Στη σύγχρονη εποχή, η ανάπτυξη των ετερογενών και κατανεμημένων περιβαλλόντων, όπως τα περιβάλλοντα πλέγματος, καθιστά εφικτή την επίλυση υπολογιστικά εντατικών προβλημάτων με αξιόπιστο και οικονομικό τρόπο. Το Πλέγμα Υπολογιστών είναι μια αναπτυσσόμενη υποδομή που παρέχει πρόσβαση σε υπολογιστική ισχύ και αποθηκευτικό χώρο κατανεμημένα σε όλο τον κόσμο. Εισήχθη για να ικανοποιήσει την ανάγκη για εφαρμογές που απαιτούν μεγάλο αριθμό υπολογισμών καθώς και την επικοινωνία των ατόμων που τις εκτελούν. Ένα πρόβλημα που μπορεί να εκμεταλλευτεί τα πλεονεκτήματα του Πλέγματος είναι το πρόβλημα χρονοπρογραμματισμού πληρωμάτων. Το συγκεκριμένο πρόβλημα είναι πολύπλοκο και χρονοβόρο εξαιτίας των πολλών περιορισμών που συνδέονται με αυτό. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή και ο τρόπος λειτουργίας και εξυπηρέτησης χρηστών του Πλέγματος. Επίσης, καταγράφουμε τη μεθοδολογία και τον τρόπο υποβολής εργασιών στο Πλέγμα από τη σκοπιά του χρήστη. Επικεντρώνουμε το ενδιαφέρον μας στην αποδοτική επίλυση του προβλήματος χρονοπρογραμματισμού ανθρωπίνων πόρων, συγκεκριμένα του νοσηλευτικού προσωπικού ενός νοσοκομείου, με χρήση παράλληλης επεξεργασίας σε περιβάλλον δικτύου υπολογιστών. / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε κατά το διάστημα 2012-2013 στο Εργαστήριο Συστημάτων Υπολογιστών (CSL) του Πανεπιστημίου Πατρών. Στόχος της εργασίας είναι η επίλυση ενός συνόλου προβλημάτων χρονοπρογραμματισμού εξετάσεων (ETP, Carter Dataset), με χρήση πληροφορημένου γενετικού αλγορίθμου. Στην εργασία αυτή θα παρουσιαστούν, τα βασικά μοντέλα λειτουργίας των γενετικών αλγορίθμων, του ETP καθώς και παρουσίαση βασικών εννοιών των παράλληλων συστημάτων. Τέλος παρουσιάζεται ο σειριακός κώδικας που υλοποιήθηκε σε ANSI-C και στην συνέχεια γίνεται σύγκριση με τον παράλληλο κώδικα που υλοποιήθηκε με MPI-C και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της σύγκρισης μεταξύ των δύο. / The Aim of this thesis which was completed during the 2012/2013 academic year at the Computer Systems Laboratory (CSL) at the University of Patras is to solve a set of Examination Timetabling Problems (Carter Dataset,ETP) with the aid of an informed genetic algorithm. I will present the basic model under which the genetic algorithms operate and some information about the ETP and general parallel systems. To conclude we will present our serial ANSI-C code and compare it with the parallel MPI-C code that we build and compare the two results.

On-line poultry monitoring can significantly improve living conditions of hens in industrial farms. A very low-cost low-energy solution needs to be provided though. ASIPs can be an ideal solution when they cover many submarkets and low-energy concepts are used for their realization. Aiming to high energy-efficiency, this work implements data parallelization, using a recently introduced software-controled SIMD realization in an innovative way. A manual mapping and scheduling effort of the most crucial part of the application leads to a highly optimized result, in terms of cycles, area and energy. This manual scheduling implementation must also be supported by a commercial compiler tool so that the design-time is minimized. Moreover, energy-efficient mapping must be explored for the remaining parts of the code. In that case, because the frequency of occurence of a part of the code is very low, more attention should be given to minimizing the area overhead. Increasing the energy efficiency of the data-path in such ways can be very important, since data- path can be dominant in the total energy-pie, once the instruction/data memory overhead is minimized by other complementary approaches. / Η αυτόματη μέθοδος παρακολούθησης ζωντανών οργανισμών μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις συνθήκες διαβίωσης των ζώων στις βιομηχανικές φάρμες. Για να είναι οικονομικά εφικτή όμως μια τέτοια λύση πρέπει να είναι μια λύση χαμηλής ενέργειας. Τα ASIPs μπορούν να είναι μια ιδανική λύση όταν τεχνικές χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας εφαρμόζονται σε αυτά, καθώς λόγω της ευελιξίας τους μπορούν να καλύπτουν πολλούς τομείς της συγκεκριμένης αγοράς. Στοχεύοντας σε υψηλή εξοικονόμηση ενέργειας, η παρούσα δουλειά υλοποιεί παραλληλισμό δεδομένων, χρησιμοποιώντας μια προσφάτως προταθείσα πραγματοποίηση Single Instruction Multiple Data (SIMD) εντολών, που υλοποιούνται μέσω software με ένα καινοτόμο τρόπο. Μια χειρωνακτική προσπάθεια αντιστοίχισης σε υλικό του πιο κρίσιμου κομματιού της εφαρμογής και