Nested parallelism for multi-core HPC systems using Java

Since its introduction in 1993, the Message Passing Interface (MPI) has become a de facto standard for writing High Performance Computing (HPC) applications on clusters and Massively Parallel Processors (MPPs). The recent emergence of multi-core processor systems presents a new challenge for established parallel programming paradigms, including those based on MPI. This paper presents a new Java messaging system called MPJ Express. Using this system, we exploit multiple levels of parallelism - messaging and threading - to improve application performance on multi-core processors. We refer to our approach as nested parallelism. This MPI-like Java library can support nested parallelism by using Java or Java OpenMP (JOMP) threads within an MPJ Express process. Practicality of this approach is assessed by porting to Java a massively parallel structure formation code from Cosmology called Gadget-2. We introduce nested parallelism in the Java version of the simulation code and report good speed-ups. To the best of our knowledge it is the first time this kind of hybrid parallelism is demonstrated in a high performance Java application. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

A comparative study of Java and C performance in two large-scale parallel applications

In the 1990s the Message Passing Interface Forum defined MPI bindings for Fortran, C, and C++. With the success of MPI these relatively conservative languages have continued to dominate in the parallel computing community. There are compelling arguments in favour of more modern languages like Java. These include portability, better runtime error checking, modularity, and multi-threading. But these arguments have not converted many HPC programmers, perhaps due to the scarcity of full-scale scientific Java codes, and the lack of evidence for performance competitive with C or Fortran. This paper tries to redress this situation by porting two scientific applications to Java. Both of these applications are parallelized using our thread-safe Java messaging system—MPJ Express. The first application is the Gadget-2 code, which is a massively parallel structure formation code for cosmological simulations. The second application uses the finite-domain time-difference method for simulations in the area of computational electromagnetics. We evaluate and compare the performance of the Java and C versions of these two scientific applications, and demonstrate that the Java codes can achieve performance comparable with legacy applications written in conventional HPC languages. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

CONSTRAINING THE NONEXTENSIVE MASS FUNCTION OF HALOS FROM BAO, CMB AND X-RAY DATA

Clusters of galaxies are the most impressive gravitationally-bound systems in the universe, and their abundance (the cluster mass function) is an important statistic to probe the matter density parameter (Omega(m)) and the amplitude of density fluctuations (sigma(8)). The cluster mass function is usually described in terms of the Press-Schecther (PS) formalism where the primordial density fluctuations are assumed to be a Gaussian random field. In previous works we have proposed a non-Gaussian analytical extension of the PS approach with basis on the q-power law distribution (PL) of the nonextensive kinetic theory. In this paper, by applying the PL distribution to fit the observational mass function data from X-ray highest flux-limited sample (HIFLUGCS), we find a strong degeneracy among the cosmic parameters, sigma(8), Omega(m) and the q parameter from the PL distribution. A joint analysis involving recent observations from baryon acoustic oscillation (BAO) peak and Cosmic Microwave Background (CMB) shift parameter is carried out in order to break these degeneracy and better constrain the physically relevant parameters. The present results suggest that the next generation of cluster surveys will be able to probe the quantities of cosmological interest (sigma(8), Omega(m)) and the underlying cluster physics quantified by the q-parameter.

The imprint of the interaction between dark sectors in galaxy clusters

Based on perturbation theory, we study the dynamics of how dark matter and dark energy in the collapsing system approach dynamical equilibrium when they are in interaction. We find that the interaction between dark sectors cannot ensure the dark energy to fully cluster along with dark matter. When dark energy does not trace dark matter, we present a new treatment on studying the structure formation in the spherical collapsing system. Furthermore we examine the cluster number counts dependence on the interaction between dark sectors and analyze how dark energy inhomogeneities affect cluster abundances. It is shown that cluster number counts can provide specific signature of dark sectors interaction and dark energy inhomogeneities.

