Thesis (Ph.D.)--University of Central Florida, 2008. / Advisers: Ratan K. Guha, Joohan Lee. Includes bibliographical references (p. 132-143).

Thesis (Ph. D.)--State University of New York at Binghamton, Thomas J. Watson School of Engineering and Applied Science, Department of Computer Science, 2009. / Includes bibliographical references.

Thesis (M. Sc. (Biochemistry, Microbiology and Biotechnology))--Rhodes University, 2005. / Research report submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um gerador de malha de elementos finitos baseado no Algoritmo de Refinamento de Delaunay. O pacote é versátil e pode ser aplicado às malhas seriais e adaptativas ou à decomposição de uma malha inicial grossa ou pré-refinada usando processamento paralelo. O algoritmo desenvolvido trabalha com uma entrada de dados na forma de um gráfico de linhas retas planas. A construção do algoritmo de Delaunay foi baseada na técnica de Watson para a triangulação fronteiriça e nos métodos seqüenciais de Ruppert e Shewchuk para o refinamento com paralelismo. A técnica elaborada produz malhas que mantêm as propriedades de uma triangulação de Delaunay. A metodologia apresentada foi implementada utilizando os conceitos de Programação Orientada a Objetos com o auxílio de bibliotecas de código livre. Aproveitando a flexibilidade de algumas dessas bibliotecas acopladas foi possível parametrizar a dimensão do problema, permitindo gerar malhas seqüenciais bidimensionais e tridimensionais. Os resultados das aplicações em malhas seriais, adaptativas e com programação paralela mostram a eficácia desta ferramenta. Uma versão acadêmica do algoritmo de refinamento de Delaunay bidimensional para o Ambiente Mathematica também foi desenvolvido. / This work presents the development of a finite elements mesh generation based on Delaunay Triangulation Algorithm. The package is versatile and applicable to the serial and adaptable meshes or to either the coarse or pre-refined initial mesh decomposition using parallel computing. The developed algorithm works with data input in the form of Planar Straight Line Graphics. The building of the Delaunay Algorithm was based on the Watson\'s technique for the boundary triangulation and in both Ruppert and Shewchuk sequential methods for the parallel refinement. The proposed technique produces meshes maintaining the properties of the Delaunay triangulation. The presented methodology was implemented using the Programming Object-Oriented concepts, which is supported by open source libraries. Taking advantage of the flexibility of some of those coupled libraries the parametrization of the problem dimension was possible, allowing to generate both two and three-dimensional sequential meshes. The results obtained with the applications in serial, adaptive and in parallel meshes have shown the effectiveness of this tool. An academic version of the twodimensional Delaunay refinement algorithm for the Mathematica Environment was also developed.

Nos últimos anos, computação em grade tem emergido como uma forma de utilização de recursos geograficamente distribuídos em múltiplas organizações. Devido ao fato de grids serem altamente distribuídos e compostos por recursos heterogêneos, a computação em grade tem dado importância a requisitos específicos, como escalabilidade, desempenho e a necessidade de um modelo de programação adequado. Vários modelos de programação já foram propostos para a computação em grade. Entretanto, ate agora, nenhum deles supriu todos os requisitos. Diferentemente, na área de alto desempenho em clusters, o modelo de passagem de mensagens