A tomografia por sensoriamento elétrico representa uma técnica de grande potencial para a otimização de processos normalmente associados às indústrias do petróleo e química. Entretanto, o emprego de técnicas tomográficas em processos industriais envolvendo fluidos multifásicos ainda carece de métodos robustos e computacionalmente eficientes. Nesse contexto, o principal objetivo deste trabalho é contribuir para o desenvolvimento de métodos para a solução do problema tomográfico com base em algoritmos genéticos específicos para a fenomenologia do problema abordado (interação do campo elétrico com o campo hidrodinâmico), bem como a adaptação do algoritmo para processamento em paralelo. A idéia básica consiste em partir de imagens qualitativas, fornecidas por uma sonda de visualização direta, para formar um modelo da distribuição interna do contraste elétrico e refiná-lo iterativamente até que variáveis de controle resultantes do modelo numérico se igualem às suas homólogas, determinadas experimentalmente. Isso pode ser feito usando um funcional de erro, que quantifique a diferença entre as medidas externas não intrusivas (fluxo de corrente elétrica real) e as medidas calculadas no modelo numérico (fluxo de corrente elétrica aproximado). De acordo com a abordagem funcional adotada, pode-se modelar a reconstrução numérica do contraste elétrico como um problema de minimização global, cuja função objetivo corresponde ao funcional de erro convenientemente definido e o mínimo global representa a imagem procurada. A grande dificuldade está no fato do problema ser não linear e mal-posto, o que reflete na topologia da superfície de minimização, demandando um método especializado de otimização para escapar de mínimos locais, pontos de sela, mínimos de fronteira e regiões praticamente planas. Métodos de otimização poderosos, como os algoritmos genéticos, embora apresentem elevado esforço computacional na obtenção da imagem procurada, são melhor adaptáveis ao problema em questão. Desse modo, optou-se pelo uso de algoritmos genéticos paralelos nas arquiteturas mestre-escravo, ilha, celular e híbrida (combinando ilha e celular). O desempenho computacional dos algoritmos desenvolvidos foi testado em um problema de reconstrução da imagem tomográfica de um escoamento vertical a bolhas. De acordo com os resultados, a arquitetura híbrida é capaz de obter a imagem desejada com um desempenho computacional melhor, quando comparado ao desempenho das arquiteturas mestre-escravo, ilha e celular. Além disso, estratégias para melhorar a eficiência do algoritmo foram propostas, como a introdução de informações a priori, derivadas de conhecimento físico do problema tomográfico (fração de vazio e coeficiente de simetria do escoamento), a inserção de uma tabela hash para evitar o cálculo de soluções já encontradas, o uso de operadores de predação e de busca local. De acordo com os resultados, pode-se concluir que a arquitetura híbrida é um método apropriado para solução do problema de tomografia por impedância elétrica de escoamentos multifásicos. / Tomography by electrical sensing represents a technique of great potential for the optimization of processes usually associated with petroleum and chemical industries. However, the employment of tomographic techniques in industrial processes involving multiphase flows still lacks robust and computationally efficient methods. In this context, the main objective of this thesis is to contribute to the development of solution methods based on specific genetic algorithms for the phenomenology of the tomographic problem (interaction between electric and hydrodynamic fields), as well as the adaptation of the algorithm to parallel processing. From qualitative images provided by a direct imaging probe, the basic idea is to generate a model of electric contrast internal distribution and refine it repeatedly until control variables resulting from the numerical model equalize their counterparts, determined experimentally. It can be performed by using an error functional to quantify the difference between non-intrusive external measurements (actual electric current flow) and measurements calculated in a numerical model (approximate electric current flow). According to the functional approach, the numerical reconstruction of the electrical contrast can be treated as a global minimization problem in which the fitness function is an error functional conveniently defined and the global minimum corresponds to the sought image. The major difficulty lies in the nonlinear and ill-posed nature of the problem, which reflects on the topology of the minimization surface, demanding a specialized optimization method to escape from local minima, saddle points, boundary minima and almost plane regions. Although powerful optimization methods, such as genetic algorithms, require high computational effort to obtain the sought image, they are best adapted to the problem in question, therefore parallel genetic algorithms were employed in master-slave, island, cellular and hybrid models (combining island and cellular). The computational performance of the developed algorithms was tested in a tomographic image reconstruction problem of vertical bubble flow. According to the results, the hybrid model can obtain the sought image with a better computational performance, when compared with the other models. Besides, strategies to improve the algorithm efficiency, such as the introduction of a priori information derived from the physical knowledge of the tomographic problem (void fraction and symmetry coefficient of the flow), the insertion of a hash table to avoid the calculation of solutions already found, the use of predation and local search operators were proposed. According to the results, it is possible to conclude that the hybrid model is an appropriate method for solving the electrical impedance tomography problem of multiphase flows.

