El principal objetivo de esta tesis es la propuesta de una serie de refinamientos basados en métodos de inteligencia computacional, unidos a metodología in-silico para el descubrimiento de compuestos bioactivos, gracias a la capacidad de cómputo proporcionada por la reciente aparición de las arquitecturas computacionales masivamente paralelas tales como las GPUs (Unidades de Procesamiento Gráfico). Los resultados obtenidos en este proyecto podrían por tanto ayudar y formar la base de una nueva y atractiva generación de aproximaciones para descubrimiento de compuestos bioactivos.

L'Alineament Múltiple de Seqüències (MSA) és una eina molt potent per a aplicacions biològiques importants. Els MSA són computacionalment complexos de calcular, i la majoria de les formulacions porten a problemes d'optimització NP-Hard. Per a dur a terme alineaments de milers de seqüències, nous desafiaments necessiten ser resolts per adaptar els algoritmes a l'era de la computació d'altes prestacions. En aquesta tesi es proposen tres aportacions diferents per resoldre algunes limitacions dels mètodes MSA. La primera proposta consisteix en un algoritme de construcció d'arbres guia per millorar el grau de paral•lelisme, amb la finalitat de resoldre el coll d'ampolla de l'etapa de l'alineament progressiu. La segona proposta consisteix en optimitzar la biblioteca de consistència per millorar el temps d'execució, l'escalabilitat, i poder tractar un major nombre de seqüències. Finalment, proposem Multiples Trees Alignment (MTA), un mètode MSA per alinear en paral•lel múltiples arbres guia, avaluar els alineaments obtinguts i seleccionar el millor com a resultat. Els resultats experimentals han demostrat que MTA millora considerablement la qualitat dels alineaments. El Alineamiento Múltiple de Secuencias (MSA) es una herramienta poderosa para aplicaciones biológicas importantes. Los MSA son computacionalmente complejos de calcular, y la mayoría de las formulaciones llevan a problemas de optimización NP-Hard. Para llevar a cabo alineamientos de miles de secuencias, nuevos desafíos necesitan ser resueltos para adaptar los algoritmos a la era de la computación de altas prestaciones. En esta tesis se proponen tres aportaciones diferentes para resolver algunas limitaciones de los métodos MSA. La primera propuesta consiste en un algoritmo de construcción de árboles guía para mejorar el grado de paralelismo, con el fin de resolver el cuello de botella de la etapa del alineamiento progresivo. La segunda propuesta consiste en optimizar la biblioteca de consistencia para mejorar el tiempo de ejecución, la escalabilidad, y poder tratar un mayor número de secuencias. Finalmente, proponemos Múltiples Trees Alignment (MTA), un método MSA para alinear en paralelo múltiples árboles guía, evaluar los alineamientos obtenidos y seleccionar el mejor como resultado. Los resultados experimentales han demostrado que MTA mejora considerablemente la calidad de los alineamientos. Multiple Sequence Alignment (MSA) is a powerful tool for important biological applications. MSAs are computationally difficult to calculate, and most formulations of the problem lead to NP-Hard optimization problems. To perform large-scale alignments, with thousands of sequences, new challenges need to be resolved to adapt the MSA algorithms to the High-Performance Computing era. In this thesis we propose three different approaches to solve some limitations of main MSA methods. The first proposal consists of a new guide tree construction algorithm to improve the degree of parallelism in order to resolve the bottleneck of the progressive alignment stage. The second proposal consists of optimizing the consistency library, improving the execution time and the scalability of MSA to enable the method to treat more sequences. Finally, we propose Multiple Trees Alignments (MTA), a MSA method to align in parallel multiple guide-trees, evaluate the alignments obtained and select the best one as a result. The experimental results demonstrated that MTA improves considerably the quality of the alignments.

El presente trabajo se inscribe en el campo de la computación paralela y, más en concreto, en el desarrollo y utilización de modelos computacionales en arquitecturas paralelas heterogéneas para la resolución de problemas aplicados. En la tesis abordamos una serie de problemas que están relacionados con la aplicación de la tecnología en el ámbito de las explotaciones agrícolas y comprenden: la representación del relieve, el manejo de información climática como la temperatura, y la gestión de recursos hídricos. El estudio y la solución a estos problemas en el área en la que se han estudiado tienen un amplio impacto económico y medioambiental. Los problemas basan su formulación en un modelo matemático cuya solución es costosa desde el punto de vista computacional, siendo incluso a veces inviable. La tesis consiste en implementar algoritmos paralelos rápidos y eficientes que resuelven el problema matemático asociado a estos problemas en nodos multicore y multi-GPU. También se estudia, propone y aplican técnicas que permiten a las rutinas diseñadas adaptarse automáticamente a las características del sistema paralelo donde van a ser instaladas y ejecutadas con el objeto de obtener la versión más cercana posible a la óptima a un bajo coste. El objetivo es proporcionar un software a los usuarios que sea portable, pero a la vez, capaz de ejecutarse eficientemente en la ordenador donde se esté trabajando, independientemente de las características de la arquitectura y de los conocimientos que el usuario pueda tener sobre dicha arquitectura. / Do Carmo Boratto, M. (2015). Modelos Paralelos para la Resolución de Problemas de Ingeniería Agrícola [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48529 / TESIS

