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Simulações numéricas 3D em ambiente paralelo de hipertermia com nanopartículas magnéticasReis, Ruy Freitas 05 November 2014 (has links)
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Previous issue date: 2014-11-05 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este estudo tem como objetivo a modelagem numérica do tratamento de tumores
sólidos com hipertermia utilizando nanopartículas magnéticas, considerando o modelo
tridimensional de biotransferência de calor proposto por Pennes (1948). Foram
comparadas duas diferentes possibilidades de perfusão sanguínea, a primeira constante
e, a segunda, dependente da temperatura. O tecido é modelado com as camadas de
pele, gordura e músculo, além do tumor. Para encontrar a solução aproximada do
modelo foi aplicado o método das diferenças finitas (MDF) em um meio heterogêneo.
Devido aos diferentes parâmetros de perfusão, foram obtidos sistemas de equações lineares
(perfusão constante) e não lineares (perfusão dependente da temperatura). No domínio
do tempo foram utilizados dois esquemas numéricos explícitos, o primeiro utilizando o
método clássico de Euler e o segundo um algoritmo do tipo preditor-corretor adaptado
dos métodos de integração generalizada da família-alpha trapezoidal. Uma vez que a
execução de um modelo tridimensional demanda um alto custo computacional, foram
empregados dois esquemas de paralelização do método numérico, o primeiro baseado
na API de programação paralela OpenMP e o segundo com a plataforma CUDA. Os
resultados experimentais mostraram que a paralelização em OpenMP obteve aceleração
de até 39 vezes comparada com a versão serial, e, além disto, a versão em CUDA também
foi eficiente, obtendo um ganho de 242 vezes, também comparando-se com o tempo de
execução sequencial. Assim, o resultado da execução é obtido cerca de duas vezes mais
rápido do que o fenômeno biológico. / This work deals with the numerical modeling of solid tumor treatments with hyperthermia
using magnetic nanoparticles considering a 3D bioheat transfer model proposed by
Pennes(1948). Two different possibilities of blood perfusion were compared, the first
assumes a constant value, and the second one a temperature-dependent function. The
living tissue was modeled with skin, fat and muscle layers, in addition to the tumor.
The model solution was approximated with the finite difference method (FDM) in
an heterogeneous medium. Due to different blood perfusion parameters, a system of
linear equations (constant perfusion), and a system of nonlinear equations (temperaturedependent
perfusion) were obtained. To discretize the time domain, two explicit numerical
strategies were used, the first one was using the classical Euler method, and the second one
a predictor-corrector algorithm originated from the generalized trapezoidal alpha-family
of time integration methods. Since the computational time required to solve a threedimensional
model is large, two different parallel strategies were applied to the numerical
method. The first one uses the OpenMP parallel programming API, and the second
one the CUDA platform. The experimental results showed that the parallelization using
OpenMP improves the performance up to 39 times faster than the sequential execution
time, and the CUDA version was also efficient, yielding gains up to 242 times faster than
the sequential execution time. Thus, this result ensures an execution time twice faster
than the biological phenomenon.
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Método de lattice Boltzmann para simulação da eletrofisiologia cardíaca em paralelo usando GPUCampos, Joventino de Oliveira 26 June 2015 (has links)
Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-06T20:24:42Z
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Previous issue date: 2015-06-26 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta o método de lattice Boltzmann (MLB) para simulações
computacionais da atividade elétrica cardíaca usando o modelo monodomínio. Uma
implementação otimizada do método de lattice Boltzmann é apresentada, a qual usa
um modelo de colisão com múltiplos parâmetros de relaxação conhecido como multiple
relaxation time (MRT), para considerar a anisotropia do tecido cardíaco. Com foco em
simulações rápidas da dinâmica cardíaca, devido ao alto grau de paralelismo presente no
MLB, uma implementação que executa em uma unidade de processamento gráfico (GPU)
foi realizada e seu desempenho foi estudado através de domínios tridimensionais regulares e
irregulares. Os resultados da implementação para simulações cardíacas mostraram fatores
de aceleração tão altos quanto 500x para a simulação global e para o MLB um desempenho
de 419 mega lattice update per second (MLUPS) foi alcançado. Com tempos de execução
próximos ao tempo real em um único computador equipado com uma GPU moderna,
estes resultados mostram que este trabalho é uma proposta promissora para aplicação em
ambiente clínico. / This work presents the lattice Boltzmann method (LBM) for computational simulations
of the cardiac electrical activity using monodomain model. An optimized implementation
of the lattice Boltzmann method is presented which uses a collision model with multiple
relaxation parameters known as multiple relaxation time (MRT) in order to consider the
anisotropy of the cardiac tissue. With focus on fast simulations of cardiac dynamics,
due to the high level of parallelism present in the LBM, a GPU parallelization was
performed and its performance was studied under regular and irregular three-dimensional
domains. The results of our optimized LBM GPU implementation for cardiac simulations
shown acceleration factors as high as 500x for the overall simulation and for the LBM a
performance of 419 mega lattice updates per second (MLUPS) was achieved. With near
real time simulations in a single computer equipped with a modern GPU these results
show that the proposed framework is a promising approach for application in a clinical
workflow.
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