Uma das principais preocupações para construir a próxima geração de sistemas PAD é o consumo de energia. Para quebrar a barreira de exascale a comunidade científica precisa investigar alternativas que possam lidar com o problema de consumo de energia. Sistemas PAD atuais não se preocupam com energia e já consomem GigaWatts. Requisitos de consumo de energia restringirão fortemente sistemas futuros. Nesse contexto processadores de alta potência abrem espaço para novas arquiteturas. Duas arquiteturas surgem no contexto de PAD. A primeira arquitetura são as unidades de processamento gráfico (GPU), GPUs possuem vários núcleos de processamento, suportando milhares de threads simultâneas, se adaptando bem a aplicações massivamente paralelas. Hoje alguns dos melhores sistemas PAD possuem GPUs que demonstram um alto desempenho por um baixo consumo de energia para várias aplicações paralelas. A segunda arquitetura são os processadores de baixo consumo, processadores ARM estão melhorando seu desempenho e mantendo o menor consumo de energia possível. Como exemplo desse ganho, projetos como Mont-Blanc apostam no uso de ARM para construir um sistema PAD energeticamente eficiente. Este trabalho visa verificar o potencial dessas arquiteturas emergentes. Avaliamos essas arquiteturas e comparamos com a arquitetura mais comum encontrada nos sistemas PAD atuais. O principal objetivo é analisar o consumo de energia e o desempenho dessas arquiteturas no contexto de sistemas PAD. Portanto, benchmarks heterogêneos foram executados em todas as arquiteturas. Os resultados mostram que a arquitetura de GPU foi a mais rápida e a melhor em termos de consumo de energia. GPU foi pelo menos 5 vezes mais rápida e consumiu 18 vezes menos energia considerando todos os benchmarks testados. Também observamos que processadores de alta potência foram mais rápidos e consumiram menos energia, para tarefas com uma carga de trabalho leve, do que comparado com processadores de baixo consumo. Entretanto, para tarefas com carga de trabalho leve processadores de baixo consumo apresentaram um consumo de energia melhor. Concluímos que sistemas heterogêneos combinando GPUs e processadores de baixo consumo podem ser uma solução interessante para alcançar um eficiência energética superior. Apesar de processadores de baixo consumo apresentarem um pior consumo de energia para cargas de trabalho pesadas. O consumo de energia extremamente baixo durante o processamento é inferior ao consumo ocioso das demais arquiteturas. Portanto, combinando processadores de baixo consumo para gerenciar GPUs pode resultar em uma eficiência energética superior a sistemas que combinam processadores de alta potência com GPUs. / One of the main concerns to build the new generation of High Performance Computing (HPC) systems is energy consumption. To break the exascale barrier, the scientific community needs to investigate alternatives that cope with energy consumption. Current HPC systems are power hungry and are already consuming Megawatts of energy. Future exascale systems will be strongly constrained by their energy consumption requirements. Therefore, general purpose high power processors could be replaced by new architectures in HPC design. Two architectures emerge in the HPC context. The first architecture uses Graphic Processing Units (GPU). GPUs have many processing cores, supporting simultaneous execution of thousands of threads, adapting well to massively parallel applications. Today, top ranked HPC systems feature many GPUs, which present high processing speed at low energy consumption budget with various parallel applications. The second architecture uses Low Power Processors, such as ARM processors. They are improving the performance, while still aiming to keep the power consumption as low as possible. As an example of this performance gain, projects like Mont-Blanc bet on ARM to build energy efficient HPC systems. This work aims to verify the potential of these emerging architectures. We evaluate these architectures and compare them to the current most common HPC architecture, high power processors such as Intel. The main goal is to analyze the energy consumption and performance of these architectures in the HPC context. Therefore, heterogeneous HPC benchmarks were executed in the architectures. The results show that the GPU architecture is the fastest and the best in terms of energy efficiency. GPUs were at least 5 times faster while consuming 18 times less energy for all tested benchmarks. We also observed that high power processors are faster than low power processors and consume less energy for heavy-weight workloads. However, for light-weight workloads, low power processors presented a better energy efficiency. We conclude that heterogeneous systems combining GPUs and low power processors can be an interesting solution to achieve greater energy efficiency, although low power processors presented a worse energy efficiency for HPC workloads. Their extremely low power consumption during the processing of an application is less than the idle power of the other architectures. Therefore, combining low power processors with GPUs could result in an overall energy efficiency greater than high power processors combined with GPUs.