[EN] Computer simulation of water distribution networks by means of mathematical models is nowadays an indispensable tool for the design and exploitation of those networks. Simulation is used not only for the design of new supply systems, or modifications and extensions of existing systems, but also for the normal operation tasks carried out in any network. Two main types of simulation can be differentiated: hydraulic simulation, by means of which the pressures and flows registered in the network are computed, and water quality simulation, the objective of which is to obtain information about chemical substance concentrations. The need for simulation comes often in the context of a wider problem of optimization or reliability analysis, which requires performing a large number of simulations, thus resulting in a process with considerable computational complexity. This fact, added to the growing size and level of detail of network models, as a consequence of the automatic incorporation of data coming from Geographical Information Systems, means that the performance of the simulation solver has a great impact in the overall computing time. In this context, this thesis considers and explores different strategies to improve the performance of water distribution network simulation. The first strategy consists of making some contributions to the hydraulic simulation method known as Looped Newton-Raphson (or more simply the loop method), which is based on the consideration of flow corrections associated to a set of independent loops within the network. Even though the method known as Global Gradient Algorithm (GGA) is more widely used and accepted, the loop method has the potential to be faster, owing to the smaller size of the underlying linear systems. In this thesis some contributions are presented to improve the performance of the loop method for hydraulic simulation. Firstly, efficient algorithms are developed for the selection of a suitable set of independent loops, leading to a highly sparse linear system. Secondly, methods are developed for efficient modeling of hydraulic valves, and especially pressure reducing/sustaining valves. The second strategy explored is the introduction of high performance computing in the hydraulic simulation using distributed memory platforms. In particular, the code of Epanet, a widely accepted water distribution network simulation software, is taken as the starting point for the introduction of parallel simulation algorithms, using the Message Passing Interface (MPI) tool for inter-process communications. As a result of this work, firstly a parallel algorithm is presented for the simulation of flows and pressures by means of the GGA method, making use of multifrontal algorithms for the parallel solution of the underlying linear systems. Secondly, a parallel algorithm for water quality simulation by means of the Discrete Volume Element Method (DVEM) is described, based on partitioning the network by means of multilevel recursive bisection algorithms. Thirdly, a parallel method is presented for leakage minimization by finding the optimal pressure settings for a set of pressure-reducing valves. In distributed memory platforms the overhead due to communication and synchronization can be excessively high, counterbalancing the gain derived from the division of the computation among the processors. This effect is less pronounced in shared memory platforms such as multicore systems, which have gained popularity over the last years. This fact motivates the third strategy explored in this thesis, which is the development of parallel algorithms for simulation of flows and pressures using multicore systems. OpenMP is the tool used for the parallelization, both of the method GGA as implemented in Epanet software and of the loop method with the contributions on it that have been made in the context of this thesis. / [ES] La simulación por computador de las redes de distribución de agua potable, mediante el uso de modelos matemáticos, es hoy en día una herramienta indispensable para el diseño y la explotación de dichas redes. La simulación se utiliza tanto en el diseño de nuevos abastecimientos y en ampliaciones o modificaciones de abastecimientos existentes, como en las tareas de operación normales de cualquier red. Se puede diferenciar entre dos tipos de simulación: la simulación hidráulica, que permite obtener las presiones y caudales que se registran en la red, y la simulación de la calidad del agua, cuyo objetivo es obtener información sobre concentraciones de sustancias químicas. A menudo la necesidad de simulación surge dentro de un problema más amplio de optimización o de análisis de fiabilidad, que requiere llevar a cabo un gran número de simulaciones, con lo que el proceso completo resulta de una complejidad computacional considerable. Esto, añadido al hecho de que el tamaño y nivel de detalle de los modelos de redes crece constantemente, como consecuencia de la incorporación automática de datos contenidos en Sistemas de Información Geográfica, hace que las prestaciones del solver de simulación tengan un gran impacto en el tiempo total de cálculo necesario. En este contexto, esta tesis considera y explora distintas vías para mejorar las prestaciones de la simulación de redes de distribución de agua. La primera de estas vías consiste en realizar algunas aportaciones al método de simulación hidráulica conocido como método de Newton-Raphson de mallas, el cual se basa en la consideración de caudales correctores asociados a un conjunto de mallas independientes definidas sobre la red. Aunque el método conocido como Algoritmo del Gradiente Global (GGA) goza de mayor aceptación, el método de mallas tiene el potencial de ser más rápido, debido al menor tamaño de los sistemas lineales subyacentes. Esta tesis presenta aportaciones para mejorar las prestaciones del método de mallas de simulación hidráulica. En primer lugar, se desarrollan algoritmos eficientes para la selección de un conjunto de mallas adecuado, que conduzca a un sistema altamente disperso. En segundo lugar se desarrollan métodos para la modelización eficiente de válvulas, y especialmente válvulas reductoras/sostenedoras de presión. La segunda vía explorada es la introducción de la computación de altas prestaciones en la simulación hidráulica usando plataformas de memoria distribuida. En particular, se parte del código de Epanet, un software de simulación de redes de amplia aceptación, y se introducen en él algoritmos paralelos de simulación, usando la