O presente trabalho de pesquisa tem por objetivo estudar a paralelização de algoritmos voltados à solução de equações diferenciais parciais. Esses algoritmos são utilizados para gerar a solução numérica das equações de Navier-Stokes em um escoamento bidimensional incompressível de um fluido newtoniano. As derivadas espaciais são calculadas através de um método de diferenças finitas compactas com a utilização de aproximações de altas ordens de precisão. Uma vez que o cálculo de derivadas espaciais com alta ordem de precisão da forma compacta adotado no presente estudo requer a solução de sistemas lineares tridiagonais, é importante realizar estudos voltados a resolução desses sistemas, para se obter uma boa performance. Ressalta-se ainda que a solução de sistemas lineares também faz-se presente na solução numérica da equação de Poisson. Os resultados obtidos decorrentes da solução das equações diferenciais parciais são comparados com os resultados onde se conhece a solução analítica, de forma a verificar a precisão dos métodos implementados. Os resultados do código voltado à resolução das equações de Navier-Stokes paralelizado para simulação de escoamentos incompressíveis são comparados com resultados da teoria de estabilidade linear, para validação do código final. Verifica-se a performance e o speedup do código em questão, comparando-se o tempo total gasto em função do número de elementos de processamento utilizados / The objective of the present work is to study the parallelization of partial differential equations. The aim is to achieve an effective parallelization to generate numerical solution of Navier-Stokes equations in a two-dimensional incompressible and isothermal flow of a Newtonian fluid. The spatial derivatives are calculated using compact finite differences approximations of higher order accuracy. Since the calculation of spatial derivatives with high order adopted in the present work requires the solution of tridiagonal systems, it is important to conduct studies to solve these systems and achieve good performance. In addiction, linear systems solution is also present in the numerical solution of a Poisson equation. The results generated by the solution of partial differential equations are compared to analytical solution, in order to verify the accuracy of the implemented methods. The numerical parallel solution of a Navier-Stokes equations is compared with linear stability theory to validate the final code. The performance and the speedup of the code in question is also checked, comparing the execution time in function of the number of processing elements

O crescimento explosivo no número de usuários de Internet levou arquitetos de software a reavaliarem questões relacionadas à escalabilidade de serviços que são disponibilizados em larga escala. Projetar arquiteturas de software que não apresentem degradação no desempenho com o aumento no número de acessos concorrentes ainda é um desafio. Neste trabalho, investigamos o impacto do sistema operacional em questões relacionadas ao desempenho, paralelização e escalabilidade de jogos interativos multi-usuários. Em particular, estudamos e estendemos o jogo interativo, multi-usuário, QuakeWorld, disponibilizado publicamente pela id Software sob a licença GPL. Criamos um modelo de paralelismo para a simulação distribuída realizada pelo jogo e o implementamos no servidor do QuakeWorld com adaptações que permitem que o sistema operacional gerencie de forma adequada a execução da carga de trabalho gerada. / The explosive growth in the number of Internet users made software architects reevaluate issues related to the scalability of services deployed on a large scale. It is still challenging to design software architectures that do not experience performance degradation when the concurrent access increases. In this work, we investigate the impact of the operating system in issues related to performance, parallelization, and scalability of interactive multiplayer games. Particularly, we study and extend the interactive, multiplayer game QuakeWorld, made publicly available by id Software under GPL license. We have created a new parallelization model for Quake\'s distributed simulation and implemented that model in QuakeWorld server with adaptations that allows the operating system to manage the execution of the generated workload in a more convenient way.

É notório que o emprego de unidades de processamento gráfico (GPU) pode acelerar significativamente métodos numéricos de aplicações científicas. Para suportar essa nova tecnologia, é necessário que programas sejam readaptados, exigindo flexibilidade do código. Nesse trabalho, é apresentada a arquitetura de um programa de elementos finitos (MEF) para a análise de estruturas, com suporte ao processamento em GPU. A orientação a objetos é usada para guiar o desenvolvimento e modelar o código em uma estrutura flexível. A escalabilidade do programa é dada pela extensão de suas funcionalidades através de componentes carregados em tempo de execução. Para ilustrar a robustez do código, o software é aplicado para o estudo de dinâmica estrutural, considerando aspectos complexos de não linearidade de material (plasticidade) e geometria (grandes deslocamentos). A acurácia do código é verificada através da comparação com problemas conhecidos da literatura e com as soluções MEF comerciais (ABAQUS). As comparações mostraram uma boa concordância nos resultados. O speedup da GPU é analisado em relação aos tempos de CPU do próprio programa, sendo observado ganhos de desempenho de até 10 vezes. / It has been recognized that the adoption of graphics processing units (GPU) can significantly boost numerical methods in scientific applications. In order to support such technology, it is necessary to readapt the program, which requires code flexibility. In this work, it is presented the architecture of a finite element (FEM) analysis program for structural analysis with GPU support. Object-oriented design is used to guide development and to build code into a flexible structure. Program scalability is achieved by extensibility of its features, provided by run-time loaded components. In order to demonstrate code robustness, the software is directed to the study of structural dynamics, considering complex non-linear aspects of material (plasticity) and geometry (large displacements). Code accuracy is checked by comparing with known literature problems and with commercial solver packages (ABAQUS). The comparison shows good agreement in the results. The GPU code speedup is analysed against timings of CPU program code, where it is observed performance gain up to 10 times.