χρονοπρογραμματισμού των εντολών του οδηγεί σε ένα πολύ βελτιστοποιημένο αποτέλεσμα αναφορικά με τους κύκλους εκτέλεσης, την καταλαμβανόμενη επιφάνεια και την απαιτούμενη ενέργεια. Η χειρωνακτική υλοποίηση χρονοπρογραμματισμού των εντολών πρέπει να μπορεί να επιτευχθεί από ένα εμπορικό εργαλείο μετάφρασης (compiler tool) ώστε στο μέλλον ο χρόνος σχεδιασμού να ελαχιστοποιηθεί. Επιπλέον, πρέπει να διερευνηθεί μια αποδοτική ως προς το θέμα της ενέργειας προσπάθεια απεικόνισης σε υλικό για τα υπόλοιπα τμήματα της εφαρμογής πέραν του πιο κρίσιμου. Σε αυτή την περίπτωση, επειδή η συχνότητα εμφάνισης αυτών των τμημάτων του κώδικα είναι πολύ μικρή, έμφαση δίνεται στην ελαχιστοποίηση της επιφάνειας του υλικού. Η βελτίωση της κατανάλωσης ενέργειας του data-path με τέτοιους τρόπους είναι πολύ σημαντική, αφού το data-path είναι κυρίαρχο στην κατανομή της ενέργειας, όταν η επιβάρυνση της μνήμης δεδομένων και εντολών ελαχιστοποιείται από συμπληρωματικές μεθόδους, όπως συμβαίνει στο προτεινόμενο ASIP.

Το πρόβλημα του χρονοπρογραμματισμού είναι πολύπλευρο και δύσκολο στη σαφή αλγοριθμική του επίλυση. Ιδιαίτερα ο χρονοπρογραμματισμός εξετάσεων είναι ένα συνεχές πρόβλημα που, όπως αποδεικνύουμε, είναι πολύ δύσκολο στη γρήγορη και αποδοτική αντιμετώπισή του. Στην παρούσα διπλωματική αφού περιγράψουμε το πρόβλημα και τις ιδιαιτερότητες που παρουσιάζονται στο ελληνικό πανεπιστήμιο, αναλύουμε γενικότερα το θέμα του timetabling και τους βασικούς αλγόριθμους επίλυσης τέτοιων προβλημάτων. Ακολούθως προχωρούμε στην παρουσίαση της διαδικτυακής εφαρμογής χρονοπρογραμματισμού εξετάσεων που υλοποιήσαμε για χρήση από το τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Η εφαρμογή αυτή αναπτύχθηκε με σύγχρονες τεχνικές και εργαλεία ανάπτυξης λογισμικού και, όντας ανοιχτού κώδικα, κατασκευάστηκε ως πλατφόρμα ανάπτυξης και σύγκρισης αλγορίθμων timescheduling. / The timescheduling problem is multifaceted and difficult to define an algorithmic solution. Especially the exams timetabling is a constant problem for universities and, as we prove, it is very difficult to quickly and efficiently deal with it.In this thesis, after describing the problem and the characteristics presented in the Greek university, we analyze the general issue of timetabling and the basic algorithms to solve such problems.Then we proceed to the presentation of the exam scheduling web application we implemented for use by the Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. This application was developed with modern tools and techniques of software development and, being open source, was also built as a development and comparison platform for timescheduling algorithms.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν αρχιτεκτονικές χρονοπρογραμματισμού διεργασιών σε κόμβο ασύρματου δικτύου αισθητήρων, ο οποίος έχει πηγή περιορισμένης και μεταβλητής ισχύος. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από κόμβους που επικοινωνούν και ανταλλάσουν δεδομένα μεταξύ τους. Κάθε κόμβος πρέπει να έχει μεγάλη αυτονομία λειτουργίας και μικρή κατανάλωση ενέργειας. Στην εργασία αυτή προσομοιώθηκε ένα μοντέλο ενός κόμβου με πηγή ενέργειας την ηλιακή ισχύ, καθώς και ένα σύνολο διεργασιών με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και προθεσμίες εκτέλεσης. Εξετάστηκε η βέλτιστη διαχείριση της ενέργειας για την επιτυχή εκτέλεση των διεργασιών. Αρχικά μελετήθηκαν διάφοροι αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού των διεργασιών του κόμβου (task scheduling), προσομοιώθηκε ένας βέλτιστος αλγόριθμος πραγματικού χρόνου (Lazy Scheduling Algorithm), μελετήθηκε και συγκρίθηκε η συμπεριφορά του. Στο επόμενο στάδιο, σχεδιάσθηκε μία αρχιτεκτονική για τον αλγόριθμο αυτό και υλοποιήθηκε με τη γλώσσα VHDL. Το υλικό, που προέκυψε με διαδικασία σύνθεσης της περιγραφής VHDL, προσομοιώθηκε και διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότητα και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας του. Στο τελικό στάδιο βελτιώθηκε η αρχιτεκτονική του υλικού και μειώθηκε ακόμη περισσότερο η κατανάλωση ενέργειας. / -

