Aceleración de Algoritmos en Procesadores Multicore, GPGPU y FPGA. Algorithm Acceleration with Multicore, GPGPU and FPGA Processors.

El avance en la potencia de cómputo en nuestros días viene dado por la paralelización del procesamiento, dadas las características que disponen las nuevas arquitecturas de hardware. Utilizar convenientemente este hardware impacta en la aceleración de los algoritmos en ejecución (programas). Sin embargo, convertir de forma adecuada el algoritmo en su forma paralela es complejo, y a su vez, esta forma, es específica para cada tipo de hardware paralelo. En la actualidad los procesadores de uso general más comunes son los multicore, procesadores paralelos, también denominados Symmetric Multi-Processors (SMP). Hoy en día es difícil hallar un procesador para computadoras de escritorio que no tengan algún tipo de paralelismo del caracterizado por los SMP, siendo la tendencia de desarrollo, que cada día nos encontremos con procesadores con mayor numero de cores disponibles. Por otro lado, los dispositivos de procesamiento de video (Graphics Processor Units - GPU), a su vez, han ido desarrollando su potencia de cómputo por medio de disponer de múltiples unidades de procesamiento dentro de su composición electrónica, a tal punto que en la actualidad no es difícil encontrar placas de GPU con capacidad de 200 a 400 hilos de procesamiento paralelo. Estos procesadores son muy veloces y específicos para la tarea que fueron desarrollados, principalmente el procesamiento de video. Sin embargo, como este tipo de procesadores tiene muchos puntos en común con el procesamiento científico, estos dispositivos han ido reorientándose con el nombre de General Processing Graphics Processor Unit (GPGPU). A diferencia de los procesadores SMP señalados anteriormente, las GPGPU no son de propósito general y tienen sus complicaciones para uso general debido al límite en la cantidad de memoria que cada placa puede disponer y al tipo de procesamiento paralelo que debe realizar para poder ser productiva su utilización. Los dispositivos de lógica programable, FPGA, son dispositivos capaces de realizar grandes cantidades de operaciones en paralelo, por lo que pueden ser usados para la implementación de algoritmos específicos, aprovechando el paralelismo que estas ofrecen. Su inconveniente viene derivado de la complejidad para la programación y el testing del algoritmo instanciado en el dispositivo. Ante esta diversidad de procesadores paralelos, el objetivo de nuestro trabajo está enfocado en analizar las características especificas que cada uno de estos tienen, y su impacto en la estructura de los algoritmos para que su utilización pueda obtener rendimientos de procesamiento acordes al número de recursos utilizados y combinarlos de forma tal que su complementación sea benéfica. Específicamente, partiendo desde las características del hardware, determinar las propiedades que el algoritmo paralelo debe tener para poder ser acelerado. Las características de los algoritmos paralelos determinará a su vez cuál de estos nuevos tipos de hardware son los mas adecuados para su instanciación. En particular serán tenidos en cuenta el nivel de dependencia de datos, la necesidad de realizar sincronizaciones durante el procesamiento paralelo, el tamaño de datos a procesar y la complejidad de la programación paralela en cada tipo de hardware. Today´s advances in high-performance computing are driven by parallel processing capabilities of available hardware architectures. These architectures enable the acceleration of algorithms when thes ealgorithms are properly parallelized and exploit the specific processing power of the underneath architecture. Most current processors are targeted for general pruposes and integrate several processor cores on a single chip, resulting in what is known as a Symmetric Multiprocessing (SMP) unit. Nowadays even desktop computers make use of multicore processors. Meanwhile, the industry trend is to increase the number of integrated rocessor cores as technology matures. On the other hand, Graphics Processor Units (GPU), originally designed to handle only video processing, have emerged as interesting alternatives to implement algorithm acceleration. Current available GPUs are able to implement from 200 to 400 threads for parallel processing. Scientific computing can be implemented in these hardware thanks to the programability of new GPUs that have been denoted as General Processing Graphics Processor Units (GPGPU).However, GPGPU offer little memory with respect to that available for general-prupose processors; thus, the implementation of algorithms need to be addressed carefully. Finally, Field Programmable Gate Arrays (FPGA) are programmable devices which can implement hardware logic with low latency, high parallelism and deep pipelines. Thes devices can be used to implement specific algorithms that need to run at very high speeds. However, their programmability is harder that software approaches and debugging is typically time-consuming. In this context where several alternatives for speeding up algorithms are available, our work aims at determining the main features of thes architectures and developing the required know-how to accelerate algorithm execution on them. We look at identifying those algorithms that may fit better on a given architecture as well as compleme

