Um dos grandes desafios da engenharia atualmente é viabilizar soluções computacionais que reduzam o tempo de processamento e forneçam respostas ainda mais precisas. Frequentemente surgem propostas com as mais diversas abordagens que exploram novas formas de resolver tais problemas ou tentam, ainda, melhorar as soluções existentes. Uma das áreas que se dedica a propor tais melhorias é a computação paralela e de alto desempenho - HPC (High Performance Computing). Técnicas que otimizem o tempo de processamento, algoritmos mais eficientes e computadores mais rápidos abrem novos horizontes possibilitando realizar tarefas que antes eram inviáveis ou levariam muito tempo para serem concluídas. Neste projeto propõe-se a implementação computacional de uma arquitetura de computação paralela com o intuito de resolver, de forma mais eficiente, em comparação com a arquitetura sequencial, problemas de Dinâmica dos Fluidos e Interação Fluido-Estrutura e que também seja possível estender esta arquitetura para a resolução de outros problemas relacionados com o Método dos Elementos Finitos. O objetivo deste trabalho é desenvolver um algoritmo computacional eficiente em linguagem de programação científica C++ e CUDA - de propriedade da NVIDIAr - tendo como base trabalhos anteriores desenvolvidos no LMC (Laboratório de Mecânica Computacional) e, posteriormente, com a arquitetura desenvolvida, executar e investigar problemas de Dinâmica dos Fluidos e Interação Fluido-Estrutura (aplicando o método dos Elementos Finitos com Fronteiras Imersas e a solução direta do sistema de equações lineares com PARDISO) com o auxílio dos computadores do LMC. Uma análise de sensibilidade para cada problema é realizada de forma a encontrar a melhor combinação entre o número de elementos da malha de elementos finitos e o speedup, e posteriormente é feita uma análise comparativa de desempenho entre a arquitetura paralela a sequencial. Com uma única GPU conseguiu-se uma considerável redução no tempo para o assembly das matrizes globais e no tempo total da simulação. / One of the biggest challenges of engineering is enable computational solutions that reduce processing time and provide more accurate numerical solutions. Proposals with several approaches that explore new ways of solving such problems or improve existing solutions emerge. One of the biggest areas dedicated to propose such improvements is the parallel and high performance computing. Techniques that improve the processing time, more efficient algorithms and faster computers open up new horizons allowing to perform tasks that were previously unfeasible or would take too long to complete. We can point out, among several areas of interest, Fluid Dynamics and Interaction Fluid-Structure. In this work it is developed a parallel computing architecture in order to solve numerical problems more efficiently, compared to sequential architecture (e.g. Fluid Dynamics and Fluid-Structure Interaction problems) and it is also possible to extend this architecture to solve different problems (e.g. Structural problems). The objective is to develop an efficient computational algorithm in scientific programming language C ++, based on previous work carried out in Computational Mechanics Laboratory (CML) at Polytechnic School at University of São Paulo, and later with the developed architecture, execute and investigate Fluid Dynamics and Fluid-Structure Interaction problems with the aid of CML computers. A sensitivity analysis is executed for different problems in order to assess the best combination of elements quantity and speedup, and then a perfomance comparison. Using only one GPU, we could get a 10 times speedup compared to a sequential software, using the Finite Element with Immersed Boundary Method and a direct solver (PARDISO).

