La programació d'aplicacions en màquines paral·leles és un tema d'interès quant a que cada vegada són més les màquines d'aquest tipus disponibles comercialment.Per a això l'usuari disposa de dues opcions: (a) Utilització de llenguatges de programació amb primitives específiques que permetin expressar i aprofitar les possibilitats que ofereix la màquina. (b) Utilització de compiladors que de forma automàtica siguin capaces d'extreure el paral·lelisme del programa escrit en un llenguatge de programació convencional. La segona opció presenta certs avantatges, com per exemple, que el programador només deu preocupar se de l'algorisme a resoldre i no de les operacions que poden realitzar-se de forma simultània. D'altra banda són moltes les aplicacions escrites en llenguatges convencionals i que la seva paral·lelització automàtica evitaria la seva reprogramació manual. Aquests compiladors poden extreure paral·lelisme a nivell de procediments ("coarse grain"), bucles ("medium grain") o sentències ("fine grain") existint per a això alguns mètodes proposats en la literatura. En programes numèrics gran part del temps s'empra en l'execució de bucles. Per això, la paral·lelització a nivell de bucles ha estat la més estudiada i es basa en una detallada anàlisi de les dependències entre les sentències que ho componen. Aquesta tesi se centra en l'estudi i proposta de tècniques de reestructuració per a bucles en programes seqüencials. Els principals problemes tractats són l'existència de recurrències i sentències condicionals en aquests bucles. L'avaluació del paral·lelisme d'un bucle és considerada en primer lloc i es realitza a partir del grat de dependències entre sentències obtingut en temps de compilació. El paral·lelisme avaluat és una bona mesura de l'eficiència del procés de reestructuració realitzat. Es proposa un mètode, Graph Traverse Scheduling (GTS) que incorporat en un compilador permet l'extracció del màxim paral·lelisme del bucle. La planificació ("scheduling") realitzada es basa en recorreguts a través d'un cicle del graf de dependències que compleix unes determinades característiques. L'aplicació de GTS per a multiprocessadors amb memòria compartida permet l'obtenció de tasques independents o sincronitzades segons les dependències existents. Un dels temes considerats és la reducció del nombre de sincronitzacions explícites afegides així com el compromís entre paral·lelisme obtingut i sincronització. L'aplicació de GTS per a màquines vectorials permet l'obtenció operacions vectorials de màxima longitud a partir de les operacions incloses en bucles seqüencials. GTS pot ser aplicat a altres arquitectures com multiprocessadors amb memòria distribuïda i màquines VLIW, encara que aquests temes no han estat considerats en aquesta tesi. Es comparen els resultats obtinguts per GTS amb els obtinguts aplicant altres tècniques de reestructuració ja existents, basant-se aquesta comparança en dades obtingudes a partir de grafs de dependència aleatòriament generats. / La programación de aplicaciones en máquinas paralelas es un tema de interés en cuanto a que cada vez son más las máquinas de este tipo disponibles comercialmente. Para ello el usuario dispone de dos opciones: (a) Utilización de lenguajes de programación con primitivas específicas que permitan expresar y aprovechar las posibilidades que ofrece la máquina. (br) Utilización de compiladores que de forma automática sean capaces de extraer el paralelismo del programa escrito en un lenguaje de programación convencional.La segunda opción presenta ciertas ventajas, como por ejemplo, que el programador sólo debe de preocuparse del algoritmo a resolver y no de las operaciones que pueden realizarse de forma simultánea. Por otro lado son muchas las aplicaciones escritas en lenguajes convencionales y cuya paralelización automática evitaría su reprogramación manual. Estos compiladores pueden extraer paralelismo a nivel de procedimientos ("coarse grain"), bucles ("medium grain") o sentencias ("fine grain") existiendo para ello algunos métodos propuestos en la literatura. Enprogramas numéricos gran parte del tiempo se emplea en la ejecución de bucles. Por ello, la paralelización a nivel de bucles ha sido la más estudiada y se basa en un detallado análisis de las dependencias entre las sentencias que lo componen. Esta tesis se