Teste de software desempenha um papel fundamental no processo de produção de um produto de software de qualidade. Com o passar dos anos, diversas técnicas e critérios de teste de software foram desenvolvidos a fim de estabelecer meios e métricas para guiar a criação de casos de teste efetivos, capazes de evidenciar defeitos no produto avaliado. Dentre os principais critérios para teste de software está o Teste de Mutação, que foi amplamente difundido e é tido como uma das abordagens mais eficazes para guiar a criação de conjuntos de casos de teste capazes de revelar defeitos em software. Entretanto, à medida que esse critério possui uma grande efetividade para revelar defeitos, ele peca pelo baixo poder de escalabilidade, o que acaba comprometendo diretamente a sua capacidade de aplicação. Neste sentido, diversos estudos foram desenvolvidos nesta área dedicando-se a aprimorar o seu desempenho e torná-lo uma alternativa viável para aplicação durante a fase de teste de software. Este trabalho apresenta indícios de que a utilização de estruturas complexas de processamento pode apoiar a aplicação do Teste de Mutação. Para tal, foi concebida uma arquitetura que possibilite a aplicação do Teste de Mutação em paralelo. Após a implementação da arquitetura foram avaliados cinco algoritmos de balanceamento de carga responsáveis por controlar a distribuição e execução do Teste de Mutação. Durante a avaliação experimental da arquitetura e dos algoritmos, observou-se que nos piores cenários avaliados foi possível atingir um ganho de desempenho acima de 70% em relação à aplicação sequencial convencional do Teste de Mutação enquanto nos melhores cenários o ganho de desempenho foi acima 95%, contudo, necessitando utilizar-se de uma infraestrutura mais robusta para a execução da arquitetura. / Software testing plays a fundamental role in the development process of quality software systems. Over the years, many software testing techniques and criteria were developed to provide means and metrics to guide the development of effective test cases, able to find defects on the product being assessed. Among major criteria for software testing is the mutation testing, which was broadly broadcast and is likely one of the most effective approaches for creating sets of test cases able to uncover software bugs. However, although mutating testing has a great effectiveness to uncover defects in a product, it suffers from low scalability, which directly compromises its applicability. In this sense, many studies were developed in this area aiming at improving the performance of that criterion and make it a viable alternative for its application throughout the software testing process. This work presents evidence that the use of complex structures of processing can support mutation testing application. For this, it was established an architecture that enables mutation testing to be performed in parallel. After implementing the architecture, five load balance algorithms to controlling the distribution and execution of mutation testing were analyzed. During the experimental evaluation of the architecture and algorithms, it was observed that in the worst evaluated scenarios it was possible to reach a gain in performance of up to 70% in comparison to the conventional application (sequential). In the best scenarios the gain was over 95% in exchange of using a more robust infrastructure for the execution of the architecture.

No desenvolvimento de códigos paralelos, a biblioteca PETSc se destaca como uma ferramenta prática e útil. Com o uso desta ferramenta, este trabalho apresenta um estudo sobre resolvedores de sistemas lineares aplicados a escoamentos incompressíveis de fluidos em microescala, além de uma análise de seu comportamento em paralelo. Após um estudo dos diversos aspectos dos métodos de fronteira imersa, é apresentado um método de fronteira imersa paralelo de primeira ordem. Na sequência, é apresentada uma proposta de melhoria na precisão do método, baseada na minimização da distância entre a condição de contorno exata e aproximada, no sentido de mínimos quadrados. O desenvolvimento de uma ferramenta paralela eficiente é demonstrado na solução numérica de problemas envolvendo escoamentos incompressíveis de fluidos viscosos com fronteiras imersas / In the development of parallel codes, PETSc library has an important position as a practical and useful tool. With this tool, this work presents a study about linear system solvers applied to incompressible flow in microscale problems, furthermore an analysis of the parallel behavior of these methods is presented. After a study of several aspects of immersed boundary methods, and taking advantage of the flexibility of PETSc, a parallel first order immersed boundary method is presented. Thereafter, an improvement in the accuracy of the method is presented, based on the minimization of the distance between exact and approximated boundary conditions, in the least square sense. The development of a parallel and efficient tool is demonstrated in the numerical solution of incompressible viscous flow problems with immersed boundary