L'accroissement d'efficacite des réseaux d'interconnexion et la vulgarisation des machines multiprocesseurs permettent la réalisation de machines parallèles a mémoire distribuée de faible coût: les grappes de multiprocesseurs. Elles nécessitent l'exploitation à la fois du parallélismeà grain fin, interne à un multiprocesseur offert par la multiprogrammation légère, et du parallélisme à gros grain entre les différents multiprocesseurs. L'exploitation simultanée de ces deux types de parallélisme exige une méthode de communication entre les processus légers qui ne partagent pas le mêmme espace d'adressage. Le travail de cette thèse porte sur le problème de l'Intégration de la multiprogrammation légère et des communications sur grappes de multiprocesseurs symétriques (SMP). II porte plus précisément sur evaluation et le reglage du noyau exécutif ATHAPASCAN-0 sur ce type d'architecture. ATHAPASCAN-0 est un noyau exécutif, portable, développé au sein du projet APACHE (CNRS-INPG-INRIA-UJF), qui combine la multiprogrammation légère et la communication par échange de messages. La portabilité est assurée par une organisation en couches basée sur les standards POSIX threads et MPI largement répandus. ATHAPASCAN-0 étend le modèle de réseau statique de processus «lourds» communicants tel que MPI, PVM, etc,à celui d'un réseau dynamique de processus légers communicants. La technique de base est la multiprogrammation lègere des communications et des calculs. La progression des communications exige la scrutation de état du reseau et l'enchainement des opérations de transferts. L'efficacité repose sur la minimisation de ces opérations. De plus, l'emploi de multiprocesseurs ajoute des problèmes spécifiques dus à l'apparition d'un parallélisme réel entre calcul et communication. Ces problèmes sont présentés et des solutions sont proposées pour l'environnement ATHAPASCAN-0. Ces solutions sont évaluées sur des grappes de multiprocesseurs. / The continuous price reduction for commodity PC multiprocessors and the availability of fast network interfaces have made cluster of multiprocessors an attractive low-price alternative to build parallel systems. Multiprocessor clusters offer two levels of parallelism: a fine grain parallelism inside a single multiprocessor and a coarse grain among them. A mechanism must be provided to exploit both levels of parallelism simultaneously. This requires to provide communications between threads belonging to different addresses spaces. This dissertation addresses the problem of integrating threads and communications on ATHAPASCAN-0 run time system. ATHAPASCAN-0 is a portable run time for cluster of multiprocessors developed as part of the APACHE project (CNRS-INPG-INRIA-UJF). Portability is achieved by a layered organization based on standards like POSIX threads and MPI. The ATHAPASCAN-0 run time system extends the heavy-weight process communication model of message passing libraries such as MPI, PVM, etc, into a lighter dynamic network of communicating threads. Multiprogramming is the key concept used. Communication progress is based on a network polling basis to handle incoming messages and to deliver outgoing communications requests. Performance is strongly dependent on the way these operations are implemented. Additionally, multiprocessors introduce some programming problems like overhead of cache coherency mechanisms, method of managing concurrent accesses and efficient mutex locking to avoid unnecessary context switching. These problems are analyzed and solutions are implemented in the ATHAPASCAN-0 run time system. An evaluation of these solutions is performed on a cluster of multiprocessors.

L'accroissement d'efficacite des réseaux d'interconnexion et la vulgarisation des machines multiprocesseurs permettent la réalisation de machines parallèles a mémoire distribuée de faible coût: les grappes de multiprocesseurs. Elles nécessitent l'exploitation à la fois du parallélismeà grain fin, interne à un multiprocesseur offert par la multiprogrammation légère, et du parallélisme à gros grain entre les différents multiprocesseurs. L'exploitation simultanée de ces deux types de parallélisme exige une méthode de communication entre les processus légers qui ne partagent pas le mêmme espace d'adressage. Le travail de cette thèse porte sur le problème de l'Intégration de la multiprogrammation légère et des communications sur grappes de multiprocesseurs symétriques (SMP). II porte plus précisément sur evaluation et le reglage du noyau exécutif ATHAPASCAN-0 sur ce type d'architecture. ATHAPASCAN-0 est un noyau exécutif, portable, développé au sein du projet APACHE (CNRS-INPG-INRIA-UJF), qui combine la multiprogrammation légère et la communication par échange de messages. La portabilité est assurée par une organisation en couches basée sur les standards POSIX threads et MPI largement répandus. ATHAPASCAN-0 étend le modèle de réseau statique de processus «lourds» communicants tel que MPI, PVM, etc,à celui d'un réseau dynamique de processus légers communicants. La technique de base est la multiprogrammation lègere des communications et des calculs. La progression des communications exige la scrutation de état du reseau et l'enchainement des opérations de transferts. L'efficacité repose sur la minimisation de ces opérations. De plus, l'emploi de multiprocesseurs ajoute des problèmes spécifiques dus à l'apparition d'un parallélisme réel entre calcul et communication. Ces problèmes sont présentés et des solutions sont proposées pour l'environnement ATHAPASCAN-0. Ces solutions sont évaluées sur des grappes de multiprocesseurs. / The continuous price reduction for commodity PC multiprocessors and the availability of fast network interfaces have made cluster of multiprocessors an attractive low-price alternative to build parallel systems. Multiprocessor clusters offer two levels of parallelism: a fine grain parallelism inside a single multiprocessor and a coarse grain among them. A mechanism must be provided to exploit both levels of parallelism simultaneously. This requires to provide communications between threads belonging to different addresses spaces. This dissertation addresses the problem of integrating threads and communications on ATHAPASCAN-0 run time system. ATHAPASCAN-0 is a portable run time for cluster of multiprocessors developed as part of the APACHE project (CNRS-INPG-INRIA-UJF). Portability is achieved by a layered organization based on standards like POSIX threads and MPI. The ATHAPASCAN-0 run time system extends the heavy-weight process communication model of message passing libraries such as MPI, PVM, etc, into a lighter dynamic network of communicating threads. Multiprogramming is the key concept used. Communication progress is based on a network polling basis to handle incoming messages and to deliver outgoing communications requests. Performance is strongly dependent on the way these operations are implemented. Additionally, multiprocessors introduce some programming problems like overhead of cache coherency mechanisms, method of managing concurrent accesses and efficient mutex locking to avoid unnecessary context switching. These problems are analyzed and solutions are implemented in the ATHAPASCAN-0 run time system. An evaluation of these solutions is performed on a cluster of multiprocessors.

