[pt] Atualmente na computação de alto desempenho existem diversas opções de arquiteturas de diversos fabricantes, algumas sendo heterogêneas como por exemplo CPU mais GPU. Este trabalho tem como objetivo implementar maneiras de codificar aplicações de alto desempenho contemplando alguns tipos de arquiteturas, incluindo algumas heterogêneas, garantindo a portabilidade em uma grande porção do código mas mantendo o desempenho e a capacidade de fazer otimizações específicas a cada arquitetura. Implementamos a biblioteca HLIB que gerencia as primitivas de arquiteturas heterogêneas do tipo CPU mais GPU, APU e CPU mais Phi e que também funciona em arquiteturas homogêneas tradicionais. Implementamos o OpenVec, uma ferramenta para gerar, de forma portável, código vetorial explícito. Contemplando as principais arquiteturas SIMD dos últimos 17 anos, tais como ARM Neon, Intel SSE até AVX-512 e IBM VSX. Demonstramos o uso combinado dessas duas ferramentas com aplicações de alto desempenho, que demandam mais de um petaflop. / [en] Today s platforms are becoming increasingly heterogeneous. A given platform may have many different computing elements in it: CPUs, coprocessors and GPUs of various kinds. This work propose a way too keep some portion of code portable without compromising the performance along different heterogeneous platforms. We implemented the HLIB library that handles the preparation code needed by heterogeneous computing, also this library transparently supports the traditional homogeneous platform. To address multiple SIMD architectures we implemented the OpenVec, a tool to help compiler to enable SIMD instructions. This tool provides a set of portable SIMD intrinsics and C plus plus operators to get a portable explicit vectorization, covering SIMD architectures from the last 17 years like ARM Neon, Intel SSE to AVX-512 and IBM Power8 Altivec plus VSX. We demonstrated the combination use of this strategy using both tools with petaflop HPC applications.

[pt] A Computação em Nuvem torna-se a cada dia mais importante como plataforma para pesquisa na Engenharia de Software. Apesar da vasta literatura disponível para uso da Nuvem em ambientes comerciais, ainda há pouca pesquisa feita para que se modelem, desenhem e implementem novos aplicativos que façam uso inteligente da Nuvem. Nesta dissertação é proposta uma abstração que explora um aspecto fundamental dos sistemas em Nuvem - a elasticidade de dados. A abstração Container Database (CDB) provê uma solução baseada em Nuvem para a falta de espaço para armazenamento local de dados em dispositivos eletrônicos. Para demonstrar a viabilidade desta abordagem, é apresentada uma implementação da abstração CDB como uma API que funciona nos sistemas operacionais Windows 7 e Windows Mobile Phone 7. / [en] Cloud computing is rapidly becoming an important platform for research in Software Engineering. Despite the vibe and huge literature on commercial Cloud environments, there is, however, little research on how to capture, model, design and implement new software applications that can make intelligent use of the Cloud. In this paper we propose a new abstraction that explores a fundamental aspect of Cloud systems – data elasticity. The Container Database (CDB) abstraction provides a Cloud-based solution for scenarios where device local storage is not sufficient for manipulating data. To demonstrate the viability of the proposed approach we present an implementation of the CDB abstraction as an Object-Oriented API designed to work on Windows 7 and Windows Mobile Phone 7 Operation Systems.

