Apresentamos as características de algoritmos para obter a solução de sistemas de equações lineares, utilizando computadores com arquitetura paralela e explorando os recursos de paralelismo neles embutidos. São descritos os modelos de computadores paralelos e os procedimentos para a criação de algoritmos paralelos. / The characteristics of algorithms to solve systems of linear equations, using parallel computers, are presented. The abstract models of these computers are described, as well as the methods to develop parallel algori thms.

Orientador: Furio Damiani / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica / Made available in DSpace on 2018-07-23T02:58:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JaraPerez_MarceloArturo_D.pdf: 13161407 bytes, checksum: 06cc03b52bc981c0309838ebf8cd7fa2 (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: Neste trabalho realiza-se o estudo do algoritmo SOFM (Self-Organizing Feature Map) para a sua Implementação em circuitos digitais ASIC VLSI. Foram projetados e construídos 2 chips: o primeiro implementa uma célula da rede neural e o segundo o bloco WTA (Winner-takes-All). O sistema foi inicialmente simulado com uma linguagem procedural (ANSI-C), construindo-se um programa com interface gráfica para plataforma UNIX. Posteriormente, foi realizada uma descrição em alto nível usando a linguagem VHDL (Very high-speed circuits Hardware Description Language). Em seguida, a descrição foi feita a nível RTL (Register Transfer LeveI) e o circuito foi sintetizado e otimizado seguindo uma metodologia Top-Down. Os circuitos foram implementados em tecnologia digital usando um processo CMOS de 1,2 microns para as células e de 0,8 microns para o bloco WTA. Esses circuitos foram objeto de testes e verificação funcional, para avaliação de seu desempenho. Os resultados permitiram verificar a validade da metodologia Top-Down para o projeto de sistema:; eletrônicos complexos. A frequência máxima de operação das células excede 20 MHz e a do bloco WTA excede 50 MHz. A dissipação de potência para 20 MHz foi de aproximadamente 50 mW para uma célula. Todos os circuitos foram implementados usando ferramentas de projetos(CAD-EDA)da Mentor-Graphics Co,e bibliotecas std-cells CMOS AMS. Observaram-se algumas diferenças entre os resultados das simulações e as medidas experimentais / Abstract: : A Kohonen-based (SOFM - Self-Organizing Feature Map ) artificial neural network was simulated, modelated and hardware implemented in a VLSI circuit. A Top-Down methodological approach was used by using ANSI-C and VHDL (Very High Speed Circuits, Hardware Description Language). The original SOFM algorithm was lightly modified for customizing to the hardware implementation requirements. After a high-level modeling and simulation, a fully-digital VLSI Neuroprocessor chip prototype was designed and manufactured in a CMOS 1.2microns technology. Most of the circuits structures of Neuron were automatically generated from a VHDL RTL description using automatic synthesis, the others were obtained trough conventional schematics procedure. After functional verification, the resulting circuits were optimizated (drived by silicon area minimization) and mappe d to the AMS technology, a 2-level metal process from Austria Mikro Systeme. The Neuron cell has 6 bi-directional 3-bits capability connections, used for neighbours communication, Allowing to implement a hexagonal type dynamic Nc(t) neighbourhood. Both Nc(t) radio and gain Alfa function may be programmed by using a set of registers, allowing high flexibility for studying different SOFM algorithm convergence conditions. A second chip was designed and manufacture dusing a AMS CMOS0.8 microns technology for implementing a competitive on-chip learning. This circuit is part of a WTA (Winner-Takes-All) block used for determine a winner cell in each epoch of the self-organized training phase. Some differences were observed after comparing measures and simulation results / Doutorado / Doutor em Engenharia Elétrica

