abstract: Asymptotic and Numerical methods are popular in applied electromagnetism. In this work, the two methods are applied for collimated antennas and calibration targets, respectively. As an asymptotic method, the diffracted Gaussian beam approach (DGBA) is developed for design and simulation of collimated multi-reflector antenna systems, based upon Huygens principle and independent Gaussian beam expansion, referred to as the frames. To simulate a reflector antenna in hundreds to thousands of wavelength, it requires 1E7 - 1E9 independent Gaussian beams. To this end, high performance parallel computing is implemented, based on Message Passing Interface (MPI). The second part of the dissertation includes the plane wave scattering from a target consisting of doubly periodic array of sharp conducting circular cones by the magnetic field integral equation (MFIE) via Coiflet based Galerkin's procedure in conjunction with the Floquet theorem. Owing to the orthogonally, compact support, continuity and smoothness of the Coiflets, well-conditioned impedance matrices are obtained. Majority of the matrix entries are obtained in the spectral domain by one-point quadrature with high precision. For the oscillatory entries, spatial domain computation is applied, bypassing the slow convergence of the spectral summation of the non-damping propagating modes. The simulation results are compared with the solutions from an RWG-MLFMA based commercial software, FEKO, and excellent agreement is observed. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2012

abstract: Parallel Monte Carlo applications require the pseudorandom numbers used on each processor to be independent in a probabilistic sense. The TestU01 software package is the standard testing suite for detecting stream dependence and other properties that make certain pseudorandom generators ineffective in parallel (as well as serial) settings. TestU01 employs two basic schemes for testing parallel generated streams. The first applies serial tests to the individual streams and then tests the resulting P-values for uniformity. The second turns all the parallel generated streams into one long vector and then applies serial tests to the resulting concatenated stream. Various forms of stream dependence can be missed by each approach because neither one fully addresses the multivariate nature of the accumulated data when generators are run in parallel. This dissertation identifies these potential faults in the parallel testing methodologies of TestU01 and investigates two different methods to better detect inter-stream dependencies: correlation motivated multivariate tests and vector time series based tests. These methods have been implemented in an extension to TestU01 built in C++ and the unique aspects of this extension are discussed. A variety of different generation scenarios are then examined using the TestU01 suite in concert with the extension. This enhanced software package is found to better detect certain forms of inter-stream dependencies than the original TestU01 suites of tests. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Statistics 2013