se tornou um verdadeiro padrão com um grande número de bibliotecas e aplicações legadas. Este trabalho propõe um framework híbrido que combina os altos desempenho e aceitação do padrão MPI, melhorado com extensões intuitivas para permitir aos desenvolvedores o projeto e desenvolvimento de aplicações em grade ou a gridi-ficação de aplicações já existentes, com a flexibilidade de um runtime baseado em componentes, modelando uma hierarquia de recursos e suportando a comunicação entre clusters. A solução proposta se baseia na adição de comunicadores MPI e uma API relacionada, a qual oferece um suporte ao desenvolvimento de aplicações que levam em conta a topologia hierárquica de grades computacionais, adequado a desenvolvedores habituados a MPI. características (Simula_c~ao Baseada no Algoritmo de Monte Carlo, Mergesort e um solver Poisson3D) mostraram que a gridificação pode melhorar consideravelmente o desempenho dessas aplicações em ambientes de grade. Ainda que o objetivo deste trabalho não seja competir com distribuições MPI existentes, o desempenho da solução proposta _e comparável ao desempenho de MPI, sendo melhor em alguns casos. A partir dos resultados obtidos com o protótipo apresentado, é possível concluir que o custo adicionado pela utilização de componentes não é desprezível, mas dentro do esperado. Entretanto, espera-se que os benefícios para aplicações de grade devem superar os custos adicionais. Além disso, as extensões a interface MPI oferecem a usuários as abstrações necessárias ao projeto de algoritmos paralelos de forma hierárquica, visando ambientes de grade. / In the past several years, grid computing has emerged as a way to harness computing resources geographically distributed across multiple organizations. Due to its inherently largely distributed and heterogeneous nature, grid computing has enlarged the importance of specific requirements, such as scalability, performance and the need of an adequate programming model. Several programming models have been proposed for grid programming. Nonetheless, so far, none of them met all the requirements. Differently, in the field of high performance cluster computing, the message passing model became a true standard with a large number of libraries and legacy applications. This work proposes a hybrid framework that combines the high performance and high acceptability of the MPI standard boosted with intuitive extensions to enable developers to design grid applications or "gridify" existing ones with the flexibility of a component-based runtime modeling resources hierarchy and offering support to inter-cluster communication. The proposed solution relies on the addition of new MPI communicators and a related API, which may offer a support well-suited to programmers used to MPI in order to reflect a hierarchical topology within the deployed application. Carlo Simulation, a Mergesort and a Poissond3D solver) have shown that the "gridification" of applications improve application performance on grid environments. Even if the goal is not to compete against existing MPI distributions, the performance of the solution is comparable with MPI performance, even better in some cases. From the results obtained in the evaluation of this prototype, we conclude that the overhead introduced by the components is not negligible, but inside of the expected. However, we can expect the benefits to grid applications to bypass the generated overhead. Besides, the extended interface may offer users the adequate abstractions to design parallel algorithms in a hierarchical way addressing grid environments.