herramienta Message Passing Interface (MPI) para la comunicación entre procesos. Como resultado de ello, se presenta en primer lugar un algoritmo paralelo para la simulación de caudales y presiones por medio del método GGA, haciendo uso de algoritmos multifrontales para la resolución paralela de los sistemas lineales subyacentes. En segundo lugar, se describe un algoritmo paralelo para la simulación de la calidad del agua mediante el Método de Elementos Discretos de Volumen (DVEM), particionando la red por medio de algoritmos de bisección recursiva multinivel. En tercer lugar, se presenta un método paralelo para la minimización de fugas mediante la determinación de las consignas óptimas de una serie de válvulas reductoras de presión. Finalmente, la tercera vía explorada es el desarrollo de algoritmos paralelos sobre memoria compartida para la simulación de presiones y caudales. Se considera con ello un tipo de plataformas que han ganado popularidad en los últimos años. Se utiliza la herramienta OpenMP para la paralelización, tanto de Epanet y de su implementación del método GGA, como del método de mallas, con las aportaciones al mismo que se han realizado en el contexto de esta tesis. / [CAT] La simulació per computador de les xarxes de distribució d'aigua potable, per mitjà de l'ús de models matemàtics, es hui en dia una ferramenta indispensable per al disseny i l'explotació d'abastiments d'aigua. La simulació s'utilitza tant per al disseny de nous abastiments o ampliacions i modificacions d'abastiments existents, com per a les tasques d'operació normals en qualsevol xarxa. Es pot diferenciar entre dos tipus de simulació: la simulació hidràulica, que permet obtindre les pressions i cabals que es produeixen en la xarxa, i la simulació de la qualitat de l'aigua, l'objectiu de la qual és obtindre informació sobre concentracions de substàncies químiques. Sovint la necessitat de simulació sorgeix dins d'un problema més ampli d'optimització o d'anàlisi de fiabilitat, que requereix dur a terme un gran nombre de simulacions, amb la qual cosa el procés complet resulta d'una complexitat computacional considerable. Això, afegit al fet de que la grandària i nivell de detall del models de xarxes creix constantment, com a conseqüència de la incorporació automàtica de dades contingudes en Sistemes d'Informació Geogràfica, fa que les prestacions del solver de simulació tinguen un gran impacte en el temps total de càlcul necessari. En este context, esta tesi considera i explora diferents vies per a millorar les prestacions de la simulació de xarxes de distribució d'aigua. La primera d'estes vies consisteix en realitzar algunes contribucions al mètode de simulació hidràulica conegut com mètode de Newton-Raphson de malles (o simplement mètode de malles), el qual es basa en la consideració de cabals correctors associats a un conjunt de malles independents definides en la xarxa. Encara que el mètode conegut com Algorisme del Gradient Global (GGA) gaudeix de major acceptació, el mètode de malles té el potencial de ser més ràpid, degut a la menor grandària dels sistemes lineals subjacents. En esta tesi es presenten contribucions per a millorar les prestacions del mètode de malles de simulació hidràulica. En concret, en primer lloc es desenvolupen algorismes eficients per a la selecció d'un conjunt de malles adequat, que conduïsca a un sistema lineal altament dispers. En segon lloc es desenvolupen mètodes per a la modelització eficient de vàlvules, i especialment vàlvules reductores/sostenidores de pressió. La segona via explorada és la introducció de la computació d'altes prestacions en la simulació hidràulica utilitzant plataformes de memòria distribuïda. En concret, es parteix del codi d'Epanet, un programari de simulació de xarxes de distribució d'aigua d'amplia acceptació, i s'hi introdueixen algorismes paral·lels de simulació, utilitzant la ferramenta Message Passing Interface (MPI) per a la comunicació entre processos. Com a resultat d'este treball, es presenta en primer lloc un algorisme paral·lel per a la simulació de cabals i pressions per mitjà del mètode GGA, fent ús d'algorismes multifrontals per a la resolució en paral·lel dels sistemes lineals subjacents. En segon lloc, es descriu un algorisme paral·lel per a la simulació de la qualitat d'aigua amb el Mètode d'Elements Discrets de Volum (DVEM), particionant la xarxa per mitjà d'algoritmes de bisecció recursiva multinivell. En tercer lloc es presenta un mètode paral·lel per a la minimització de fugues mitjançant la determinació de les consignes òptimes d'una sèrie de vàlvules reductores de pressió. Finalment, la tercera via explorada és el desenvolupament d'algorismes paral·lels sobre memòria compartida per a la simulació de pressions i cabals. Es considera amb això un tipus de plataformes que han guanyat popularitat en els últims anys. S'utilitza la ferramenta OpenMP per a la paral·lelització, tant del programari Epanet i de la seua implementació del mètode GGA, com del mètode de malles, amb les contribucions al mateix que s'han realitzat en el context d'esta tesi. / Alvarruiz Bermejo, F. (2016). Reducción del Tiempo de Simulación de Redes de Distribución de Agua, mediante el Método de Mallas y la Computación de Altas Prestaciones [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61764 / TESIS