A utilização de concreto projetado como suporte de túneis é uma prática amplamente difundida no mundo inteiro. Este tipo material possui a característica de começar a agir estruturalmente desde pequenas idades. Apesar disso, os correntes processos de dimensionamento de suportes negligenciam o desenvolvimento de suas propriedades com o tempo, em acoplamento aos efeitos tridimensionais da região onde se localiza a frente de escavação. O presente trabalho tem a finalidade de relatar os procedimentos utilizados na análise da influência de alguns parâmetros da interação maciço - suporte, sobre os esforços solicitantes finais do suporte de um túnel, tanto para o caso de concreto projetado, com suas propriedades dependentes do tempo, quanto para materiais com propriedades constantes. São elaboradas soluções adimensionais para o problema da quantificação de esforços solicitantes de compressão e flexão no suporte. A maioria das simulações realizadas para atingir essa meta foi conduzida com auxílio de técnicas de processamento paralelo. / Shotcrete has been more and more used worldwide for tunnel support. This kind of material has the characteristics of starting to act structurally since early ages. Nevertheless, the current processes of support design neglect the development of its properties after some time in connection to the 3D effects of the region where the face of the tunnel is located. The present work relates the procedures adopted in analyzing the influence of some ground-support interaction parameters on the support structure internal forces of a tunnel, not only when shotcrete is used, with its time-dependent properties, but for materials with constant properties as well. Dimensionless solutions are developed for the support thrust and bending moments quantification problem. Most of the numerical simulations performed to reach this purpose were carried out by means of parallel processing techniques.

Transformada de distância euclidiana (TDE) é a operação que converte uma imagem binária composta de pontos de objeto e de fundo em outra, chamada mapa de distâncias euclidianas, onde o valor armazenado em cada ponto corresponde à menor distância euclidiana entre este ponto e o fundo da imagem. A TDE é muito utilizada em visão computacional, análise de imagens e robótica, mas é uma transformação muito demorada, principalmente em imagens 3-D. Neste trabalho são utilizados dois tipos de computadores paralelos, (i) multiprocessadores simétricos (SMPs) e (ii) agregados de computadores, para reduzir o tempo de execução da TDE. Dois algoritmos de TDE são paralelizados. O primeiro, um algoritmo de TDE por varredura independente, é paralelizado em um SMP e em um agregado. O segundo, um algoritmo de TDE por propagação ordenada, é paralelizado no agregado. / The Euclidean distance transform is the operation that converts a binary image made of object and background pixels into another image, the Euclidean distance map, where each pixel has a value corresponding to the Euclidean distance from this pixel to the background. The Euclidean distance transform has important uses in computer vision, image analysis and robotics, but it is time-consuming, mainly when processing 3-D images. In this work two types of parallel computers are used to speed up the Euclidean distance transform, (i) symmetric multiprocessors (SMPs) and (ii) clusters of workstations. Two algorithms are parallelized. The first one, an independent line-column Euclidean distance transform algorithm, is parallelized on a SMP, and on a cluster. The second one, an ordered propagation Euclidean distance transform algorithm, is paralellized on a cluster.

Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2017-08-17T12:19:08Z No. of bitstreams: 1 TeseEFM.pdf: 31334481 bytes, checksum: 966afb8a981794db0aee3bc97ee11d5b (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (producaointelectual.bco@ufscar.br) on 2017-10-25T17:55:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseEFM.pdf: 31334481 bytes, checksum: 966afb8a981794db0aee3bc97ee11d5b (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (producaointelectual.bco@ufscar.br) on 2017-10-25T17:55:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseEFM.pdf: 31334481 bytes, checksum: 966afb8a981794db0aee3bc97ee11d5b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-25T18:01:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseEFM.pdf: 31334481 bytes, checksum: 966afb8a981794db0aee3bc97ee11d5b (MD5) Previous issue date: 2017-02-17 / Não recebi financiamento / The huge volume of spatial data generated and made available in recent years from different sources, such as remote sensing, smart phones, space telescopes, and satellites, has motivated researchers and practitioners around the world to find out a way to process efficiently this huge volume of spatial data. Systems based on the MapReduce programming paradigm, such as Hadoop, have proven to be an efficient framework for processing huge volumes of data in many applications. However, Hadoop has showed not to be adequate in native support for spatial data due to its central structure is not aware of the spatial characteristics of such data. The solution to this problem gave rise to SpatialHadoop, which is a Hadoop extension with native support for spatial data. However, SpatialHadoop does not enable to jointly allocate related spatial data and also does not take into account any characteristics of the data in the process of task scheduler for processing on the nodes of a cluster of computers. Given this scenario, this PhD dissertation aims to propose new strategies to improve the performance of the processing of the spatial join operations for huge volumes of data using SpatialHadoop. For this purpose, the proposed solutions explore the joint allocation of related spatial data and the scheduling strategy of MapReduce for related spatial data also allocated in a jointly form. The efficient data access is an essential step in achieving better performance during query processing. Therefore, the proposed solutions allow the reduction of network traffic and I/O operations to the disk and consequently improve the performance of spatial join processing by using SpatialHadoop. By means of experimental evaluations, it was possible to show that the novel data allocation policies and scheduling tasks actually improve the total processing time of the spatial join operations. The performance gain varied from 14.7% to 23.6% if compared to the baseline proposed by CoS-HDFS and varied from 8.3% to 65% if compared to the native support of SpatialHadoop. / A explosão no volume de dados espaciais gerados e disponibilizados nos últimos anos, provenientes de diferentes fontes, por exemplo, sensoriamento remoto, telefones inteligentes, telescópios espaciais e satélites, motivaram pesquisadores e profissionais em todo o mundo a encontrar uma forma de processar de forma eficiente esse grande volume de dados espaciais. Sistemas baseados no paradigma de programação MapReduce, como exemplo Hadoop, provaram ser durante anos um framework eficiente para o processamento de enormes volumes de dados em muitas aplicações. No entanto, o Hadoop demonstrou não ser adequado no suporte nativo a dados espaciais devido a sua estrutura central não ter conhecimento das características espaciais desses dados. A solução para este problema deu origem ao SpatialHadoop, uma extensão do Hadoop, com suporte nativo para dados espaciais. Entretanto o SpatialHadoop não é capaz de alocar conjuntamente dados espaciais relacionados e também não leva em consideração qualquer característica dos dados no processo de escalonamento das tarefas para processamento nos nós de um cluster de computadores. Diante deste cenário, esta tese tem por objetivo propor novas estratégias para melhorar o desempenho do processamento das operações de junção espacial para grandes volumes de dados usando o SpatialHadoop. Para tanto, as soluções propostas exploram a alocação conjunta dos dados espaciais relacionados e a estratégia de escalonamento de tarefas MapReduce para dados espaciais relacionados também alocados de forma conjunta. Acredita-se que o acesso eficiente aos dados é um passo essencial para alcançar um melhor desempenho durante o processamento de consultas. Desta forma, as soluções propostas permitem a redução do tráfego de rede e operações de Entrada/Saída para o disco e consequentemente melhoram o desempenho no processamento de junção espacial usando SpatialHadoop. Por meio de testes de desempenho experimentais foi possível comprovar que as novas políticas de alocação de dados e escalonamento de tarefas de fato melhoram o tempo total de processamento das operações de junção espacial. O ganho de desempenho variou de 14,7% a 23,6% com relação ao baseline proposto por CoS-HDFS e variou de 8,3% a 65% com relação ao suporte nativo do SpatialHadoop.

