A utilização majoritária da malha ferroviária brasileira para o transporte de cargas e a sua incompatibilidade para desenvolvimento de altas velocidades inviabiliza a oferta de serviços competitivos para o transporte intermunicipal de passageiros. A questão explorada nesta tese é sobre qual tecnologia ferroviária provê melhores resultados socioeconômicos no contexto de uma nova rede para o transporte intermunicipal de passageiros com operação exclusiva de Trens de Alto Desempenho (High Performance Trains - HPTs) ou Trens de Alta Velocidade (High Speed Trains - HSTs), caracterizados por velocidades médias de 150 km/h e 300 km/h respectivamente. Nesse sentido, a hipótese é que a diferença entre benefícios e custos socioeconômicos da oferta de serviços de HSTs resultam em valores positivos e maiores do que aquelas decorrentes da operação de HPTs, mediante parâmetros específicos de avaliação socioeconômica e uma configuração hipotética de rede na Região Sudeste do Brasil. Assim, o objetivo principal da tese é estimar e comparar os custos e benefícios socioeconômicos de uma rede ferroviária pela estimativa dos investimentos para a construção de novos traçados ferroviários, estimativa do número de viagens intermunicipais na Região Sudeste em um horizonte de planejamento estratégico e a propensão à escolha modal, estabelecimento de uma formulação de Análise Custo-Benefício (Cost Benefit Analysis - CBA) e aplicação dos modelos em cenários considerando a operação exclusiva de HPTs ou de HSTs. A resolução do problema de otimização de traçados ferroviários, com uma abordagem de computação paralela aplicada a um Algoritmo Genético, indica que os investimentos em infraestrutura variam majoritariamente em função da topografia, os custos de desapropriações são proporcionalmente pequenos e as restrições geométricas dos traçados não influenciam significativamente nesses resultados. Após a projeção do número de viagens intermunicipais por modelos analíticos, os dados coletados em uma pesquisa de preferência declarada são utilizados para modelagem da propensão à escolha modal. Finalmente, uma proposta de formulação para o cálculo dos principais itens de custos e benefícios de uma avaliação socioeconômica para o transporte ferroviário de passageiros viabiliza a análise de cenários em função de produtividade da construção da infraestrutura, variabilidade dos investimentos estimados e capacidade de atração de demanda reprimida. Os resultados dos cenários indicam que a diferença entre os benefícios estritamente econômicos (receita operacional e valor residual dos investimentos em infraestrutura) e os custos de construção e operacionais são negativos para qualquer tarifa ferroviária, apesar dos resultados para a rede de HSTs serem maiores do que para a de HPTs. Considerando os aspectos sociais, os benefícios totais da operação ferroviária sobrepõem-se aos seus custos em situações tarifárias específicas, novamente com resultados maiores para uma rede de HSTs, cuja tendência também é observada quando apenas os benefícios sociais são relacionados com custos totais através de uma Razão Benefício-Custo (Benefit-Cost Ratio - BCR). Portanto, segundo as premissas desta tese, há indícios que o investimento em uma infraestrutura ferroviária aparentemente não é uma decisão promissora em termos de viabilidade socioeconômica, apesar da operação de HSTs ser mais conveniente do que HPTs nas condições analisadas. / The major use of the Brazilian railway network for freight transport and its incompatibi-lity with high speed trains does not enable running competitive services of intercity passenger transport. The research question of this thesis is which rolling stock technology provides better socioeconomic results on a new intercity passenger network with exclusive operation of High Performance Trains (HPTs) or High Speed Trains (HSTs) with average speeds of 150 km/h and 300 km/h respectively. The hypothesis is that the difference between the socioeconomic benefits and costs of operating HSTs results in positive values and greater than those from the operation of HPTs given specific socioeconomic parameters and a hypothetical network in the Southeastern region of Brazil. The main goal of this research is to estimate and compare the major socioeconomic costs and benefits of a hypothetical railway network by first estimating the required investments of new alignments. Furthermore, the number of trips among cities in the Southeastern Region over a strategic planning horizon and the mode choice are estimated and a Cost-Benefit Analysis formulation is provided to be applied to scenarios of exclusive operation of HPTs or HSTs. The solution of the railway alignment optimization problem with a parallel computing approach applied to a Genetic Algorithm shows that the infrastructure investments vary mainly due to the topography, whereas the expropriation costs are proporti-onally small and the railway geometric constraints do not significantly affect the results. The number of trips by transport mode over a planning horizon is expanded analytically and the collected data of a stated preference survey is applied to a mode choice modeling approach. Finally, a formulation for the major items of costs and benefits of a socioeconomic assessment for a rail passenger transport project is proposed and it is applied to specific scenarios where the effects of the infrastructure building productivity, variability of the estimated investments, and the ability to attract new passengers are analyzed. The results from these scenarios show that the difference between the operating income and the net residual value of investments in infrastructure, construction and operating costs are negative for any rail fare, despite the results for the network of HSTs being higher than for HPTs. Furthermore, the overall benefits of the railway operation outweigh the costs in specific pricing policies with better results for a network operating HSTs. This trend is also noticed when only the social benefits are compared to the total costs by a Benefit-Cost Ratio (BCR). Therefore, there is evidence that the investment in railway infrastructure for passenger transport apparently is not a promising decision in terms of socioeconomic feasibility under the assumptions of this thesis, despite the operation of HSTs being more attractive than HPTs under the specified conditions.