Tesis por compendio / [ES] En la última década la utilización de la GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computación de Propósito General en Unidades de Procesamiento Gráfico) se ha vuelto tremendamente popular en los centros de datos de todo el mundo. Las GPUs (Graphics Processing Units; Unidades de Procesamiento Gráfico) se han establecido como elementos aceleradores de cómputo que son usados junto a las CPUs formando sistemas heterogéneos. La naturaleza masivamente paralela de las GPUs, destinadas tradicionalmente al cómputo de gráficos, permite realizar operaciones numéricas con matrices de datos a gran velocidad debido al gran número de núcleos que integran y al gran ancho de banda de acceso a memoria que poseen. En consecuencia, aplicaciones de todo tipo de campos, tales como química, física, ingeniería, inteligencia artificial, ciencia de materiales, etc. que presentan este tipo de patrones de cómputo se ven beneficiadas, reduciendo drásticamente su tiempo de ejecución. En general, el uso de la aceleración del cómputo en GPUs ha significado un paso adelante y una revolución. Sin embargo, no está exento de problemas, tales como problemas de eficiencia energética, baja utilización de las GPUs, altos costes de adquisición y mantenimiento, etc. En esta tesis pretendemos analizar las principales carencias que presentan estos sistemas heterogéneos y proponer soluciones basadas en el uso de la virtualización remota de GPUs. Para ello hemos utilizado la herramienta rCUDA, desarrollada en la Universitat Politècnica de València, ya que multitud de publicaciones la avalan como el framework de virtualización remota de GPUs más avanzado de la actualidad. Los resutados obtenidos en esta tesis muestran que el uso de rCUDA en entornos de Cloud Computing incrementa el grado de libertad del sistema, ya que permite crear instancias virtuales de las GPUs físicas totalmente a medida de las necesidades de cada una de las máquinas virtuales. En entornos HPC (High Performance Computing; Computación de Altas Prestaciones), rCUDA también proporciona un mayor grado de flexibilidad de uso de las GPUs de todo el clúster de cómputo, ya que permite desacoplar totalmente la parte CPU de la parte GPU de las aplicaciones. Además, las GPUs pueden estar en cualquier nodo del clúster, independientemente del nodo en el que se está ejecutando la parte CPU de la aplicación. En general, tanto para Cloud Computing como en el caso de HPC, este mayor grado de flexibilidad se traduce en un aumento hasta 2x de la productividad de todo el sistema al mismo tiempo que se reduce el consumo energético en un 15%. Finalmente, también hemos desarrollado un mecanismo de migración de trabajos de la parte GPU de las aplicaciones que ha sido integrado dentro del framework rCUDA. Este mecanismo de migración ha sido evaluado y los resultados muestran claramente que, a cambio de una pequeña sobrecarga, alrededor de 400 milisegundos, en el tiempo de ejecución de las aplicaciones, es una potente herramienta con la que, de nuevo, aumentar la productividad y reducir el gasto energético del sistema. En resumen, en esta tesis se analizan los principales problemas derivados del uso de las GPUs como aceleradores de cómputo, tanto en entornos HPC como de Cloud Computing, y se demuestra cómo a través del uso del framework rCUDA, estos problemas pueden solucionarse. Además se desarrolla un potente mecanismo de migración de trabajos GPU, que integrado dentro del framework rCUDA, se convierte en una herramienta clave para los futuros planificadores de trabajos en clusters heterogéneos. / [CA] En l'última dècada la utilització de la GPGPU(General Purpose computing in Graphics Processing Units; Computació de Propòsit General en Unitats de Processament Gràfic) s'ha tornat extremadament popular en els centres de dades de tot el món. Les GPUs (Graphics Processing Units; Unitats de Processament Gràfic) s'han establert com a elements acceleradors de còmput que s'utilitzen al costat de les CPUs formant sistemes heterogenis. La naturalesa massivament paral·lela de les GPUs, destinades tradicionalment al còmput de gràfics, permet realitzar operacions numèriques amb matrius de dades a gran velocitat degut al gran nombre de nuclis que integren i al gran ample de banda d'accés a memòria que posseeixen. En conseqüència, les aplicacions de tot tipus de camps, com ara química, física, enginyeria, intel·ligència artificial, ciència de materials, etc. que presenten aquest tipus de patrons de còmput es veuen beneficiades reduint dràsticament el seu temps d'execució. En general, l'ús de l'acceleració del còmput en GPUs ha significat un pas endavant i una revolució, però no està exempt de problemes, com ara poden ser problemes d'eficiència energètica, baixa utilització de les GPUs, alts costos d'adquisició i manteniment, etc. En aquesta tesi pretenem analitzar les principals mancances que presenten aquests sistemes heterogenis i proposar solucions basades en l'ús de la virtualització remota de GPUs. Per a això hem utilitzat l'eina rCUDA, desenvolupada a la Universitat Politècnica de València, ja que multitud de publicacions l'avalen com el framework de virtualització remota de GPUs més avançat de l'actualitat. Els resultats obtinguts en aquesta tesi mostren que l'ús de rCUDA en entorns de Cloud Computing incrementa el grau de llibertat del sistema, ja que permet crear instàncies virtuals de les GPUs físiques totalment a mida de les necessitats de cadascuna de les màquines virtuals. En entorns HPC (High Performance Computing; Computació d'Altes Prestacions), rCUDA també proporciona un major grau de flexibilitat en l'ús de les GPUs de tot el clúster de còmput, ja que permet desacoblar totalment la part CPU de la part GPU de les aplicacions. A més, les GPUs poden estar en qualsevol node del clúster, sense importar el node en el qual s'està executant la part CPU de l'aplicació. En general, tant per a Cloud Computing com en el cas del HPC, aquest major grau de flexibilitat es tradueix en un augment fins 2x de la productivitat de tot el sistema al mateix temps que es redueix el consum energètic en aproximadament un 15%. Finalment, també hem desenvolupat un mecanisme de migració de treballs de la part GPU de les aplicacions que ha estat integrat dins del framework rCUDA. Aquest mecanisme de migració ha estat avaluat i els resultats mostren clarament que, a canvi d'una petita sobrecàrrega, al voltant de 400 mil·lisegons, en el temps d'execució de les aplicacions, és una potent eina amb la qual, de nou, augmentar la productivitat i reduir la despesa energètica de sistema. En resum, en aquesta tesi s'analitzen els principals problemes derivats de l'ús de les GPUs com acceleradors de còmput, tant en entorns HPC com de Cloud Computing, i es demostra com a través de l'ús del framework rCUDA, aquests problemes poden solucionar-se. A més es desenvolupa un potent mecanisme de migració de treballs GPU, que integrat dins del framework rCUDA, esdevé una eina clau per als futurs planificadors