L’analyse de stabilité en régime transitoire du réseau de transport électrique permet de contrôler le bon retour au régime stationnaire du système soumis à une perturbation. Cette analyse systématique des systèmes de réseaux en développement permet notamment d’optimiser la production et la consommation de l’énergie électrique, et de protéger les équipements tels que les centrales électriques, les transformateurs, les lignes haute-tension, etc. Afin d’améliorer la stabilité, la robustesse et la viabilité de ces systèmes, la tendance est à l’interconnexion des réseaux de transport régionaux et nationaux, et ainsi, au développement et à l’analyse de systèmes toujours plus grands. Le problème de stabilité électrique peut être simulé numériquement grâce à l’intégration d’un système d’équations algébro-différentielles non-linéaire et raide. Lorsque le problème traité est très grand, la simulation numérique devient très coûteuse en temps de calcul et ralentit considérablement le travail des professionnels du secteur. Cette thèse a pour but de proposer, d’étudier, et de développer des méthodes innovantes de calcul parallèle pour la résolution des systèmes d’équations différentielles issus de la simulation de grands réseaux électriques tel que le réseau européen. Dans ce manuscrit, on livre une analyse des propriétés de ces systèmes assez spécifiques : creux, irréguliers, non-linéaires, raides et hétérogènes. On discute notamment de la structure particulière de ces systèmes qui rend attrayante l’application d’une méthode de décomposition de domaine. On étudie ainsi plusieurs méthodes de parallélisation en espace : la parallélisation fine de chaque opération coûteuse, la résolution du système non-linéaire par décomposition en sous-réseaux faiblement couplés, d’abord sur chaque étape d’intégration, puis par méthode de relaxation d’ondes. On aborde aussi la parallélisation en temps de type algorithme Pararéel ainsi qu’une méthode parallèle espace-temps bénéficiant des propriétés couplées des méthodes de relaxation d’ondes et de Pararéel. Dans ces travaux, nous proposons des méthodes assurant la convergence rapide des méthodes de décomposition de domaine quel que soit le nombre de sous-domaines et de processeurs employés. Nous introduisons pour cela des techniques de préconditionnement en espace adéquates afin d’améliorer la scalabilité des méthodes de parallélisation envisagées. / Power system transient stability analysis enables to control the return to equilibrium of the system subjected to a disturbance. This systematic analysis of developing transport networks allows to optimize the production and the consumption of electric power and to protect the equipments such as power plants, transformers, highvoltage lines and so on. In order to improve the stability, the robustness, and the sustainability of these systems, a worldwide trend is to interconnect regional and national transport networks. This leads to analyze ever larger systems. The power-stability problem can be numerically simulated owing to the integration of a differential-algebraic system which is nonlinear and stiff. When considering a very large problem, numerical simulation is very time consuming and significantly slows down the work of professionals. This thesis aims at studying innovative parallel computing methods for the resolution of differential systems arising from the transient stability analysis of large power systems such as the European Transport Network. In this manuscript, we first deliver an analysis of the properties of these rather specific systems: sparse, irregular, nonlinear, stiff, and heterogeneous. We discuss the particular structure of these systems making the application of a domain decomposition method interesting. Thus, we study several space parallelization methods: the fine parallelization of each costly tasks, the resolution of the nonlinear system by decomposition into weakly coupled subnetworks, first on each integration step separately, and then by waveform relaxation method. We also address the time parallelization with a Parareal-based algorithm and a space-time parallel method which benefits from the coupled properties of waveform relaxation and Parareal methods. In this work, we focus on methods which ensure a fast convergence of domain decomposition methods whatever the number of subdomains/processors used. In order to achieve such a goal, we introduce space preconditioning techniques to improve the scalability of the parallelization methods considered.

Apesar do aumento constante da largura de banda das tecnologias de rede de computadores as aplicações de processamento paralelo ainda necessitam de uma latência de comunicação mais baixa que a oferecida. Este aspecto não tem sido contemplado por estas tecnologias de rede pois está relacionado à maneira como o sistema operacional utiliza-se dos recursos do hardware com relação aos dados enviados pelas aplicações dos usuários. Neste trabalho apresentamos um estudo da técnica para diminuição desta latência e as características necessárias para implementação deste tipo de sistemas, incluindo mecanismos de transferência de dados, técnicas para tradução de endereços, proteção, transferência de controle, grau de confiabilidade e implementação de \"Multicasting\". Apresentamos também o estudo de um sistema já implementado, chamado M-VIA, comparando seu desempenho com o TCP/IP tradicional. / Despite the constant bandwidth increase in computer networks parallel processing tasks still require a lower communication latency than offered. This necessity has not been addressed by these network technologies because it is related to how operating systems use hardware resources to send user data through network. In this work we present strategies to lower latency and the requirements to implement these systems, including data transfer mechanisms, address translation , security, control transfer, reliability and \"Multicasting\" deployment . We also present a ready to use system, M-VIA, comparing it to traditional TCP/IP performance.