O aumento crescente no número de processadores das arquiteturas paralelas que estão no topo dos rankings de desempenho, apesar de permitir uma maior capacidade de processamento, também traz consigo um aumento na taxa de falhas diretamente proporcional ao número de processadores. Atualmente, as técnicas de tolerância a falhas com recuperação retroativa são as mais empregadas em aplicações MPI, principalmente a técnica de checkpoint coordenado. No entanto, previsões afirmam que essa última técnica será inadequada para as arquiteturas emergentes. Em contrapartida, as técnicas de log de mensagens possuem características que as tornam mais apropriadas no novo cenário que se estabelece. O presente trabalho consiste em uma proposta de log de mensagens pessimista remoto com checkpoint não-coordenado e a avaliação de desempenho da comunicação MPI sobre Publish/Subscriber no qual se baseia o log de mensagens. O trabalho compreende: um estudo das técnicas de tolerância a falhas mais empregadas em ambientes de alto desempenho e a motivação para a escolha dessa variante de log de mensagens; a proposta de log de mensagens; uma implementação de comunicação Open MPI sobre OpenAMQ e sua respectiva avaliação de desempenho com comunicação tradicional TCP/IP e com o log de mensagens pessimista local da distribuição do Open MPI. Os benchmarks utilizados foram o NetPIPE, o NAS Parallel Benchmarks e a aplicação Virginia Hydrodynamics (VH-1). / The growing number of processors in parallel architectures at the top of performance rankings allows a higher processing capacity. However, it also brings an increase in the fault rate which is directly proportional to the number of processors. Nowadays, coordinated checkpoint is the most widely used rollback technique for system recovery in the occurrence of faults in MPI applications. Nevertheless, projections point that this technique will be inappropriate for the emerging architectures. On the other hand, message logging seems to be more appropriate to this new scenario. This work consists in a proposal of pessimistic message logging (remote based) with non-coordinated checkpoint and the performance evaluation of an MPI communication mechanism that works over Publish/Subscriber channels in which the proposed message logging is based. The work is organized as following: an study of fault tolerant techniques used in HPC and the motivation for choosing this variant of message logging; a message logging proposal; an implementation of Open MPI communication over OpenAMQ; performance evaluation and comparision with the tradicional TCP/IP communication and a pessimistic message logging (sender based) from Open MPI distribution. The benchmark set is composed of NetPIPE, NAS Parallel Benchmarks and Virginia Hydrodynamics (VH-1).

Atualmente, o computador pessoal (PC) moderno poder ser considerado como um cluster heterogênedo de um nodo, o qual processa simultâneamente inúmeras tarefas provenientes das aplicações. O PC pode ser composto por Unidades de Processamento (PUs) assimétricas, como a Unidade Central de Processamento (CPU), composta de múltiplos núcleos, a Unidade de Processamento Gráfico (GPU), composta por inúmeros núcleos e que tem sido um dos principais co-processadores que contribuiram para a computação de alto desempenho em PCs, entre outras. Neste sentido, uma plataforma de execução heterogênea é formada em um PC para efetuar cálculos intensivos em um grande número de dados. Na perspectiva desta tese, a distribuição da carga de trabalho de uma aplicação nas PUs é um fator importante para melhorar o desempenho das aplicações e explorar tal heterogeneidade. Esta questão apresenta desafios uma vez que o custo de execução de uma tarefa de alto nível em uma PU é não-determinístico e pode ser afetado por uma série de parâmetros não conhecidos a priori, como o tamanho do domínio do problema e a precisão da solução, entre outros. Nesse escopo, esta pesquisa de doutorado apresenta um sistema sensível ao contexto e de adaptação em tempo de execução com base em um compromisso entre a redução do tempo de execução das aplicações - devido a um escalonamento dinâmico adequado de tarefas de alto nível - e o custo de computação do próprio escalonamento aplicados em uma plataforma composta de CPU e GPU. Esta abordagem combina um modelo para um primeiro escalonamento baseado em perfis de desempenho adquiridos em préprocessamento com um modelo online, o qual mantém o controle do tempo de execução real de novas tarefas e escalona dinâmicamente e de modo eficaz novas instâncias das tarefas de alto nível em uma plataforma de execução composta de CPU e de GPU. Para isso, é proposto um conjunto de heurísticas para escalonar tarefas em uma CPU e uma GPU e uma estratégia genérica e eficiente de escalonamento que considera várias unidades de processamento. A abordagem proposta é aplicada em um estudo de caso utilizando uma plataforma de execução composta por CPU e GPU para computação de métodos iterativos focados na solução de Sistemas de Equações Lineares que se utilizam de um cálculo de stencil especialmente concebido para explorar as características das GPUs modernas. A solução utiliza o número de incógnitas como o principal parâmetro para a