de treballs en clústers heterogenis. / [EN] In the last decade the use of GPGPU (General Purpose computing in Graphics Processing Units) has become extremely popular in data centers around the world. GPUs (Graphics Processing Units) have been established as computational accelerators that are used alongside CPUs to form heterogeneous systems. The massively parallel nature of GPUs, traditionally intended for graphics computing, allows to perform numerical operations with data arrays at high speed. This is achieved thanks to the large number of cores GPUs integrate and the large bandwidth of memory access. Consequently, applications of all kinds of fields, such as chemistry, physics, engineering, artificial intelligence, materials science, and so on, presenting this type of computational patterns are benefited by drastically reducing their execution time. In general, the use of computing acceleration provided by GPUs has meant a step forward and a revolution, but it is not without problems, such as energy efficiency problems, low utilization of GPUs, high acquisition and maintenance costs, etc. In this PhD thesis we aim to analyze the main shortcomings of these heterogeneous systems and propose solutions based on the use of remote GPU virtualization. To that end, we have used the rCUDA middleware, developed at Universitat Politècnica de València. Many publications support rCUDA as the most advanced remote GPU virtualization framework nowadays. The results obtained in this PhD thesis show that the use of rCUDA in Cloud Computing environments increases the degree of freedom of the system, as it allows to create virtual instances of the physical GPUs fully tailored to the needs of each of the virtual machines. In HPC (High Performance Computing) environments, rCUDA also provides a greater degree of flexibility in the use of GPUs throughout the computing cluster, as it allows the CPU part to be completely decoupled from the GPU part of the applications. In addition, GPUs can be on any node in the cluster, regardless of the node on which the CPU part of the application is running. In general, both for Cloud Computing and in the case of HPC, this greater degree of flexibility translates into an up to 2x increase in system-wide throughput while reducing energy consumption by approximately 15%. Finally, we have also developed a job migration mechanism for the GPU part of applications that has been integrated within the rCUDA middleware. This migration mechanism has been evaluated and the results clearly show that, in exchange for a small overhead of about 400 milliseconds in the execution time of the applications, it is a powerful tool with which, again, we can increase productivity and reduce energy foot print of the computing system. In summary, this PhD thesis analyzes the main problems arising from the use of GPUs as computing accelerators, both in HPC and Cloud Computing environments, and demonstrates how thanks to the use of the rCUDA middleware these problems can be addressed. In addition, a powerful GPU job migration mechanism is being developed, which, integrated within the rCUDA framework, becomes a key tool for future job schedulers in heterogeneous clusters. / This work jointly supported by the Fundación Séneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia) under grants (20524/PDC/18, 20813/PI/18 and 20988/PI/18) and by the Spanish MEC and European Commission FEDER under grants TIN2015-66972-C5-3-R, TIN2016-78799-P and CTQ2017-87974-R (AEI/FEDER, UE). We also thank NVIDIA for hardware donation under GPU Educational Center 2014-2016 and Research Center 2015-2016. The authors thankfully acknowledge the computer resources at CTE-POWER and the technical support provided by Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (RES-BCV-2018-3-0008). Furthermore, researchers from Universitat Politècnica de València are supported by the Generalitat Valenciana under Grant PROMETEO/2017/077. Authors are also grateful for the generous support provided by Mellanox Technologies Inc. Prof. Pradipta Purkayastha, from Department of Chemical Sciences, Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Kolkata, is acknowledged for kindly providing the initial ligand and DNA structures. / Prades Gasulla, J. (2021). Improving Performance and Energy Efficiency of Heterogeneous Systems with rCUDA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/168081 / TESIS / Compendio

Los importantes avances en la investigación, de numerosas áreas de conocimiento, han venido propiciados por una mejora en las estrategias de computación empleadas. A modo de ejemplo, la Computación de Altas Prestaciones permite la utilización colaborativa de múltiples procesadores para acelerar la resolución de problemas científicos, e incluso abordar problemas de mayor dimensión. Sin embargo, existen diversas aplicaciones cuyos requisitos computacionales pueden llegar a exceder la capacidad de cómputo de una única organización. En este sentido, los recientes incrementos en el ancho de banda de las redes de comunicaciones han propiciado la idea de unir recursos computacionales geográficamente distribuidos, proporcionando una infraestructura global de computación conocida como el Grid. En esta tesis se combina la Computación de Altas Prestaciones y la Computación en Grid con el objetivo de acelerar la ejecución de aplicaciones científicas, y permitir la resolución de problemas que no pueden ser abordados, en tiempo razonable, con los recursos de una sola organización. Para ello se ha desarrollado un sistema que ofrece una capa de abstracción que simplifica la ejecución de aplicaciones científicas generales sobre infraestructuras Grid. Este sistema, denominado GMarte, ofrece funcionalidad de metaplanificación de tareas para la ejecución concurrente de aplicaciones paralelas sobre recursos basados en Globus Toolkit, el software estándar en Grids computacionales. Posteriormente, y de acuerdo a la tendencia actual hacia las arquitecturas software orientadas a servicios, se ha construido un servicio Grid de metaplanificación genérico, interoperable y basado en tecnologías estándar. Este servicio Grid aporta funcionalidad de metaplanificador a múltiples clientes, que interactúan con él por medio de herramientas gráficas de alto nivel, utilizando mecanismos de seguridad para la protección de datos. De esta manera se consigue simplificar y potenciar la utilización de las te / Moltó Martínez, G. (2007). Computación de altas prestaciones sobre entornos grid en aplicaciones biomédicas: simulación de la actividad eléctrica cardiaca y diseño de proteínas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1831 / Palancia