Este trabalho apresenta uma ferramenta orientada ao objeto para o monitoramento de cargas em sistemas paralelos. O desenvolvimento desta ferramenta surgiu com o intuito de facilitar a programação paralela em sistemas distribuídos como NOWs, Networks of Workstations , e Grids computacionais, pois este tipo de programação é bem mais difícil do que a seqüencial e, por isso, desestimula novos programadores a desenvolver aplicações paralelas. Dentre as razões que tornam a programação paralela difícil destaca-se o balanceamento de cargas em que se quer maximizar a utilização dos recursos computacionais do sistema distribuído. Outro motivo para o programador de aplicações paralelas se preocupar com balanceamento de cargas é o desempenho, que é drasticamente afetado com o desequilíbrio de cargas do sistema. Com relação ao tempo em que as decisões de rebalanceamento de cargas são tomadas, os algoritmos de distribuição de cargas podem ser estáticos, realizados em tempo de compilação, ou dinâmicos, efetuados em tempo de execução. Embora o algoritmo estático não gere sobrecarga em tempo de execução na distribuição de carga, o dinâmico é a melhor escolha, pois se adapta bem em qualquer situação. Assim, o sistema de monitoramento de cargas surge como uma ferramenta de auxílio ao programador que deseje implementar algoritmos de balanceamento dinâmico de cargas nas suas aplicações paralelas, provendo informações de como os recursos computacionais do sistema distribuído estão sendo utilizados. / This work presents an object oriented tool for load monitoring in parallel systems. This tool was developed with intention to easy the parallel programming in distributed systems like NOWs (Networks of Workstations) and Computational Grids, because this type of programming is more difficult than the sequential and, therefore, it does not stimulate new programmers to develop parallel softwares. One of the most important reasons why parallel programming is difficult is the worry about load balancing where the purpose is to maximize the use of the computational resources of the distributed system. Another reason for the programmer of parallel softwares to worry about load balancing is the performance, which is drastically affected with the load imbalance of the system. With respect to the time where the decisions of load balancing are made, the load distribution algorithms can be static, done at compilation time, or dynamic, done at execution time. Although the static algorithm does not generate overhead at execution time, the dynamic one is a better choice, because it adapts well to any situation. Thus, the monitoring system appears as a tool to aid the programmer who desires to implement dynamic load balancing algorithms in his or her parallel softwares, providing information on how the computational resources of the distributed system are being used.

Neste trabalho apresentamos a metodologia de orientação ao objeto no desenvolvimentos de uma biblioteca de classes para facilitar o processo de programação numérica paralela. Na implementação dos métodos das classes utilizamos as rotinas do pacote ScaLAPACK, sendo que essas classes oferecem métodos para manipulações matriciais básicas e para a diagonalização de matrizes, onde essas matrizes podem ser reais e complexas, de simples e dupla precisão. Este trabalho apresenta detalhes de implementação e uma análise comparativa de desempenho, a fim de mostrarmos a eficiência e as facilidades de uso da orientação ao objeto no desenvolvimento de programas científicos paralelos. / In this work current vs. voltage (I vs. V) and alternating conductivity (ac) measurements were carried out in poly[(2-methoxy- 5-hexyloxy)-pphenylenevinilene] ? MEH-PPV light-emitting diodes having zinc oxide (ZnO) as transparent anode and Al as metallic cathode. MEH-PPV is a PPV derivative, which emits in the red spectral region; ZnO has a work function similar to that of ITO, but it is less aggressive to the polymer, less expensive and easily processed. The retificated I vs. V curves shows that the direct current depends on the temperature. Moreover, the real and imaginary components of alternating conductivity (ac) present typical behavior of somewhat disordered material: the imaginary component grows as a function of the frequency and the real component was observed to be frequency independent for lower frequencies, and follows a power-law above a certain frequency. The Random Energy Free Barrier model approaches and a resistance in series for the interface phenomenon were developed and adjusted for the ac results. From this experimental-theoretical fitting we obtained important parameters of the devices as well as, quantitative informations about the MEH-PPV transport phenomenon.