No presente trabalho, estudamos alguns conceitos relacionados ao desenvolvimento de programas paralelos, algumas formas de aplicar computação paralela em métodos de otimização contínua e dois métodos que envolvem o uso de otimização. O primeiro método que apresentamos, chamado PUMA (Pointwise Unconstrained Minimization Approach), recupera constantes óticas e espessuras de filmes finos a partir de valores de transmitância. O problema de recuperação é modelado como um problema inverso e resolvido com auxílio de um método de otimização. Através da paralelização do PUMA viabilizamos a recuperação empírica de constantes e espessuras de sistemas compostos por até dois filmes sobrepostos. Relatamos aqui os resultados obtidos e discutimos o desempenho da versão paralela e a qualidade dos resultados obtidos. O segundo método estudado tem o objetivo de obter configurações iniciais de moléculas para simulações de dinâmica molecular e é chamado PACKMOL. O problema de obter uma configuração inicial de moléculas é modelado como um problema de empacotamento e resolvido com o auxílio de um método de otimização. Construímos uma versão paralela do PACKMOL e mostramos os ganhos de desempenho obtidos com a paralelização. / In this work we studied some concepts of parallel programming, some ways of using parallel computing in continuous optimization methods and two optimization methods. The first method we present is called PUMA (Pointwise Unconstrained Minimization Approach), and it retrieves optical constants and thicknesses of thin films from transmitance data. The problem of retrieve thickness and optical constants is modeled as an inverse problem and solved with aid of an optimization method. Through the paralelization of PUMA we managed to retrieve optical constants and thicknesses of thin films in structures with one and two superposed films. We describe some results and discuss the performance of the parallel PUMA and the quality of the retrievals. The second studied method is used to build an initial configuration of molecules for molecular dynamics simulations and it is called PACKMOL. The problem of create an initial configuration of molecules is modeled as a packing problem and solved with aid of an optimization method. We developed a parallel version of PACKMOL and we show the obtained performance gains.

La presente tesis tiene por objetivo la elaboración de un algoritmo para el análisis cinemático inverso de mecanismos en el espacio, el cual abarcar mecanismos clásicos y mecanismos empleados en la actualidad, tales como brazos robóticos. Con el fin de realizar el análisis cinemático de diversos mecanismos usando el mismo algoritmo, se plantea el uso de un método iterativo para la evaluación de las ecuaciones de movimiento. En este proceso se usan los parámetros de Euler como sistema de coordenadas generalizadas, así como la pseudo-inversión para la resolución de la inversión del jacobiano y el método de Newton-Raphson como método de minimización. Además, se presenta una librería de juntas para el modelamiento de diferentes tipos de juntas entre eslabones, permitiendo el estudio de diversos mecanismos. El algoritmo se implementa en el programa de Matlab, emplea archivos tipo texto para el ingreso de información y ofrece una interfaz tipo GUI para la obtención de diversas gráficas requeridas por el usuario. Durante la elaboración del algoritmo se presentaron dificultades en la eliminación de restricciones redundantes y evasión de singularidades del mecanismo, en específico en mecanismos contenidos en un plano. Esta dificultad fue superada empleando modelos depurados por parte del usuario. Para la validación del algoritmo se desarrollaron dos ejemplos de aplicación, un mecanismo clásico Biela-Manivela-Corredera y un brazo robótico tipo esférico. Los resultados obtenidos en estos ejemplos usando el algoritmo implementado y los obtenidos por otros autores son similares, apreciándose una adecuada correspondencia en los valores de posición, velocidad y aceleración. El algoritmo elaborado e implementado presenta subrutinas específicas y una librería de juntas que pueden ser empleados en un programa para el análisis cinemático y dinámico de mecanismos espaciales a ser desarrollado en un futuro.