[ES] El objetivo de esta tesis es el desarrollo de algoritmos e implementaciones innovadoras de altas prestaciones (HPC) para la computación de funciones de matrices basadas en series de polinomios matriciales. En concreto, se desarrollarán algoritmos para el cálculo de las funciones matriciales más utilizadas: la exponencial, el seno y el coseno. El estudio de los polinomios ortogonales matriciales es un campo emergente cuyo avance está alcanzando importantes resultados tanto desde el punto de vista teórico como práctico. Las ¿últimas investigaciones realizadas por el doctorando, junto a los miembros del grupo de investigación al que está vinculado, High Performance Scientific Computing (HiPerSC), revelan por qué los polinomios matriciales desempeñan un papel fundamental en la aproximación de funciones de matrices, proporcionando propiedades muy interesantes. En esta tesis se han desarrollado nuevos algoritmos de alto rendimiento basados en series polinomiales matriciales. En particular, se han implementado algoritmos para el cálculo de la exponencial, el seno y el coseno de una matriz usando las series matriciales polinomiales de Taylor y de Hermite. Además, se han proporcionado cotas del error cometido en las aproximaciones calculadas, proporcionando además los parámetros teóricos y experimentales óptimos de dichas aproximaciones. Los algoritmos finales han sido comparados con otras implementaciones del estado del arte para probar la mejora que presentan en cuanto a eficiencia y prestaciones. Los resultados obtenidos a lo largo de la investigación y presentados en esta memoria han sido publicados en varias revistas de alto nivel y se han presentado como ponencias en diversas ediciones del congreso internacional Mathematical Modelling in Engineering & Human Behaviour para dotarlas de la mayor difusión posible. Por otra parte, los códigos informáticos implementados han sido puestos a disposición de la comunidad científica internacional a través de nuestra página web http://hipersc.blogs.upv.es. / [CAT] L'objectiu d'aquesta Tesi és el desenvolupament d'algoritmes i implementacions innovadores d'altes prestacions (HPC) per a la computació de funcions de matrius basades en sèries de polinomis matricials. En concret, es desenvoluparan algoritmes per al càlcul de les funcions matricials més emprades: l'exponencial, el sinus i el cosinus. L'estudi dels polinomis ortogonals matricials és un camp emergent, el creixement del qual està aconseguint importants resultats tant des del punt de vista teòric com pràctic. Les últimes investigacions realitzades pel doctorand junt amb els membres del grup d'investigació on està vinculat, High Performance Scientific Computing (HiPerSC), revelen per què els polinomis matricials exerceixen un paper fonamental en l'aproximació de funcions de matrius, proporcionant propietats molt interessants. En aquesta Tesi s'han desenvolupat nous algoritmes d'alt rendiment basats en sèries polinomials matricials. En particular, s'han implementat algoritmes per al càlcul de l'exponencial, el sinus i el cosinus d'una matriu usant les sèries matricials polinomials de Taylor i d'Hermite. A més, s'han proporcionat cotes de l'error comès en les aproximacions calculades, proporcionant a més els paràmetres teòrics i experimentals òptims d'aquestes aproximacions. Els algoritmes finals han estat comparats amb altres implementacions de l'estat de l'art per a provar la millora que presenten en termes d'eficiència i prestacions. Els resultats obtinguts al llarg de la investigació i presentats en aquesta memòria han estat publicats en diverses revistes d'alt nivell i s'han presentat com a ponències en diferents edicions del congrés internacional Mathematical Modelling in Engineering \& Human Behaviour per a dotar-les de la major difusió possible. D'altra banda, s'han posat els codis informàtics implementats a disposició de la Comunitat Científica Internacional mitjançant la nostra pàgina web http://hipersc.blogs.upv.es. / [EN] The aim of this thesis is the development of high performance computing (HPC) innovative algorithms and implementations for computing matrix functions based on matrix polynomials series. Specifically, algorithms for the calculation of the most commonly-used functions, the exponential, sine and cosine have been developed. The study of orthogonal matrix polynomials is an emerging field whose growth is achieving important results both theoretically and practically. The last investigations made by the doctoral student, together with the members of the research group, High Performance Scientific Computing (HiPerSC), he is linked, reveal why the matrix polynomials play a fundamental role in the approximation of matrix functions, providing very interesting properties.In this thesis new high-performance algorithms based on matrix polynomial series have been developed. In particular, algorithms for computing the exponential, sine and cosine of a matrix using Taylor and Hermite matrix polynomial series have been implemented.In addition, the error bounds for the approximations calculated have been provided and optimal theoretical and experimental parameters for such approximations have also been provided. Final algorithms have been compared to other state of the art implementations to test the improvement obtained in terms of efficiency and performance. The results obtained during the investigation and presented in this memory have been published in several high-level journals and presented as papers at various editions of the International Congress Mathematical Modelling in Engineering & Human Behaviour to give them the widest possible distribution. On the other hand, implemented computer codes have been made freely available to the international scientific community at our web page http://hipersc.blogs.upv.es. / Ruiz Martínez, PA. (2020). Nuevos métodos y algoritmos de altas prestaciones para el cálculo de funciones de matrices [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/137035 / TESIS