Atualmente, com a melhoria das técnicas de paralelização, cada vez mais vem sendo empregado o uso de clusteres de computadores para programas exigentes de alta performance. Porém, para um programa rodar adequadamente em paralelo, o mesmo deve ser escrito de maneira paralelizável. A proposta deste trabalho é o desenvolvimento de uma plataforma computacional que facilite a escrita de programas orientados à análise de dados climáticos e simulações de fenômenos atmosféricos escritos em paralelo. A plataforma foi pensada de maneira a ser o mais exível possível, permitindo que novas funcionalidades sejam adicionadas através de plugins. Em um futuro próximo, pretende-se disponibilizá-la para uso público com licença GNU General Public License (GNU GPL) e código aberto. Para demonstrar seu potencial de uso, foi realizado um estudo exploratório com dados provenientes do projeto de reanálise Twentieth Century Reanalysis version 2 (20CRv2). Tal estudo visa obter informações sobre que parâmetros e escalas de tempo são importantes para a descrição do fenômeno da zona de convergência do Atlântico sul (ZCAS). / Since parallel computing technologies are improving very fast, computer clusteres are getting more and more employed for highly demanding computational tasks. Nevertheless, for a software to run in a cluster, it needs to be written in a parallel way, which is not necessarily a simple task. Therefore, the aim of this work is to develop a computer platform capable of manipulating, analysing and evaluating climate observational data and controlling simulation in a parallel manner. Features can be added to the platform through plugins, making it very exible and extensible for a very large range of tasks. A simple application is purposed to demonstrate the platform's potential uses. The application consists of a exploratory study of data from the 20th century reanalysis project concerning the South American Convergence Zone (SACZ), a very important phenomena in the south hemisphere.

Balanceamento de carga é essencial para que aplicações paralelas tenham desempenho adequado. Conforme sistemas de computação paralelos crescem, o custo de uma má distribuição de carga também aumenta. Porém, o comportamento dinâmico que a carga computacional possui em certas aplicações pode induzir disparidades na carga atribuída a cada recurso. Portanto, o repetitivo processo de redistribuição de carga realizado durante a execução é crucial para que problemas de grande escala que possuam tais características possam ser resolvidos. Medidas que quantifiquem a distribuição de carga são um importante aspecto desse procedimento. Por estas razões, métricas frequentemente utilizadas como indicadores da distribuição de carga em aplicações paralelas são investigadas nesse estudo. Dado que balanceamento de carga é um processo dinâmico e recorrente, a investigação examina como tais métricas quantificam a distribuição de carga em intervalos regulares durante a execução da aplicação paralela. Seis métricas são avaliadas: percent imbalance, imbalance percentage, imbalance time, standard deviation, skewness e kurtosis. A análise revela virtudes e deficiências que estas medidas possuem, bem como as diferenças entres as mesmas como descritores da distribuição de carga em aplicações paralelas. Uma investigação como esta não tem precedentes na literatura especializada. / Load balance is essential for parallel applications to perform at their highest possible levels. As parallel systems grow, the cost of poor load distribution increases in tandem. However, the dynamic behavior the distribution of load possesses in certain applications can induce disparities in computational loads among resources. Therefore, the process of repeatedly redistributing load as execution progresses is critical to achieve the performance necessary to compute large scale problems with such characteristics. Metrics quantifying the load distribution are an important facet of this procedure. For these reasons, measures commonly used as load distribution indicators in HPC applications are investigated in this study. Considering the dynamic and recurrent aspect in load balancing, the investigation examines how these metrics quantify load distribution at regular intervals during a parallel application execution. Six metrics are evaluated: percent imbalance, imbalance percentage, imbalance time, standard deviation, skewness, and kurtosis. The analysis reveals the virtues and deficiencies each metric has, as well as the differences they register as descriptors of load distribution progress in parallel applications. As far as we know, an investigation as the one performed in this work is unprecedented.