centra en el estudio y propuesta de técnicas de restructuración para bucles en programas secuenciales. Los principales problemas tratados son la existencia de recurrencias y sentencias condicionales en estos bucles. La evaluación del paralelismo de un bucle es considerada en primer lugar y se realiza a partir del grato de dependencias entre sentencias obtenido en tiempo de compilación. El paralelismo evaluado es una buena medida de la eficiencia del proceso de reestructuración realizado. Se propone un método, Graph Traverse Scheduling (GTS) que incorporado en un compilador permite la extracción del máximo paralelismo del bucle. El "scheduling' realizado se basa en recorridos a través de un ciclo del grafo de dependencias que cumple unas determinadas características.La aplicación de GTS para multiprocesadores con memoria compartida permite la obtención de tareas independientes o sincronizadas según las dependencias existentes. Uno de los temas considerados es la reducción del número de sincronizaciones explícitas añadidas así como el compromiso entre paralelismo obtenido y sincronización. La aplicación de GTS para máquinas vectoriales permite la obtención operaciones vectoriales de máxima longitud a partir de las operaciones incluidas en bucles secuenciales. GTS puede ser aplicado a otras arquitecturas como multiprocesadores con memoria distribuida y máquinas VLIW, aunque estos temas no han sido considerados en esta tesis. Se comparan los resultados obtenidos por GTS con los obtenidos aplicando otras técnicas de reestructuración ya existentes, basándose esta comparación en datos obtenidos a partir de gráfos de dependencia aleatoriamente generados. / Vectorizing and parallelizing compilers exist today for high performance vector and parallel computers in order to execute efficiently sequential programs written in convencional languages such as FORTRAN. In this thesis the author studies and proposes methods for restructuring recurrences as the main problem in such restructuring compilers. The method presented extracts the maximum parallelism or vector operations out of DO loops with tight recurrences including or no conditional statements. The method is named Graph Traverse Scheduling (GTS) and it is devised for producing code for shared memory multiprocessor systems or vector machines. The method is presented for single nested loops including one or several recurrences; the author also shows how parallel and vector code can be generated. Based on the dependence graph, the author first presents its parallelism and vector length evaluation as loop characteristies that will determine the restructuring process. Then the author presentes the application of GTS in order to distribute iterations of a recurrence between tasks or to generate vector operations of a given length. When this methods is applied for parallel code generation, dependences not inciuded in the sequential execution of each task must be explicitely synchronized. Therefore, hardware support for fast synchronization is assumed in the target architecture. When GTS is applied for vector code generation, a sequential loop of vector operations is obtained. Finally the author performs a brief comparison of the resuits btained by the method presentes and other existing methods used restructuring recurrences in sequential loops.

Diversos treballs en el camp de la modelització d'aplicacions cientí¬fiques, tecnològiques i industrials requereixen la resolució de sistemes d'equacions lineals i problemes lineals de mí¬nims quadrats densos de gran dimensió. Davant tals necessitats, l'objectiu plantejat en aquesta tesi ha estat dissenyar, desenvolupar i avaluar una col·lecció de rutines altament eficients per a resoldre sistemes d'equacions lineals i problemes lineals de mínims quadrats de dimensió elevada (matrius amb desenes de milers de files/columnes) sobre arquitectures actuals, fent ús de tècniques out-of-core. Les tècniques out-of-core estenen la jerarquia de memòria per a abastar el nivell de l'emmagatzematge secundari, fent possible la resolució de sistemes d'equacions lineals densos de gran dimensió en plataformes amb una memòria principal de grandària reduïda. En aquesta tesi s'exploten, a més, les característiques dels processadors actuals com les arquitectures multihebra i els processadors gràfics.