[EN] The work implemented in this thesis is concerned with the application of High Performance Computing, Grid technologies and Cloud Technologies to the static and dynamic linear analysis of building and civil engineering structures by means of the finite element method. Thanks to the efficiency of the current numerical methods, embedded in many public domain numerical libraries, and to the availability of communication and synchronization libraries among the processing elements, either by message passing or by shared memory, the application of High Performance Computing to the structural computation has allowed us to carry out a rigorous and realistic analysis of large dimension and complexity structures, with reasonably reduced response times. Besides using state-of-the-art parallel numerical libraries (devoted to the solution of systems of linear equations by means of direct methods with MUMPS, PaStiX and PARDISO or iterative methods with PETSc and hypre or the resolution of the generalized eigenvalue problem with SLEPc), the multilevel parallel programming paradigm has been employed, which combines the development of algorithms using MPI and OpenMP in order to ensure the portability and to obtain the best performance in different operating systems, such as Linux and Windows, on different parallel computational platforms. The linear static calculation has been carried out through of the Stiffness Method where all its different stages have been parallelised. In case of structural dynamics, the second order dynamic equation has been solved by means of the parallelization of several direct time integration methods, as well as through parallel modal analysis techniques, modal superposition time history and response spectrum analysis. In the case of the latter analysis, numerous modal combination methods have been parallelized, accompanied by different directional combination techniques and distinct alternatives that try to provide us with sign of the results. With the aim that the above mentioned HPC-based application could be at the disposal of a wide community of architects and structural engineers, Grid and Cloud services have been implemented and deployed. They offer a secure, reliable and high throughput structural analysis under a service oriented architecture model. On the one hand, the Grid service integrates components, such as GMarte, for the task metascheduling, the results retrieval and the failure tolerance on Grid platforms. On the other hand, the Cloud service incorporates the developments of the European VENUS-C project for its deployment on Microsoft Azure infrastructure or on-premise Cloud platform managed by COMPSs. The competitiveness demonstrated by the structural simulator in its response times, even when launched in a sequential approach, with regard to other well-known software packages, has given place to its incorporation in different software applications. From a research point of view, it is part of a structural optimization system in collaboration with the Continuous Medium Mechanics and Theory of Structures Department (DMMCTE) of the UPV. In a professional environment, the simulator has been incorporated into two commercial applications. First of all, it is one of the three components of Architrave, a software system for the the static and dynamic structural design and analysis, developed by the UPV and with more than 3550 users, equipped with an attractive graphical user interface that is distributed by the Preference company. Professionally, Architrave has been downloaded from 22 countries. Academically, it is being used by students and teachers belonging to 54 universities from 8 different countries. Additionally, the Preference company has incorporated the structural simulator static version to its PrefSuite product, a worldwide commercialized software package in the field of metallic carpentry and 3D structural analysis of curtain walls. / [ES] El trabajo realizado en esta tesis doctoral ha consistido en la aplicación de la Computación de Altas Prestaciones, las Tecnologías Grid y las Tecnologías Cloud al cálculo estático y dinámico lineal de estructuras de edificación e ingeniería civil mediante el método de los elementos finitos. Gracias a la eficiencia de los métodos numéricos actuales, plasmados en librerías numéricas de dominio público, y a la disponibilidad de librerías de comunicación y sincronización entre los elementos de proceso, bien sea mediante paso de mensajes o por memoria compartida, la aplicación de la Computación de Altas Prestaciones al cálculo estructural ha permitido llevar a cabo un análisis riguroso y realista de estructuras de gran dimensión y complejidad, con unos tiempos de respuesta razonablemente reducidos. Además de utilizar librerías numéricas paralelas de dominio público (dedicadas a la resolución de sistemas de ecuaciones lineales mediante métodos directos con MUMPS, PaStiX y PARDISO o métodos iterativos con PETSc y hypre o la resolución del problema de valores propios generalizado con SLEPc) se ha empleado el paradigma de programación paralela multinivel, el cual combina el desarrollo de algoritmos mediante MPI y OpenMP, a fin de garantizar la portabilidad y obtener las mejores prestaciones en distintos sistemas operativos, como Linux y Windows, sobre diferentes plataformas computacionales paralelas. El cálculo estático se ha llevado a cabo mediante el Método de la Rigidez, donde se han paralelizado las diferentes etapas que lo componen. En el caso del análisis dinámico, la ecuación dinámica de segundo orden se ha resuelto mediante la paralelización de numerosos métodos de integración directa, así como mediante técnicas de análisis modal, superposición modal y análisis modal espectral. En el caso concreto del análisis modal espectral, se han paralelizado un amplio