Τα δίκτυα πλέγματος (grid networks) αποτελούνται από ένα σύνολο ισχυρών υπολογιστικών, αποθηκευτικών και άλλων πόρων. Οι πόροι αυτοί είναι συνήθως γεωγραφικά αλλά και διοικητικά διασκορπισμένοι και συνδέονται με ένα δίκτυο δεδομένων. Τα δίκτυα πλέγματος το τελευταίο καιρό έχουν αποκτήσει μία δυναμική, η οποία εντάσσεται μέσα σε ένα γενικότερο πλαίσιο, αυτό της κατανεμημένης επεξεργασίας και αποθήκευσης δεδομένων. Επιστήμονες, ερευνητές αλλά και απλοί χρήστες χρησιμοποιούν από κοινού τους κατανεμημένους πόρους για την εκτέλεση διεργασιών ή τη χρήση εφαρμογών, για τις οποίες δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν τους τοπικά διαθέσιμους υπολογιστές τους λόγω των περιορισμένων δυνατοτήτων τους. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζουμε ζητήματα που σχετίζονται με το χρονοπρογραμματισμό (scheduling) των διεργασιών στους διαθέσιμους πόρους, καθώς και με τη δρομολόγηση (routing) των δεδομένων που οι διεργασίες χρειάζονται. Εξετάζουμε τα ζητήματα αυτά είτε χωριστά, είτε σε συνδυασμό, μελετώντας έτσι τις αλληλεπιδράσεις τους. Αρχικά, προτείνουμε ένα πλαίσιο παροχής ποιότητας υπηρεσιών στα δίκτυα πλέγματος, το οποίο μπορεί να εγγυηθεί σε ένα χρήστη μία μέγιστη χρονική καθυστέρηση εκτέλεσης των διεργασιών του. Με τον τρόπο αυτό, ένας χρήστης μπορεί να επιλέξει με απόλυτη βεβαιότητα εκείνον τον υπολογιστικό πόρο που μπορεί να εκτελέσει τη διεργασία του πριν τη λήξη της προθεσμίας της. Το προτεινόμενο πλαίσιο δεν στηρίζεται στην εκ των προτέρων δέσμευση των υπολογιστικών πόρων, αλλά στο ότι οι χρήστες μπορούν να αυτό-περιορίσουν το ρυθμό δημιουργίας διεργασιών τους, ο οποίος συμφωνείται ξεχωριστά με κάθε πόρο κατά τη διάρκεια μίας φάσης εγγραφής τους. Πραγματοποιούμε έναν αριθμό πειραμάτων προσομοίωσης που αποδεικνύουν ότι το προτεινόμενο πλαίσιο μπορεί πράγματι να παρέχει στους χρήστες εγγυημένο μέγιστο χρόνο καθυστέρησης εκτέλεσης των διεργασιών τους, ενώ με τις κατάλληλες επεκτάσεις το πλαίσιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και όταν το φορτίο των διεργασιών δεν είναι εκ των προτέρων γνωστό. Στη συνέχεια εξετάζουμε το πρόβλημα της ``Συγκέντρωσης Δεδομένων'' (ΣΔ), που εμφανίζεται όταν μία διεργασία χρειάζεται περισσότερα του ενός τμήματα δεδομένων να μεταφερθούν σε έναν υπολογιστικό πόρο, πριν η διεργασία ξεκινήσει την εκτέλεσή της σε αυτόν. Μελετάμε τα υπό-προβλήματα της επιλογής των αντιγράφων των δεδομένων, του χρονοπρογραμματισμού της διεργασίας και της δρομολόγησης των δεδομένων της και προτείνουμε έναν αριθμό πλαισίων ``Συγκέντρωσης Δεδομένων''. Μερικά πλαίσια εξετάζουν μόνο τις υπολογιστικές ή μόνο τις επικοινωνιακές απαιτήσεις των διεργασιών, ενώ άλλα εξετάζουν και τα δύο είδη απαιτήσεων. Επιπλέον, προτείνονται πλαίσια ``Συγκέντρωσης Δεδομένων'' τα οποία βασίζονται στην κατασκευή ελαχίστων γεννητικών δέντρων(Minimum Spanning Tree - MST), με σκοπό τη μείωση της συμφόρησης στο δίκτυο δεδομένων, που εμφανίζεται κατά την ταυτόχρονη μεταφορά των δεδομένων μίας διεργασίας. Στα πειράματα προσομοίωσης μας αξιολογούμε τα προτεινόμενα πλαίσια και δείχνουμε ότι αν η διαδικασία της ``Συγκέντρωση Δεδομένων'' πραγματοποιηθεί σωστά, τότε η απόδοση του δικτύου πλέγματος, όσον αφορά τη χρήση των πόρων και την εκτέλεση των διεργασιών, μπορεί να βελτιωθεί. Επιπλέον, ερευνούμε την εφαρμογή τεχνικών σύνοψης της πληροφορίας των χαρακτηριστικών των πόρων στα δίκτυα πλέγματος. Προτείνουμε ένα σύνολο μεθόδων και τελεστών σύνοψης, προσπαθώντας να μειώσουμε τον όγκο των πληροφοριών πόρων που μεταφέρονται πάνω από το δίκτυο, ενώ παράλληλα επιθυμούμε οι συνοπτικές πληροφορίες που παράγονται να βοηθούν το χρονοπρογραμματιστή να παίρνει αποδοτικές αποφάσεις ανάθεσης διεργασιών στους διαθέσιμους πόρους. Οι τεχνικές αυτές μπορούν να συνδυαστούν και με τις αντίστοιχες τεχνικές που εφαρμόζονται στα ιεραρχικά δίκτυα δεδομένων για τη δρομολόγηση, εξασφαλίζοντας έτσι τη διαλειτουργικότητα μεταξύ διαφορετικών δικτύων πλέγματος καθώς και το απόρρητο των πληροφοριών που ανήκουν σε διαφορετικούς παρόχους πόρων. Στα πειράματα προσομοίωσης μας χρησιμοποιούμε σαν μετρική της ποιότητας / αποδοτικότητας των αποφάσεων του χρονοπρογραμματιστή τον Stretch Factor (SF), που ορίζεται ως ο λόγος της μέσης καθυστέρησης εκτέλεσης των διεργασιών όταν αυτές χρονοπρογραμματίζονται με βάση ακριβείς πληροφορίες πόρων, προς τη μέση καθυστέρηση τους όταν χρησιμοποιούνται συνοπτικές πληροφορίες. Ακόμα, μετράμε τη συχνότητα με την οποία ο χρονοπρογραμματιστής ενημερώνεται για τις αλλαγές στην κατάσταση των πόρων καθώς και τον όγκο των πληροφοριών πόρων που μεταφέρονται. Μελετάμε, ακόμα, ζητήματα που προκύπτουν από την υλοποίηση αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού που έχουν αρχικά μελετηθεί σε περιβάλλοντα προσομοίωσης, σε πραγματικά συστήματα ενδιάμεσου λογισμικού (middleware) για δίκτυα πλέγματος, όπως το gLite. Το πρώτο ζήτημα που εξετάζουμε είναι το γεγονός ότι οι πληροφορίες που παρέχονται στους αλγορίθμους χρονοπρογραμματισμού στα συστήματα αυτά δεν είναι πάντα έγκυρες, ενώ το δεύτερο ζήτημα είναι ότι δεν υπάρχει ευελιξία στο διαμοιρασμό των πόρων μεταξύ διαφορετικών διεργασιών. Η μελέτη μας δείχνει ότι με απλές αλλαγές στους μηχανισμούς διαχείρισης διεργασιών ενός συστήματος ενδιάμεσου λογισμικού, αυτά αλλά και άλλα ζητήματα μπορούν να αντιμετωπιστούν, επιτυγχάνοντας σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση των δικτύων πλέγματος. Στα πλαίσια αυτά μάλιστα, εξετάζουμε τη χρήση της τεχνολογίας της εικονικοποίησης (virtualization). Υλοποιούμε και αξιολογούμε τους προτεινόμενους μηχανισμούς σε ένα μικρό δοκιμαστικό δίκτυο πλέγματος. Τέλος, προτείνουμε έναν αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων για τη δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος υπό την παρουσία φυσικών εξασθενήσεων (Impairment-Aware Routing and Wavelength Assignment, IA-RWA) για οπτικά δίκτυα δεδομένων. Τα οπτικά δίκτυα είναι η δικτυακή τεχνολογία που χρησιμοποιείται σήμερα για τη διασύνδεση των υπολογιστικών και αποθηκευτικών πόρων των δικτύων πλέγματος, ενώ οι διάφορες φυσικές εξασθενήσεις τείνουν να μειώνουν την ποιότητα μετάδοσης (Quality of Transmission - QoT) των οπτικών σημάτων. Κύριο χαρακτηριστικό του προτεινόμενου αλγορίθμου είναι ότι υπολογίζει την ποιότητα μετάδοσης (Quality of Transmission - QoT) ενός υποψήφιου οπτικού μονοπατιού (lightpath) μη βασιζόμενο σε πραγματικές μετρήσεις ή εκτιμήσεις μέσω αναλυτικών μοντέλων των διαφόρων φυσικών εξασθενήσεων, αλλά μετρώντας τις αιτίες στις οποίες αυτά οφείλονται. Με τον τρόπο αυτό ο αλγόριθμος γίνεται πιο γενικός και εφαρμόσιμος σε διαφορετικές συνθήκες (μέθοδοι διαμόρφωσης του οπτικού σήματος, ρυθμοί μετάδοσης, τιμές διαφόρων φυσικών παραμέτρων, κ.α.). Τα πειράματα προσομοίωσης μας δείχνουν ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος μπορεί να εξυπηρετήσει τις περισσότερες δυναμικές αιτήσεις σύνδεσης, υπολογίζοντας γρήγορα, μονοπάτια με καλή ποιότητα μετάδοσης σήματος. Γενικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει έναν αριθμό σημαντικών και καινοτόμων μεθόδων, πλαισίων και αλγορίθμων που αφορούν τα δίκτυα πλέγματος. Παράλληλα ωστόσο αποκαλύπτει το εύρος των ζητημάτων και ως ένα βαθμό και τις αλληλεπιδράσεις τους, που σχετίζονται με την αποδοτική λειτουργία των δικτύων πλέγματος, τα οποία απαιτούν τη σύνθεση και τη συνεργασία ερευνητών, μηχανικών και επιστημόνων από διάφορα πεδία. / Grid networks consist of several high capacity, computational, storage and other resources, which are geographically distributed and may belong to different administrative domains. These resources are usually connected through high capacity optical networks. The grid networks evolution follows the current trend of distributedly performed computation and storage. This trend provides several new possibilities to scientists, researchers and to simple users around the world, so as to use the shared resources for executing their tasks and running their applications. These operations are not always possible to perform in local, limited capacity, resources. In this thesis we study issues related to the scheduling of tasks and the routing of their datasets. We study these issues both separately and jointly, along with their interactions. Initially, we present a Quality of Service (QoS) framework for grids that guarantees to users an upper bound on the execution delay of their submitted tasks. Such delay guarantees imply that a user can choose, with absolute certainty, a resource to execute a task before its deadline expires. Our framework is not based on the advance reservation of resources, instead, the users follow a self constrained task generation pattern, which is agreed separately with each resource during a registration phase. We validate experimentally the proposed Quality of Service (QoS) framework for grids, verifying that it satisfies the delay guarantees promised to users. In addition, when the proposed extensions are used, the framework also provides delay guarantees without exact a-priori knowledge of the task workloads. Next, we examine a task scheduling and data migration problem for grid networks, which we refer to as the Data Consolidation (DC) problem. Data Consolidation arises when a task requests concurrently multiple pieces of data, possibly scattered throughout the grid network that have to be present at a selected site before the task's execution starts. In such a case, the scheduler must select the data replicas to be used, the site where these data will be gathered for the task to be executed, and the routing paths to be followed. We