A surdez pode ser causada por fatores ambientais, genéticos ou ambos. Do ponto de vista genético, a surdez é extremamente heterogênea, pois é condicionada por mutações em diversos genes localizados em diferentes cromossomos, podendo exibir mecanismos de herança diversos. O objetivo desse estudo foi identificar novos genes e mutações relacionados à perda auditiva de herança autossômica dominante. Foram estudadas molecularmente cinco famílias. A família 1 foi averiguada na cidade de Maringá-PR. Apresenta 20 indivíduos afetados pela síndrome Oto-branquial (BOS). Estudos de mapeamento gênico com arrays de SNPs mostraram um Lod Score sugestivo de ligação para uma região do cromossomo 8, onde está localizado o gene EYA1, já relacionado à síndrome. O sequenciamento dos exons do gene não revelou mutação. No entanto, estudos de array-CGH e de PCR em tempo real permitiram detectar uma duplicação de aproximadamente 86 kb no gene EYA1 em 11 dos 12 indivíduos afetados testados da família, ausente nos indivíduos fenotipicamente normais. Portanto, concluímos que a síndrome nessa família é decorrente dessa duplicação, nunca antes descrita em casos de BOS. A família 2 foi averiguada na cidade de São Miguel-RN, com 16 indivíduos afetados por perda auditiva de herança autossômica dominante não sindrômica. Estudos de mapeamento gênico com marcadores moleculares do tipo microssatélites e cálculos de Lod Score indicaram uma região no cromossomo 3 como candidata a conter o gene responsável pelo fenótipo na família. Estudos de sequenciamento massivo em paralelo da amostra de um indivíduo afetado apontaram três variantes missense em heterozigose como sendo as mais prováveis causas do fenótipo, mas duas delas foram excluídas com base em estudos de segregação. A terceira variante foi triada em uma coleção de 47 amostras de probandos de famílias com surdez autossômica dominante, mas não foi encontrada. Há estudos em andamento buscando confirmar seu papel na surdez hereditária. A família 3 foi averiguada na cidade de São Paulo-SP e apresenta 15 indivíduos afetados por perda auditiva de herança autossômica dominante não sindrômica. Estudos de mapeamento gênico com o uso de arrays de SNPs e cálculos de Lod Score mapearam uma região no cromossomo 20 como candidata a conter o gene responsável pelo fenótipo. Estudos de sequenciamento massivo em paralelo de amostras de dois indivíduos afetados apontaram três variantes missense em heterozigose como as mais prováveis causas do quadro. Estudos de segregação excluíram duas das variantes e a terceira variante foi triada na coleção de 47 amostras de probandos de famílias com surdez de herança dominante, mas não foi encontrada. Outros estudos estão em andamento para verificar seu papel na surdez. A família 4 foi averiguada na cidade de Porto Alegre-RS e apresenta 11 indivíduos afetados por perda auditiva de herança autossômica dominante não sindrômica. Estudos de mapeamento genético com o uso de arrays de SNPs e de cálculo de Lod Score mapearam duas regiões, nos cromossomos 14 e 22, como candidatas a conter o gene responsável. Estudos de sequenciamento massivo em paralelo em amostras de três indivíduos afetados apontaram 3 variantes missense em heterozigose nas regiões mapeadas (duas no cromossomo 14 e uma no cromossomo 22). Observamos que somente a variante rs80338828 no gene MYH9, no cromossomo 22, segrega com o fenótipo. Essa variante já foi previamente relacionada à perda auditiva de herança autossômica dominante e provavelmente explica a perda auditiva na família. A família 5 foi averiguada na cidade de São Paulo-SP e apresenta 30 indivíduos afetados por perda auditiva de herança autossômica dominante e não sindrômica. Estudos de ligação com arrays de SNPs e cálculos de Lod Score não apontaram a região candidata devido a limitações computacionais e à estrutura da genealogia. Estudos de sequenciamento massivo em paralelo de amostras de quatro indivíduos afetados apontaram 13 variantes presentes nos quatro, em heterozigose. Foram selecionadas para estudo duas das variantes, uma no gene MYO3A, por se tratar de um gene já relacionado à perda auditiva e uma no gene LONP2, por se tratar de uma mutação de códon de parada prematuro. Estudos de segregação mostraram que a variante no gene LONP2 não segrega com o fenótipo na família e que a variante no gene MYO3A parece segregar com o fenótipo, exceto por sua ausência em um indivíduo afetado e sua presença em sete indivíduos aparentemente normais, que poderiam ser não-penetrantes. Mutações no gene MYO3A já foram relacionadas previamente à perda auditiva de herança autossômica recessiva, mas chama a atenção o fato do padrão de herança nessa família ser o dominante. Mais estudos são necessários para confirmar o papel dessa e de outras variantes no fenótipo da família. Portanto, o estudo molecular