Nos últimos anos, computação em grade tem emergido como uma forma de utilização de recursos geograficamente distribuídos em múltiplas organizações. Devido ao fato de grids serem altamente distribuídos e compostos por recursos heterogêneos, a computação em grade tem dado importância a requisitos específicos, como escalabilidade, desempenho e a necessidade de um modelo de programação adequado. Vários modelos de programação já foram propostos para a computação em grade. Entretanto, ate agora, nenhum deles supriu todos os requisitos. Diferentemente, na área de alto desempenho em clusters, o modelo de passagem de mensagens se tornou um verdadeiro padrão com um grande número de bibliotecas e aplicações legadas. Este trabalho propõe um framework híbrido que combina os altos desempenho e aceitação do padrão MPI, melhorado com extensões intuitivas para permitir aos desenvolvedores o projeto e desenvolvimento de aplicações em grade ou a gridi-ficação de aplicações já existentes, com a flexibilidade de um runtime baseado em componentes, modelando uma hierarquia de recursos e suportando a comunicação entre clusters. A solução proposta se baseia na adição de comunicadores MPI e uma API relacionada, a qual oferece um suporte ao desenvolvimento de aplicações que levam em conta a topologia hierárquica de grades computacionais, adequado a desenvolvedores habituados a MPI. características (Simula_c~ao Baseada no Algoritmo de Monte Carlo, Mergesort e um solver Poisson3D) mostraram que a gridificação pode melhorar consideravelmente o desempenho dessas aplicações em ambientes de grade. Ainda que o objetivo deste trabalho não seja competir com distribuições MPI existentes, o desempenho da solução proposta _e comparável ao desempenho de MPI, sendo melhor em alguns casos. A partir dos resultados obtidos com o protótipo apresentado, é possível concluir que o custo adicionado pela utilização de componentes não é desprezível, mas dentro do esperado. Entretanto, espera-se que os benefícios para aplicações de grade devem superar os custos adicionais. Além disso, as extensões a interface MPI oferecem a usuários as abstrações necessárias ao projeto de algoritmos paralelos de forma hierárquica, visando ambientes de grade. / In the past several years, grid computing has emerged as a way to harness computing resources geographically distributed across multiple organizations. Due to its inherently largely distributed and heterogeneous nature, grid computing has enlarged the importance of specific requirements, such as scalability, performance and the need of an adequate programming model. Several programming models have been proposed for grid programming. Nonetheless, so far, none of them met all the requirements. Differently, in the field of high performance cluster computing, the message passing model became a true standard with a large number of libraries and legacy applications. This work proposes a hybrid framework that combines the high performance and high acceptability of the MPI standard boosted with intuitive extensions to enable developers to design grid applications or "gridify" existing ones with the flexibility of a component-based runtime modeling resources hierarchy and offering support to inter-cluster communication. The proposed solution relies on the addition of new MPI communicators and a related API, which may offer a support well-suited to programmers used to MPI in order to reflect a hierarchical topology within the deployed application. Carlo Simulation, a Mergesort and a Poissond3D solver) have shown that the "gridification" of applications improve application performance on grid environments. Even if the goal is not to compete against existing MPI distributions, the performance of the solution is comparable with MPI performance, even better in some cases. From the results obtained in the evaluation of this prototype, we conclude that the overhead introduced by the components is not negligible, but inside of the expected. However, we can expect the benefits to grid applications to bypass the generated overhead. Besides, the extended interface may offer users the adequate abstractions to design parallel algorithms in a hierarchical way addressing grid environments.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-02-20Bitstream added on 2014-06-13T19:48:57Z : No. of bitstreams: 1 mansano_em_me_ilha.pdf: 1079424 bytes, checksum: 900c3e74964f43e940cd65196fc6d58b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A metaheurística Busca Tabu, é uma técnica baseada em parâmetros de controle, a estrutura de vizinhança e seu próprio algoritmo com poderosas estratégias de busca. Nesta técnica, dada uma configuração, deseja-se passar ao melhor vizinho através da entrada e saída de ramos, obtendo assim a configuração incumbente. Com essa configuração que é considerada como a melhor configuração encontrada até o momento, e mesmo sendo um bom valor o sistema continua a busca procurando mais configurações até encontrar uma que seja melhor que as já encontradas até o momento. As versões paralelas dos algoritmos foram desenvolvidas a partir de um algoritmo BT serial avançado, sob o paradigma de programacão SPMD (“Single Program, Multiple Data”), e as mesmas foram testadas para sistemas testes de pequeno porte (Garver - 6 barras/15 ramos), médio porte (Sul brasileiro - 46 barras/79 ramos) e grande porte (Norte-Nordeste brasileiro - 87 barras/179 ramos) e seus resultados comparados com o resultado do algoritmo BT serial. Esta comparacão mostrou que os algoritmos propostos obtiveram um melhor desempenho, com alta eficiência. / This paper deals with the use of Tabu Search metaheurístic applied to solving the problem of transmission system expansion planning (TSEP), analyzed on the static point of view, with the development of parallel algorithms in the environment MPI (?Message Passing Interface ”). Tabu Search metaheurístic is a technique based on the control parameters, the structure of the neighborhood and its own algorithm with powerful search strategies. In this technique, given a configuration we want to progress to the best neighbor across the entrance and exit of branches, so getting the configuration incumbent. With this configuration which is regarded as the best configuration found so far, and this is a very good value, the system continuously seeking more settings to find a better than those found throughout the search. The parallel versions of the algorithms were developed from an advanced TS series algorithm on the paradigm of programming SPMD (Single Program Multiple Data), and they were tested for test systems small scale (Garver - bars 6/15 branches), medium scale (South Brazilian - 46 bars/79 branches) and large scale (North-Northeast Brazilian - 87 bars/179 branches), and their results compared with the result of the series algorithm TS. This comparison showed that the proposed algorithms obtained best performance and high efficiency.

