in certain applications it might not be enough since interaction with external infrastructures will be required or desired. To facilitate such interaction, this thesis proposes the concept of ubiquitous supercomputing as the union of HPC, HPRC and two more type of entities, computing-less devices (e.g. sensor networks, etc.) and humans.The results of this thesis include the ubiquitous supercomputing ontology and an enabling technology depicted as The ARCHADE. The technology serves as a middleware between a mission and a supercomputing infrastructure and as a framework to facilitate the execution of any type of mission, i.e. precision agriculture, entertainment, inspection and monitoring, etc. Furthermore, the results of the execution of a set of missions are discussed.By integrating supercomputing and robotics, a second ideal is targeted, ubiquitous robotics, i.e. the use of robots in all kind of applications. Correspondingly, a review of existing ubiquitous robotics frameworks is presented and based upon its conclusions, The ARCHADE's design and development have followed the guidelines for current and future solutions. Furthermore, The ARCHADE is based on a rethought supercomputing where performance is not the only feature to be provided by ubiquitous supercomputing systems. However, performance indicators will be discussed, along with those related to other supercomputing features.Supercomputing has been an excellent ally for scientific exploration and not so long ago for commercial activities, leading to all kind of improvements in our lives, in our society and in our future. With the results of this thesis, the joining of two fields, two forces previously disconnected because of their philosophical approaches and their divergent backgrounds, holds enormous potential to open up our imagination for all kind of new applications and for a world where robotics and supercomputing are everywhere. La supercomputación, también conocida como Computación de Alto Rendimiento (HPC por sus siglas en inglés) puede encontrarse en casi cualquier lugar (ubicua), desde el widget en tu teléfono diciéndote que hoy será un día soleado, hasta la siguiente gran contribución al entendimiento de los orígenes del universo. Sin embargo, hay un campo en el que ha sido poco explorada - la robótica. Más allá de intentos de optimizar tareas robóticas complejas, las dos fuerzas carecen de un contrato a largo plazo. Dado los avances en miniaturización, comunicaciones y la aparición de potentes computadores embebidos, optimizados en peso y energía, la siguiente transición corresponde a la creación de un cluster de robots, un conjunto de robots que se comportan de manera similar a un supercomputador. No obstante, hay un aspecto clave, con respecto a la comprensión de la supercomputación, que esta tesis pretende redefinir. Durante décadas, la supercomputación ha sido entendida como un mecanismo de eficiencia computacional, es decir para reducir el tiempo de computación de ciertos problemas extremadamente complejos. Si bien este enfoque ha conducido a innumerables hallazgos, la supercomputación es más que eso, porque para proporcionar la capacidad de resolver todo tipo de problemas rápidamente, se debe proporcionar otro conjunto de características que también pueden ser explotadas en la robótica y que transforman un conjunto de robots en una unidad cohesiva. Esta tesis pretende repensar lo que significa la supercomputación y diseñar estrategias para establecer su inclusión dentro del mundo de la robótica, contribuyendo así a su ubicuidad, el principal ideal de este trabajo. Con esto en mente, se presentará un estado del arte relacionado con intentos anteriores de mezclar robótica y HPC, seguido de la propuesta de Computación Robótica de Alto Rendimiento (HPRC, por sus siglas en inglés), un nuevo concepto, que mapea la supercomputación a los matices específicos de los sistemas multi-robot. HPRC puede pensarse como supercomputación en el borde y si bien este enfoque proporcionará todo tipo de ventajas, ciertas aplicaciones requerirán una interacción con infraestructuras externas. Para facilitar dicha interacción, esta tesis propone el concepto de supercomputación ubicua como la unión de HPC, HPRC y dos tipos más de entidades, dispositivos sin computación embebida y seres humanos. Los resultados de esta tesis incluyen la ontología de la supercomputación ubicua y una tecnología llamada The ARCHADE. La tecnología actúa como middleware entre una misión y una infraestructura de supercomputación y como framework para facilitar la ejecución de cualquier tipo de misión, por ejemplo, agricultura de precisión, inspección y monitoreo, etc. Al integrar la supercomputación y la robótica, se busca un segundo ideal, robótica ubicua, es decir el uso de robots en todo tipo de aplicaciones. Correspondientemente, una revisión de frameworks existentes relacionados serán discutidos. El diseño y desarrollo de The ARCHADE ha seguido las pautas y sugerencias encontradas en dicha revisión. Además, The ARCHADE se basa en una supercomputación repensada donde la eficiencia computacional no es la única característica proporcionada a sistemas basados en la tecnología. Sin embargo, se analizarán indicadores de eficiencia computacional, junto con otros indicadores relacionados con otras características de la supercomputación. La supercomputación ha sido un excelente aliado para la exploración científica, conduciendo a todo tipo de mejoras en nuestras vidas, nuestra sociedad y nuestro futuro. Con los resultados de esta tesis, la unión de dos campos, dos fuerzas previamente desconectadas debido a sus enfoques filosóficos y sus antecedentes divergentes, tiene un enorme potencial para abrir nuestra imaginación hacia todo tipo de aplicaciones nuevas y para un mundo donde la robótica y la supercomputación estén en todos lados