Message Passing Interface (MPI) é o padrão de facto para o desenvolvimento de aplicações paralelas e de alto desempenho que executem em clusters. O padrão define APIs para as linguagens de programação Fortran, C e C++. Por outro lado a programação orientada a objetos é o paradigma de programação dominante atualmente, onde linguagens de programação como Java e C# têm se tornado muito populares. Isso se deve às abstrações voltadas para facilitar a programação oriundas dessas linguagens de programação, permitindo um ciclo de programação/manutenção mais eficiente. Devido a isso, diversas bibliotecas MPI para essas linguagens emergiram. Dentre elas, pode-se destacar a biblioteca MPI.NET, para a linguagem de programação C#, que possui a melhor relação entre abstração e desempenho. Na computação paralela, o modelo utilizado para o desenvolvimento das aplicações é muito importante, sendo que o modelo Divisão & Conquista é escalável, aplicável a diversos problemas e permite a execução eficiente de aplicações cuja carga de trabalho é desconhecida ou irregular. Para programar utilizando esse modelo é necessário que o ambiente de execução suporte dinamismo, o que não é suportado pela biblioteca MPI.NET. Desse cenário emerge a principal motivação desse trabalho, cujo objetivo é explorar a criação dinâmica de tarefas na biblioteca MPI.NET. Ao final, foi possível obter uma biblioteca com desempenho competitivo em relação ao desempenho das bibliotecas MPI para C++. / Message Passing Interface (MPI) is the de facto standard for the development of high performance applications executing on clusters. The standard defines APIs for the programming languages Fortran C and C++. On the other hand, object oriented programming has become the dominant programming paradigm, where programming languages as Java and C# are becoming very popular. This can be justified by the abstractions contained in these programming languages, allowing a more efficient programming/maintenance cycle. Because of this, several MPI libraries emerged for these programming languages. Among them, we can highlight the MPI.NET library for the C# programming language, which has the best relation between abstraction and performance. In parallel computing, the model used for the development of applications is very important, and the Divide and Conquer model is efficiently scalable, applicable to several problems and allows efficient execution of applications whose workload is unknown or irregular. To program using this model, the execution environment must provide dynamism, which is not provided by the MPI.NET library. From this scenario emerges the main goal of this work, which is to explore dynamic tasks creation on the MPI.NET library. In the end we where able to obtain a library with competitive performance against MPI C++ libraries.

Nos últimos anos, a crescente demanda por alto desempenho tem favorecido o surgimento de arquiteturas e algoritmos cada vez mais eficientes. A popularidade das plataformas distribuídas levanta novas questões no desenvolvimento de algoritmos paralelos tais como comunicação, heterogeneidade e dinamismo de recursos. Estas questões podem resultar em aplicações com carga de trabalho conhecida somente em tempo de execução. A irregularidade do algoritmo ou da entrada de dados também pode influenciar na carga de trabalho da aplicação. Uma aplicação paralela pode solucionar estas questões por meio de algoritmos dinâmicos ao utilizar técnicas de programação que definam o trabalho de uma tarefa e possibilitem a utilização de recursos sob demanda. A granularidade, que é a razão entre processamento e comunicação, considera questões práticas de execução e é um fator importante no desempenho de algoritmos dinâmicos. A implementação de um controle de granularidade é complicada e depende do suporte dos ambientes de programação. Porém, os ambientes de programação possuem interfaces extensas e complicadas que dificultam sua utilização em PAD. Este trabalho propõe a implementação de uma biblioteca (libSpawn) que incorpora um controle de granularidade em aplicações MPI dinâmicas. A biblioteca controla a granularidade ao mapear tarefas entre processos ou threads de acordo com três parâmetros: cores da arquitetura, carga e recursos de sistema. Os tempos obtidos com processos e libSpawn demonstram ganhos significativos em benchmarks sintéticos utilizados por outros ambientes de programação. Não obstante, constata-se carências na implementação atual que produzem tempos anômalos, ainda que estes sejam insignificantes em relação aos tempos com processos. / In the last years, the demand for high performance enables the emergence of more efficient computing platforms and algorithms. The increase of distributed computing platforms rises new challenges for parallel algorithm development like communication, heterogeneity, and resource management. These factors can result in applications whose work load is unknown until runtime. An irregular behavior from algorithm or data can also affect the work load. A parallel application can solve these questions through a programming technique which predicts the work load of a task and offers resource on demand. The granularity, which is the ratio of computation to communication, considers more practical issues, and is an important factor in performance of dynamic algorithms. However, this control is difficult to be designed and the support of a programming tool is needed. Yet, the programming tools have extensive and complicated interfaces which difficult your usage in HPC. This work implements a library (libSpawn) which adds a granularity control on MPI dynamic programs. The library controls the granularity by mapping tasks between processes or threads with three parameters: cores of architecture, load and resources of the operating system. The results obtained between processes and libSpawn show significant gains on synthetic benchmarks from other programming tools.

