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Title: TerraME HPA : uma arquitetura de alto desempenho para simulação paralela de modelos ambientais.
Authors: Silva, Saulo Henrique Cabral
metadata.dc.contributor.advisor: Carneiro, Tiago Garcia de Senna
Lima, Joubert de Castro
Keywords: Modelagem ambiental
Computação de alto desempenho
Programação paralela - computação
Ciências ambientais - modelos matemáticos
Issue Date: 2014
Citation: SILVA, S. H. C. TerraME HPA : uma arquitetura de alto desempenho para simulação paralela de modelos ambientais. 2014. 91 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Instituto de Ciências Exatas e Biológicas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2014.
Abstract: O contínuo aumento da complexidade dos modelos ambientais pode demandar o uso de múltiplos paradigmas de modelagem para descrever as interações entre sociedade e natureza. Além disto, o crescente volume de dados e de cálculos utilizados nestes modelos exige que as simulações tirem máximo proveito do paralelismo de hardware existente em arquiteturas multiprocessador e multicomputador. Neste contexto, este trabalho apresenta e avalia uma abordagem para o desenvolvimento e simulação de modelos ambientais concorrentes e baseados em múltiplos paradigmas. O objetivo principal é gerar simulações escaláveis e o objetivo secundário é produzir modelos concorrentes flexíveis. Isto é, modelos que possam ser facilmente verificados e evoluídos. A abordagem proposta consiste na tradução automatizada do código anotado do modelo sequencial em um código paralelo passível de ser executado por uma máquina virtual, cujo modelo de concorrência e mecanismo para balanceamento de carga independam dos paradigmas de modelagem utilizados. Para implementar esta abordagem, a plataforma de modelagem e simulação ambiental TerraME foi estendida de duas formas, dando origem a plataforma TerraME HPA (High Perfomance Architecture). Primeiro, a ela foi adicionada um pré-processador que traduz o código anotado dos modelos em programas concorrentes na linguagem de programação Lua. Depois, o interpretador Lua originalmente distribuído com o TerraME foi substituído pelo interpretador MOOM, também desenvolvido neste trabalho. O MOOM utiliza o mecanismo de bag-of-tasks para executar funções Lua em paralelo. Desta forma, ele reduz o nível de concorrência programado pelos modeladores e distribui a carga de trabalho das simulações entre os processadores disponíveis em hardware. Finalmente, vários benchmarks selecionados na literatura foram utilizados para avaliar o desempenho e a escalabilidade de diferentes plataformas de programação concorrente na linguagem Lua (ALua, Lane, Luaproc e MOOM) e de diferentes plataformas destinadas ao desenvolvimento simulações ambientais de alto desempenho: TerraME HPA, Repast HPC e D-MASON versões 1.5 e 2.1. Os resultados evidenciam que, quando comparados aos trabalhos correlatos, o interpretador MOOM e a plataforma TerraME HPA apresentaram uma escalabilidade muito boa em todos os cenários avaliados. As aplicações Lua resultantes desta abordagem são flexíveis, pois ao ignorar as anotações, os interpretadores permitem que elas sejam verificadas e evoluídas sequencialmente. ________________________________________________________________________________________________________________
ABSTRACT: The continuous increase in the complexity of environmental models can require the use of multiple modeling paradigms to describe the interactions between society and nature. Moreover, the growing volume of data and calculations used in these models requires that the simulations take full advantage of existing hardware parallelism on multiprocessor and multicomputer architectures. In this context, this paper presents and evaluates an approach to the development and simulation of concurrent environmental models based on multiple paradigms. The main objective is to generate scalable simulations and the secondary objective is to produce flexible concurrent models. That is, models which can be easily verified and extended. The proposed approach consists in performing the automated translation of the annotated code from the sequential model into a parallel code that can be executed by a virtual machine, which concurrency model and mechanism for load balancing are independent of the modeling paradigms used in the models. To implement this approach, the modeling and simulation platform TerraME was extended in two ways, giving rise to the TerraME HPA (High Perfomance Architecture) platform. First, it was added a pre-processor that translates the annotated codes into concurrent programs on the Lua programming language. Then, the Lua interpreter originally distributed with TerraME was replaced by the interpreter MOOM, also developed in this work. The MOOM uses the bag-of-tasks mechanism to run Lua functions in parallel. Thus, it reduces the level of concurrency programmed by modelers and distributes the simulation workload among the processors available in hardware. Finally, a number of benchmarks selected from literature were used to evaluate the performance and scalability of different platforms for concurrent programming in Lua (ALUA, Lane, Luaproc, and MOOM) and of different platforms for the development of high performance environmental simulations: TerraME HPA, Repast HPC and D-MASON versions 1.5 and 2.1. The results show that, when compared to related work, the interpreter MOOM and the platform TerraME HPA presents very good scalability in all evaluated scenario. The Lua applications resulting from this approach are flexible, because ignoring the annotations inserted in their codes, interpreters allow them to be verified and evolved sequentially.
Description: Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação. Departamento de Ciência da Computação, Instituto de Ciências Exatas e Biológicas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/5664
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