propose and experimentally evaluate several Data Consolidation schemes. Some consider only the computational or only the communication requirements of the tasks, while others consider both kinds of requirements. We also propose Data Consolidation (DC) schemes, which are based on Minimum Spanning Trees (MST) that route concurrently the datasets so as to reduce the congestion that may appear in the future, due to these transfers. In our simulation experiments we validate the proposed schemes and show that if the Data Consolidation operation is performed efficiently, then significant benefits can be achieved, in terms of the resources' utilization and task delay. We also consider the use of resource information aggregation in grid networks. We propose a number of aggregation schemes and operators for reducing the information exchanged in a grid network and used by the resource manager in order to make efficient scheduling decisions. These schemes can be integrated with the schemes utilized in hierarchical data networks for data routing, providing interoperability between different grid networks, while the sensitive or detailed information of resource providers is kept private. We perform a large number of experiments to evaluate the proposed aggregation schemes and the used operators. As a metric of the quality of the aggregated information we introduce the Stretch Factor (SF), defined as the ratio of the task delay when the task is scheduled using complete resource information over the task delay when an aggregation scheme is used. We also measure the number of resource information updates triggered by each aggregation scheme and the amount of resource information transferred. In addition, we are interested in the difficulties encountered and the solutions provided in order to develop and evaluate scheduling policies, initially implemented in a simulation environment, in the gLite grid middleware. We identify two important such implementation issues, namely the inaccuracy of the information provided to the scheduler by the information system, and the inflexibility in the sharing of a resource among different jobs. Our study indicates that simple changes in the gLite's scheduling procedures can solve these and other similar issues, yielding significant performance gains. We also investigate the use of the virtualization technology in the gLite middleware. We implement and evaluate the proposed mechanisms in a small gLite testbed. Finally, we propose a multicost impairment-aware routing and wavelength assignment (IA-RWA) algorithm in optical networks. In general, physical impairments tend to degrade the optical signal quality. Also, optical networks is the main networking technology used today for the interconnection of the grid's, computational and storage, resources around the world. The main characteristic of the proposed algorithm is that it calculates the quality of transmission (QoT) of a candidate lightpath by measuring several impairment-generating source parameters and not by using complex formulas to directly account for the effects of physical impairments. In this way, this approach is more generic and more easily applicable to different conditions (modulation formats, bit rates). Our results indicate that the proposed impairment-aware routing and wavelength assignment (IA-RWA) algorithm can efficiently serve the online traffic in an optical network and to guarantee the transmission quality of the found lightpaths, with low running times. In general, in this thesis we present several novel mechanisms and algorithms for grid networks. At the same time, this Thesis reveals the variety of the issues that relate to the efficient operation of the grid networks and their interdependencies. For handling all these issues the cooperation of researches, scientists and engineers from various fields, is required.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται παράλληλοι αλγόριθμοι και εφαρμογές σε πολυπύρηνες μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζονται οι μέθοδοι σχεδίασης ενός παράλληλου αλγορίθμου για την επίλυση τόσο απλών και κοινών προβλημάτων, όπως η ταξινόμηση, όσο και υπολογιστικά απαιτητικών προβλημάτων, έτσι ώστε να εκμεταλλευτούμε πλήρως την τεράστια υπολογιστική δύναμη που προσφέρουν οι σύγχρονες μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Πρώτο πρόβλημα που εξετάστηκε είναι η ταξινόμηση, η οποία είναι ένα από τα πιο συνηθισμένα προβλήματα στην επιστήμη των υπολογιστών. Υπάρχει σαν εσωτερικό πρόβλημα σε πολλές εφαρμογές, επομένως πετυχαίνοντας πιο γρήγορη ταξινόμηση πετυχαίνουμε πιο καλή απόδοση γενικότερα. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται όλα τα βήματα σχεδιασμού για την εκτέλεση ενός αλγορίθμου ταξινόμησης για ακεραίους, της count sort, σε μια μονάδα επεξεργασίας γραφικών. Σημαντική επίδραση στην απόδοση είχε η αποφυγή του συγχρονισμού των νημάτων στο τελευταίο βήμα του αλγορίθμου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται εφαρμογές παράλληλων αλγορίθμων σε υπολογιστικά απαιτητικά προβλήματα. Στο Κεφάλαιο 4, εξετάζεται το πρόβλημα χρονοπρογραμματισμού εξετάσεων Πανεπιστημίων, το οποίο είναι ένα πρόβλημα συνδυαστικής βελτιστοποίησης. Για την επίλυσή του χρησιμοποιείται ένας υβριδικός εξελικτικός αλγόριθμος, ο οποίος εκτελείται εξ' ολοκλήρου στην μονάδα επεξεργασίας γραφικών. Η τεράστια υπολογιστική δύναμη της GPU και ο παράλληλος προγραμματισμός δίνουν τη δυνατότητα χρήσης μεγάλων πληθυσμών έτσι ώστε να εξερευνήσουμε καλύτερα τον χώρο λύσεων και να πάρουμε καλύτερα ποιοτικά αποτελέσματα. Στο επόμενο κεφάλαιο γίνεται επίλυση του προβλήματος σχεδιασμού κίνησης για υποθαλάσσια οχήματα με βραχίονα. Εξετάζεται το πρόβλημα τόσο του ολικού σχεδιασμού όσο και του τοπικού. Στην πρώτη περίπτωση είναι σημαντική η καλή λύση και η ακρίβεια και ο παράλληλος αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση του περιβάλλοντος εργασίας σε μια Bump-επιφάνεια βοηθάει προς αυτή την κατεύθυνση. Στη δεύτερη περίπτωση, το πρόβλημα είναι πρόβλημα πραγματικού χρόνου και μας ενδιαφέρει η ταχύτητα εύρεσης της επόμενης θέσης του οχήματος. Ο παράλληλος προγραμματισμός και η GPU βοηθούν σημαντικά σε αυτό. Τελευταία εφαρμογή που εξετάστηκε είναι η μελέτη ενός συστήματος ημιφθοριωμένων αλκανίων με την μοριακή προσομοίωση Monte Carlo. Η παραλληλοποίηση ενός μέρους, του πιο χρονοβόρου, του αλγορίθμου έδωσε τη δυνατότητα εξέτασης ενός πολύ μεγαλύτερου συστήματος σε αποδεκτό χρόνο. Σε γενικές γραμμές, γίνεται φανερό ότι ο παράλληλος προγραμματισμός και οι σύγχρονες πολυπύρηνες αρχιτεκτονικές, όπως οι μονάδες επεξεργασίας γραφικών, δίνουν νέες δυνατότητες στην αντιμετώπιση καθημερινών προβλημάτων, προβλημάτων πραγματικού χρόνου και προβλημάτων συνδυαστικής βελτιστοποίησης. / In this thesis, parallel algorithms and applications in manycore graphics processing units are presented. More specifically, we examine methods of designing a parallel algorithm for solving both simple and common problems such as sorting, and computationally demanding problems, so as to fully exploit the enormous computing power of modern graphics processing units (GPUs). First problem considered is sorting, which is one of the most common problems in computer science. It exists as an internal problem in many applications. Therefore, sorting faster, results in better performance in general. Chapter 3 describes all design options for the implementation of a sorting algorithm for integers, count sort, on a graphics processing unit. The elimination of thread synchronization in the last step of the algorithm had a significant effect on the performance. Chapter 4 addresses the examination timetabling problem for Universities, which is a combinatorial optimization problem. A hybrid evolutionary algorithm, which runs entirely on GPU, was used to solve the problem. The tremendous computing power of GPU and parallel programming enable the use of large populations in order to explore better the solution space and get better quality results. In the next chapter, the problem of motion planning for underwater vehicle manipulator systems is examined. In the gross motion planning problem, it is important to achieve a good solution with high accuracy. The parallel algorithm used for the representation of the working environment in a Bump-surface is a step towards this direction. In the local motion planning problem, which is a real-time problem, the time needed to find the next configuration of the vehicle is crucial. Parallel programming and the GPU greatly assist in this online problem. Last application considered is the atomistic Monte Carlo simulation of semifluorinated alkanes. The parallelization of part of the algorithm, the most time-consuming, enabled the study of a much larger system in an acceptable execution time. In general, it becomes obvious that parallel programming and new novel manycore architectures, such as graphics processing units, give new capabilities for solving everyday problems, real time and combinatorial optimization problems.