das cinco famílias revelou dois possíveis novos genes de surdez, um novo mecanismo mutacional na síndrome BOS, mutação em gene já conhecido e hipótese de novo mecanismo de herança para mutação no gene MYO3A / Deafness can be caused by environmental factors, genetic factors or both. Genetic deafness is highly heterogeneous, because it is caused by mutations in many genes located in different chromosomes and can be explained by different inheritance patterns. The aim of this study was to identify new genes and search for new mutations related to autosomal dominant hearing loss. Five families were selected for molecular studies. Family 1 was ascertained in Maringá-PR. It includes 20 individuals affected by Branchio-oto syndrome (BOS). Genomic scanning with SNP arrays showed suggestive Lod scores on a region at chromosome 8, where the EYA1 gene is located, already known to be related to this syndrome. Sequencing of all exons of the gene did not reveal the mutation. However, array-CGH and real time PCR studies detected a duplication of 86 kb on EYA1 gene, in 11 of the 12 affected individuals tested, and it was absent in the unaffected individuals. Our findings implicate this EYA1 duplication in the BOS1 phenotype observed in the pedigree. Large duplications in EYA1 gene were not reported before. Family 2 was ascertained at São Miguel-RN, with 16 individuals affected by non syndromic autosomal dominant hearing loss. Genomic scanning with microsatellites and Lod score calculations mapped a region at chromosome 3 as candidate to contain the gene responsible for the phenotype in the family. Massive Parallel Sequencing of a sample from one affected individual indicated 3 missense variants in heterozygosis that could explain the phenotype. Two variants were excluded after segregation studies. The third variant was screened in a cohort of 47 probands from families with individuals affected by autosomal dominant hearing loss and it was not detected. Further studies are needed to confirm its role in hearing loss. Family 3 was ascertained in São Paulo-SP and presents 15 individuals affected by non syndromic autosomal dominant hearing loss. Genomic scanning with SNP arrays and Lod score calculations suggested a region at chromosome 20 as the candidate to contain the gene that causes the phenotype. Massive Parallel Sequencing with samples from two affected individuals suggested 3 missense variants in heterozygosis that could explain the phenotype. Two variants were excluded after segregation studies and one variation was selected as the best candidate to explain the phenotype. We searched for this variant in a cohort of 47 probands from families with individuals affected by autosomal dominant hearing loss and it was not detected. Other studies are being conducted to confirm the role of this variation in deafness. Family 4 was ascertained at Porto Alegre-RS and presents 11 individuals affected by non syndromic autosomal dominant hearing loss. Genomic scanning with SNP arrays and Lod score calculations indicated two regions, at chromosomes 14 and 22, as the best candidates to contain the hearing loss gene. Massive Parallel Sequencing studies with samples from 3 affected individuals indicated 3 missense variants in heterozygosis (two variants at chromosome 14 and one at chromosome 22). We observed that only the variant rs80338828, in MYH9 gene, in chromosome 22, segregates with the phenotype. This variant was previously related to autosomal dominant hearing loss and probably explains the phenotype observed in this family. Family 5 was ascertained at São Paulo-SP and presents 30 individuals affected by non syndromic autosomal dominant hearing loss. Genomic scanning with SNP arrays and Lod score calculations did not indicate candidate regions due to computer limitations. Massive Parallel Sequence studies with samples from four affected individuals suggested 13 candidate variants, in heterozygosis. Two variants were selected for further studies: one in MYO3A, previously related to hearing loss, and one in LONP2 gene, a nonsense mutation. Segregation studies showed the LONP2 variant did not segregate with the phenotype and MYO3A variant seems to segregate with the phenotype, except for its absence in one affected individual and its presence in seven unaffected ones, who could be nonpenetrants. Mutations in MYO3A were previously related to autosomal recessive hearing loss, but the family described here presents autosomal dominant pattern of inheritance. More studies are needed to explain the role of this variant in the phenotype. Thus, the molecular study of five pedigrees revealed two novel candidate genes for deafness, one novel mutation mechanism in BOS, a mutation in one previously known gene and the possibility of a novel inheritance mechanism for a MYO3A mutation.