decisão de escalonamento. Ao escalonar tarefas para a CPU e para a GPU, um ganho de 21,77% em desempenho é obtido em comparação com o escalonamento estático de todas as tarefas para a GPU (o qual é utilizado por modelos de programação atuais, como OpenCL e CUDA para Nvidia) com um erro de escalonamento de apenas 0,25% em relação à combinação exaustiva. / A modern personal computer can be now considered as a one-node heterogeneous cluster that simultaneously processes several applications’ tasks. It can be composed by asymmetric Processing Units (PUs), like the multi-core Central Processing Unit (CPU), the many-core Graphics Processing Units (GPUs) - which have become one of the main co-processors that contributed towards high performance computing - and other PUs. This way, a powerful heterogeneous execution platform is built on a desktop for data intensive calculations. In the perspective of this thesis, to improve the performance of applications and explore such heterogeneity, a workload distribution over the PUs plays a key role in such systems. This issue presents challenges since the execution cost of a task at a PU is non-deterministic and can be affected by a number of parameters not known a priori, like the problem size domain and the precision of the solution, among others. Within this scope, this doctoral research introduces a context-aware runtime and performance tuning system based on a compromise between reducing the execution time of the applications - due to appropriate dynamic scheduling of high-level tasks - and the cost of computing such scheduling applied on a platform composed of CPU and GPUs. This approach combines a model for a first scheduling based on an off-line task performance profile benchmark with a runtime model that keeps track of the tasks’ real execution time and efficiently schedules new instances of the high-level tasks dynamically over the CPU/GPU execution platform. For that, it is proposed a set of heuristics to schedule tasks over one CPU and one GPU and a generic and efficient scheduling strategy that considers several processing units. The proposed approach is applied in a case study using a CPU-GPU execution platform for computing iterative solvers for Systems of Linear Equations using a stencil code specially designed to explore the characteristics of modern GPUs. The solution uses the number of unknowns as the main parameter for assignment decision. By scheduling tasks to the CPU and to the GPU, it is achieved a performance gain of 21.77% in comparison to the static assignment of all tasks to the GPU (which is done by current programming models, such as OpenCL and CUDA for Nvidia) with a scheduling error of only 0.25% compared to exhaustive search.

O uso de técnicas de cópia-zero e desvio do sistema operacional permitem a diminuição da latência de comunicação e o aumento da largura de banda. Menores latências e maiores larguras de banda contribuem para que o desempenho das aplicações paralelas seja mais alto, bem como torna-as mais escaláveis. Protocolos de comunicação que utilizam-se destas técnicas são conhecidos como protocolos de comunicação em nível de usuário. Baseado nas experiências de outros grupos de pesquisa na implementação de bibliotecas de comunicação e bibliotecas de programação paralelas sobre VIA e na experiência do GPPD na implementação da biblioteca DECK, este texto apresenta a implementação das primitivas DECK sobre o padrão VIA, o qual é classificado como sendo um protocolo de nível de usuário. O objetivo desta dissertação é implementar o DECK sobre VIA evitando qualquer cópia intermediária na comunicação de uma mensagem, atingindo assim cópia-zero. Dentre as bibliotecas de comunicação sobre VIA, DECK/VIA foi a única biblioteca que teve o compromisso ser totalmente livre de cópias intermediárias, embora houvesse que forçar um sincronismo na comunicação para manter este compromisso. Para a implementação do DECK/VIA, utilizou-se a implementação VI-GM de VIA para redes Myrinet. A biblioteca DECK/VIA demonstrou uma latência de 86.85 μs e uma largura de banda máxima de 205 Mbytes/s, 82% da banda nominal da rede Myrinet. Para validar a biblioteca foi executada a aplicação FT do pacote NPB. Apresenta-se comparações destes resultados frente aos resultados obtidos pela execução da mesma aplicação no DECK/GM, para redesMyrinet e DECK/TCP, para redes Ethernet. Constatou-se que mesmo com uma camada a mais de software e realizando todas as comunicações em três vias em virtude do handshake, DECK/VIA conseguiu valores de speedup bastante próximos de DECK/GM e de DECK/TCP para Gigabit Ethernet, superando os valores de DECK/TCP para Fast Ethernet. Conclui-se que o ideal na implementação de bibliotecas de programação paralela é encontrar uma solução balanceada entre a busca pelo desempenho e a manutenção da semântica original da biblioteca. O trabalho contribuiu com um survey de diversas soluções encontradas por outros grupos no desenvolvimento de bibliotecas de comunicação, que pode servir de guia para outros pesquisadores no desempenho da mesma tarefa. Também contribui com a introdução de um algoritmo para prevenção de deadlocks causados por comunicações síncronas. / Techniques like zero-copy and