Um problema que vem se tornando habitual em análise geoestatística é a quantidade crescente de observações. Em tais casos é comum que estimadores usualmente utilizados não possam ser empregados devido a dificuldades numéricas. Esta tese têm por objetivo propor um novo estimador para massivas observações em geoestatística: o estimador subsemble espacial. O estimador subsemble espacial seleciona várias subamostras, espacialmente estruturadas, do conjunto completo de dados. Cada subamostra estima com facilidade os parâmetros do modelo e as estimativas resultantes são ponderadas através de um subconjunto de validação. Em estudos simulados, compara-se a metodologia proposta com outros métodos e os resultados apresentam sua acurácia e rapidez. Além disso, uma aplicação em um banco de dados reais, com 11.000 observações, confirma essas características. / A problem that is becoming common in geostatistical analysis is the growing number of observations. In such cases, common estimators cannot be used due to numerical difficulties. This thesis proposes a new estimator for massive observations in geostatistics: the spatial subsemble estimator. The estimator selects small spatially structured subset of observations. The model parameters are estimated easily with each subsample, and the resulting estimates are weighted by a subset of validation. We compare the spatial subsemble with competing alternatives showing that it is faster and accurate. In addition, we present an application in a real database with 11000 observations.

Apesar do aumento constante da largura de banda das tecnologias de rede de computadores as aplicações de processamento paralelo ainda necessitam de uma latência de comunicação mais baixa que a oferecida. Este aspecto não tem sido contemplado por estas tecnologias de rede pois está relacionado à maneira como o sistema operacional utiliza-se dos recursos do hardware com relação aos dados enviados pelas aplicações dos usuários. Neste trabalho apresentamos um estudo da técnica para diminuição desta latência e as características necessárias para implementação deste tipo de sistemas, incluindo mecanismos de transferência de dados, técnicas para tradução de endereços, proteção, transferência de controle, grau de confiabilidade e implementação de \"Multicasting\". Apresentamos também o estudo de um sistema já implementado, chamado M-VIA, comparando seu desempenho com o TCP/IP tradicional. / Despite the constant bandwidth increase in computer networks parallel processing tasks still require a lower communication latency than offered. This necessity has not been addressed by these network technologies because it is related to how operating systems use hardware resources to send user data through network. In this work we present strategies to lower latency and the requirements to implement these systems, including data transfer mechanisms, address translation , security, control transfer, reliability and \"Multicasting\" deployment . We also present a ready to use system, M-VIA, comparing it to traditional TCP/IP performance.

Este trabalho apresenta uma ferramenta orientada ao objeto para o monitoramento de cargas em sistemas paralelos. O desenvolvimento desta ferramenta surgiu com o intuito de facilitar a programação paralela em sistemas distribuídos como NOWs, Networks of Workstations , e Grids computacionais, pois este tipo de programação é bem mais difícil do que a seqüencial e, por isso, desestimula novos programadores a desenvolver aplicações paralelas. Dentre as razões que tornam a programação paralela difícil destaca-se o balanceamento de cargas em que se quer maximizar a utilização dos recursos computacionais do sistema distribuído. Outro motivo para o programador de aplicações paralelas se preocupar com balanceamento de cargas é o desempenho, que é drasticamente afetado com o desequilíbrio de cargas do sistema. Com relação ao tempo em que as decisões de rebalanceamento de cargas são tomadas, os algoritmos de distribuição de cargas podem ser estáticos, realizados em tempo de compilação, ou dinâmicos, efetuados em tempo de execução. Embora o algoritmo estático não gere sobrecarga em tempo de execução na distribuição de carga, o dinâmico é a melhor escolha, pois se adapta bem em qualquer situação. Assim, o sistema de monitoramento de cargas surge como uma ferramenta de auxílio ao programador que deseje implementar algoritmos de balanceamento dinâmico de cargas nas suas aplicações paralelas, provendo informações de como os recursos computacionais do sistema distribuído estão sendo utilizados. / This work presents an object oriented tool for load monitoring in parallel systems. This tool was developed with intention to easy the parallel programming in distributed systems like NOWs (Networks of Workstations) and Computational Grids, because this type of programming is more difficult than the sequential and, therefore, it does not stimulate new programmers to develop parallel softwares. One of the most important reasons why parallel programming is difficult is the worry about load balancing where the purpose is to maximize the use of the computational resources of the distributed system. Another reason for the programmer of parallel softwares to worry about load balancing is the performance, which is drastically affected with the load imbalance of the system. With respect to the time where the decisions of load balancing are made, the load distribution algorithms can be static, done at compilation time, or dynamic, done at execution time. Although the static algorithm does not generate overhead at execution time, the dynamic one is a better choice, because it adapts well to any situation. Thus, the monitoring system appears as a tool to aid the programmer who desires to implement dynamic load balancing algorithms in his or her parallel softwares, providing information on how the computational resources of the distributed system are being used.

