Tese de mestrado. Multimédia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado na Critical Software, S. A. e orientado pelo Eng.º Miguel Barroso / Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado na Indra Sistemas Portugal, S. A / Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:43:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000425483-Texto+Completo-0.pdf: 1217247 bytes, checksum: 2d1bad79b7e96a9d75748adf3146bedd (MD5) Previous issue date: 2010 / Molecular dynamics systems are defined by the position and energy of their component particles, as well as by the interactions among these. Such systems can be simulated through mathematical methods like the computation of electrostatic forces based on the Coulomb Law. Predicting the states through which such system evolves by computing the interaction of each particle with its neighbors is a computationally costly task, even for a small number of particles. Thus, it can only be beneficial to apply specific techniques for accelerating these computations. While some studies propose the use of new algorithms, others advocate the use of specific processors or custom designed hardware, the later being the technique employed in this Dissertation. This work describes the design and prototyping of a hardware architecture that has the potential to accelerate an application based on the computation of electrostatic forces among non-bonded particles. A special emphasis is given to the aspects of integration between the accelerating hardware and the modified target application, the PMEMD (Particle Mesh Ewald Molecular Dynamics) software, part of the AMBER (Assisted Model Building with Energy Refinement) platform. The costliest computations of PMEMD were identified and moved to an FPGA hardware implementation, creating a custom coprocessor – PMEMD-HW. The choice for reconfigurable hardware is due, among other reasons, to the ease with which it enables the evolution of the design towards the target acceleration. The main contribution of this work is the mastering of the technology to design and analyze hardware coprocessors that target the acceleration of applications in Biology and Biophysics. A working prototype is available, using a commercial hardware prototyping platform. The proof-of-concept implementation demonstrates the viability of successfully using the proposed techniques. / Sistemas de dinâmica molecular são definidos pela posição e energia das partículas que o compõe, assim como pelas interações entre estas. Tais sistemas podem ser simu-lados através de métodos matemáticos como o cálculo de forças eletrostáticas baseadas na Lei de Coulomb. Computar os estados através dos quais um sistema destes evolui, avaliando a interação de cada partícula, é tarefa computacionalmente dispendiosa, mes-mo para um número pequeno de partículas. Portanto, podem-se obter benefícios ao se aplicar técnicas específicas para acelerar tais computações. Enquanto alguns estudos propõem o uso de algoritmos diferenciados, existem os que empregam processadores especiais ou hardware personalizado, a técnica abordada nesta Dissertação. Descreve-se aqui o projeto e a prototipação de uma arquitetura de hardware com potencial para acelerar uma aplicação que computa forças eletrostáticas entre partículas não ligadas. Dá-se ênfase especificamente aos aspectos da integração entre o hardware e a aplicação-alvo empregada neste projeto, o programa PMEMD (Particle Mesh Ewald Molecular Dynamics), parte da plataforma AMBER (Assisted Model Building with Energy Refinement). Os cálculos mais onerosos deste programa foram identificados e movidos para uma implementação de hardware em FPGA, criando um co-processador específico – o PMEMD-HW. A escolha de um hardware reconfigurável se deve, entre outros motivos, à facilidade de fazer evoluir o processo de projeto e obter a aceleração almejada. A principal contribuição deste trabalho é o domínio da tecnologia de uso de co-processadores de hardware para acelerar aplicações nas áreas de Biologia e Biofísica. Um protótipo funcional está disponível, utilizando uma plataforma comercial de prototipa-ção de hardware. Esta prova de conceito demonstra a viabilidade de usar com sucesso as técnicas desenvolvidas.

Many computer algebra systems have already been proposed and implemented. Most of them are implemented in or even implement languages without the referential transparency property, making it difficult, if not impractical, to reason about algebra programs. This dissertation presents a computer algebra system implemented as a library in the Haskell programming language, a modern functional language with the desired referential transparency property. The author presents the foundations and basic algorithms for manipulation of algebraic expressions in a declarative context, compatible with Mathematics. He examines the adequacy of the constructs provided by the Haskell programming language for implementing such a library in a modular way, so that it can be easily extended with the inclusion of new algebraic formulas and manipulations. Such extensions should keep compatibility with prior versions of the library. This work also contributes for showing that modern functional languages like Haskell are viable for day to day programming, even beating conventional languages in some aspects, like level of abstraction.

Estágio realizado na Companhia Portuguesa de Computadores - Healthcare Solutions, S.A. e orientado pelo Eng.º Nuno Filipe Reis Ribeiro / Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado na ALERT Life Sciences Computing, S. A / Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado no INESC Porto e orientado pelo Eng.º Rui Barros / Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado na Enabler Wipro e orientado por Lucinda Gonçalves / Tese de mestrado integrado. Engenharia Informátca e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008