operating system bypass can decrease communication latency and increase bandwidth. Smaller latencies and greater bandwidths contribute for better performance in parallel applications and became them more scalables as well. Communication protocols using these techiniques are known as user-level communication protocols. Based on experiences from another research groups implementing communication libraries and parallel programming libraries over VIA and experience from GPPD implementing DECK, the text presents the implementation of DECK primitives over VIA standard, which is classified as an user-level protocol. The goal of this master’s thesis is implement DECK over VIA avoiding any intermediate copy between the data source and destination, reaching zero-copy. DECK/VIA is the unique library among all libriaries over VIA here studied totally free of intermediate copies, although a synchronous behavior was forced to keep this compromise. VI-GM, an implementation of VIA for Myrinet networks was used to implement DECK/VIA library. The implementation of DECK/VIA has shown a one-way latency of 86.85 μs and a maximum bandwidth of 205 Mbytes/s, 82% of nominal bandwidth of Myrinet network. To validate the library, the FT application from NPB was executed. Their results were compared with the results obtained with DECK/GM, for Myrinet networks and DECK/TCP, for Ethernet networks. Even with one additional software layer and doing all communication using a handshake, DECK/VIA reaches speedup values very closer of DECK/GMand DECK/TCP on Gigabit Ethernet and was better than DECK/TCP on Fast Ethernet. When implementing parallel programming libraries, we concluded the ideal solution is that meets the good balance between the quest for performance and the keeping of original library’s semantics. This work contibutes with a survey of communication libraries development, their problems and their solutions, which can guide others researchers performing the same task. Also it contributes with an algorithm to prevent deadlocks caused by synchonism.

Previsões meteorológicas para longos períodos de tempo estão se tornando cada vez mais importantes. A preocupação mundial com as consequências da mudança do clima tem estimulado pesquisas para determinar o seu comportamento nas próximas décadas. Ao mesmo tempo, os passos necessários para definir uma melhor modelagem e simulação do clima e/ou tempo estão longe da precisão desejada. Aumentar o refinamento da superfície terrestre e, consequentemente, aumentar o número de pontos discretos (utilizados para a representação da atmosfera) na modelagem climática e precisão das soluções computadas é uma meta que está em conflito com o desempenho das aplicações numéricas. Aplicações que envolvem a interação de longos períodos de tempo e incluem um grande número de operações possuem um tempo de execução inviável para as arquiteturas de computadores tradicionais. Para superar esta situação, um modelo climatológico pode adotar diferentes níveis de refinamento da superfície terrestre, utilizando mais pontos discretos somente em regiões onde uma maior precisão é requerida. Este é o caso de Ocean-Land-AtmosphereModel, que permite o refinamento estático de uma determinada região no início da execução do código. No entanto, um refinamento dinâmico possibilitaria uma melhor compreensão das condições climáticas específicas de qualquer região da superfície terrestre que se tivesse interesse, sem a necessidade de reiniciar a execução da aplicação. Com o surgimento das arquiteturas multi-core e a adoção de GPUs para a computação de propósito geral, existem diferentes níveis de paralelismo. Hoje há paralelismo interno ao processador, entre processadores e entre computadores. Com o objetivo de extrair ao máximo a performance dos computadores atuais, é necessário utilizar todos os níveis de paralelismo disponíveis durante o desenvolvimento de aplicações concorrentes. No entanto, nenhuma interface de programação paralela explora simultaneamente bem os diferentes níveis de paralelismo existentes. Baseado neste contexto, esta tese investiga como explorar diferentes níveis de paralelismo em modelos climatológicos usando interfaces clássicas de programação paralela de forma combinada e como é possível prover refinamento de malhas em tempo de execução para estes modelos. Os resultados obtidos a partir de implementações realizadas mostraram que é possível reduzir o tempo de execução de uma simulação atmosférica utilizando diferentes níveis de paralelismo, através do uso combinado de interfaces de programação paralela. Além disso, foi possível prover maior desempenho na execução de aplicações climatológicas que utilizam refinamento de malhas em tempo de execução. Com isso, uma malha de maior resolução para a representação da atmosfera terrestre pode ser adotada e, consequentemente, as previsões numéricas serão mais precisas. / Weather forecasts for long periods of time has emerged as increasingly important. The global concern with the consequences of climate changes has stimulated researches to determine the climate in coming decades. At the same time the steps needed to better defining the modeling and the simulation of climate/weather is far of the desired