Neste trabalho demos continuidade ao estudo desenvolvido por Colla (2007) que utilizou-se do arcabouço de álgebra linear com técnicas de fatoração de matrizes esparsas aplicadas à inferência em redes Bayesianas. Com isso, a biblioteca computacional resultante possui uma separação clara entre a fase simbólica e numérica da inferência, o que permite aproveitar os resultados obtidos na primeira etapa para variar apenas os valores numéricos. Aplicamos técnicas de paralelização para melhorar o desempenho computacional, adicionamos inferência para Redes Credais e novos algoritmos para inferência em Redes Bayesianas para melhor eciência dependendo da estrutura do grafo relacionado à rede e buscamos tornar ainda mais independentes as etapas simbólica e numérica. / In this work we continued the study by Colla (2007), who used the framework of linear algebra techniques with sparse matrix factorization applied to inference in Bayesian networks. Thus, the resulting computational library has a clear separation between the symbolic and numerical phase of inference, which allows you to use the results obtained in the rst step to vary only numeric values. We applied parallelization techniques to improve computational performance, we add inference to Credal Networks and new algorithms for inference in Bayesian networks for better eciency depending on the structure of the graph related to network and seek to become more independent symbolic and numerical steps.

O método de Kaczmarz é um algoritmo iterativo que soluciona sistemas lineares do tipo Ax = b através de projeções sobre hiperplanos bastante usado em aplicações que envolvem a Tomografia Computadorizada. Recentemente voltou a ser destaque após a publicação de uma versão aleatória apresentada por Strohmer e Vershynin em 2009 a qual foi provada possuir taxa de convergência esperada exponencial. Posteriormente, Eldar e Needell em 2011 sugeriram uma versão modificada do algoritmo de Strohmer e Vershynin, na qual a cada iteração é selecionada a projeção ótima a partir de um conjunto aleatório, utilizando para isto o lema de Johnson-Lindenstrauss. Nenhum dos artigos mencionados apresenta uma técnica para a escolha do parâmetro de relaxação, entretanto, a seleção apropriada deste parâmetro pode ter uma influência substancial na velocidade do método. Neste trabalho apresentamos uma metodologia para a escolha do parâmetro de relaxação, bem como implementações paralelas do algoritmo de Kaczmarz utilizando as ideias de Eldar e Needell. Nossa metodologia para seleção do parâmetro utiliza uma nova generalização dos resultados de Strohmer e Vershynin que agora leva em consideração o parâmetro λ de relaxação e, a partir daí, obtemos uma estimativa da taxa de convergência como função de λ. Escolhemos então, para uso no algoritmo, aquele que otimiza esta estimativa. A paralelização dos métodos foi realizada através da plataforma CUDA e se mostrou muito promissora, pois conseguimos, através dela, um ganho significativo na velocidade de convergência / The Kaczmarz method is an iterative algorithm for finding the solution of a system of linear equations Ax = b by projecting onto the hyperplanes widely used in applications involving Computerized Tomography. It has been recently highlighted after the publication of a random version presented by Strohmer and Vershynin in 2009 that yields probably exponential convergence in expectation. Thereafter, Eldar and Needell in 2011 suggested a modified version of Strohmer and Vershynin algorithm, which at each iteration selects the optimal projection from a random set making use of the Johnson-Lindenstrauss lemma. None of the mentioned articles presents a technique for choosing the relaxation parameter, however, the proper selection of this parameter can achieve a substantial gain on the speed of the method. In this project we present a methodology for finding the relaxation parameter, as well as parallel implementations of Kacmarzs Algorithm using the ideas of Eldar and Needell. Our methodology for parameter selection uses a new generalization on Strohmer and Vershynins results which now regards the relaxation parameter λ. Thenceforward, we obtain an estimate of the convergence rate as a function of λ. Then we use this estimate in the algorithm the optimizer of this estimate. The parallelization of the methods has been implemented through the CUDA platform and appears to be very promising, since it delivers substantial gain in the convergence speed