[pt] A computação em nuvem, com sua promessa de redução de custos de manutenção e facilidades de configuração, está despertando cada vez mais o interesse da comunidade científica que depende de muitas máquinas para executar seus programas. Neste trabalho implementamos uma nova integração para o sistema CSGrid, do Tecgraf/PUC-Rio, que o torna apto a submeter programas para execução no ambiente de nuvem pública Microsoft Azure, usufruindo assim dos benefícios da elasticidade de recursos computacionais. Para tal, apresentamos algumas medidas de desempenho para o caso de uso da nuvem pública Microsoft Azure pelo sistema CSGrid, no que se refere a custos de transferência de dados e provisionamento de máquinas virtuais. O objetivo com essa integração é avaliar os benefícios e as dificuldades que envolvem o uso de um modelo de execução em nuvem por um sistema tipicamente voltado a execução de aplicações de alto desempenho em clusters. / [en] Cloud computing appeals to those who need many machines to run their programs, attracted by low maintenance costs and easy configuration. In this work we implemented a new integration for the CSGrid system, from Tecgraf/PUC-Rio, enabling it to submit workloads to Microsoft Azure public cloud, thus enjoying the benefits of elastic computing resources. For this purpose, we present related works and some performance measures in the case of CSGrid s use of Microsoft Azure public cloud, with regard to costs on data transfers and provisioning of virtual machines. With this integration, we could evaluate the benefits and difficulties involved in using cloud resources in a system designed for the submission of HPC applications to clusters.

[pt] O objetivo deste trabalho é desenvolver dentro do programa FTOOL uma ferramenta para obtenção de envoltórias de esforços internos devido a cargas móveis. Envoltórias geralmente são obtidas através de interpolação de valores limites de seções pré-selecionadas ao longo da estrutura. Estes valores são obtidos com base no posicionamento da carga móvel em relação às linhas de influência dos esforços internos. A determinação de valores limites de um esforço em uma seção constitui um problema de otimização cujo objetivo é minimizar ou maximizar os valores dos esforços em relação à posição do tremtipo que percorre a estrutura. Porém, não existe uma expressão analítica que defina os valores limites de um esforço em uma seção para um dado trem-tipo, o que impossibilita o uso da maioria dos métodos clássicos de otimização para resolver o problema, porque esses métodos requerem, na maioria das vezes, o uso de pelo menos a primeira derivada da função objetivo em relação às variáveis de projeto. Portanto, este trabalho adotou algoritmos da Estratégia Evolutiva ( EE ) para determinar os valores limites devidos a cargas móveis. Foram feitas duas implementação distintas de Estratégia Evolutiva, conhecidas como EE − + ) 1 ( (lambda) e EE − + ) ( (lambda) (mi) . Além de utilizar algoritmos de EE para resolver o problema de envoltórias, foi desenvolvido um outro processo de solução denominado Força Bruta, que consiste em percorrer com o trem-tipo toda estrutura por passos pré-estabelecidos e calcular os valores dos esforços mínimos e máximos. Para a grande maioria dos casos, os resultados obtidos com a Estratégia Evolutiva foram corretos, porém, em alguns casos mais críticos, o valor exato da envoltória não é encontrado em algumas seções da estrutura, embora encontre um valor muito próximo a ele. Observou-se que os resultados da EE podem ser melhorados quando se enriquece a solução com uma estratégia econômica de posicionamento de cargas concentradas em cima de picos da linha de influência. / [en] The objective of this work is to develop a tool for obtaining envelopes of internal forces due to load-trains in the FTOOL software. Usually, envelopes are obtained through interpolation of limiting values on pre- selected sections along the structure. These values are obtained based on the positioning of the loadtrain in relation to influence lines of internal forces. The determination of limiting values of an effect at a section represents an optimization problem whose objective is to minimize or maximize the values of that effect in relation to the position of a load-train that passes along the structure. However, there is no analytical expression that defines a limiting value of an effect on a section for a specific load-train. Therefore, classical optimization methods cannot be used to solve this problem. Rather, the solution requires a method that does not require derivatives of the objective function. For this reason, this work adopts algorithms of the Evolution Strategy (ES) to achieve the limiting values due to load-trains. Two distinct algorithms of the ES, known as ES − + ) 1 ( (lambda) and ES − + ) ( (lambda) (mi) , were implemented. In addition to the ES algorithms to trace the envelopes, another process of solution called Force Brute was developed. It consists of moving the load-train in pre-determined steps along the structure and calculating minimum e maximum values. In general, the ES method converges to the correct solution. However, there are cases, depending on the complexity of the load-train, that the algorithms do not find the exact limiting value (although usually very close to it). It was observed that the ES results could be complemented and improved with results from an inexpensive solution in which concentrated loads are positioned on peak values of the influence lines.