En el campo de la robótica, se han desarrollado distintos algoritmos y métodos con el objetivo de mejorar la interacción de los robots con las personas y con su entorno de trabajo en tiempo real; es así, como el sistema reacciona y evoluciona constantemente ante cambios que podrían ocurrir durante su funcionamiento. Para alcanzar los objetivos mencionados, una de las habilidades que se le confiere a la máquina es la capacidad de detectar, registrar y reconocer objetos. La presente tesis es un trabajo de investigación aplicada que tiene como objetivo desarrollar un procedimiento que permita a un sistema robótico reconocer y detectar objetos en tiempo real dentro de un entorno controlado; para ello, nos enfocamos en utilizar dos métodos conocidos de reconocimientos de objetos (métodos SIFT y SURF) con los cuales categorizaremos un objeto de un dominio predefinido y comparamos los resultados obtenidos. Se eligieron el método SIFT y el método SURF por la similitud en los pasos que siguen para obtener la información de un objeto; cabe resaltar que el método SURF es un método alterno al SIFT. Los resultados finales mostraron una mejor predicción en la categorización utilizando el método SIFT, pero ésta requería de mayor tiempo para extraer los puntos característicos de los objetos. Por otro lado, el método SURF generaba más puntos característicos de los objetos y en mejor tiempo. La extracción de puntos de interés se analizó en tiempo real; mientras, que la etapa de categorización no consideró este parámetro, sino la cantidad de puntos de interés necesarios para predecir con exactitud la categoría de un objeto. / Tesis

[EN] In the field of control theory, sometimes system models of big size (with many state variables) appear. When one of these high order systems needs to be simulated, studied or controlled, it is convenient to perform a previous work of model reduction in order to reduce the necessary (economic and temporal) costs. This process of obtaining a low order adequate representation of the original system usually has a high cost, because it has to be done with the original unreduced system. Thus, it is important to have high performance implementations for the problem of reducing linear control systems. In this thesis high performance implementations for some methods of model reduction have been developed. Current algorithms for model reduction of stable linear control systems and their implementation in the control library SLICOT have been analysed. New parallel algorithms for the methods strongly based on solving Lyapunov equations have been proposed. The new developed routines are incorporated in the high performance library for control PSLICOT. Apart from the main functions in charge of model reduction, all operations appearing in the problem and not having a high performance version yet have also been parallelised. One of these operations is the solution of Lyapunov equations in standard form. Parallel routines for solving these equations have been developed. These routines solve the equation obtaining directly the Cholesky factor of the solution, which fits better their application in model reduction. For this, Hammarling's method has been parallelised. The new routines solve in parallel and for dense matrices the four possible variants of standard Lyapunov equations: discrete and continuous versions, both transposed and not transposed. Interfaces offered by all the parallelised routines are similar to that of the existing routines in ScaLAPACK library, so they are easy to use from a user of this kind of libraries. The new routines work with the same data distribution used in this library: 2D block cyclic distribution, which allows many other distributions. Thanks to the developed work, now there are available high performance parallel routines to reduce linear control systems by using different variants of the Square-Root Balance & Truncate model reduction method: with or without balancing and with or without using the singular perturbation approximation formulas. They are parallel implementations of the same algorithms and methods used in the sequential routines of the SLICOT library. This allows to efficiently reduce models of linear control systems of big size. Moreover, existing software in ScaLAPACK for the eigenvalue problem has been improved by covering cases not treated there: the solution of the generalised problem (by transforming it into standard form, which is not always possible) and the computation of the eigenvectors. This part of the work has been applied to a real problem of simulation of oceanic flows. Here, it is necessary to compute all the eigenvalues and eigenvectors of a generalised eigenvalue problem with a very big dimension. As a consequence, enormous eigenvalue problems have been solved (with matrices of order greater than 400000), that could not be solved previously. Solving them allows to improve the precision in the studies of the behaviour of oceanic flows. / [ES] En el campo de la teoría de control en ocasiones aparecen modelos de sistemas con un tamaño elevado (muchas variables de estado). Cuando se pretende simular, estudiar o controlar uno de estos sistemas de orden elevado, conviene realizar un trabajo previo de reducción del modelo del sistema con el propósito de reducir los costes (económicos/temporales) necesarios en un tratamiento posterior. El proceso de obtención de un sistema de orden reducido que represente adecuadamente el sistema original suele ser costoso, ya que necesariamente se tiene que hacer con el sistema original sin reducir. Por esto, resulta conveniente disponer de implementaciones de altas prestaciones para el problema de reducción de sistemas lineales de control. En esta tesis se han desarrollado implementaciones de altas prestaciones para algunos métodos de reducción de modelos. Se han analizado los algoritmos existentes para la reducción de modelos de sistemas lineales de control estables y sus implementaciones en la librería de control SLICOT. Se han propuesto nuevos algoritmos paralelos para los métodos cuyo núcleo principal es la resolución de ecuaciones de Lyapunov. Las nuevas rutinas desarrolladas se incorporan a la librería de computación de altas prestaciones para control PSLICOT. Aparte de las funciones principales a cargo de la reducción de modelos, se han tenido que paralelizar también todas aquellas operaciones numéricas que aparecen en este problema y de las que no se disponía de versiones de altas prestaciones. De estas operaciones, cabe destacar rutinas paralelas para la resolución de la ecuación de Lyapunov en su forma estándar obteniendo directamente el factor de Cholesky de la solución, que es lo que se necesita para la reducción de modelos. El método utilizado es una versión paralela del método de Hammarling. Las rutinas implementadas resuelven en paralelo y para matrices densas las cuatro variantes posibles de la ecuación de Lyapunov: en su forma discreta y continua, traspuestas y sin trasponer. Todas las rutinas paralelizadas ofrecen una interfaz como la de las rutinas de la librería ScaLAPACK, para que puedan ser usadas con facilidad por el usuario habituado a trabajar con este tipo de librerías. Se permiten las mismas distribuciones de datos que en esta librería: una distribución cíclica 2D por bloques, que engloba muchas otras distribuciones. Gracias al trabajo desarrollado, ahora se dispone de versiones paralelas de altas prestaciones para reducir sistemas lineales de control mediante diferentes variantes del método de balanceado y truncamiento de la raíz cuadrada (the Square-Root Balance & Truncate model reduction method): con o sin balanceado y con o sin usar las fórmulas de perturbación singular. Se trata de versiones paralelas de los mismos algoritmos y métodos que se utilizan en las versiones secuenciales de la librería SLICOT. Esto permitirá reducir de forma eficiente modelos de sistemas lineales de control de gran tamaño. También se ha mejorado la aplicabilidad del software existente en ScaLAPACK para el problema de valores propios cubriendo casos que no se contemplaban. Se ha trabajado en la solución del problema generalizado (mediante su transformación a forma estándar, lo que no es aplicable en todos los casos) y también en el cálculo de los vectores propios. Ambas operaciones se han utilizado en un problema real de simulación de flujos oceánicos. En esta aplicación se requiere el cálculo de todos los valores y vectores propios de un problema generalizado de gran dimensión. Como consecuencia, ha sido posible resolver problemas de valores propios generalizados enormes (con matrices de más de 400000 filas y columnas) que no habían podido resolverse con anterioridad, permitiendo así un estudio más preciso del comportamiento de las corrientes oceánicas. / [CA] En el camp de la teoria de control de vegades apareixen models de sistemes amb un tamany elevat (moltes variables d'estat). Quan es pretén simular, estudiar o controlar un d'aquests sistemes d'ordre elevat, convé realitzar un treball previ de reducció del model del sistema amb el propòsit de reduir els costos (econòmics/temporals) necesaris en un tractament posterior. El procés d'obtenció d'un sistema d'ordre reduit que represente adequadament el sistema original sol ser costós, perque necessàriament ha de fer-se amb el sistema original sense reduir. Per aquest motiu, resulta convenient disposar d'implementacions d'altes prestacions per al problema de reducció de sistemes lineals de control. En aquesta tesis s'han desenvolupat implementacions d'altes prestacions per a alguns mètodes de reducció de models. S'han anal·litzat els algoritmes existents per a la reducció de models de sistemes lineals de control estables i les seues implementacions en la llibreria de control SLICOT. S'han proposat nous algoritmes paral·lels per als mètodes basats en la resolució d'equacions de Lyapunov. Les noves rutines desenvolupades s'incorporen a la llibreria de computació d'altes prestacions per a control PSLICOT. Apart de les funcions principals a càrrec de la reducció de models, s'han hagut de paral·le\-lit\-zar també totes aquelles operacions numèriques que apareixen en aquest problema i per a les que no es disposava de versions d'altes prestacions. D'aquestes operacions, destaquen rutines paral·leles per a la resolució de l'equació de Lyapunov en la seua forma estàndard obtenint directament el factor de Cholesky de la solució, que és el que es necessita per a la reducció de models. El mètode emprat és una versió paral·lela del mètode de Hammarling. Les rutines implementades resolen en paral·lel i per a matrius denses les quatre variants