Os workflows científicos emergiram como uma abstração básica para estruturar experimentos científicos baseados em simulações computacionais. Em muitas situações, estes workflows são intensivos, seja computacionalmente seja quanto em relação à manipulação de dados, exigindo a execução em ambientes de processamento de alto desempenho. Entretanto, paralelizar a execução de workflows científicos requer programação trabalhosa, de modo ad hoc e em baixo nível de abstração, o que torna difícil a exploração das oportunidades de otimização. Visando a abordar o problema de otimizar a execução paralela de workflows científicos, esta tese propõe uma abordagem algébrica para especificar o workflow, bem como um modelo de execução que, juntos, possibilitam a otimização automática da execução paralela de workflows científicos. A tese apresenta uma avaliação ampla da abordagem usando tanto experimentos reais quanto dados sintéticos. Os experimentos foram avaliados no Chiron, um motor de execução de workflows desenvolvido para apoiar a execução paralela de workflows científicos. Os experimentos apresentaram resultados excelentes de paralelização na execução de workflows e evidenciaram, com a abordagem algébrica, diversas possibilidades de otimização de desempenho quando comparados a execuções paralelas de workflow de modo ad hoc.

Para lidar com a natureza exploratória da ciência e o processo dinâmico envolvido nas análises científicas, os sistemas de gerência de workflows dinâmicos são essenciais. Entretanto, workflows dinâmicos são considerados como um desafio em aberto, devido à complexidade em gerenciar o workflow em contínua adaptação, em tempo de execução, por eventos externos como a intervenção humana. Apoiar iterações dinâmicas é um passo importante na direção dos workflows dinâmicos uma vez que a interação entre o usuário e o workflow é iterativa. Porém, o apoio existente para iterações em workflows científicos é estático e não permite mudanças, em tempo de execução, nos dados do workflow, como critérios de filtros e margens de erro. Nesta tese, propomos uma abordagem algébrica para dar apoio a iterações centradas em dados em workflows dinâmicos. Propomos o conceito de linhagem da iteração de forma que a gerência dos dados de proveniência seja consistente com as interações com o workflow. A linhagem também possibilita que os cientistas interajam com os dados do workflow por meio de dois algoritmos implementados no sistema de workflows Chiron. Avaliamos a nossa abordagem utilizando workflows reais em ambientes de execução em larga escala. Os resultados mostram melhorias no tempo de execução de até 24 dias quando comparado com uma abordagem tradicional não iterativa. Realizamos consultas complexas aos resultados parciais ao longo das iterações do workflow. A nossa abordagem introduz uma sobrecarga de no máximo 3,63% do tempo de execução. O tempo para executar os algoritmos de interação também é menor que 1 milissegundo no pior cenário avaliado.