El càlcul de valors i vectors propis és un nucli computacional que forma part de diverses aplicacions de tipus científic i tècnic que requereixen una potència de càlcul molt gran. Aquestes aplicacions no poden resoldre's en sistemes monoprocessadors perquè aquests sistemes no proporcionen la potència de càlcul suficient per resoldre el problema amb un temps raonable. Una solució possible a aquest problema és la utilització de sistemes paral·lels.El contingut d'aquest treball pot dividir-se en quatre parts ben diferenciades; en les tres primeres parts dels valors i vectors propis en sistemes multicomputadors amb diferents topologies: hipercub, malla i torus; en l'última part del treball es proposa una metodologia d'anàlisis de l'escalabilitat de sistemes paral·lels.- En la primera part del treball es proposen un conjunt d'algorismes paral·lels per hipercubs: BR segmentat, alfa-optimal i Grau-4. Tots aquests algorismes es basen en l'algorisme Block Recursive proposat a [42]. Els nous algorismes proposats tenen la capacitat d'utilitzar de forma més eficient el potencial paral·lelisme de comunicacions que ofereix una arquitectura multiple-port amb els que s'aconsegueix una reducció del cost de la comunicació considerable respecte al cost de comunicació de l'algorisme original.- En la segona part del treball es proposa un nou algorisme amb una topologia de comunicació en malla bidimensional (2D). Aquest algorimse l'hem anomenat algorisme 2D. Es veurà que aquest nou algorisme aconsegueix reduir el cost total considerablement respecte als algorismes que han estat proposats per altres autors per malles i torus.- En la tercera part, s'estudia l'eficiència de l'algorisme BR-segmentat (algorisme amb una topologia de comunicació en hipercub proposat en la primera part de la tesi) un cop mapejat en un multicomputador amb una topologia en malla o en torus. A l'hora de realitzar el mapeig s'ha aplicat i ampliat una metodologia desenvolupada en el grup de treball que ens permet realitzar el mapeig de forma eficient i sistemàtic d'una topologia en hipercub a una topologia en malla o torus. El cost de la comunicació del nou algorisme es compara amb el cost de l'algorisme 2D proposat en la segona part del treball.- Finalment, en l'última part d'aquest treball es proposa una metodologia d'anàlisi de l'escalabilitat de sistemes paral·lels orientada a l'usuari final del sistema. S'utilitza l'algorisme 2D mapejat en una línia per mostrar un exemple d'aplicació de la metodologia.

The research we have conducted has been aimed at developing a new mechanism of extraction and use of parallelism at a high level, based on speculation techniques, in cluster environments. This allows our mechanism to be architecture independent and to be adapted to heterogeneous environments. As a drawback there are some limitations due to the fact of working at a high level, such as memory address access dependencies and those occurring in vector operations. The Master/Slave Speculative Parallelization Architecture for Computer Clusters (MSSPACC) is considered that works at the TLP taking advantage of the execution tools of the ILP level. It works at TLP level because the program is divided into threads which we call blocks. The blocks they are considered like single instructions and follow the same pattern of a superscalar processor ILP (input variables are considered like operands and the output like the result of the execution). / L’objectiu d’aquesta recerca és desenvolupar un nou mecanisme d'extracció i explotació del paral•lelisme basat en tècniques d'especulació a nivell d’aplicació sobre clústers. Així hem aconseguit que el sistema no tingui una dependència arquitectònica i poder adaptar-se a entorns heterogenis. Com a contrapartida ens hem trobat amb les limitacions degudes al fet de treballar a nivell d’aplicació, com són les dependències d’adreces d’accés a memòria i les provocades en operacions amb vectors. La proposta desenvolupada s’anomena Master/Slave Speculative Parallelization Architecture for Computer Clusters (MSSPACC) i es pot considerar que treballa a nivell TLP aprofitant les eines d’execució del nivell ILP. Divideix el programa en fils d’execució que anomenem blocs bàsics que s’executen seguint el mateix patró ILP d’un processador Superescalar, considerant que un bloc bàsic és equivalent a una instrucció, les variables d’entrada com a operants i les de sortida com al resultat de l’execució del bloc bàsic.