possibles de l'equació de Lyapunov: en la seua forma discreta i contínua, traspostes i sense trasposar. Totes les rutines paral·lelitzades ofereixen una interfaç com la de les rutines de la llibreria ScaLAPACK, per a que puguen ser usades fàcilment per l'usuari acostumat a treballar amb aquest tipus de llibreries. Es permeten les mateixes distribucions de dades que en aquesta llibreria: distribució cíclica 2D per blocs, que engloba moltes altres distribucions. Gràcies al treball desenvolupat, ara es disposa de versions paral·leles d'altes prestacions per a reduir sistemes lineals de control mitjançant diferents variants del mètode de balancejat i truncament de l'arrel quadrada (the Square-Root Balance & Truncate model reduction method): amb o sense balancejat i amb o sense usar les fórmules de perturbació singular. Son versions paral·leles dels mateixos algoritmes i mètodes que s'utilitzen en les versions sequencials de la llibreria SLICOT. Això permetrà reduir de forma eficient models de sistemes lineals de control de gran tamany. També s'ha mitjorat l'aplicabilitat del software existent en ScaLAPACK per al problema de valors propis cobrint casos que no es contemplaven. S'ha treballat en la solució del problema generalitzat (mitjançant la seua transformació a forma estàndard, cosa que no es pot fer sempre) i també en el càlcul dels vectors propis. Ambdues operacions s'han utilitzat en un problema real de simulació de fluxos oceànics. En aquesta aplicació es requereix el càlcul de tots els valors i vectors propis d'un problema generalitzat de gran dimensió. Com a conseqüència, ha sigut possible resoldre problemes de valors propis generalitzats molt grans (amb matrius de més de 400000 files i columnes) que no s'havien pogut resoldre anteriorment, permetent així un estudi més precís del comportament de les corrents oceàniques. / Guerrero López, D. (2015). Algoritmos paralelos para la reducción de sistemas lineales de control estables [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59415

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:50:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_pt.pdf: 595115 bytes, checksum: d770c01b95b6bf56187a1dc69943ffce (MD5) Previous issue date: 2007-09-27 / Modelos para diversos fenômenos baseiam-se em equações de balanço ou conservação. Dependendo do fenônemo e do que é admitido pelo modelo, nas equações são simplificadas e resolvidas de diferentes modos. O problema de injeção em um meio poroso de um fluido bifásico cujo equilíbrio depende da temperatura, por exemplo, pode ser modelado por uma equação de conservação de massa que inclui um termo difusivo; esta equação, por sua vez, pode ser discretizada por diferenças finitas tanto no tempo quanto no espaço e resolvida numericamente. O estudo estritamente analítico destes modelos é muito limitado. Uma compreensão mais detalhada do comportamento do modelo só pode ser obtida através de simulações numéricas e do estudo qualitativo de seus resultados. Os resultados de uma simulação só podem ser visualizados uma vez que esta tenha sido concluída: mas simulações de alta qualidade requerem simulações em malhas mais finas, que necessitam de mais tempo computacional. Mesmo para fluxos unidimensionais, o ciclo interativo de especificar os parâmetros para uma nova simulação com base nas conclusões tiradas de simulações prévias necessariamente inclui um tempo de espera indesejável. Sistemas capazes de resolver esta classe de problemas numéricos rápida e eficientemente são portanto o objetivo principal deste trabalho. Para obter alto desempenho no cálculo destas soluções, muitos fatores precisam ser levados em consideração: o custo computacional inerente às equações constitutivas usadas no modelo, o tipo específico de sistema linear resultante da discretização do problema, as diferentes alternativas quanto ao algoritmo de solução do sistema e suas implementações e os pontos fortes e limitações impostas por cada ambiente computacional que se deseja explorar. Como resultado do teste de diversas abordagens em diferentes máquinas, nós obtemos não somente um motor numérico eficiente para os casos de estudo apresentados neste trabalho, mas também um guia para a aplicação destas técnicas a problemas similares.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:57:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thesislira.pdf: 424545 bytes, checksum: 3be0b61d6afbfa339783da091155017b (MD5) Previous issue date: 2011-12-12 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico / Modular exponentiation algorithms play an important role in many asymmetric cryptography, random number generation and primality tests. This work proposes new techniques for parallelizing the algorithm of modular exponentiation methods both in terms of massive parallelism and load balancing techniques. The theoretical and practical results of the methods are assessed in this work. / Algoritmos de exponenciação modular tem sido utilizados de maneira central em grande parte da criptografia assimétrica, geração de números aleatórios e testes de primalidade. Este trabalho propõe novas técnicas de paralelização para o algoritmo de exponenciação modular que incluem métodos de paralelização massiva e balanceamento de carga. São avaliados resultados teóricos e práticos acerca dos métodos propostos.