número de métodos de combinación modal de los resultados, acompañados de distintas técnicas de combinación direccional y diferentes alternativas que intentan proporcionar el signo de los resultados. Con el objetivo de que dicha aplicación paralela desarrollada pueda estar a disposición de una amplia comunidad de arquitectos e ingenieros estructurales, se han implementado y desplegado sendos servicios Grid y Cloud que ofrecen un análisis estructural por internet seguro, fiable y de alta productividad bajo una arquitectura orientada a servicio. Dichos servicios integran componentes, como GMarte, para la planificación de tareas, la recogida de resultados y la tolerancia a fallos en plataformas Grid o incorporan los desarrollos del proyecto europeo VENUS-C, para el despliegue del servicio sobre Microsoft Azure o sobre una infraestructura Cloud ''on-premise'' gestionada por COMPSs. La competitividad demostrada por el simulador estructural en sus tiempos de respuesta, inclusive a nivel secuencial, con respecto a otros paquetes software disponibles y ampliamente utilizados, ha dado lugar a su incorporación en diferentes aplicaciones. Bajo un entorno de carácter investigador, forma parte de un sistema de optimización estructural, en colaboración con el departamento de Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de Estructuras (DMMCTE) de la UPV. En un ámbito profesional, el simulador se ha incorporado en dos aplicaciones comerciales. Por un lado en Architrave, una aplicación de cálculo estático y dinámico estructural, desarrollada por la UPV y con más de 3550 usuarios, dotada de un atractivo interfaz gráfico que se distribuye por parte de la empresa Preference. A nivel profesional, Architrave se ha descargado en 22 países y cuenta, a nivel académico, con alumnos y profesores de 54 universidades de 8 países diferentes. Adicionalmente, la empresa Preference ha incorporado la versión estática del simulador a su producto PrefSuite, un paquete software comercializado a nivel mundial en el ámbito de la carpint / [CA] El treball realitzat en aquesta tesi doctoral ha consistit en l'aplicació de la Computació d'Altes Prestacions, les Tecnologies Grid i les Tecnologies Cloud al càlcul estàtic i dinàmic lineal d'estructures d'edificació i enginyeria civil mitjançant el mètode dels elements finits. Gràcies a l'eficiència dels mètodes numèrics actuals, plasmats en llibreries numèriques de domini públic, i a la disponibilitat de llibreries de comunicació i sincronització entre els elements de procés, bé siga mitjançant pas de missatges o per memòria compartida, l'aplicació de la Computació d'Altes Prestacions al càlcul estructural ha permès dur a terme una anàlisi rigorosa i realista d'estructures de gran dimensió i complexitat, amb uns temps de resposta raonablement reduïts. A més d'utilitzar llibreries numèriques paral·leles de domini públic (dedicades a la resolució de sistemes d'equacions lineals mitjançant mètodes directes amb MUMPS, PaStiX i PARDISO o mètodes iteratius amb PETSc i hypre o la resolució del problema de valors propis generalitzat amb SLEPc) s'ha emprat el paradigma de programació paral·lela multinivell, el qual combina el desenvolupament d'algorismes mitjançant MPI i OpenMP, a fi de garantir la portabilitat i obtenir les millors prestacions en diferents sistemes operatius, com Linux i Windows, sobre diferents plataformes computacionals paral·leles. El càlcul estàtic s'ha dut a terme mitjançant el Mètode de la Rigidesa, on s'han paral·lelitzat les diferents etapes que ho componen. En el cas de l'anàlisi dinàmica, l'equació dinàmica de segon ordre s'ha resolt mitjançant la paral·lelització de nombrosos mètodes d'integració directa, així com mitjançant tècniques d'anàlisi modal, superposició modal i anàlisi modal espectral. En el cas concret de l'anàlisi modal espectral, s'ha paral·lelitzat un ampli nombre de mètodes de combinació modal dels resultats, junt amb de diferents tècniques de combinació direccional i diferents alternatives que intenten proporcionar el signe dels resultats. Amb l'objectiu que aquesta aplicació paral·lela desenvolupada puga estar a la disposició d'una àmplia comunitat d'arquitectes i enginyers estructurals, s'han implementat i desplegat sengles serveis Grid i Cloud que ofereixen una anàlisi estructural per internet segur, fiable i d'alta productivitat sota una arquitectura orientada a servei. Aquests serveis integren components, com GMarte, per a la planificació de tasques, la recollida de resultats i la tolerància a fallades en plataformes Grid o incorporen els desenvolupaments del projecte europeu VENUS-C, per al desplegament del servei sobre Microsoft Azure o sobre una infraestructura Cloud 'on-premise'' gestionada per COMPSs. La competitivitat demostrada pel simulador estructural en els seus temps de resposta, inclòs a nivell seqüencial, pel que fa a altres paquets de programari disponibles i àmpliament utilitzats, ha donat lloc a la seua incorporació en diferents aplicacions. Sota un entorn de caràcter investigador, forma part d'un sistema d'optimització estructural, en col·laboració amb el departament de Mecànica dels Mitjans Continus i Teoria d'Estructures (DMMCTE) de la UPV. En un àmbit professional, el simulador s'ha incorporat en dues aplicacions comercials. D'una banda en Architrave, una aplicació de càlcul estàtic i dinàmic estructural, desenvolupada per la UPV i amb més de 3550 usuaris, dotada d'una atractiva interfície gràfica que es distribueix per part de l'empresa Preference. A nivell professional, Architrave s'ha descarregat en 22 països i compta, a nivell acadèmic, amb alumnes i professors de 54 universitats de 8 països diferents. Addicionalment, l'empresa Preference ha incorporat la versió estàtica del simulador al seu producte PrefSuite, un paquet software comercialitzat a nivell mundial en l'àmbit de la fusteria metàl·lica i el càlcul estructural en 3D de murs cortina. / Alonso Ábalos, JM. (2016). Computación Avanzada en Problemas Estáticos y Dinámicos de Gran Dimensión: Aplicación al Cálculo de Estructuras [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61974 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales