A CromoDinâmica Quântica (QCD) é a teoria quântica de campos que descreve as interações fortes entre quarks, que são os constituintes fundamentais das partículas do núcleo atômico. Devido ao caráter peculiar destas interações, o estudo da QCD não pode ser realizado pelos métodos usuais em teorias quânticas de campos, baseados em expansões perturbativas. O estudo não-perturbativo da QCD a partir de primeiros princípios torna-se possível através da formulação de rede da teoria, que equivale a um modelo de mecânica estatística clássica, para o qual podem ser realizadas simulações numéricas através de métodos de Monte Carlo. A área de simulações numéricas da QCD representa uma das maiores aplicações atuais da computação de alto desempenho, sendo realizada nos principais centros computacionais do mundo. As grandes exigências do trabalho de pesquisa nesta área contribuíram inclusive para o desenvolvimento de novas arquiteturas computacionais. O uso de processamento paralelo é vital nessas simulações, principalmente nos casos em que está envolvida a simulação da chamada QCD completa, onde se consideram os efeitos dos quarks dinâmicos. Vários pacotes contendo implementações de algoritmos para o estudo da QCD começam a ser disponibilizados por grupos de pesquisa na área. Nosso foco neste trabalho é voltado para o pacote MILC. Além de fazer uma descrição detalhada da forma de utilização deste pacote, realizamos aqui um acompanhamento da evolução dos métodos empregados, desde o Método de Monte Carlo aplicado no algoritmo de Metropolis até a elaboração do algoritmo RHMC, introduzido recentemente. Fazemos uma comparação de e_ciência entre o RHMC e o algoritmo R, que foi o mais utilizado por décadas. / Quantum ChromoDinamics (QCD) is the quantum field theory that describes the strong interactions between quarks, which are the fundamental constituents of particles in the atomic nucleus. Due to the peculiar characteristic of these interactions, the study of QCD cannot be carried out by usual methods in quantum field theory, which are based on pertubative expansions. The non-pertubative study of QCD from first principles becomes possible through the lattice formulation of the theory, which is equivalent to a classical statistical mechanics model, which in turn can be carried out by numerical simulations using Monte Carlo methods. The field of numerical simulations of QCD is one of the main applications of high performance computing, and is perfomed in most major computational centers around the world. The demanding requirements needed in this field led also to the development of new computational architectures. The use of parallel processing is vital in these types of simulations, especially in cases that involve what is known as full QCD, where the effects of dynamic quarks are taken into account. Several packages with algorithms implemented for the study of QCD have been recently made available by research groups in this field. The focus of this work is the MILC package. Here we make a detailed description of how to use this package and a follow up of the used methods, from the Monte Carlo method applied in the Metropolis algorithm up to the development of the RHMC algorithm, recently introduced. Comparisons are made between the e_ciency of RHMC and the R algorithm, which was the most used in the past decades.

Teste de software desempenha um papel fundamental no processo de produção de um produto de software de qualidade. Com o passar dos anos, diversas técnicas e critérios de teste de software foram desenvolvidos a fim de estabelecer meios e métricas para guiar a criação de casos de teste efetivos, capazes de evidenciar defeitos no produto avaliado. Dentre os principais critérios para teste de software está o Teste de Mutação, que foi amplamente difundido e é tido como uma das abordagens mais eficazes para guiar a criação de conjuntos de casos de teste capazes de revelar defeitos em software. Entretanto, à medida que esse critério possui uma grande efetividade para revelar defeitos, ele peca pelo baixo poder de escalabilidade, o que acaba comprometendo diretamente a sua capacidade de aplicação. Neste sentido, diversos estudos foram desenvolvidos nesta área dedicando-se a aprimorar o seu desempenho e torná-lo uma alternativa viável para aplicação durante a fase de teste de software. Este trabalho apresenta indícios de que a utilização de estruturas complexas de processamento pode apoiar a aplicação do Teste de Mutação. Para tal, foi concebida uma arquitetura que possibilite a aplicação do Teste de Mutação em paralelo. Após a implementação da arquitetura foram avaliados cinco algoritmos de balanceamento de carga responsáveis por controlar a distribuição e execução do Teste de Mutação. Durante a avaliação experimental da arquitetura e dos algoritmos, observou-se que nos piores cenários avaliados foi possível atingir um ganho de desempenho acima de 70% em relação à aplicação sequencial convencional do Teste de Mutação enquanto nos melhores cenários o ganho de desempenho foi acima 95%, contudo, necessitando utilizar-se de uma infraestrutura mais robusta para a execução da arquitetura. / Software testing plays a fundamental role in the development process of quality software systems. Over the years, many software testing techniques and criteria were developed to provide means and metrics to guide the development of effective test cases, able to find defects on the product being assessed. Among major criteria for software testing is the mutation testing, which was broadly broadcast and is likely one of the most effective approaches for creating sets of test cases able to uncover software bugs. However, although mutating testing has a great effectiveness to uncover defects in a product, it suffers from low scalability, which directly compromises its applicability. In this sense, many studies were developed in this area aiming at improving the performance of that criterion and make it a viable alternative for its application throughout the software testing process. This work presents evidence that the use of complex structures of processing can support mutation testing application. For this, it was established an architecture that enables mutation testing to be performed in parallel. After implementing the architecture, five load balance algorithms to controlling the distribution and execution of mutation testing were analyzed. During the experimental evaluation of the architecture and algorithms, it was observed that in the worst evaluated scenarios it was possible to reach a gain in performance of up to 70% in comparison to the conventional application (sequential). In the best scenarios the gain was over 95% in exchange of using a more robust infrastructure for the execution of the architecture.

Teste de software desempenha um papel fundamental no processo de produção de um produto de software de qualidade. Com o passar dos anos, diversas técnicas e critérios de teste de software foram desenvolvidos a fim de estabelecer meios e métricas para guiar a criação de casos de teste efetivos, capazes de evidenciar defeitos no produto avaliado. Dentre os principais critérios para teste de software está o Teste de Mutação, que foi amplamente difundido e é tido como uma das abordagens mais eficazes para guiar a criação de conjuntos de casos de teste capazes de revelar defeitos em software. Entretanto, à medida que esse critério possui uma grande efetividade para revelar defeitos, ele peca pelo baixo poder de escalabilidade, o que acaba comprometendo diretamente a sua capacidade de aplicação. Neste sentido, diversos estudos foram desenvolvidos nesta área dedicando-se a aprimorar o seu desempenho e torná-lo uma alternativa viável para aplicação durante a fase de teste de software. Este trabalho apresenta indícios de que a utilização de estruturas complexas de processamento pode apoiar a aplicação do Teste de Mutação. Para tal, foi concebida uma arquitetura que possibilite a aplicação do Teste de Mutação em paralelo. Após a implementação da arquitetura foram avaliados cinco algoritmos de balanceamento de carga responsáveis por controlar a distribuição e execução do Teste de Mutação. Durante a avaliação experimental da arquitetura e dos algoritmos, observou-se que nos piores cenários avaliados foi possível atingir um ganho de desempenho acima de 70% em relação à aplicação sequencial convencional do Teste de Mutação enquanto nos melhores cenários o ganho de desempenho foi acima 95%, contudo, necessitando utilizar-se de uma infraestrutura mais robusta para a execução da arquitetura. / Software testing plays a fundamental role in the development process of quality software systems. Over the years, many software testing techniques and criteria were developed to provide means and metrics to guide the development of effective test cases, able to find defects on the product being assessed. Among major criteria for software testing is the mutation testing, which was broadly broadcast and is likely one of the most effective approaches for creating sets of test cases able to uncover software bugs. However, although mutating testing has a great effectiveness to uncover defects in a product, it suffers from low scalability, which directly compromises its applicability. In this sense, many studies were developed in this area aiming at improving the performance of that criterion and make it a viable alternative for its application throughout the software testing process. This work presents evidence that the use of complex structures of processing can support mutation testing application. For this, it was established an architecture that enables mutation testing to be performed in parallel. After implementing the architecture, five load balance algorithms to controlling the distribution and execution of mutation testing were analyzed. During the experimental evaluation of the architecture and algorithms, it was observed that in the worst evaluated scenarios it was possible to reach a gain in performance of up to 70% in comparison to the conventional application (sequential). In the best scenarios the gain was over 95% in exchange of using a more robust infrastructure for the execution of the architecture.

O avanço na tecnologia de hardware está permitindo que máquinas SMP de 2 a 8 processadores estejam disponíveis a um custo cada vez menor, possibilitando que a incorporação de tais máquinas em aglomerados de PC's ou até mesmo a composição de um aglomerado de SMP's sejam alternativas cada vez mais viáveis para computação de alto desempenho. O grande desafio é extrair o potencial que tal conjunto de máquinas oferece. Uma alternativa é usar um paradigma híbrido de programação para aproveitar a arquitetura de memória compartilhada através de multihreadeing e utilizar o modelo de troca de mensagens para comunicação entre os nós. Contudo, essa estratégia impõe uma tarefa árdua e pouco produtiva para o programador da aplicação. Este trabalho apresenta o sistema CPAR- Cluster que oferece uma abstração de memória compartilhada no topo de um aglomerado formado por nós mono e multiprocessadores. O sistema é implementado no nível de biblioteca e não faz uso de recursos especiais tais como hardware especializado ou alteração na camada de sistema operacional. Serão apresentados os modelos, estratégias, questões de implementação e os resultados obtidos através de testes realizados com a ferramenta e que apresentaram comportamento esperado. / The advance in hardware technologies is making small configuration SMP machines (from 2 to 8 processors) available at a low cost. For this reason, the inclusion of an SMP node into a cluster of PCs or even clusters of SMPs are becoming viable alternatives for high performance computing. The challenge is the exploitation of the computational resources that these platforms provide. A Hybrid programming paradigm which uses shared memory architecture through multihreading and also message passing model for inter node communication is an alternative. However, programming in such paradigm is very hard. This thesis presents CPAR- Cluster, a runtime system, that provides shared memory abstraction on top of a cluster composed by mono and multiprocessor nodes. Its implementation is at the library level and doesn't require special resources such as particular hardware or operating system moditfications. Models, strategies, implementation aspects and results will be presented.

O avanço na tecnologia de hardware está permitindo que máquinas SMP de 2 a 8 processadores estejam disponíveis a um custo cada vez menor, possibilitando que a incorporação de tais máquinas em aglomerados de PC's ou até mesmo a composição de um aglomerado de SMP's sejam alternativas cada vez mais viáveis para computação de alto desempenho. O grande desafio é extrair o potencial que tal conjunto de máquinas oferece. Uma alternativa é usar um paradigma híbrido de programação para aproveitar a arquitetura de memória compartilhada através de multihreadeing e utilizar o modelo de troca de mensagens para comunicação entre os nós. Contudo, essa estratégia impõe uma tarefa árdua e pouco produtiva para o programador da aplicação. Este trabalho apresenta o sistema CPAR- Cluster que oferece uma abstração de memória compartilhada no topo de um aglomerado formado por nós mono e multiprocessadores. O sistema é implementado no nível de biblioteca e não faz uso de recursos especiais tais como hardware especializado ou alteração na camada de sistema operacional. Serão apresentados os modelos, estratégias, questões de implementação e os resultados obtidos através de testes realizados com a ferramenta e que apresentaram comportamento esperado. / The advance in hardware technologies is making small configuration SMP machines (from 2 to 8 processors) available at a low cost. For this reason, the inclusion of an SMP node into a cluster of PCs or even clusters of SMPs are becoming viable alternatives for high performance computing. The challenge is the exploitation of the computational resources that these platforms provide. A Hybrid programming paradigm which uses shared memory architecture through multihreading and also message passing model for inter node communication is an alternative. However, programming in such paradigm is very hard. This thesis presents CPAR- Cluster, a runtime system, that provides shared memory abstraction on top of a cluster composed by mono and multiprocessor nodes. Its implementation is at the library level and doesn't require special resources such as particular hardware or operating system moditfications. Models, strategies, implementation aspects and results will be presented.

