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Computação Numérica e Programação Distribuída SIADM Nuno Pereira ESTIG - ADM.

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Apresentação em tema: "Computação Numérica e Programação Distribuída SIADM Nuno Pereira ESTIG - ADM."— Transcrição da apresentação:

1 Computação Numérica e Programação Distribuída SIADM Nuno Pereira ESTIG - ADM

2 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 2 Conteúdo da Apresentação Computação Numérica –Porquê? –Como? –Onde? –Problemas. –Tendências. Programação Distribuída –Porquê? –Como? –Modelos. –Metodologia. –Problemas. –Evolução. –Ferramentas. –Aplicações.

3 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 3 Computação Numérica: Porquê? Modelos matemáticos complexos –Problemas sem solução analítica Ex.: Equações diferenciais. –Elevado número de equações Ex.: Simulação de sistemas de partículas. –Quantidade de dados elevada Ex.: Inversão de uma matriz de 10000x10000.

4 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 4 Computação Numérica: Como?

5 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 5 Computação Numérica: Como? Utilização de métodos numéricos: –Resolução de equações não-lineares. –Integração e diferenciação. –Sistemas de equações lineares e não-lineares. –Equações diferenciais (ordinárias e parciais). –Interpolação e extrapolação.

6 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 6 Computação Numérica: Como? Ferramentas de Cálculo Numérico: –Mathematica © – Axiom © –Mapple © – Gauss © –MatLab © Bibliotecas de Funções –NAG © –LAPACK © –LINPACK ©

7 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 7 Computação Numérica: Onde? Investigação Científica Astrofísica –Formação e evolução de um enxame de galáxias –http://www.lanl.gov

8 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 8 Computação Numérica: Onde? Investigação Científica Cosmologia –Evolução de larga escala. –Simulação de 17 milhões de partículas num cenário CDM. –http://www.lanl.gov

9 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 9 Computação Numérica: Onde? Investigação Científica Visualização –Rotação de 16.7 milhões de partículas numa caixa de 100 Mpc (simul. CDM) –http://www.lanl.gov

10 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 10 Computação Numérica: Onde? Investigação Científica Química –Dinâmica Molecular –Ex: Simulação do bombardeamento de uma superfície de Si por fluoreno (5 KeV). –hppt://cnlswww.lanl.gov/ ~deardm/MolecularDynamics/ index.html

11 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 11 Computação Numérica: Onde? Investigação Científica Química –Dinâmica Molecular –Ex.: Impacto (500 eV) de fluoreno em grafite (C60)

12 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 12 Computação Numérica: Onde? Investigação Científica Bioquímica –Métodos computacionais para estudo de processos de catálise de enzimas –http://indigo15.carb.mst. gov/hpcc/proj-1.html

13 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 13 Computação Numérica: Onde? Investigação Científica Geofísica: –Modelos do Clima –Ex: Modelo de Circulação Geral da Atmosfera (Meteorological Research Institute) –http://mriim1.mri-jma.go.jp

14 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 14 Computação Numérica Problemas de Atitude We assume that because a problem is familiar, it is no longer a problem. Guckenheimer [2]. Simulações complexas supondo que os métodos são fiáveis ! Utilização de bibliotecas numéricas como produtos acabados. Necessidade de continuar a investigar algoritmos.

15 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 15 Computação Numérica Problemas na Abordagem As questões de análise numérica não são consideradas centrais: –Para alguns matemáticos são inferiores à demonstração de teoremas. –Os cientistas da computação dedicam a sua atenção a problemas de linguística e de tecnologia de informação. –Os cientistas computacionais de outras disciplinas acreditam que a Lei de Moore resolverá os seus problemas.

16 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 16 Computação Numérica Problemas nas simulações Simulações ambiciosas: –Modelo global do clima. –Automóvel completo. –Redes de energia eléctrica. –Batalhas militares. –Mercado de acções. –Cérebro humano. –Universo. Obstáculos: –Interacção entre Subsistemas. –Multiplicidade de Escalas. –Efeito de Incerteza.

17 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 17 Computação Numérica Problemas nas simulações

18 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 18 Computação Numérica Tendências Presente: –Previsões quantitativas das modernas teorias. Futuro: –Modelos computacionais como modo dominante de expressão de teorias científicas. Posicionamento: –reforço nas ciências da computação; essencial para o reforço destas junto das ciências e tecnologia. Praticar Computação Numérica com consciência.