A Bioinformática tem se desenvolvido de forma intensa nos últimos anos. A necessidade de se processar os grandes conjuntos de sequências, sejam de nucleotídeos ou de aminoácidos, tem estimulado o desenvolvimento de diversas técnicas algorítmicas, de modo a tratar este problema de maneira factível. Os algoritmos de alinhamento de alinhamento múltiplo de sequências assumiram um papel primordial, tornando a execução de alinhamentos de conjuntos com mais de duas sequencias uma tarefa viável computacionalmente. No entanto, com o aumento vertiginoso tanto da quantidade de sequencias em um determinado conjunto, quanto do comprimento dessas sequencias, a utilização desses algoritmos de alinhamento múltiplo, sem o acoplamento de novas estratégias, tornou-se algo impraticável. Consequentemente, a computação de alto desempenho despontou como um dos recursos a serem utilizados, através da paralelização de diversas estratégias para sua execução em grandes sistemas computacionais. Além disso, com a contínua expansão dos conjuntos de sequências, outras estratégias de otimização passaram a ser agregadas aos algoritmos de alinhamento múltiplo paralelos. Com isso, o desenvolvimento de ferramentas para alinhamento múltiplo de sequencias baseadas em abordagens híbridas destaca-se, atualmente, como a solução com melhor aceitação. Assim, no presente trabalho, pode-se verificar o desenvolvimento de uma estratégia híbrida para os algoritmos de alinhamento múltiplo progressivos, cuja utilização e amplamente difundida, em Bioinformática. Nesta abordagem, conjugou-se a paralelização e o particionamento dos conjuntos de sequências, na fase de construção da matriz de pontuação, e a otimização das fases de construção da árvore filogenética e de alinhamento múltiplo, através dos algoritmos de colônia de formigas e simulated annealling paralelo, respectivamente. / Bioinformatics has been developed in a fast way in the last years. The need for processing large sequences sets, either nucleotides or aminoacids, has stimulated the development of many algorithmic techniques, to solve this problem in a feasible way. Multiple sequence alignment algorithms have played an important role, because with the reduced computational complexity provided by them, it is possible to perform alignments with more than two sequences. However, with the fast growing of the amount and length of sequences in a set, the use of multiple alignment algorithms without new optimization strategies became almost impossible. Therefore, high performance computing has emerged as one of the features being used, through the parallelization of many strategies for execution in large computational systems. Moreover, with the continued expansion of sequences sets, other optimization strategies have been coupled with parallel multiple sequence alignments. Thus, the development of multiple sequences alignment tools based on hybrid strategies has been considered the solution with the best results. In this work, we present the development of a hybrid strategy to progressive multiple sequence alignment, where its using is widespread in Bioinformatics. In this approach, we have aggregated the parallelization and the partitioning of sequences sets in the score matrix calculation stage, and the optimization of the stages of the phylogenetic tree reconstruction and multiple alignment through ant colony and parallel simulated annealing algorithms, respectively.