accuracy. Upscaling the land surface and consequently to increase the number of points used in climate modeling and the precision of the computed solutions is a goal that conflicts with the performance of numerical applications. Applications that include the interaction of long periods of time and involve a large number of operations become the expectation for results infeasible in traditional computers. To overcome this situation, a climatic model can take different levels of refinement of the Earth’s surface, using more discretized elements only in regions where more precision are required. This is the case of Ocean-Land- Atmosphere Model, which allows the static refinement of a particular region of the Earth in the early execution of the code. However, a dynamic mesh refinement could allow to better understand specific climatic conditions that appear at execution time of any region of the Earth’s surface, without restarting execution. With the introduction of multi-core processors and GPU boards, computers architectures have many parallel layers. Today, there are parallelism inside the processor, among processors and among computers. In order to use the best performance of the computers it is necessary to consider all parallel levels to distribute a concurrent application. However, nothing parallel programming interface abstracts all these different parallel levels. Based in this context, this thesis investigates how to explore different levels of parallelism in climatological models using mixed interfaces of parallel programming and how these models can provide mesh refinement at execution time. The performance results show that is possible to reduce the execution time of atmospheric simulations using different levels of parallelism, through the combined use of parallel programming interfaces. Higher performance for the execution of atmospheric applications that use online mesh refinement was also provided. Therefore, more mesh resolution to describe the Earth’s atmosphere can be adopted, and consequently the numerical forecasts are more accurate.

A presente tese trata o problema do reescalonamento de processos durante a execução da aplicação, oferecendo rebalanceamento dinâmico de carga entre os recursos disponíveis. Uma vez que os cenários da computação distribuída envolvem cada vez mais recursos e aplicações dinâmicas, a carga é uma medida variável e um mapeamento inicial processos-recursos pode não permanecer eficiente no decorrer do tempo. O estado dos recursos e da rede podem variar no decorrer da aplicação, bem como a quantidade de processamento e a interação entre os processos. Consequentemente, o remapeamento de processos para novos recursos é pertinente para aumentar o uso dos recursos e minimizar o tempo de execução da aplicação. Nesse contexto, essa tese de doutorado apresenta um modelo de reescalonamento chamado MigBSP, o qual controla a migração de processos de aplicações BSP (Bulk Synchronous Parallel). O modelo de aplicação BSP foi adotado visto que torna a programação paralela mais fácil e é muito comum nos cenários de desenvolvimento de aplicações científicas. Considerando o escopo de aplicações BSP, as novas idéias de MigBSP são em número de três: (i) combinação de três métricas - Memória, Computação e Comunicação - em uma outra escala com o intuito de medir o Potencial de Migração de cada processo BSP; (ii) emprego de um Padrão de Computação e outro Padrão de Comunicação para controlar a regularidade dos processos e; (iii) adatação eficiente na freqüência do lançamento do reescalonamento de processos. A infra-estrutura de máquina paralela considera sistemas distribuídos heterogêneos (diferentes velocidades de processador e de rede). Os processos podem passar mensagens entre si e a máquina paralela pode agregar redes locais e clusters. O modelo de reescalonamento provê um formalismo matemático para decidir as seguintes questões: (i) Quando lançar o reescalonamento dos processos; (ii) Quais processos são candidatos a migração e; (iii) Para onde os processos selecionados serão migrados. A técnica de simulação foi usada para validar MigBSP. Além do próprio MigBSP, três aplicações científicas foram foram desenvolvidas e executadas usando o simulador Simgrid. Os resultados mostraram que MigBSP oferece oportunidade de ganhar desempenho sem alterações no código fonte da aplicação. MigBSP torna possível ganhos de desempenho na casa de 20%, bem como produz uma baixa sobrecarga quando migrações são inviáveis. Sua sobrecarga média ficou abaixo de 8% do tempo de execução normal da aplicação. Essa taxa foi obtida desabilitando quaisquer migrações indicadas por MigBSP. Os resultados mostraram que a união das métricas consideradas é uma boa solução para o controle de migração de processos. Além disso, eles revelaram que as adaptações desenvolvidas na freqüência do reescalonamento são cruciais para tornar a execução de MigBSP viável, principalmente em ambientes desbalanceados. / This thesis treats the processes rescheduling problem during application runtime, offering dynamic load rebalancing among the available resources. Since most distributed computing scenarios involve more and more resources and dynamic applications, the load is a