Objective of the present work is the deep study of the manufacturing systems in terms of energy efficiency. Manufacturing enterprises have to reduce energy consumption for both cost saving and environmental friendliness, finding new ways to produce more with less. As a first step, clear definitions for the energy efficiency are provided, in order to successfully include this significant key performance indicator into the manufacturing decision-making attributes. These definitions are used in order to develop a generalized and holistic approach towards manufacturing energy efficiency. The basic element of the approach is the division of energy efficiency definition and study into four manufacturing levels, namely process, machine, production line, and factory. Process-level definitions are provided for the majority of manufacturing processes. A machine-level study indicates and solves difficulties, generated by the workpiece geometry, and points out the interaction with the process level through factors, such as the process time. Moreover, machine tool peripherals are responsible for a significant portion of the consumed energy. Classification of the machine peripherals, based on the dependence of their consumption on process variables, is required. Studies made on the production line and factory levels show that energy efficiency, at these levels, is heavily dependent on production planning and scheduling and can be improved through the appropriate utilization of machines, with the inclusion of shutdown and eco-modes. All the methods developed for each of the manufacturing levels are verified with appropriate case studies. Moreover, a holistic case study is presented, showing that many of the difficulties towards the optimization of energy efficiency can be dealt with successfully, using the proposed generalized approach. The implementation of the method in a software platform is presented. The tool is industrially evaluated using three case studies from three different industrial sectors (i.e. aeronautics, automotive and household). The evaluation of the presented case studies clearly reveals the usefulness and efficiency of the suggested approach validating its applicability to real industrial environments. This prototype information technology decision support tool can assist the manufacturing sector towards energy and eco-efficiency, within the context of a multi-objective optimization procedure, incorporating traditional metrics (i.e. time, cost, flexibility and quality), interacting with the machine monitoring systems. / Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της ενεργειακής αποδοτικότητας των συστημάτων παραγωγής. Η αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας, προσφέρει μείωση του κόστους παραγωγής και των βλαβερών επιπτώσεων στο περιβάλλον. Αρχικά, παρέχονται ορισμοί για την ενεργειακή αποδοτικότητα, προκειμένου να συμπεριληφθεί και αυτός o σημαντικός δείκτης στα συνήθη κριτήρια λήψης αποφάσεων (δηλαδή το χρόνο, το κόστος, την ευελιξία και την ποιότητα). Οι ορισμοί αυτοί χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη μιας γενικευμένης και ολιστικής μεθοδολογίας ως προς την αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας στα συστήματα παραγωγής. Το βασικό στοιχείο της μεθόδου είναι ο διαχωρισμός του ορισμού της ενεργειακής απόδοσης και της μελέτης του σε τέσσερα ιεραρχικά επίπεδα, ξεκινώντας από την διεργασία, τη εργαλειομηχανή, τη γραμμή παραγωγής και την μονάδα παραγωγής. Ορισμοί στο επίπεδο της διεργασίας, παρέχονται για την πλειονότητα των κατηγοριών των μηχανουργικών διεργασιών. Στο επίπεδο της εργαλειομηχανής μελετώνται οι διαφορές που προκύπτουν από την γεωμετρία του προϊόντος, και επισημαίνονται οι αλληλεπιδράσεις με το επίπεδο της διεργασίας μέσω παραγόντων, όπως ο χρόνος διεργασίας. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι τα περιφερειακά των εργαλειομηχανών είναι υπεύθυνα για ένα σημαντικό μέρος της καταναλισκόμενης ενέργειας. H ενεργειακή κατάταξη των περιφερειακών των εργαλειομηχανών, με βάση την εξάρτηση της κατανάλωσης τους από παραμέτρους της διεργασίας, είναι απαραίτητη. Μελέτες στα επίπεδο της γραμμής παραγωγής και της μονάδας παραγωγής, δείχνουν ότι η ενεργειακή αποδοτικότητα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον χρονοπρογραμματισμό της παραγωγής και μπορεί να βελτιωθεί με την κατάλληλη αξιοποίηση των εργαλειομηχανών, συμπεριλαβαίνοντας τον τερματισμό της λειτουργιάς αυτών ή τη χρήση οικολογικών λειτουργιών (eco-modes). Όλες οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν για τα επίπεδα παραγωγής επαληθεύονται με μελέτες εφαρμογής. Για την υλοποίηση της μεθόδου αναπτύχθηκε λογισμικό το οποίο αξιολογήθηκε σε τρεις διαφορετικούς βιομηχανικούς τομείς με σημαντικά αποτελέσματα. Αυτό το πρωτότυπο εργαλείο υποστήριξης αποφάσεων μπορεί να βοηθήσει στην μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης χρησιμοποιώντας πολύ-παραγοντική βελτιστοποίηση, λαμβάνοντας υπόψιν την ενεργειακή αποδοτικότητα μαζί με τα συνήθη κριτήρια λήψης αποφάσεων αλληλοεπιδρώντας με τα συστήματα παρακολούθησης των εργαλειομηχανών.