O uso de técnicas de cópia-zero e desvio do sistema operacional permitem a diminuição da latência de comunicação e o aumento da largura de banda. Menores latências e maiores larguras de banda contribuem para que o desempenho das aplicações paralelas seja mais alto, bem como torna-as mais escaláveis. Protocolos de comunicação que utilizam-se destas técnicas são conhecidos como protocolos de comunicação em nível de usuário. Baseado nas experiências de outros grupos de pesquisa na implementação de bibliotecas de comunicação e bibliotecas de programação paralelas sobre VIA e na experiência do GPPD na implementação da biblioteca DECK, este texto apresenta a implementação das primitivas DECK sobre o padrão VIA, o qual é classificado como sendo um protocolo de nível de usuário. O objetivo desta dissertação é implementar o DECK sobre VIA evitando qualquer cópia intermediária na comunicação de uma mensagem, atingindo assim cópia-zero. Dentre as bibliotecas de comunicação sobre VIA, DECK/VIA foi a única biblioteca que teve o compromisso ser totalmente livre de cópias intermediárias, embora houvesse que forçar um sincronismo na comunicação para manter este compromisso. Para a implementação do DECK/VIA, utilizou-se a implementação VI-GM de VIA para redes Myrinet. A biblioteca DECK/VIA demonstrou uma latência de 86.85 μs e uma largura de banda máxima de 205 Mbytes/s, 82% da banda nominal da rede Myrinet. Para validar a biblioteca foi executada a aplicação FT do pacote NPB. Apresenta-se comparações destes resultados frente aos resultados obtidos pela execução da mesma aplicação no DECK/GM, para redesMyrinet e DECK/TCP, para redes Ethernet. Constatou-se que mesmo com uma camada a mais de software e realizando todas as comunicações em três vias em virtude do handshake, DECK/VIA conseguiu valores de speedup bastante próximos de DECK/GM e de DECK/TCP para Gigabit Ethernet, superando os valores de DECK/TCP para Fast Ethernet. Conclui-se que o ideal na implementação de bibliotecas de programação paralela é encontrar uma solução balanceada entre a busca pelo desempenho e a manutenção da semântica original da biblioteca. O trabalho contribuiu com um survey de diversas soluções encontradas por outros grupos no desenvolvimento de bibliotecas de comunicação, que pode servir de guia para outros pesquisadores no desempenho da mesma tarefa. Também contribui com a introdução de um algoritmo para prevenção de deadlocks causados por comunicações síncronas. / Techniques like zero-copy and operating system bypass can decrease communication latency and increase bandwidth. Smaller latencies and greater bandwidths contribute for better performance in parallel applications and became them more scalables as well. Communication protocols using these techiniques are known as user-level communication protocols. Based on experiences from another research groups implementing communication libraries and parallel programming libraries over VIA and experience from GPPD implementing DECK, the text presents the implementation of DECK primitives over VIA standard, which is classified as an user-level protocol. The goal of this master’s thesis is implement DECK over VIA avoiding any intermediate copy between the data source and destination, reaching zero-copy. DECK/VIA is the unique library among all libriaries over VIA here studied totally free of intermediate copies, although a synchronous behavior was forced to keep this compromise. VI-GM, an implementation of VIA for Myrinet networks was used to implement DECK/VIA library. The implementation of DECK/VIA has shown a one-way latency of 86.85 μs and a maximum bandwidth of 205 Mbytes/s, 82% of nominal bandwidth of Myrinet network. To validate the library, the FT application from NPB was executed. Their results were compared with the results obtained with DECK/GM, for Myrinet networks and DECK/TCP, for Ethernet networks. Even with one additional software layer and doing all communication using a handshake, DECK/VIA reaches speedup values very closer of DECK/GMand DECK/TCP on Gigabit Ethernet and was better than DECK/TCP on Fast Ethernet. When implementing parallel programming libraries, we concluded the ideal solution is that meets the good balance between the quest for performance and the keeping of original library’s semantics. This work contibutes with a survey of communication libraries development, their problems and their solutions, which can guide others researchers performing the same task. Also it contributes with an algorithm to prevent deadlocks caused by synchonism.