L'accroissement d'efficacite des réseaux d'interconnexion et la vulgarisation des machines multiprocesseurs permettent la réalisation de machines parallèles a mémoire distribuée de faible coût: les grappes de multiprocesseurs. Elles nécessitent l'exploitation à la fois du parallélismeà grain fin, interne à un multiprocesseur offert par la multiprogrammation légère, et du parallélisme à gros grain entre les différents multiprocesseurs. L'exploitation simultanée de ces deux types de parallélisme exige une méthode de communication entre les processus légers qui ne partagent pas le mêmme espace d'adressage. Le travail de cette thèse porte sur le problème de l'Intégration de la multiprogrammation légère et des communications sur grappes de multiprocesseurs symétriques (SMP). II porte plus précisément sur evaluation et le reglage du noyau exécutif ATHAPASCAN-0 sur ce type d'architecture. ATHAPASCAN-0 est un noyau exécutif, portable, développé au sein du projet APACHE (CNRS-INPG-INRIA-UJF), qui combine la multiprogrammation légère et la communication par échange de messages. La portabilité est assurée par une organisation en couches basée sur les standards POSIX threads et MPI largement répandus. ATHAPASCAN-0 étend le modèle de réseau statique de processus «lourds» communicants tel que MPI, PVM, etc,à celui d'un réseau dynamique de processus légers communicants. La technique de base est la multiprogrammation lègere des communications et des calculs. La progression des communications exige la scrutation de état du reseau et l'enchainement des opérations de transferts. L'efficacité repose sur la minimisation de ces opérations. De plus, l'emploi de multiprocesseurs ajoute des problèmes spécifiques dus à l'apparition d'un parallélisme réel entre calcul et communication. Ces problèmes sont présentés et des solutions sont proposées pour l'environnement ATHAPASCAN-0. Ces solutions sont évaluées sur des grappes de multiprocesseurs. / The continuous price reduction for commodity PC multiprocessors and the availability of fast network interfaces have made cluster of multiprocessors an attractive low-price alternative to build parallel systems. Multiprocessor clusters offer two levels of parallelism: a fine grain parallelism inside a single multiprocessor and a coarse grain among them. A mechanism must be provided to exploit both levels of parallelism simultaneously. This requires to provide communications between threads belonging to different addresses spaces. This dissertation addresses the problem of integrating threads and communications on ATHAPASCAN-0 run time system. ATHAPASCAN-0 is a portable run time for cluster of multiprocessors developed as part of the APACHE project (CNRS-INPG-INRIA-UJF). Portability is achieved by a layered organization based on standards like POSIX threads and MPI. The ATHAPASCAN-0 run time system extends the heavy-weight process communication model of message passing libraries such as MPI, PVM, etc, into a lighter dynamic network of communicating threads. Multiprogramming is the key concept used. Communication progress is based on a network polling basis to handle incoming messages and to deliver outgoing communications requests. Performance is strongly dependent on the way these operations are implemented. Additionally, multiprocessors introduce some programming problems like overhead of cache coherency mechanisms, method of managing concurrent accesses and efficient mutex locking to avoid unnecessary context switching. These problems are analyzed and solutions are implemented in the ATHAPASCAN-0 run time system. An evaluation of these solutions is performed on a cluster of multiprocessors.