Nos últimos anos, máquinas maciçamente paralelas, compostas de centenas de processadores, vem sendo estudadas como uma alternativa para a construção de supercomputadores. Neste novo conceito de processamento de dados, grandes velocidades são alcançadas através da cooperação entre os diversos elementos processadores na resolução de um problema. Grande parte das máquinas maciçamente paralelas encontradas no mercado utilizam-se da topologia hipercúbica para a interconexão de seus múltiplos processadores, ou podem ser configuradas como tal. Uma alternativa interessante para o compartilhamento da capacidade de processamento destas máquinas é sua utilização como computador agregado a uma rede, servindo a diversos usuários [DUT 91]. Desta forma, a máquina hipercúbica se comporta como um banco de processadores, que permite que cada usuário aloque parte de seus processadores para seu uso pessoal. Isto resulta em um aumento no desempenho da rede ao nível de supercomputadores com um custo relativamente baixo e viabiliza a construção de máquinas hipercúbicas com altas dimensões, evitando que estas sejam sub-utilizadas. Neste tipo de contexto, cabe ao sistema operacional atender as requisições dos usuários do hipercubo compartilhado de forma eficiente, a fim de evitar uma rápida fragmentação do cubo e de não exceder o tempo máximo de espera de uma determinada aplicação. A partir dos algoritmos propostos é apresentada a definição de um servidor de processadores para o compartilhamento de uma máquina multiprocessadora hipercúbica em uma rede de estações de trabalho. Algumas funções deste servidor são implementadas por um protótipo denominado Sub-Cube RPC. Com o objetivo de analisar o comportamento da rede de estações em relação a inclusão de um novo recurso a ser compartilhado, foi desenvolvido, juntamente com o grupo de Avaliação de Desempenho ADMP, um simulador para o ambiente SUN/UNIX. Através desta ferramenta e dos tempos de resposta obtidos pelo protótipo do servidor desenvolvido é possível avaliar o custo que o tráfego gerado pelo servidor adiciona à rede, sendo possível a manipulação de parâmetros da rede e do servidor. Os resultados obtidos nas versões paralelas implementadas são comparados com o desempenho das versões seqüenciais. Para viabilizar esta comparação, todos os algoritmos seqüenciais encontrados na literatura também foram implementados na linguagem "C" no ambiente alvo UNIX e encontram-se em anexo. As versões paralelas foram implementadas utilizando-se recursos da própria rede de estações, através de diretivas socket, e também em Transputers na linguagem C paralela. O protótipo do servidor de processadores foi implementado como um servidor RPC para uma rede de estações UNIX também na linguagem "C". A ferramenta de simulação para o funcionamento do servidor foi implementada na linguagem "C" e seu sistema de entrada de dados e visualização utiliza a interface X-Windows. Com os resultados deste trabalho se pode ter uma boa idéia dos efeitos e das dificuldades encontradas na paralelização dos algoritmos de alocação e gerência de processadores para máquinas Hipercúbicas. As informações contidas no trabalho auxiliam na melhoria do tempo de resposta dos algoritmos seqüenciais atuais e no desenvolvimento de novos algoritmos com mais recursos e ainda assim viáveis em ambientes interativos, graças a utilização de paralelismo. O protótipo Sub-Cube RPC demonstra como os algoritmos estudados neste trabalho podem ser aplicados na construção de um servidor de processadores para máquinas multiprocessadas. O protótipo servirá como base para a implementação de um servidor semelhante no CPGCC/UFRGS, que colocará uma placa de Transputers à disposição da rede de estações do grupo de processamento paralelo. / In the last years massively parallel machines, build with hundreds of processors, are becoming an alternative for the construction