O uso de técnicas de cópia-zero e desvio do sistema operacional permitem a diminuição da latência de comunicação e o aumento da largura de banda. Menores latências e maiores larguras de banda contribuem para que o desempenho das aplicações paralelas seja mais alto, bem como torna-as mais escaláveis. Protocolos de comunicação que utilizam-se destas técnicas são conhecidos como protocolos de comunicação em nível de usuário. Baseado nas experiências de outros grupos de pesquisa na implementação de bibliotecas de comunicação e bibliotecas de programação paralelas sobre VIA e na experiência do GPPD na implementação da biblioteca DECK, este texto apresenta a implementação das primitivas DECK sobre o padrão VIA, o qual é classificado como sendo um protocolo de nível de usuário. O objetivo desta dissertação é implementar o DECK sobre VIA evitando qualquer cópia intermediária na comunicação de uma mensagem, atingindo assim cópia-zero. Dentre as bibliotecas de comunicação sobre VIA, DECK/VIA foi a única biblioteca que teve o compromisso ser totalmente livre de cópias intermediárias, embora houvesse que forçar um sincronismo na comunicação para manter este compromisso. Para a implementação do DECK/VIA, utilizou-se a implementação VI-GM de VIA para redes Myrinet. A biblioteca DECK/VIA demonstrou uma latência de 86.85 μs e uma largura de banda máxima de 205 Mbytes/s, 82% da banda nominal da rede Myrinet. Para validar a biblioteca foi executada a aplicação FT do pacote NPB. Apresenta-se comparações destes resultados frente aos resultados obtidos pela execução da mesma aplicação no DECK/GM, para redesMyrinet e DECK/TCP, para redes Ethernet. Constatou-se que mesmo com uma camada a mais de software e realizando todas as comunicações em três vias em virtude do handshake, DECK/VIA conseguiu valores de speedup bastante próximos de DECK/GM e de DECK/TCP para Gigabit Ethernet, superando os valores de DECK/TCP para Fast Ethernet. Conclui-se que o ideal na implementação de bibliotecas de programação paralela é encontrar uma solução balanceada entre a busca pelo desempenho e a manutenção da semântica original da biblioteca. O trabalho contribuiu com um survey de diversas soluções encontradas por outros grupos no desenvolvimento de bibliotecas de comunicação, que pode servir de guia para outros pesquisadores no desempenho da mesma tarefa. Também contribui com a introdução de um algoritmo para prevenção de deadlocks causados por comunicações síncronas. / Techniques like zero-copy and operating system bypass can decrease communication latency and increase bandwidth. Smaller latencies and greater bandwidths contribute for better performance in parallel applications and became them more scalables as well. Communication protocols using these techiniques are known as user-level communication protocols. Based on experiences from another research groups implementing communication libraries and parallel programming libraries over VIA and experience from GPPD implementing DECK, the text presents the implementation of DECK primitives over VIA standard, which is classified as an user-level protocol. The goal of this master’s thesis is implement DECK over VIA avoiding any intermediate copy between the data source and destination, reaching zero-copy. DECK/VIA is the unique library among all libriaries over VIA here studied totally free of intermediate copies, although a synchronous behavior was forced to keep this compromise. VI-GM, an implementation of VIA for Myrinet networks was used to implement DECK/VIA library. The implementation of DECK/VIA has shown a one-way latency of 86.85 μs and a maximum bandwidth of 205 Mbytes/s, 82% of nominal bandwidth of Myrinet network. To validate the library, the FT application from NPB was executed. Their results were compared with the results obtained with DECK/GM, for Myrinet networks and DECK/TCP, for Ethernet networks. Even with one additional software layer and doing all communication using a handshake, DECK/VIA reaches speedup values very closer of DECK/GMand DECK/TCP on Gigabit Ethernet and was better than DECK/TCP on Fast Ethernet. When implementing parallel programming libraries, we concluded the ideal solution is that meets the good balance between the quest for performance and the keeping of original library’s semantics. This work contibutes with a survey of communication libraries development, their problems and their solutions, which can guide others researchers performing the same task. Also it contributes with an algorithm to prevent deadlocks caused by synchonism.