[pt] Nesta dissertação são investigadas formas de áudio biofeedback (ABF) para exercícios de estabilização segmentar usando sensores de movimento. A estabilização segmentar é uma das estratégias no tratamento de lombalgias. O exercício de Ponte foi escolhido como foco para a investigação. O sensor de movimento principal foi um acelerômetro tri-axial. Flex Sensors, Force Sensitive Resistor e múltiplos acelerômetros foram usados em outros protótipos. Os resultados desta dissertação, que incluem dados do acelerômetro, comentários, procedimentos, reflexões e implementação de protótipos com geração de 3 tipos de ABF, foram obtidos durante 5 ciclos de uma pesquisa-ação. Na pesquisa-ação, o pesquisador conduz a pesquisa realizando ações sucessivas que busquem reduzir um problema específico em um ambiente real. Nesta dissertação, o ambiente usado foi um local onde um paciente executa exercícios de estabilização segmentar e o problema identificado é a dificuldade do paciente executar os exercícios de forma correta. A ação é a disponibilização de um wearable – StableBelt – que produz ABF baseado nos movimentos do paciente durante um exercício de estabilização segmentar. Diferentes formas de áudio foram investigadas: música instrumental, piano e percussão. O StableBelt foi avaliado através de 3 testes com usuários. Após um teste preliminar com um participante, testes com 5 e depois 8 participantes foram feitos. No teste preliminar foi usada música instrumental e piano e percussão nos testes subsequentes. O último ciclo da pesquisa-ação foi dedicado ao conforto do StableBelt. Durante a investigação, foram entrevistados fisioterapeutas que pesquisam lombalgia e fisioterapeutas que usam estabilização segmentar na clínica. / [en] In this dissertation, different types of audio biofeedback (ABF) for core stabilization exercises using motion sensors are investigated. Core stabilization exercises are one of the strategies used in the treatment of low back pain. The Supine Bridge (SB) exercise was chosen as the focus for the investigation. The primary motion sensor used was a tri-axial accelerometer. Flex Sensors, Force Sensitive Resistors and multiple accelerometers were also used in other prototypes. The results of this dissertation, which include data from accelerometer, comments, process, reflections, and implementation of prototypes that generate 3 types of audio biofeedback, were gathered during 5 cycles of action research. In action research, the researcher conducts the research performing successive actions that attempt to reduce a specific problem in a real world environment. In this dissertation, the environment chosen was a place where a patient executes exercises and the problem identified is the difficulty of the patient to perform the exercises correctly. The action was the introduction of a wearable – StableBelt – which generates audio biofeedback based on the patient s movements during a core stabilization exercise. Different types of audio were investigated: instrumental music, piano and drums. The StableBelt was evaluated through 3 user tests. After a preliminary test with one participant, user tests with 5 and 8 participants were conducted. In the preliminary test, instrumental music was used and piano and drums in later tests. The last cycle of the action research was dedicated to the comfort of the StableBelt. During the investigation, physical therapists which research low back pain and physical therapists which use core stabilization exercises in their clinical practice were interviewed.