Aquesta tesi proposa l'ús d'un seguit de tècniques pel control a alt nivell d'un robot autònom i també per l'aprenentatge automàtic de comportaments. L'objectiu principal de la tesis fou el de dotar d'intel·ligència als robots autònoms que han d'acomplir unes missions determinades en entorns desconeguts i no estructurats. Una de les premisses tingudes en compte en tots els passos d'aquesta tesis va ser la selecció d'aquelles tècniques que poguessin ésser aplicades en temps real, i demostrar-ne el seu funcionament amb experiments reals. El camp d'aplicació de tots els experiments es la robòtica submarina.En una primera part, la tesis es centra en el disseny d'una arquitectura de control que ha de permetre l'assoliment d'una missió prèviament definida. En particular, la tesis proposa l'ús de les arquitectures de control basades en comportaments per a l'assoliment de cada una de les tasques que composen la totalitat de la missió. Una arquitectura d'aquest tipus està formada per un conjunt independent de comportaments, els quals representen diferents intencions del robot (ex.: "anar a una posició", "evitar obstacles",...). Es presenta una recerca bibliogràfica sobre aquest camp i alhora es mostren els resultats d'aplicar quatre de les arquitectures basades en comportaments més representatives a una tasca concreta. De l'anàlisi dels resultats se'n deriva que un dels factors que més influeixen en el rendiment d'aquestes arquitectures, és la metodologia emprada per coordinar les respostes dels comportaments. Per una banda, la coordinació competitiva és aquella en que només un dels comportaments controla el robot. Per altra banda, en la coordinació cooperativa el control del robot és realitza a partir d'una fusió de totes les respostes dels comportaments actius. La tesis, proposa un esquema híbrid d'arquitectura capaç de beneficiar-se dels principals avantatges d'ambdues metodologies.En una segona part, la tesis proposa la utilització de l'aprenentatge per reforç per aprendre l'estructura interna dels comportaments. Aquest tipus d'aprenentatge és adequat per entorns desconeguts i el procés d'aprenentatge es realitza al mateix temps que el robot està explorant l'entorn. La tesis presenta també un estat de l'art d'aquest camp, en el que es detallen els principals problemes que apareixen en utilitzar els algoritmes d'aprenentatge per reforç en aplicacions reals, com la robòtica. El problema de la generalització és un dels que més influeix i consisteix en permetre l'ús de variables continues sense augmentar substancialment el temps de convergència. Després de descriure breument les principals metodologies per generalitzar, la tesis proposa l'ús d'una xarxa neural combinada amb l'algoritme d'aprenentatge per reforç Q_learning. Aquesta combinació proporciona una gran capacitat de generalització i una molt bona disposició per aprendre en tasques de robòtica amb exigències de temps real. No obstant, les xarxes neurals són aproximadors de funcions no-locals, el que significa que en treballar amb un conjunt de dades no homogeni es produeix una interferència: aprendre en un subconjunt de l'espai significa desaprendre en la resta de l'espai. El problema de la interferència afecta de manera directa en robòtica, ja que l'exploració de l'espai es realitza sempre localment. L'algoritme proposat en la tesi té en compte aquest problema i manté una base de dades representativa de totes les zones explorades. Així doncs, totes les mostres de la base de dades s'utilitzen per actualitzar la xarxa neural, i per tant, l'aprenentatge és homogeni.Finalment, la tesi presenta els resultats obtinguts amb la arquitectura de control basada en comportaments i l'algoritme d'aprenentatge per reforç. Els experiments es realitzen amb el robot URIS, desenvolupat a la Universitat de Girona, i el comportament après és el seguiment d'un objecte mitjançant visió per computador. La tesi detalla tots els dispositius desenvolupats pels experiments així com les característiques del propi robot submarí. Els resultats obtinguts demostren la idoneïtat de les propostes en permetre l'aprenentatge del comportament en temps real. En un segon apartat de resultats es demostra la capacitat de generalització de l'algoritme d'aprenentatge mitjançant el "benchmark" del "cotxe i la muntanya". Els resultats obtinguts en aquest problema milloren els resultats d'altres metodologies, demostrant la millor capacitat de generalització de les xarxes neurals.