Teste de software desempenha um papel fundamental no processo de produção de um produto de software de qualidade. Com o passar dos anos, diversas técnicas e critérios de teste de software foram desenvolvidos a fim de estabelecer meios e métricas para guiar a criação de casos de teste efetivos, capazes de evidenciar defeitos no produto avaliado. Dentre os principais critérios para teste de software está o Teste de Mutação, que foi amplamente difundido e é tido como uma das abordagens mais eficazes para guiar a criação de conjuntos de casos de teste capazes de revelar defeitos em software. Entretanto, à medida que esse critério possui uma grande efetividade para revelar defeitos, ele peca pelo baixo poder de escalabilidade, o que acaba comprometendo diretamente a sua capacidade de aplicação. Neste sentido, diversos estudos foram desenvolvidos nesta área dedicando-se a aprimorar o seu desempenho e torná-lo uma alternativa viável para aplicação durante a fase de teste de software. Este trabalho apresenta indícios de que a utilização de estruturas complexas de processamento pode apoiar a aplicação do Teste de Mutação. Para tal, foi concebida uma arquitetura que possibilite a aplicação do Teste de Mutação em paralelo. Após a implementação da arquitetura foram avaliados cinco algoritmos de balanceamento de carga responsáveis por controlar a distribuição e execução do Teste de Mutação. Durante a avaliação experimental da arquitetura e dos algoritmos, observou-se que nos piores cenários avaliados foi possível atingir um ganho de desempenho acima de 70% em relação à aplicação sequencial convencional do Teste de Mutação enquanto nos melhores cenários o ganho de desempenho foi acima 95%, contudo, necessitando utilizar-se de uma infraestrutura mais robusta para a execução da arquitetura. / Software testing plays a fundamental role in the development process of quality software systems. Over the years, many software testing techniques and criteria were developed to provide means and metrics to guide the development of effective test cases, able to find defects on the product being assessed. Among major criteria for software testing is the mutation testing, which was broadly broadcast and is likely one of the most effective approaches for creating sets of test cases able to uncover software bugs. However, although mutating testing has a great effectiveness to uncover defects in a product, it suffers from low scalability, which directly compromises its applicability. In this sense, many studies were developed in this area aiming at improving the performance of that criterion and make it a viable alternative for its application throughout the software testing process. This work presents evidence that the use of complex structures of processing can support mutation testing application. For this, it was established an architecture that enables mutation testing to be performed in parallel. After implementing the architecture, five load balance algorithms to controlling the distribution and execution of mutation testing were analyzed. During the experimental evaluation of the architecture and algorithms, it was observed that in the worst evaluated scenarios it was possible to reach a gain in performance of up to 70% in comparison to the conventional application (sequential). In the best scenarios the gain was over 95% in exchange of using a more robust infrastructure for the execution of the architecture.