O uso de técnicas de cópia-zero e desvio do sistema operacional permitem a diminuição da latência de comunicação e o aumento da largura de banda. Menores latências e maiores larguras de banda contribuem para que o desempenho das aplicações paralelas seja mais alto, bem como torna-as mais escaláveis. Protocolos de comunicação que utilizam-se destas técnicas são conhecidos como protocolos de comunicação em nível de usuário. Baseado nas experiências de outros grupos de pesquisa na implementação de bibliotecas de comunicação e bibliotecas de programação paralelas sobre VIA e na experiência do GPPD na implementação da biblioteca DECK, este texto apresenta a implementação das primitivas DECK sobre o padrão VIA, o qual é classificado como sendo um protocolo de nível de usuário. O objetivo desta dissertação é implementar o DECK sobre VIA evitando qualquer cópia intermediária na comunicação de uma mensagem, atingindo assim cópia-zero. Dentre as bibliotecas de comunicação sobre VIA, DECK/VIA foi a única biblioteca que teve o compromisso ser totalmente livre de cópias intermediárias, embora houvesse que forçar um sincronismo na comunicação para manter este compromisso. Para a implementação do DECK/VIA, utilizou-se a implementação VI-GM de VIA para redes Myrinet. A biblioteca DECK/VIA demonstrou uma latência de 86.85 μs e uma largura de banda máxima de 205 Mbytes/s, 82% da banda nominal da rede Myrinet. Para validar a biblioteca foi executada a aplicação FT do pacote NPB. Apresenta-se comparações destes resultados frente aos resultados obtidos pela execução da mesma aplicação no DECK/GM, para redesMyrinet e DECK/TCP, para redes Ethernet. Constatou-se que mesmo com uma camada a mais de software e realizando todas as comunicações em três vias em virtude do handshake, DECK/VIA conseguiu valores de speedup bastante próximos de DECK/GM e de DECK/TCP para Gigabit Ethernet, superando os valores de DECK/TCP para Fast Ethernet. Conclui-se que o ideal na implementação de bibliotecas de programação paralela é encontrar uma solução balanceada entre a busca pelo desempenho e a manutenção da semântica original da biblioteca. O trabalho contribuiu com um survey de diversas soluções encontradas por outros grupos no desenvolvimento de bibliotecas de comunicação, que pode servir de guia para outros pesquisadores no desempenho da mesma tarefa. Também contribui com a introdução de um algoritmo para prevenção de deadlocks causados por comunicações síncronas. / Techniques like zero-copy and operating system bypass can decrease communication latency and increase bandwidth. Smaller latencies and greater bandwidths contribute for better performance in parallel applications and became them more scalables as well. Communication protocols using these techiniques are known as user-level communication protocols. Based on experiences from another research groups implementing communication libraries and parallel programming libraries over VIA and experience from GPPD implementing DECK, the text presents the implementation of DECK primitives over VIA standard, which is classified as an user-level protocol. The goal of this master’s thesis is implement DECK over VIA avoiding any intermediate copy between the data source and destination, reaching zero-copy. DECK/VIA is the unique library among all libriaries over VIA here studied totally free of intermediate copies, although a synchronous behavior was forced to keep this compromise. VI-GM, an implementation of VIA for Myrinet networks was used to implement DECK/VIA library. The implementation of DECK/VIA has shown a one-way latency of 86.85 μs and a maximum bandwidth of 205 Mbytes/s, 82% of nominal bandwidth of Myrinet network. To validate the library, the FT application from NPB was executed. Their results were compared with the results obtained with DECK/GM, for Myrinet networks and DECK/TCP, for Ethernet networks. Even with one additional software layer and doing all communication using a handshake, DECK/VIA reaches speedup values very closer of DECK/GMand DECK/TCP on Gigabit Ethernet and was better than DECK/TCP on Fast Ethernet. When implementing parallel programming libraries, we concluded the ideal solution is that meets the good balance between the quest for performance and the keeping of original library’s semantics. This work contibutes with a survey of communication libraries development, their problems and their solutions, which can guide others researchers performing the same task. Also it contributes with an algorithm to prevent deadlocks caused by synchonism.