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί το πρόβλημα του προγραμματισμού παραγωγής και ελέγχου των αποθεμάτων των συστημάτων διακριτής παραγωγής. Στόχος της είναι να προτείνει ένα νέο σύστημα PPC (r-MRP) που θα ξεπερνά ορισμένους βασικούς περιορισμούς των MRP-based συστημάτων. Το σύστημα αυτό αναπτύχθηκε πάνω σε μία νέα μέθοδο που ενοποιεί τις λειτουργίες διαχείρισης αποθεμάτων και λεπτομερούς χρονοπρογραμματισμού σε μία ενιαία παράλληλη υπολογιστική διαδικασία (reverse MRP). Ο σχεδιασμός του προτεινόμενου συστήματος ξεπερνάει βασικές αδυναμίες των MRP-based συστημάτων, λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς δυναμικότητας των παραγωγικών πόρων, τη διακύμανση των χρόνων υστέρησης των εργασιών σε αυτούς και τις σχετικές προτεραιότητες των παραγγελιών, μέσα σε ένα περιβάλλον συνεχούς χρόνου. Επιπλέον εισάγει ένα εργαλείο αξιολόγησης και επιλογής ενός αποδοτικού συνδυασμού χρονοπρογράμματος εργοστασίου και πλάνου αποθεμάτων μέσα από ένα σύνολο διαθέσιμων και εφικτών εναλλακτικών σεναρίων. Η διαμόρφωση των εναλλακτικών αυτών σεναρίων γίνεται λαμβάνοντας κάθε φορά υπόψη τους υφιστάμενους περιορισμούς δυναμικότητας της επιχείρησης και των υλικών, καθώς και ένα σύνολο κριτηρίων, ενίοτε αλληλοσυγκρουόμενων. Τα εναλλακτικά σενάρια που σχηματίζονται αξιολογούνται μέσα από ένα σύνολο δεικτών απόδοσης τόσο χρονοπρογραμματισμού, όσο και διαχείρισης αποθεμάτων. Το προτεινόμενο σύστημα υλοποιήθηκε υπό τη μορφή πειραματικού λογισμικού, μέσα σε περιβάλλον προσομοίωσης διακριτών συμβάντων (discrete-event simulation). Η απόδοση του μελετήθηκε μέσα από την πιλοτική εφαρμογή του σε μία τυπική κλωστοϋφαντουργική μονάδα και βρέθηκε να υπερτερεί σε συγκεκριμένες περιπτώσεις της υπολογιστικής διαδικασίας ενός τυπικού συστήματος MRPII, όσον αφορά ένα σύνολο δεικτών απόδοσης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης αποθεμάτων. Το προτεινόμενο σύστημα r-MRP θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε ένα MRP-based σύστημα ως ένα διασυνδεόμενο υποσύστημα (module) υποστήριξης της λειτουργίας προγραμματισμού παραγωγής και ελέγχου αποθεμάτων. / This thesis discusses the design of a production planning and control system (PPC) for discrete manufacturing environments, referred to as r-MRP. The proposed approach operates under the framework of hierarchical finite capacity shop-floor modelling and discrete-event simulation. It overcomes some of the main deficiencies of MRP-based systems by considering capacity constraints, lead times fluctuations, lot sizing and priority control in a ‘bucket-less’ environment. The r-MRP system was developed based on a new method that integrates shop scheduling and material planning in a simultaneous computational process (reverse MRP). Under this methodology, material and capacity constraints are considered, together with a number of conflicting planning criteria, in a continuous time environment. Lead times are dynamically calculated variables, based on actual loads in each workcenter. A number of alternative feasible shop schedule and material plan combinations are formed in real time. The r-MRP system was implemented as an experimental software tool. Its performance has been evaluated in a case study of a textile company with ‘real life’ data. When studied through a set of simulation experiments it has been found to outperform standard MRPII system in cases of short production times, high value inventory items and frequent, small deliveries by suppliers, in terms of a number of scheduling and inventory performance indicators. The r-MRP tool can be incorporated in legacy IT systems as an interfaced functional module.

Ο όγκος των δεδομένων που απαιτούνται για τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας ενός συστήματος που υλοποιείται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα είναι πάρα πολύ μεγάλος. Αυτό συνεπάγεται ότι ο χρόνος που απαιτείται για τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας του ολοκληρωμένου κυκλώματος μπορεί να είναι απαγορευτικά μεγάλος. Για τη μείωση του απαιτούμενου χρόνου χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές συμπίεσης των δεδομένων δοκιμής. Κάποιες από αυτές τις τεχνικές βασίζονται στην αποστολή κοινών δεδομένων δοκιμής ταυτόχρονα σε περισσότερες από μία μονάδες του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Στην εργασία αυτή υλοποιούμε μια από αυτές τις τεχνικές που βασίζεται στην ύπαρξη μονοπατιών ολίσθησης (scan paths) στις μονάδες του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Για την περαιτέρω μείωση του χρόνου που απαιτείται για τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας του ολοκληρωμένου κυκλώματος γίνεται χρονοπρογραμματισμός της σειράς με την οποία θα ελεγχθεί η ορθή λειτουργία των διαφόρων μονάδων του ολοκληρωμένου κυκλώματος. / The volume of data that is required to test a SoC is too much big. This means that the time that is required for testing can be prohibitorily big. For the reduction of required time are used various techniques of data compaction.Some of these techniques are based on broadcasting the same value to all of the cores on a SoC.In this work we use one of these techniques that are based on the existence of scan chains in the core (broadcast scan).For further reduction of time that is required for testing a circuit we use a core testing schedule algorithm.