[pt] Smartphones se tornaram uma parte integrante da vida de muitas pessoas. Podemos usar esses dispositivos para executar uma grande variedade de tarefas, que vão desde dar telefonemas a acessar a Internet. No entanto, às vezes gostaríamos que algumas tarefas fossem executadas automaticamente. Estas tarefas podem ser automatizadas usando aplicativos de automação, os quais monitoram continuamente o contexto do smartphone para realizar um conjunto de ações quando um evento acontece sob certas condições. Estas automações estão começando a ficar popular entre os usuários finais, uma vez que elas podem tornar os celulares mais fáceis de usar e ainda mais eficientes no uso da bateria. No entanto, pouco foi feito para capacitar os usuários finais a criar tais automações. Propomos uma abordagem para automatizar tarefas de smartphones por demonstração retrospectiva. Sucintamente, consideramos a lógica por trás da abordagem como sendo continue fazendo o que eu acabo de fazer : a aplicação de automação grava continuamente as interações dos usuários com seus telefones, e depois que os usuários realizaram uma tarefa que eles gostariam de automatizar, basta eles pedirem à aplicação para criar uma regra de automação com base em suas últimas ações gravadas. Como os usuários só têm que usar seus smartphones, como eles naturalmente fariam, para demonstrar automações, acreditamos que a nossa abordagem pode reduzir a dificuldade na criação de automações de smartphones. Para avaliar a nossa abordagem, desenvolvemos protótipos de um aplicativo chamado Keep Doing It, que permite automatizar tarefas por demonstração. Realizamos um estudo em laboratório com o primeiro protótipo para coletar as primeiras impressões dos participantes. Os participantes tiveram que criar regras de automação usando o nosso aplicativo com base em cenários pré-determinados. Baseado no feedback dos participantes e na nossa observação, nós refinamos o protótipo e realizamos um estudo remoto de cinco dias com novos participantes, os quais desta vez podiam criar quais e quantas regras quisessem. No geral, os resultados de ambos os estudos sugerem que, embora houvesse algumas ocasionais imprecisões (especialmente ao demonstrar regras que contêm condições), os participantes gostariam de automatizar tarefas de smartphones por demonstração devido à facilidade de uso. Concluiu-se que esta abordagem tem muito potencial para ajudar os usuários finais a automatizar seus smartphones, mas ainda há questões que precisam ser abordadas em pesquisas futuras. / [en] Smartphones have become an integral part of many people s lives. We can use these powerful devices to perform a great variety of tasks, ranging from making phone calls to connecting to the Internet. However, sometimes we would like some tasks to be performed automatically. These tasks can be automated by using automation applications, which continuously monitor the smartphone s context to execute a sequence of actions when an event happens under certain conditions. These automations are starting to get popular with end users, since they can make their phones easier to use and even more battery efficient. However, little work has been done on empowering end users to create such automations. We propose an approach for automating smartphone tasks by retrospective demonstration. Succinctly, we consider the logic behind the approach as keep doing what I just did: the automation application continuously records the users interactions with their phones, and after users perform a task that they would like to automate, they can ask the application to create an automation rule based on their latest recorded actions. Since users only have to use their smartphones, as they would naturally do, to demonstrate the actions, we believe that our approach can lower the barrier for creating smartphone automations. To evaluate our approach, we developed prototypes of an application called Keep Doing It, which supports automating tasks by demonstration. We conducted a lab user study with the first prototype to gather participants first impressions. The participants created automation rules using our application based on given scenarios. Based on their feedback and on our observations, we refined the prototype and conducted a five-day remote user study with new participants, who could then create which and how many rules they wanted. Overall, the findings of both studies suggest that, although there were some occasional inaccuracies (especially when demonstrating rules that contain conditions), participants would be willing to automate smartphone tasks by demonstration due to its ease of use. We concluded that this approach has much potential to aid end users to automate their smartphones, but there are still issues that need to be addressed by further research.