A Computação Gráfica, área em franco desenvolvimento, têm caminhado em busca da geração, cada vez mais rápida, de imagens mais realísticas. Os algoritmos que permitem a síntese de imagens realísticas demandam alto poder computacional, fazendo com que a geração deste tipo de imagem, de forma rápida, requeira o uso de computadores paralelos. Hoje, a técnica que permite gerar as imagens mais realísticas é o "ray tracing" . Os multicomputadores, por sua vez, são a arquitetura de computadores paralelos mais promissora na busca do desempenho computacional necessário às aplicações modernas. Esta dissertação aborda o problema da implementação do algoritmo de "ray tracing" em multicomputadores. A paralelização desta técnica para uso em computadores paralelos de memória distribuída pode ser feita de muitas formas diferentes, sempre envolvendo um compromisso entre a velocidade de processamento e a memória utilizada. Neste trabalho conceitua-se este problema e introduz-se ferramentas para a avaliação de soluções que levam em consideração a eficiência de processamento e a redundância no uso de memória. Também é apresentada uma nova taxonomia que, além de permitir a classificação de propostas para implementações de "ray tracing" paralelo, orienta a procura de novas soluções para este problema. O desempenho das soluções em cada classe desta taxonomia é avaliado qualitativamente. Por fim, são sugeridas novas alternativas de paralelização do algoritmo de "ray tracing" em multicomputadores. / Computer Graphics is headed today towards the synthesis of more realistic images, in less time. The algorithms used for realistic image synthesis demand high computer power, so that the synthesis of this kind of image, in short periods of time, requires the use of parallel computers. Nowadays, the technique that yields the most realistic images is ray tracing. On its turn, multicomputers are the most promising parallel architecture for reaching the performance needed in modern applications. This dissertation is on the problem of implementing the ray tracing algorithm on multicomputers. The parallelization of this technique on distributed memory parallel computers can take several forms, always involving a compromise between speed and memory. In this work, this problem is conceptualized and tools for evaluation of solutions that account for efficiency and redundancy, are introduced. It is also presented a new taxonomy that can be used for both the classification of parallel ray tracing proposals and for driving the search of new solutions to this problem. The performances of entries in each class of the taxonomy are qualitatively assessed. New alternatives for parallelizing the ray tracing algorithm on multicomputers, are suggested.

Applications such as electronic commerce, computer networks, social networks, and biology (protein interaction), to name a few, have led to the production of graph-like data in planetary scale { possibly with millions of nodes and billions of edges. These applications pose challenging problems when the task is to use their data to support decision making processes by means of non-obvious and potentially useful patterns. In order to process such data for pattern discover, researchers and practitioners have used distributed processing resources organized in computational clusters. However, building and managing such clusters can be complex, bringing technical and financial issues that can be prohibitive in a variety of scenarios. Alternatively, it is desirable to process large scale graphs using only one computational node. To do so, we developed processes and algorithms according to three different approaches, building up towards an analytical set capable of revealing patterns, comprehension, and to help with the decision making process over planetary-scale graphs. / Aplicações como comércio eletrônico, redes de computadores, redes sociais e biologia (interação proteica), entre outras, levaram a produção de dados que podem ser representados como grafos à escala planetária { podendo possuir milhões de nós e bilhões de arestas. Tais aplicações apresentam problemas desafiadores quando a tarefa consiste em usar as informações contidas nos grafos para auxiliar processos de tomada de decisão através da descoberta de padrões não triviais e potencialmente utéis. Para processar esses grafos em busca de padrões, tanto pesquisadores como a indústria tem usado recursos de processamento distribuído organizado em clusters computacionais. Entretanto, a construção e manutenção desses clusters pode ser complexa, trazendo tanto problemas técnicos como financeiros que podem ser proibitivos em diversos casos. Por isso, torna-se desejável a capacidade de se processar grafos em larga escala usando somente um nó computacional. Para isso, foram desenvolvidos processos e algoritmos seguindo três abordagens diferentes, visando a definição de um arcabouço de análise capaz de revelar padrões, compreensão e auxiliar na tomada de decisão sobre grafos em escala planetária.