In spite of the many discoveries made in neuroscience, the mechanism by which memories are formed is still unclear. To better understand how some disorders of the brain arise, it is necessary to improve our knowledge of memory formation in the brain. With the aid of a biological experiment, an artificial neural network is developed to provide insight into how information is stored and recalled. In particular, the bi-conditional association of distinct spatial and non-spatial information is examined using computational techniques. The thesis defines three versions of a computational model based on a combination of feedforward and recurrent neural networks and a biologically-inspired spike time dependent plasticity learning rule. The ability of the computational model to store and recall the bi-conditional object-space association task through reward-modulated plastic synapses is numerically investigated. Further, the network's response to variation of certain parameter values is numerically addressed. A parallel algorithm is introduced to reduce the running time necessary to test the robustness of this artificial neural network. The numerical results produced with this algorithm are then analyzed by a statistical approach, and the network's ability for learning is assessed.

The main aim of the project is to launch multiple processes and have those processes communicate with each other using peer to peer communication to eliminate the problems of multiple processes running on a single server, and multiple processes running on inhomogeneous servers as well as the problems of scalability. This entire process is done using MPICH which is a high performance and portable implementation of Message Passing Interface standard. The project involves setting up the passwordless authentication between two local servers with the help of SSH connection. By establishing a peer to peer communication and by using a unique shell script which is written using MPICH and its derivatives, I am going to demonstrate the process of inter-process communication between the servers.

Current heterogeneous CPU-GPU architectures integrate general purpose CPUs and highly thread-level parallelized GPUs (Graphic Processing Units) in the same die. This dissertation focuses on improving the energy efficiency and performance for the heterogeneous CPU-GPU system. Leakage energy has become an increasingly large fraction of total energy consumption, making it important to reduce leakage energy for improving the overall energy efficiency. Cache occupies a large on-chip area, which are good targets for leakage energy reduction. For the CPU cache, we study how to reduce the cache leakage energy efficiently in a hybrid SPM (Scratch-Pad Memory) and cache architecture. For the GPU cache, the access pattern of GPU cache is different from the CPU, which usually has little locality and high miss rate. In addition, GPU can hide memory latency more effectively due to multi-threading. Because of the above reasons, we find it is possible to place the cache lines of the GPU data caches into the low power mode more aggressively than traditional leakage management for CPU caches, which can reduce more leakage energy without significant performance degradation. The contention in shared resources between CPU and GPU, such as the last level cache (LLC), interconnection network and DRAM, may degrade both CPU and GPU performance. We propose a simple yet effective method based on probability to control the LLC replacement policy for reducing the CPU’s inter-core conflict misses caused by GPU without significantly impacting GPU performance. In addition, we develop two strategies to combine the probability based method for the LLC and an existing technique called virtual channel partition (VCP) for the interconnection network to further improve the CPU performance. For a specific graph application of Breadth first search (BFS), which is a basis for graph search and a core building block for many higher-level graph analysis applications, it is a typical example of parallel computation that is inefficient on GPU architectures. In a graph, a small portion of nodes may have a large number of neighbors, which leads to irregular tasks on GPUs. These irregularities limit the parallelism of BFS executing on GPUs. Unlike the previous works focusing on fine-grained task management to address the irregularity, we propose Virtual-BFS (VBFS) to virtually change the graph itself. By adding virtual vertices, the high-degree nodes in the graph are divided into groups that have an equal number of neighbors, which increases the parallelism such that more GPU threads can work concurrently. This approach ensures correctness and can significantly improve both the performance and energy efficiency on GPUs.

We solve initial boundary value problems with information unavailable at random time-steps. The randomly unavailable information represents asynchrony between processing elements. To approximate the initial boundary value problem, finite difference operators with summation-by-parts proper-ties and weak boundary procedures are used. Utilizing the energy method, we derive energy estimates for synchronous and asynchronous problems. The simulations show that the solutions may remain accurate and stable, even in the asynchronous case.