As aplicações envolvendo confinamento e aceleração de feixes de partículas carregadas em canais lineares são inúmeras em diversas áreas do conhecimento. A evolução da engenharia dos aceleradores lineares de partículas de próxima geração está fortemente condicionada ao melhor entendimento de fenômenos não-lineares como a formação de halo, inerentes aos atualmente cada vez mais perscrutados regimes de alta densidade de carga e energia. O presente trabalho visa investigar e caracterizar os aspectos dinâmicos e de equilíbrio envolvidos na transição de um feixe ultra-intenso de partículas com mesma carga de um estado inicial não-estacionário para um final estacionário. A alta densidade de partículas implica que as forças repulsivas naturais neste tipo de sistema sejam imprescindíveis para a sua correta descrição. O feixe em questão evolui em um canal linear encapsulado por um duto circular condutor e é focalizado por um campo magnético constante axial de origem solenoidal. Tal feixe inicialmente encontra-se perfeitamente alinhado com o eixo de simetria do sistema de confinamento magnético, sendo, portanto, as oscilações de sua centróide inexistentes. Por simplicidade, foi imposto também ao feixe o vínculo de simetria azimutal. Como condição inicial, considerou-se o estado não-estacionário do feixe descrito por uma densidade homogênea e outra não-homogênea. No primeiro caso, o descasamento e, no segundo, a magnitude da não-homogeneidade são os fatores precursores da instabilidade inicial que conduz o feixe ao estado de equilíbrio. Para ambos os casos, modelos foram desenvolvidos para determinar quantidades dinâmicas, relacionadas à escala de tempo característica da instabilidade inicial, e de equilíbrio, tais como a emitância e o envelope, grandezas estatísticas estas usualmente de interesse em Física de Feixes. Os resultados obtidos foram comparados com simulações numéricas autoconsistentes e o acordo foi satisfatório. Os modelos demonstraram-se eficientes não somente em prever tais quantidades de interesse como também em elucidar aspectos físicos fundamentais intrínsecos ao comportamento observado nas simulações numéricas autoconsistentes e experimentos. / Applications involving confinement and acceleration of charged particle beams in linear channels are innumerous in many fields of the knowledge. The engineering evolution of next-generation particle linear accelerators is strongly conditioned to the better understanding of nonlinear phenomena like halo formation, inherent to the more and more currently explored regimes of high charge density and energy. The present work aims at investigating and characterizing dynamical and equilibrium aspects involved in the transition of a high-intensity beam of charged particles from an initial non-stationary state to a final stationary state. High particle densities mean that the repulsive forces naturally present in these kinds of systems are essential to their adequate description. The beam under analysis evolves inside a linear channel encapsulated by a circular conductor pipe, and is focalized by a constant axial magnetic field generated by solenoids. Such beam is initially perfectly aligned to the symmetry axis of the magnetic confinement system, being in this way its centroid oscillations non-existent. For simplicity, it has been imposed to the beam the constraint of azimuthal symmetry. As initial condition, the beam non-stationary state has been described by a homogeneous and an inhomogeneous particle density. In the first case, the mismatch and, in the second one, the magnitude of inhomogeneity, are the factors forerunner of the initial instability, which leads the beam to evolve to the equilibrium state. For both cases, models have been developed to determine dynamical quantities, related to the characteristic time scale of the initial instability, and equilibrium quantities, such as the emittance and envelope, usually of interest in Beam Physics. The obtained results have been compared with full self-consistent N-particle beam numerical simulations and the agreement has been reasonable. The models have shown to be efficient not only to predict beam quantities of interest as well as to elucidate fundamental physical aspects intrinsic to the behavior observed in the self-consistent numerical simulations and experiments.

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