O presente trabalho descreve a implementação do algoritmo discreto da FFT-2D, numa rede de transputers. Primeiramente a implementação seqüencial do algoritmo é analisado, em seguida são apresentados algumas técnicas de paralelização, bem como sua aplicação no algoritmo da FFT-2D. Finalmente são apresentados os resultados do desempenho obtido por redes compostas de um, dois e quatro transputers / The present work describes the implementation of the discrete FFT-2D algorithm in a distributed transputer network. First a seqüencial implementation of the algorithm is presented. Then some parallelization techniques are analyzed and applied to the FFT-2D algorithm. Finally the obtained performance is presented for networks containing one, two and four transputers

Este trabalho se dedica à paralelização de um programa para cálculos de propriedades físicas de ligas magnéticas diluídas. O método do grupo de renormalização aplicado ao modelo de Anderson de duas impurezas se mostrou particularmente adequado ao processamento paralelo visto que grande parte dos cálculos pode ser executada simultaneamente, assim como variações nos conjuntos de dados requeridas pelo método. Para tal reescrevemos o programa seqüencial usado anteriormente pelo Grupo de Física Teórica do IFSC e implementamos três versões paralelas. Essas versões diferem entre si em relação à abordagem dada à paralelização. O uso de clusters de computadores se revelou uma opção conveniente pois verificamos que o limitante no desempenho é o tempo tomado pelos cálculos e não pela comunicação. Os resultados mostram uma grande redução no tempo total de execução, porém deficiências no speedup e escalabilidade devido a problemas de balanceamento de carga. Analisamos esses problemas e sugerimos alternativas para solucioná-los. / This dissertation discuss the parallelization of a program that calculates physical properties of dilute magnetic alloys. The renormalization group method applied to Anderson's two impurities model showed to be specially suitable to parallel processing because a large amount of calculations as well as variations of data entries required by the method can be performed simultaneously. To achieve this we rewrote the sequential program previously used by the Theoretical Physics Group of the IFSC and wrote three parallel versions. These versions differ from each other by the parallelization approach. The use of computer clusters revealed to be an appropriate option because the calculation time is the limiting factor on performance instead of communication time. The results show a good reduction of execution time, but speedup and scalability lack due to load balancing problems. We analyze these problems and suggest possible solutions.

Ray tracing é um algoritmo para a síntese de imagens por computador. Suas características principais são a alta qualidade das imagens que proporciona (incorporando sombras, reflexões e transparências entre outros efeitos) e, por outro lado, a grande demanda em termos de processamento. O ray tracing parametrizado é um algoritmo baseado no ray tracing, que permite a obtenção de imagens com a mesma qualidade a um custo computacional dezenas de vezes menor, porém com restrições. Estas restrições são a necessidade de geração de um arquivo de dados inicial, cujo tempo de processamento é pouco maior que o do ray tracing convencional e a não possibilidade de alteração de qualquer parâmetro geométrico da cena. Por outro lado, a geração de versões da mesma cena com mudanças nos parâmetros ópticos (cores, intensidades de luz, texturas, reflexões, transparências, etc.) é extremamente rápida. Esta tese propõe extensões ao algoritmo de ray tracing parametrizado, procurando aliviar algumas de suas restrições. Estas extensões permitem alterar alguns parâmetros geométricos como a posição das fontes de luz, parâmetros de fontes de luz spot e mapeamento de revelo entre outros, mantendo o bom desempenho do algoritmo original. Também é estudada a paralelização do algoritmo e outras formas de aceleração do processamento. As extensões propostas permitem ampliar o campo de aplicação do algoritmo original incentivando sua adoção mais generalizada. / Ray tracing is an image synthesis computer algorithm. Its main features are the high quality of the generated images (which incorporate shadows, reflections and transparency, among other effects) and, on the other hand, a high processing demand. Parameterized ray tracing is an algorithm based on ray tracing which allows the synthesis of images with the same quality but tens of times faster than ray tracing, although with some restrictions. These restrictions are the requirement of generating a data file (which takes a little longer than standard ray tracing to create) and the fact that no geometric modifications are allowed. On the other side, the processing time for creating new versions of the image with changes only on optical parameters (colors, light intensities, textures, reflections, transparencies, etc.) is extremely fast. This Ph.D. dissertation proposes extensions to the parameterized ray tracing algorithm for diminishing its restrictions. These extensions allow changing some geometric parameters like the light source positions, spotlight parameters and bump-mapping among others, keeping the processing performance of the original algorithm. The parallelization of the algorithm is also focused as well as other performance enhancements. The proposed extensions enlarge the field of application of the original algorithm, encouraging more general adoption.