variable measure and an initial processes-processors deployment may not remain efficient with time. The resources and the network states can vary during application execution, as well as the amount of processing and the interactions among the processes. Consequently, the remapping of processes to new processors is pertinent to improve resource utilization and to minimize application execution time. In this context, this thesis presents a rescheduling model called MigBSP, which controls the processes migration of BSP (Bulk Synchronous Parallel) applications. BSP application model was adopted because it turns parallel programming easier and is very common in scientific applications development scenarios. Considering the scope of BSP applications, the novel ideas of MigBSP are threefold: (i) combination of three metrics - Memory, Computation and Communication - in a scalar one in order to measure the potential of migration of each BSP process; (ii) employment of both Computation and Communication Patterns to control processes’ regularity and; (iii) efficient adaptation regarding the periodicity to launch processes rescheduling. In our infrastructure, we are considering heterogeneous (different processor and network speed) distributed systems. The processes can pass messages among themselves and the parallel machine can gather local area networks and clusters. The proposed model provides a mathematical formalism to decide the following questions about load (BSP processes) balancing: (i) When to launch the processes rescheduling; (ii) Which processes will be candidates for migration and; (iii) Where to put the processes that will be migrated actually. We used the simulation technique to validate MigBSP. Besides MigBSP, three scientific application were developed and executed using Simgrid simulator. In general, the results showed that MigBSP offers an opportunity to get performance in an effortless manner to the programmer since its does not need modification on application code. MigBSP makes possible gains of performance up to 20% as well as produces a low overhead when migrations do not take place. Its mean overhead is lower than 8% of the normal application execution time. This rate was obtained disabling any processes migration indicated by MigBSP. The results show that the union of considered metrics is a good solution to control processes migration. Moreover, they revealed that the developed adaptations are crucial to turn MigBSP execution viable, mainly on unbalanced environments.

Contact detection algorithms are needed in different areas of science and technology. From digital games and computer graphics to high-performance simulations and robotics. These algorithms require great computational effort and are prone to become the bottlenecks of its applications, even more when this computation must be done in real-time or large-scale systems. With the popularization of GPU cards use for both science and business, it is only natural that parallel implementations for this problem arise in the scientific community. In this work the main contact detection algorithms are analyzed and a numerical experiment is performed, with the goal of finding out which algorithm has better computational performance and memory use, or if they efficiency depends on different scenario features. For performing the experiment, a parallel Discrete ElementMethod application was developed using CUDA/C++ with the main algorithms presented in literature, besides these, the author proposes and implements the Sorting Contact Detection algorithm parallelization, that hadn’t been parallelized until now. The tests have found that the parallel Sorting Contact Detection algorithm is the most efficient in all studied scenarios, achieving a good performance and a superiormemory usage than its peers. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Algoritmos de detecção de contatos são necessários em diferentes áreas da ciência e tecnologia, de jogos digitais e computação gráfica à simulações de alto desempenho e robótica. Esses algoritmos exigem grande esforço computacional e tendem a ser os gargalos das aplicação as quais fazem parte, principalmente em sistemas de grande escala ou em tempo real. Com a popularização das placas GPUs para uso científico e comercial, é natural que surjam implementações paralelas para esse problema. Nesse trabalho os principais algoritmos de detecção de contatos para GPU são analisados e é realizado umexperimento numérico, com objetivo de descobrir qual algoritmo é o melhor emtermos de desempenho computacional e uso de memória, ou se a eficiência de cada umdepende das diferentes características do cenários. Para a realização do experimento, foi implementado em CUDA/C++ uma aplicação paralela doMétodo dos Elementos Discretos comos principais algoritmos apresentados na literatura, além desses o autor propõe e implementa a paralelização do algoritmo de detecção com ordenação e busca binária que ainda não havia sido paralelizado. Após os testes é constatado que o algoritmo com ordenação e busca é o mais eficiente para todos os cenários estudados, obtendo nos resultados um bom desempenho em tempo de execução e com uso de memória muito superior aos outros.