Made available in DSpace on 2016-03-22T17:26:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vanessa_Souza_da_Fonseca.pdf: 1687661 bytes, checksum: 6dbf2a6dc47f997aa3e8aa0c8f37aced (MD5) Previous issue date: 2008-08-07 / This research describes the main contributions of the VirD-GM (Virtual Distributed Geometric Machine Model) for the model of parallelism and distribution of the Project D-GM (Distributed Geometric Machine Project). In order to provide the abstractions of the GM model (Geometric Machine) on a platform to support the implementation distributed and / or parallel computations, the middleware EXEHDA (Execution Environment for High Distributed Applications) is considered as the execution environment. The work enabled to create and manage an environment of parallel and directed programming, and promote the implementation, in this environment, of applications developed in the visual environment VPE-GM (Visual Programming Environment for the Geometric Machine Model). These applications are, by nature, parallel and restricted to the study of parallel algorithms for Scientific Computation. The work focuses on the design and construction of the software architecture of the VirD-GM, which is responsible for managing parallel computations obtained by the application of process constructors defined by the GM model. In this context, this research does not only disposes the construction of the structural vision of the project D-GM but also consolidates its integration with the functional vision. It is characterized by an extension of the visual environment VPEGM, which is responsible for the environment development and code generation for the Project D-GM. Among the main contributions, one may consider: (i) formalization of the concepts of concurrency and conflict intermittent with the notions of communication and synchronization of processes, directly related to the space-time structure of the GM model; (ii) modeling and implementation of the loading, management and control structures of the VirD-GM; (iii) implementation and customization of services provided by the EXEHDA; (iv) construction of the levels of applications, support of execution environment and basic systems; (v) data flow control and manipulation of adjacency matrix related to concurrent computations, including the implementation of barriers of synchronization. The prototyping of VirD-GM and avaliaton achieved through the development of test applications have implemented the viability of theoretical-practical approach proposed in Project D-GM / Este trabalho descreve as principais contribuic¸ oes da VirD-GM (Virtual Distributed Geometric Machine Model) para o modelo de distribuic¸ ao e paralelismo do Projeto D-GM (Distributed Geometric Machine Project). Para disponibilizar as abstrac¸ oes do modelo GM (Geometric Machine) em uma plataforma com suporte `a execuc¸ ao distribu ´ıda e/ou concorrente, considera-se o middleware EXEHDA ( Execution Environment for High Distributed Applications) como ambiente de suporte `a execuc¸ ao. O trabalho possibilitou criar e gerenciar um ambiente de programac¸ ao paralela e distribu´ıda, bem como promover a execuc¸ ao, sob este ambiente, das aplicac¸ oes desenvolvidas no ambiente visual VPE-GM (Visual Programming Environment for the Geometric Machine Model). Estas aplicac¸ oes s ao, por natureza, paralelas e direcionadas ao estudo de algoritmos paralelos para a Computac¸ ao Cient´ıfica. O trabalho est´a centrado na concepc¸ ao e construc¸ ao da arquitetura de software da VirD-GM, respons´avel pelo gerenciamento das computac¸ oes paralelas obtidas pela aplicac¸ ao de construtores de processos definidos no modelo GM. Neste contexto, esta dissertac¸ ao n ao s´o viabilizou construc¸ ao da vis ao estrutural do projeto D-GM como tamb´em consolidou sua integrac¸ ao com a vis ao funcional, caracterizada pela extens ao do ambiente VPE-GM, respons´avel pelo ambiente de desenvolvimento e gerac¸ ao de c´odigo para o Projeto D-GM. Dentre as principais contribuic¸ oes, destacam-se: (i) formalizac¸ ao das noc¸ oes de concorr encia e conflito intermitentes com as noc¸ oes de comunicac¸ ao e sincronizac¸ ao de processos, diretamente relacionadas com a estrutura espac¸o-temporal do modelo GM; (ii) definic¸ ao compreendendo a modelagem e implementac¸ ao dos m´odulos de carregamento, gerenciamento e controle da VirD-GM; (iii) estudo, aplicac¸ ao e customizac¸ ao dos servic¸os disponibilizados pelo middleware EXEHDA; (iv) implementac¸ ao das camadas de aplicac¸ ao, de suporte ao ambiente de execuc¸ ao e de sistemas b´asicos; (v) controle do fluxo de dados e manipulac¸ ao das depend encias entre as computac¸ oes concorrentes pelo uso de matrizes de adjac encias, incluindo a implementac¸ ao de barreiras de sincronizac¸ ao, garantindo a correta execuc¸ ao. A prototipac¸ ao da VirD-GM e a avaliac¸ ao obtida com o desenvolvimento de aplicac¸ oes de teste demonstraram a viabilidade da abordagem te´orica-pr´atica proposta no Projeto D-GM

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_franklin_joffly_lima.pdf: 4781146 bytes, checksum: 19855560682e6f10b865e23078063821 (MD5) Previous issue date: 2008-06-16 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Aquifers underground computational models can be built to help the decision making on water resource management, simulating varied situation in adverse conditions, in order to propose environmental accidents solutions, such as contamination by toxic substances problems that affect the consumed water quality. Computer models for aquifers consider the water disposal in porous medium and contaminants transport in the water. Rapprochement models and time and space discretization, as the finite differences model, finite volume and element are generally used for this purpose. This work presents a methodology involving computer simulations by the finite elements method and parallelized genetic algorithm , in order to select the most appropriate solution in well remediation allocation, which will withdraw the contaminated water from the aquifer. It was taken into account the financial cost as a restriction of the sought depollution and the objective function is to minimize the cost and increase the pollutant reduction, considering area restrictions for wells allocation, variation in the number of wells and ability to pumping in each. / Modelos computacionais de aqüíferos subterrâneos podem ser construídos para auxiliar a tomada de decisão na gestão de recursos hídricos, simulando situações variadas em condições adversas e visando propor soluções para acidentes ambientais, tais como problemas de contaminação por substâncias tóxicas que afetem a qualidade da água a ser consumida. Os modelos computacionais para aqüíferos consideram o escoamento da água num meio poroso e o transporte do contaminante na água. Modelos de aproximação e discretização no tempo e no espaço como o modelo de diferenças finitas, volumes finitos e elementos finitos são geralmente utilizados com este propósito. Este trabalho apresenta uma metodologia que envolve simulações computacionais pelo método dos elementos finitos e um algoritmo genético paralelizado, para a seleção da solução mais adequada na alocação de poços de remediação, os quais irão retirar a água contaminada do aqüífero. É levado em consideração o custo financeiro como uma restrição ao esquema de despoluição buscado e a função objetivo consiste na minimização do custo e maior redução de poluente, considerando-se restrições no domínio para a alocação dos poços, variação do número de poços e capacidade de bombeamento em cada um deles.