Estudios sobre la Formación y Evolución Estelar

La evolución estelar, si bien en sus aspectos más generales aparecen como bien comprendida de acuerdo a ciertos lineamientos teóricos, presenta en contrapartida etapas enigmáticas y detalles particulares que aún no han sido develados en su totalidad. Entre estos últimos aspectos podríamos incluir: a) Evolución de sistemas binarios cerrados, en los que la pérdida del momentro angular y la transferencia de masa entre las componentes altera sus características iniciales; b) Evolución de la secuencia principal y de las gigantes en cúmulos abiertos, efectos del "fogonazo de helio", pérdida de masa, efectos de la metalicidad, frecuencia de binarias, etcétera. c) Evolución retardada en algunas estrellas denominadas "Blue Stragglers" por uno o más motivos aún no establecidos definitivamente, aunque las evidencias observacionales apuntan a la binaridad como la causa principal de este fenómeno; d) Tasa de formación de estrellas, función inicial de masas, etapas previas a la secuencia principal. (...) Algunas etapas particulares en la evolución de las estrellas son el principal objetivo del presente proyecto. Esto incluye los sistemas binarios cerrados con probables pérdidas de momento angular y transferencia de masa; estrellas evolutivamente rezagadas (blue stragglers) en cúmulos abiertos a fin de determinar las causas de su anormalidad; estrellas de secuencia principal y gigantes rojas en agregados estelares de nuestra galaxia, con el propósito de determinar sus parámetros fundamentales como distancias, edades, metalicidades, probabilidades de pertenencia, etc.; estrellas en etapas de formación, tendiendo a investigar sus características primordiales tales como su variabilidad fotomátrica, la existencia de jets y discos circumestelares y la distribución estadística inicial de masas estelares. Se utilizan para ello las más modernas técnicas observacionales (espectroscópicas y fotométricas) a fin de aportar datos específicos de los diferentes objetos investigados. Finalmente estos datos son cotejados con las predicciones teóricas más actuales de las diferentes etapas de la evolución estelar.

Sistemas aislados gravitacionales

El problema general que nos interesa es el de cuerpos compactos aislados que interaccionan gravitatoriamente. La teoría adecuada para estudiar estos sistemas es la Relatividad General. En esta teoría los sistemas aislados son descriptos por espaciotiempos asintóticamente planos; es así que estudiamos en detalle las propiedades asintóticas de sistemas aislados en relatividad general. Algunos de los puntos específicos a ser investigados son: Proseguiremos con los cálculos para estimar la radiación gravitatoria total emitida en procesos de choque de dos agujeros negros, estudiando el caso de dos masas distintas y con momento angular. Se completarán estudios de sistemas de gravedad linearizada con fuentes distribucionales. Se extenderán los cálculos de soluciones exactas en términos de datos en el infinito nulo futuro al caso de sistemas con carga eléctrica y momento magnético. Se continuará el estudio sobre posibles generalizaciones de la noción de "nice section"; concluyendo el tratamiento de otras nociones de supermomento y el estudio de ecuaciones intrínsecas para justificar variaciones de las ecuaciones de "nice section". Se pretende dar una caracterización general de estructura multipolar para espaciotiempos asintóticamente planos. Se estudiarán propiedades asintóticas del modelo que hemos construido anteriormente para el caso de un sistema binario. Se desea construir un modelo más realista, basado en una solución parcial de las ecuaciones de Einstein aplicables a sistemas binarios. Se pretende implementar un programa de cálculo numérico y representación gráfica que nos permita visualizar por lapsos de tiempos dinámicos extendidos un sistema de ecuaciones de movimiento relativistas. (...) Se formulará un método general de aproximación en el infinito nulo usando como parámetro de pequeñez a la intensidad de radiación máxima emitida por el sistema.

Interacción de la radiación con la materia: Aplicación a la caracterización de materiales

Las tareas de investigación involucran tres subproyectos interdependientes: A. Caracterización de muestras extensas. B. Caracterización de muestras delgadas y multiminares. C. Caracterización de partículas y aplicación a la contaminación ambiental. Se prevé utilizar la técnica de Monte Carlo para predecir espectros de FRX con sistema dispersivo en energías. Este mismo método será utilizado para describir la distribución angular de los electrones retrodifundidos para incidencia normal y no normal, y también para mejorar la descripción de la función distribución de ionizaciones f(pz) utilizando secciones eficaces realistas. Paralelamente, se desarrollarán modelos de los parámetros fo, go y h que determinan la función distribución de ionizaciones f(pz). Del mismo modo, se estudiará la caracterización de muestras delgadas y estratificadas. Para ello se realizarán simulaciones Monte Carlo utilizando los resultados previstos en el párrafo anterior y se harán determinaciones experimentales con la microsonda electrónica de sistemas multilaminares simples y multicomponentes. Se extenderán las aplicaciones del programa MULTI desarrollado en nuestro grupo para cuantificación de muestras extensas, láminas delgadas y partículas. En este sentido se implementará un algoritmo para cuantificar muestras con picos no detectables, se evaluarán los errores en las concentraciones calculadas y se incluirá el reforzamiento por fluorescencia con las líneas K beta. Por otro lado, se implementará de un método de procesamiento de datos para el análisis de partículas en EPMA y su aplicación al estudio de la contaminación ambiental mediante el procesamiento de imágenes para la caracterización morfológica y química de partículas en suspensión, análisis de clusters. El objetivo final es la identificación y caracterización de fuentes de contaminación. Esta tarea será complementada con análisis global de la composición química en muestras de materia particulada mediante FRX, y el estudio de sus parámetros físicos mediante el método de simulación Monte Carlo. Se mejorará la estructura experimental de nuestro laboratorio poniendo en funcionamiento un microscopio electrónico Cambridge Stereoscan cedido por la Universidad de Barcelona conjuntamente con la capacidad analítica que ha sido adquirida para extender sus posibilidades de aplicación, y se instalará un equipo de FRX desarrollado en nuestro grupo con accesorios recientemente adquiridos. El desarrollo y solución de los problemas propuestos permitirá mejorar la formación integral de estudiantes en distintas etapas de su carrera de doctorado y recientemente doctorados, ya que presentan además de un aspecto básico, uno aplicado, pues tienden a la solución de situaciones concretas de interés biológico, ambiental y tecnológico.