of supercomputers. In this new concept of data processing, high performance is achieved by processor cooperation in the resolution of a problem. A great part of the commercial massively parallel machines utilizes the hypercubic topology to interconnect their multiple processors, or may be configured as hypercubes. A very interesting alternative for sharing the processing power of this machines is their utilization as aggregated computer in a network, serving various users [DUT 91]. In such environment, the hypercube behaves like a processor server, permitting the users to allocate part of its processors for local use. This result in a enhancement in the performance of workstation networks to the level of supercomputers and allow higher dimension hypercubes to be better utilized. In such environment the operating system is responsible for serving the users of a shared multiprocessor in a efficient way, not allowing a quick fragmentation of the hypercube and observing the maximal waiting time for the applications. The algorithms for processor allocation and management are responsible for obtention and control of one or more processors of the shared machine for the user's task execution. In this study, parallel versions of the most important algorithms for processor allocation and management in hypercubes found in the literature are proposed. The intention with this paralelization is to achieved a better response time of the more complex algorithms, making their use possible in a real time sharing environment. Because the allocation is considered the most important part of the processor server, the utilization of more complex algorithms allows a better utilization of the shared processors, resulting in a performance increase of the parallel machine. Based on the proposed algorithms, a processor server is defined for sharing a hypercubic multiprocessor in a workstation network. Some functions of this server are implemented in a prototype called Sub-Cube RPC. To analyze the behavior of the network, in relation to the inclusion of this new shared resource, a simulator for the SUN/UNIX environment has been developed together with the Performance Evaluation Group ADMP. With this tool and with the response times of the developed server prototype, it is possible to evaluate the cost of the additional network traffic generated by the server, with the possibility to change parameters of the server and network. The results obtained in the implemented parallel versions are compared with the performance of the sequential algorithms. To make this comparison possible all the sequential algorithms found in the literature are also implemented in the "C" language and can be found in annex. The parallel versions were implemented using network resources, through the socket directive, and also using Transputers in parallel "C". The processor server prototype was implemented as a RPC server for an UNIX network, also in the "C" language. The simulation tool was coded in "C" and the I/O interface use the X-Windows protocol. The results of this study may give a background about the effects and difficulties found in the pa ralelization of the allocation algorithms for the hypercubic machines. The information found in this study will help the operating system designer to obtain a better response time of the sequential algorithms found in the literature and in the development of new and more complex algorithms that will be still practicable in a real time environment due to parallelism utilization. The Sub-Cube RPC prototype demonstrates how the algorithms studied in this work can be applied in the construction of a processor server for multiprocessors. The prototype is the first step for the implementation of a similar server in the CPGCC/UFRGS that will share a Transputer board in a network of workstations from the parallel processing group.