The need to intelligibly capture, manage and analyse the ever-increasing amount of publicly available genomic data is one of the challenges facing bioinformaticians today. Such analyses are in fact impractical using uniprocessor machines, which has led to an increasing reliance on clusters of commodity-priced computers. An existing network of cheap, commodity PCs was utilised as a single computational resource for parallel computing. The performance of the cluster was investigated using a whole genome-scanning program written in the Java programming language. The TSpaces framework, based on the Linda parallel programming model, was used to parallelise the application. Maximum speedup was achieved at between 30 and 50 processors, depending on the size of the genome being scanned. Together with this, the associated significant reductions in wall-clock time suggest that both parallel computing and Java have a significant role to play in the field of bioinformatics.

La conception d'applications scientifiques à base de couplage de code est une tâche complexe car elle demande de concilier une facilité de programmation et une obtention de haute performance. En outre, les ressources matérielles (supercalculateurs, grappes de calcul, grilles) permettant leur exécution forment un ensemble hétérogène en constante évolution. Les modèles à base de composants logiciels forment une piste prometteuse pour gérer ces deux sources de complexité car ils permettent d’exprimer les interactions entre les différents constituants d’une application tout en offrant des possibilités d'abstraction des ressources. Néanmoins, les modèles existants ne permettent pas d'exprimer de manière satisfaisante les applications constituées de motifs répliqués dynamiques et hiérarchiques. Ainsi, cette thèse vise à améliorer l'existant – et en particulier la plate-forme générique de simulation numérique SALOME – pour une classe d'applications très répandue : les applications à base de décomposition de domaine et la variante utilisant le raffinement de maillage adaptatif. Tout d'abord, nous avons proposé d’étendre le modèle de composition spatial et temporel de SALOME en ajoutant la possibilité de définir dynamiquement la cardinalité des composants. Cela demande en particulier de gérer les communications de groupes ainsi induites. La proposition a été implémentée dans SALOME et validée via une application de décomposition de domaine à base de couplage de plusieurs instances de Code_Aster. Ensuite, nous avons étudié la pertinence d'utiliser un modèle de composant supportant des connecteurs natifs (MPI, mémoire partagée, appel de méthode) pour permettre une composition plus fine des interactions entre composants. Les résultats d'expériences montrent que des performances équivalentes aux versions natives sont obtenues tout en permettant de manipuler facilement l'architecture de l'application. Enfin, nous avons étudié les extensions nécessaires aux modèles à composants (abstraction,hiérarchie, dynamicité) pour la conception d’applications de raffinement de maillage adaptatif. Les modèles de composants spatio-temporels les plus avancés permettent ainsi d'exprimer ce type d'application mais les performances sont limitées par leur mise en œuvre centralisée ainsi que par le manque de moyens efficaces pour modifier à la volée des assemblages de composants. / Designing scientific applications based on code coupling is a complex task. It requires both an easy programming process and high-performance. In addition, execution resources (supercomputers, computer clusters, grids)  are heterogeneous and constantly evolving. Software components models offer a promising perspective to manage this double complexity because they can express interactions between the different parts of an application while providing abstraction of resources. However, existing models cannot accurately express the applications made of dynamic and hierarchical patterns. The aim of this thesis is to improve the existing models, and in particular the generic platform for numerical simulation SALOME, for a class of widespread applications : applications based on domain decomposition, and its dynamic variant using adaptive mesh refinement. Firstly, we proposed to extend the spatial and temporal composition model provided by SALOME, by adding the ability to dynamically set component cardinality. This requires in particular to manage group communications induced. The proposal has been implemented into SALOME and validated via a domain decomposition application based on coupling several instances of Code_Aster.Then, we have studied the relevance of using a component model supporting native connectors (MPI, shared memory, method invocation), in order to allow finer composition interactions between components.The experiment results show that performances obtained are equivalent to those of the native versions, while allowing to easily manipulate the application architecture. Finally, we studied the necessary component models extensions (abstraction, hierarchy, dynamicity) for designing adaptative mesh refinement applications. The most advanced spatio-temporal component models can express this type of application but performances are limited by their centralized implementation and by the lack of efficient ways of modifying component assembling at execution time.

Neste trabalho foi realizado o projeto e o desenvolvimento do framework de classes OOPS - Object-Oriented Parallel System. Esta é uma ferramenta que utiliza orientação a objetos para apoiar a implementação de programas científicos concorrentes para execução paralela. O OOPS fornece abstrações de alto nível para que o programador da aplicação não se envolva diretamente com detalhes de implementação paralela, sem contudo ocultar completamente aspectos paralelos de projeto, como particionamento e distribuição dos dados, por questões de eficiência e de desempenho da aplicação. Para isso, o OOPS apresenta um conjunto de classes que permitem o encapsulamento de técnicas comumente encontradas em programação de sistemas paralelos. Utiliza o conceito de processadores virtuais organizados em grupos, aos quais podem ser aplicadas topologias que fornecem modos de comunicação entre os processadores virtuais, e contêineres podem ter seus elementos distribuídos por essas topologias, com componentes paralelos atuando sobre eles. A utilização das classes fornecidas pelo OOPS facilita a implementação do código sem adicionar sobrecarga significativa à aplicação paralela, representando uma camada fina sobre a biblioteca de passagem de mensagens usada. / This work describes the design and development of the OOPS (Object Oriented Parallel System) class framework, which is a tool that uses object orientation to support programming of concurrent scientific applications for parallel execution. OOPS provides high level abstractions to avoid application programmer\'s involvement with many parallel implementation details. For performance considerations, some parallel aspects such as decomposition and data distribution are not completely hidden from the application programmer. To achieve its intents, OOPS encapsulates some programming techniques frequently used for parallel systems. Virtual processors are organized in groups, over which topologies that provide communication between the processors can be constructed; distributed containers have their elements distributed across the processors of a topology, and parallel components use these containers for their work. The use of the classes supplied by OOPS simplifies the implementation of parallel applications, without incurring in pronounced overhead. OOPS is thus a thin layer over the message passing interface used for its implementation.