Made available in DSpace on 2017-07-21T14:19:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cristian Abreu.pdf: 2219271 bytes, checksum: 3d770700a8027fff9a36f6287c8c4e54 (MD5) Previous issue date: 2013-04-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The objective of this study was investigate the use of parallel computing to reduce the response time of data mining in agriculture. For this purpose, a tool, called Fast Weka been defined and implemented. This tool allows running data mining algorithms and explore parallelism in multi-core computers with the use of threads and distributed systems employing peer-to-peer networks. The exploration of parallelism occurs through the data parallelism inherent to the process of cross-validation (folds). The tool was evaluated through experiments using artificial neural networks data mining algorithms applied to a data set of forest cover types. The multi-thread computing and computing on peer-to-peer networks allowed to reduce the response time of data mining activities. The best results were achieved when employed a multiple number of threads or pairs in the number of folds of cross validation. It was observed and efficiency of 87% when used 4 threads to 24 folds and 86% efficiency also in peer-to-peer networks using 24 folds with 11 pairs. / O objetivo deste trabalho foi investigar a utilização da computação paralela para reduzir o tempo de resposta da mineração de dados na agricultura. Para esse fim, uma ferramenta, chamada Fast Weka foi definida e implementada. Essa ferramenta permite executar algoritmos de mineração de dados e explorar o paralelismo em computadores multi-núcleos com uso de threads em sistemas distribuídos empregando redes peer-to-peer. A exploração do paralelismo ocorre por meio do paralelismo de dados inerente ao processo de validação cruzada (folds). A ferramenta foi avaliada por meio de experimentos de mineração de dados utilizando algoritmos de redes neurais artificiais aplicados em um conjunto de dados de tipos de coberturas florestais. A computação multi-thread e a computação em redes peer-to-peer permitiram reduzir o tempo de resposta das atividades de mineração de dados. Os melhores resultados foram obtidos quando empregados um número múltiplo de threads ou pares em relação ao número de folds da validação cruzada. Observou-se uma eficiência de 87% quando utilizadas 4 threads para 24 folds e 86% de eficiência, também, com 2 folds utilizando redes peer-to-peer co 11 pares.

Made available in DSpace on 2017-07-21T14:19:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ciro Baron Neto.pdf: 1513768 bytes, checksum: a9f4624d5d9521cfa109fa40a688cbb2 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / This paper presents an approach of technologies GPGPU (General-Purpose Computing on Graphics Processing Unit) and P2P (peer-to-peer) networks in order to improve the response time of climate data simulations. Thus, an application using CUDA (Compute Unified Device Architecture) architecture and the simulation model of Venthor simulator were initially adopted and integrated into the P2PComp framework. The results indicate an acceleration factor equal to 70 for single computers. Furthermore, the possibility of using a P2P sharing network for processing, higher acceleration factors can be obtained. Computer simulation models usually demand high processing power and this work showed that the use of parallelism in GPUs and P2P networks is an alternative that allows better performance when compared to sequential computing. / Este trabalho apresenta uma avaliação das tecnologias de GPGPU (General-Purpose Computing on Graphics Processing Unit) e de redes P2P (peer-to-peer) para melhorar o tempo de resposta de simulações de dados climáticos. Para isso, uma aplicação utilizando a arquitetura CUDA (Compute Unified Device Architecture) e o modelo de simulação de dados de vento do software Venthor foram inicialmente adotados e após integrados ao framework P2PComp. Os resultados indicam um fator de aceleração igual a 70 para computadores isolados. Além disso, com a possibilidade do uso de uma rede P2P para compartilhamento de processamento, fatores de aceleração maiores podem ser obtidos. Modelos de simulação computacional geralmente demandam alto poder de processamento e este trabalho mostrou que a utilização do paralelismo em redes P2P e GPUs constitui uma alternativa que permite melhor desempenho quando comparado à computação sequencial.