Um autômato celular é um sistema dinâmico discreto que evolui pela iteração de regras. Os valores das variáveis do sistema mudam em função de seus valores correntes. Os autômatos celulares podem ser aplicados na resolução de diversos problemas. A tarefa de encontrar uma regra de transição que solucione um determinado problema pode ser generalizada como um problema de indução de regras para autômatos celulares. Várias abordagens baseadas em técnicas de computação evolucionária vêm sendo empregadas neste problema. No entanto, estas restringem-se a aplicações específicas. A principal contribuição deste trabalho é a proposição de uma metodologia genérica para indução de regras de autômatos celulares. Para alcançar este objetivo a pesquisa foi segmentada em quatro etapas. Na primeira etapa avaliou-se o desempenho de alguns parâmetros de previsão de comportamento calculados em função de regras de transição. Os resultados obtidos nesta etapa indicaram que os parâmetros de previsão de comportamento dinâmico devem ser utilizados de forma criteriosa. Este cuidado reside na possibilidade de se obter soluções válidas, porém, não satisfatórias. Ressalta-se também a necessidade da existência de parâmetros de referência que para a maioria dos problemas reais, não está disponível. Na segunda etapa apresentou-se um novo método para a previsão do comportamento dinâmico. Este método considera a regra de transição e a configuração inicial do autômato celular. Para a previsão utilizou-se como referência os padrões de comportamento dinâmico qualitativos descritos por Wolfram. O método mostrou-se eficiente para regras de comportamento nulo. Como o processo de simulação da dinâmica de um sistema pode ter um custo computacional elevado, desenvolveu-se uma terceira metodologia. Nesta metodologia implementou-se uma arquitetura baseada no conceito de hardware/software co-design com a finalidade de contornar problemas referentes a tempo de processamento. Esta arquitetura realiza a evolução de autômatos celulares utilizando lógica reconfigurável. A arquitetura diminuiu o tempo de processamento por centenas de vezes, mas algumas restrições do modelo, como número limitado de células lógicas e reprogramações do hardware inviabilizaram seu uso. Considerando-se as restrições impostas pela arquitetura implementada, iniciou-se a quarta etapa da pesquisa onde foi desenvolvida uma nova arquitetura paralela fundamentada no paradigma mestre-escravo. Neste paradigma um processo mestre implementa o algoritmo evolucionário e um conjunto de processos escravos dividem a tarefa de validação das regras obtidas. O sistema é executado em um cluster composto por 120 núcleos de processamento que se interligam por meio de uma rede ethernet. A estratégia co-evolucionária baseada em um modelo insular permitiu a busca por soluções que apresentam um melhor valor para função de fitness. O sistema genérico implementado sobre um ambiente paralelo foi capaz de solucionar os problemas abordados. Uma análise de distribuição de tarefas entre vários processadores enfatizou os benefícios do processamento paralelo. Os experimentos também indicaram um conjunto de parâmetros evolucionários de referência que podem ser utilizados para configurar o sistema. As contribuições deste trabalho foram tanto teóricas, com as avaliações realizadas sobre os parâmetros e os diferentes métodos de previsão de comportamento dinâmico, quanto metodológicas, pois desenvolveu-se a proposta de duas arquiteturas de processamento distintas. / A cellular automata is a discrete dynamic system that evolves thought interactions of rules and can be applied to solve several complex problems. The task to find the transition rule to solve a problem can be generalized as a problem of rule induction for cellular automata. Several approaches, based on evolutionary computation techniques, have been proposed to solve this problem. However, there is no generic methodology capable of being applied to a large range of problems. The main contribution of this work is a generic methodology for rule induction for cellular automata. This research was done in four steps to achieve this objective. In the first step we evaluated the performance of some dynamic behavior forecasting parameters calculated as function of a transition rule. The obtained results indicated that those parameters can be used in a careful way. This is due to the possibility of obtaining valid, but insatisfactory solutions. We stress the importance of considering reference parameters, which for the majority of real problems, are not available. In the second research step we proposed a new method to forecast the dynamic behavior. This method considers the transition rule and the initial configuration of the cellular automata. We used the qualitative dynamic behavior patterns described by Wolfram as reference to the forecast. This method was efficient for null behavior rules. Since the process of dynamic simulation can have a high computational cost, we developed a third methodology: an architecture based on the concept of hardware/software co-design to accelerate the processing time. This architecture implements the evolution of cellular automata using reconfigurable logic and was able to decrease hundreds of times the processing time. In the fourth step we developed a new parallel architecture based on the master-slave paradigm. In this paradigm, the master process implements the evolutionary algorithm and a set of slaves processes divide the task of validating the obtained rules. The system runs in a cluster with 120 processing cores connected by a local area network. The co-evolutionary strategy based on an insular model allowed the search for high quality solutions. The generic system implemented over a parallel environment was able to solve the problems proposed. A task distribution analyses among several processors emphasized the benefits of parallel processing. The experiments also indicated a set of reference parameters that can be used to configure the system. The contributions of this work were theoretical and methodological. The former refers to the evaluations done and the different methods for dynamic behavior forecasting parameters. The latter is about the development of two architectures for processing.