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ackley.pdf: 2102466 bytes, checksum: 4b92e26f652da5a6aa5bb9f6aa1d8f19 (MD5) Previous issue date: 2012-04-27 / Distributed computing systems for shared use with dynamics workload are common in academic and commercial environment. The efficient use of these resources is a challenge. In this work, we developed a performance simulator for coarse-grained parallel applications, which allows varying the task schedulers and the computing environment. The multiple processing elements are associated with threads and a schema master/worker with centralized task list on the master is used. The simulator uses real time to simulate the processing time and implements the most common task schedulers. Experimental results are presented and compared with measurements in real environments and a simulator used by the scientific community demonstrating its validity and applicability. Through this simulator, it is possible to analyze the performance and design task schedulers. A new method of static task scheduling with proportional balancing through estimates of capacity for evolutionary algorithms is proposed. This method measures the processing time in past generations to estimate the current capacity of processing elements and thus make a proportional distribution of tasks. / Sistemas computacionais distribuídos de uso compartilhado e com carga de trabalho dinâmica são comuns no meio acadêmico e comercial. A utilização eficiente destes recursos é um desafio. Neste trabalho, foi desenvolvido um simulador de desempenho de aplicações paralelas de granularidade grossa, que permite variar os escalonadores de tarefas e o ambiente computacional. Os múltiplos elementos de processamento são associados a threads e é utilizado um esquema mestre/trabalhador com lista de tarefas centralizado no mestre. O simulador usa tempo real para simular os tempos de processamentos de tarefas e implementa os escalonadores mais comuns. Resultados experimentais são apresentados e comparados com medições em ambientes reais e de um simulador utilizado pela comunidade científica demonstrando sua validade e aplicabilidade. Através deste simulador, é possível analisar o desempenho e projetar métodos de escalonamento. Um novo método de escalonamento estático com balanceamento proporcional através de estimativas de capacidade para algoritmos evolucionistas é proposto. Este método realiza medidas de tempos de processamentos em gerações passadas para estimar a capacidade atual dos elementos de processamento e assim fazer uma distribuição de tarefas proporcional.

Esta dissertação apresenta uma proposta de arquitetura para um sistema de roteamento empregando cluster de processadores para a solução de problemas como: manutenção de grandes tabelas de roteamento e alto processamento durante o roteamento de dados em grandes redes de computadores. O emprego de roteamento hierárquico e em região não é suficiente para solucionar os problemas apresentados por isso a principal motivação para implementação da proposta de arquitetura para sistema de roteamento empregando cluster de processadores é a ampliação do poder de processamento e memória, permitindo assim minimizar os problemas citados. Como resultado da implementação da arquitetura proposta apresentaremos uma solução baseada em Linux com kernel otimizado para cluster de alto desempenho classe Beowulf, onde a distribuição dos processos são efetuados através do módulo BPROC ao kernel do sistema. Por fim serão efetuadas análises comparativas entre o sistema de roteamento utilizando a arquitetura de alto desempenho e um sistema de roteamento utilizando arquitetura Simetric Multiprocessing (SMP).

É apresentada a implementação de um sistema de prova automática de teoremas baseado no Método de Eliminação de Modelos Fraca com participação dinâmica de problemas a fim de permitir o processamento em paralelo. O sistema, em sua versão seqüencial, pode ser executado em qualquer equipamento compatível com IBM-PC XT/AT. A versão paralela foi implementada para ser executada no processador preferencial de Telebrás, onde a comunicação entre os processos é efetuada por troca de mensagens. O sistema permite a execução de uma dedução com um número qualquer de processadores sem que seja necessária uma hierarquização rígida dos processos, ou seja, não existe o conceito de "produtor"e "consumidor".A troca de mensagens é efetuada através da utilização de procedimentos de comunicação especialmente desenvolvidas para máquina a ser utilizada.