19 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 19 Computação Numérica Problemas não numéricos associados Ordenação de dados –Aplicações estatísticas. Geração de Malhas –Mecânica de estruturas e dinâmica de fluidos (elementos finitos). Movimentação de dados no computador Limitação da velocidade de cálculo Computação Distribuída

20 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 20 Computação Distribuída: Porquê? Dividir para Reinar Distribuir o domínio de computação por vários Elementos Processadores. Distribuir a carga computacional por vários EPs

21 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 21 Computação Distribuída: Como? Modelos de Programação Distribuída [1] Message Passing –Criação de múltiplas tarefas com dados locais que comunicam através de mensagens. Data Paralelism –Explora a aplicação da mesma operação vários elementos de uma estrutura de dados. Shared Memory –Todas as tarefas partilham o mesmo espaço de endereçamento.

22 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 22 Computação Distribuída Metodologia (PCAM) [1] Partição do problema –Identificar oportunidades de paralelização. Comunicação –Definição das estruturas de comunicação para a execução da tarefa. Aglomeração de tarefas –Optimizar a eficiência (atendendo à classe do modelo). Mapeamento –Distribuição das tarefas por processador.

23 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 23 Computação Distribuída: Problemas. Objectivos a cumprir –Escalabilidade –Eficiência –Balanço de Esforço computacional. –Portabilidade. Lei de Amdahl –O aumento de velocidade está limitado pela componente sequencial. Comunicação entre processadores –Largura de banda –Tempos mortos.

24 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 24 Computação Distribuída Ferramentas de desenvolvimento PVM: Parallel Virtual Machine [1]. MPI: Message Passing Interface [1]. –Disponíveis para Linux [3], [4]. DIPC –Integrado em futuras versões de Linux [5]. Compositional C++ Fortran M –extensões para programação dist. [1]. HPF: High Performance Fortran –extensão do F90.

25 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 25 Programação Distribuída: Evolução Informação retirada de [6] correspondente a 34 máquinas já não disponíveis comercialmente.

26 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 26 Programação Distribuída: Evolução Mercado altamente competitivo. Menos recursos financeiros para adquirir sistemas. Relação preço/desempenho está a baixar.

27 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 27 Programação Distribuída: Um exemplo: CM-2 Thinking Machines Corporation Ano de introdução:1987 Ano de saída: 1991 Número máximo de processadores: 64K Velocidade de pico (teórica): 31 GFlop/s Referência [6].

28 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 28 Computação Distribuída: Aplicações. Engenharia Aeroespacial. Análise e Modelação Comercial. Engenharia do Ambiente. Tecnologia Médica. Indústria dos Combustíveis. Processos Industriais. Visualização e Multimédia (video servers).

29 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 29 Computação Distribuída: Aplicações UFAT: Usteady Flow Analysis Toolkit –Simulações numéricas 3D de fluxos não estacionários. –CFD: Computational fluid dynamics. FAST: Flow Analysis Software Toolkit –Análise de dados de de simulações de CFD. –Construção de objectos 3D e animação.

30 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 30 Computação Distribuída: Aplicações Engenharia Aeronáutica Simulação numérica do fluxo em torno de uma asa delta.

31 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 31 Computação Distribuída: Aplicações Aeronáutica Simulação numérica do fluxo nas pás de um V-22.

32 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 32 Computação Distribuída: Aplicações Engenharia Aeroespacial FEL: Field Encapsulation Library –Representação de campos e malhas. –Ex.: Campo de pressão e isolinhas.

33 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 33 Computação Distribuída: Aplicações Simulações CFD - Visualização de dados VWT: Virtual Windtunnel –Utilização da tecnologia de realidade virtual para visualização de resultados de CFD.

34 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 34 Desafios do Futuro Programação: –Desenvolvimento de Algoritmos Distribuídos –Ferramentas de apoio ao programador –Ambientes de trabalho distribuídos –Sistemas operativos distribuídos Hardware –Arquitecturas distribuídas –Redes de elevada largura de banda –Hardware específico Ex.: GRAPE para simulação de sistemas de partículas.

35 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 35 Programação Distribuída Conclusões Programação Distribuída Futuro da computação: –Aplicações científicas e comerciais. Investigação: –Pura e aplicada. Oportunidades de trabalho: –Científico e comercial.

36 SIADM - Computação Numérica e Programação Distribuída 36 Referências [1] Foster, I.: Designing and Building Parallel Programs. Addison- Wesley, [2] Guckenheimer, J.: Numerical Computation In the Information Age. SIAM NEWS, June [3] Konchady, M.: Parallel Computing Using Linux. Linux Journal, 78-81, Jan [4] Sevenich, R. A.: Parallel Processing using Linux. Linux Journal, 14-18, Jan [5] Sharifi, M., Karimi, K.: DIPC: The Linux Way of Distributed Programming. ---Linux Journal, 10-17, Jan [6] Van der Steen, A. J.: Overview of recent supercomputers. National Computing Facilities Foundation, The Netherlands, 1998.


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