[pt] A otimização topológica tem como objetivo encontrar a distribuição mais eficiente de material em um domínio especificado sem violar as restrições de projeto definidas pelo usuário. Quando aplicada a estruturas contínuas, a otimização topológica é geralmente realizada por meio de métodos de densidade, conhecidos na literatura técnica. Neste trabalho, daremos ênfase à aplicação de sua formulação discreta, na qual um determinado domínio é discretizado na forma de uma estrutura base, ou seja, uma distribuição espacial finita de nós conectados entre si por meio de barras de treliça. O método de estrutura base fornece uma aproximação para as estruturas de Michell, que são compostas por um número infinito de barras, por meio de um número reduzido de elementos de treliça. O problema de determinar a estrutura final com peso mínimo, para um único caso de carregamento, considerando um comportamento linear elástico do material e restrições de tensão, pode ser formulado como um problema de programação linear. O objetivo deste trabalho é fornecer uma implementação escalável para o problema de otimização de treliças com peso mínimo, considerando domínios com geometrias arbitrárias. O método remove os elementos que são desnecessários, partindo de uma treliça cujo grau de conectividade é definido pelo usuário, mantendo-se fixos os pontos nodais. Propomos uma implementação escalável do método de estrutura base, utilizando um algoritmo de pontos interiores eficiente e robusto, em um ambiente de computação paralela (envolvendo unidades de processamento gráfico ou GPUs). Os resultados apresentados, em estruturas bi e tridimensionais com milhões de barras, ilustram a viabilidade e a eficiência computacional da implementação proposta. / [en] Topology optimization aims to find the most efficient material distribution in a specified domain without violating user-defined design constraints. When applied to continuum structures, topology optimization is usually performed by means of the well-known density methods. In this work we focus on the application of its discrete formulation where a given domain is discretized into a ground structure, i.e., a finite spatial distribution of nodes connected using truss members. The ground structure method provides an approximation to optimal Michell-type structures, composed of an infinite number of members, by using a reduced number of truss members. The optimal least weight truss for a single load case, under linear elastic conditions, subjected to stress constraints can be posed as a linear programming problem. The aim of this work is to provide a scalable implementation for the optimization of least weight trusses embedded in any domain geometry. The method removes unnecessary members from a truss that has a user-defined degree of connectivity while keeping the nodal locations fixed. We discuss in detail the scalable implementation of the ground structure method using an efficient and robust interior point algorithm within a parallel computing environment (involving Graphics Processing Units or GPUs). The capabilities of the proposed implementation is illustrated by means of large scale applications on practical problems with millions of members in both 2D and 3D structures.

[pt] A tese investiga os diferentes mecanismos atencionais envolvidos na utilização de sistemas de informação ambiente. Para tanto, conceitua e delimita a computação pervasiva – a partir da qual componentes computadorizados passam a compor o ambiente e os objetos do cotidiano –, e discute as conseqüências do uso desta tecnologia, no que se refere aos impactos sociais, implicações ambientais, questões de segurança e privacidade, destacando o papel do design nessa problemática. Apresenta a evolução do design de interação, explicitando sua relação com o projeto de mídias interativas. Propõe ampliar o campo de atuação do design de interação, considerando que a tela do computador deixou de ser a principal interface com o ambiente digital, e que o projeto da interação no contexto da computação pervasiva exige uma abordagem sistêmica. Apresenta o conceito de tecnologia sem estresse (calm technology), de Weiser e Brown (1996), e aprofunda a discussão iniciada por estes autores sobre a necessidade de se projetar sistemas de informação que atuem na periferia de nossa atenção, com base nos estudos da Psicologia Cognitiva sobre mecanismos atencionais. Destaca os sistemas de informação ambiente como aqueles que mais se apropriam da idéia de apresentar informações sem exigir o foco de nossa atenção. Analisa doze sistemas de informação ambiente, investigando o modo como envolvem os mecanismos atencionais. Conclui que a definição original de Weiser e Brown (1996) não é suficiente para descrever a miríade de processos envolvidos com a captação da atenção, e aponta linhas mestras para o design de sistemas de informação ambiente, de maneira a considerar a dinâmica entre os diferentes mecanismos atencionais, o contexto de uso, o grau de engajamento do usuário, a influência da memória e a capacidade de habituação aos sistemas de informação. / [en] This thesis investigates the different attentional mechanisms involved when using ambient information systems. To that end, it defines and delimits pervasive computing – when computational resources are embedded into the environment and in everyday objects – and discusses the consequences of this technology, regarding the social impacts, environmental implications, security and privacy issues, highlighting the role of design on this matter. It presents the evolution of interaction design, emphasizing its relationship with the design of interactive media. It proposes to broaden the interaction design field, considering that the computer screen is no longer the primary interface with the digital environment, and that interaction design requires a systemic approach in the context of pervasive computing. It introduces Weiser and Brown s (1996) concept of calm technology, and deepens the discussion initiated by these authors about the need for designing information systems that act on the periphery of our attention, based on Cognitive psychology studies about attentional mechanisms. It highlights ambient information systems as those which have more properly embraced the idea of presenting information without requiring the focus of our attention. It analyzes twelve ambient information systems, investigating how the attentional mechanisms are involved in their usage. It concludes that Weiser and Brown s (1996) original concept is not sufficient to describe the myriad of processes involved with our attention, and outlines guidelines for the design of ambient information systems, in order to consider the dynamics between different attentional mechanisms, the context of use, the degree of user engagement, the influence of memory and the ability to habituate to information systems.

[pt] A qualidade de vida nos grandes centros urbanos tem sido motivo de preocupação para governantes, empresários e para a população residente em geral. Os serviços de transporte público coletivo exercem papel central nessa discussão, uma vez que determinam, sobretudo para aquela camada da sociedade de menor poder aquisitivo, o tempo desperdiçado diariamente em seus deslocamentos. Nas metrópoles brasileiras, os ônibus municipais são predominantes no transporte coletivo. Os usuários deste serviço – passageiros – não dispõem de informações atualizadas sobre os ônibus e linhas de ônibus em operação. Oferecer essa natureza de informação contribui para uma melhor experiência de uso diário deste modal e, consequentemente, proporciona maior qualidade de vida aos seus usuários. Em uma visão mais abrangente, os ônibus podem ser considerados sensores que viabilizam a compreensão dos padrões e identificação de anomalias no tráfego de veículos nas áreas urbanas, possibilitando galgar benefícios para toda população. O presente trabalho apresenta uma plataforma na nuvem que captura, enriquece, armazena e disponibiliza os dados dos dispositivos de GPS instalados nos ônibus, permitindo a extração de conhecimento a partir deste valioso e volumoso conjunto de informações. Experimentos são realizados com os ônibus do Município do Rio de Janeiro, com aplicações focadas no passageiro e na sociedade. As metodologias, discussões e técnicas empregadas ao longo do trabalho poderão ser reutilizados para diferentes cidades, modais e perspectivas. / [en] The quality of life in urban centers has been a concern for governments, business and the resident population in general. Public transportation services perform a central role in this discussion, since they determine, especially for that layer of lower-income society, the time wasted daily in their movements. In Brazilian cities, city buses are predominant in public transportion. Users of this service - passengers - do not have updated information of buses and lines. Offer this kind of information contributes to a better everyday experience of this modal and therefore provides greater quality of life for its users. In a broader view, the bus can be considered sensors that enable the understanding of the patterns and identify anomalies in vehicle traffic in urban areas, allowing benefits for the whole population. This work presents a platform in the cloud computing environment that captures, enriches, stores and makes available the data from GPS devices installed on buses, allowing the extraction of knowledge from this valuable and voluminous set of information. Experiments are performed with the buses of the Municipality of Rio de Janeiro, with applications focused on passenger and society. The methodologies, discussions and techniques used throughout the work can be reused for different cities, modal and perspectives.

[pt] Sistemas de equações lineares esparsos e de grande porte aparecem como resultado da modelagem de vários problemas nas engenharias. Dada sua importância, muitos trabalhos estudam métodos para a resolução desses sistemas. Esta dissertação explora o potencial computacional de múltiplas GPUs, utilizando a tecnologia OpenCL, com a finalidade de resolver sistemas de equações lineares de grande porte. Na metodologia proposta, o método do gradiente conjugado é subdivido em kernels que são resolvidos por múltiplas GPUs. Para tal, se fez necessário compreender como a arquitetura das GPUs se relaciona com a tecnologia OpenCL a fim de obter um melhor desempenho. / [en] The process of modeling problems in the engineering fields tends to produce substantiously large systems of sparse linear equations. Extensive research has been done to devise methods to solve these systems. This thesis explores the computational potential of multiple GPUs, through the use of the OpenCL tecnology, aiming to tackle the solution of large systems of sparse linear equations. In the proposed methodology, the conjugate gradient method is subdivided into kernels, which are delegated to multiple GPUs. In order to achieve an efficient method, it was necessary to understand how the GPUs’ architecture communicates with OpenCL.