Efeitos não-gaussianos em astrofísica e cosmologia

The recent astronomical observations indicate that the universe has null spatial curvature, is accelerating and its matter-energy content is composed by circa 30% of matter (baryons + dark matter) and 70% of dark energy, a relativistic component with negative pressure. However, in order to built more realistic models it is necessary to consider the evolution of small density perturbations for explaining the richness of observed structures in the scale of galaxies and clusters of galaxies. The structure formation process was pioneering described by Press and Schechter (PS) in 1974, by means of the galaxy cluster mass function. The PS formalism establishes a Gaussian distribution for the primordial density perturbation field. Besides a serious normalization problem, such an approach does not explain the recent cluster X-ray data, and it is also in disagreement with the most up-to-date computational simulations. In this thesis, we discuss several applications of the nonextensive q-statistics (non-Gaussian), proposed in 1988 by C. Tsallis, with special emphasis in the cosmological process of the large structure formation. Initially, we investigate the statistics of the primordial fluctuation field of the density contrast, since the most recent data from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) indicates a deviation from gaussianity. We assume that such deviations may be described by the nonextensive statistics, because it reduces to the Gaussian distribution in the limit of the free parameter q = 1, thereby allowing a direct comparison with the standard theory. We study its application for a galaxy cluster catalog based on the ROSAT All-Sky Survey (hereafter HIFLUGCS). We conclude that the standard Gaussian model applied to HIFLUGCS does not agree with the most recent data independently obtained by WMAP. Using the nonextensive statistics, we obtain values much more aligned with WMAP results. We also demonstrate that the Burr distribution corrects the normalization problem. The cluster mass function formalism was also investigated in the presence of the dark energy. In this case, constraints over several cosmic parameters was also obtained. The nonextensive statistics was implemented yet in 2 distinct problems: (i) the plasma probe and (ii) in the Bremsstrahlung radiation description (the primary radiation from X-ray clusters); a problem of considerable interest in astrophysics. In another line of development, by using supernova data and the gas mass fraction from galaxy clusters, we discuss a redshift variation of the equation of state parameter, by considering two distinct expansions. An interesting aspect of this work is that the results do not need a prior in the mass parameter, as usually occurs in analyzes involving only supernovae data.Finally, we obtain a new estimate of the Hubble parameter, through a joint analysis involving the Sunyaev-Zeldovich effect (SZE), the X-ray data from galaxy clusters and the baryon acoustic oscillations. We show that the degeneracy of the observational data with respect to the mass parameter is broken when the signature of the baryon acoustic oscillations as given by the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) catalog is considered. Our analysis, based on the SZE/X-ray data for a sample of 25 galaxy clusters with triaxial morphology, yields a Hubble parameter in good agreement with the independent studies, provided by the Hubble Space Telescope project and the recent estimates of the WMAP

Estudo de materiais mesoporosos funcionalizados com diferentes aminas para captura do dióxido de carbono através do processo de adsorção

Intensive use of machinery and engines burning fuel dumps into the atmosphere huge amounts of carbon dioxide (CO2), causing the intensification of the greenhouse effect. Climate changes that are occurring in the world are directly related to emissions of greenhouse gases, mainly CO2, gases, mainly due to the excessive use of fossil fuels. The search for new technologies to minimize the environmental impacts of this phenomenon has been investigated. Sequestration of CO2 is one of the alternatives that can help minimize greenhouse gas emissions. The CO2 can be captured by the post-combustion technology, by adsorption using adsorbents selective for this purpose. With this objective, were synthesized by hydrothermal method at 100 °C, the type mesoporous materials MCM - 41 and SBA-15. After the synthesis, the materials were submitted to a calcination step and subsequently functionalized with different amines (APTES, MEA, DEA and PEI) through reflux method. The samples functionalized with amines were tested for adsorption of CO2 in order to evaluate their adsorption capacities as well, were subjected to various analyzes of characterization in order to assess the efficiency of the method used for functionalization with amines. The physic-chemical techniques were used: X- ray diffraction (XRD), nitrogen adsorption and desorption (BET/BJH), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), CNH Analysis, Thermogravimetry (TG/DTG) and photoelectron spectroscopy X-ray (XPS). The CO2 adsorption experiments were carried out under the following conditions: 100 mg of adsorbent, at 25 °C under a flow of 100 ml/min of CO2, atmospheric pressure and the adsorption variation in time 10-210 min. The X-ray diffraction with the transmission electron micrographs for the samples synthesized and functionalized, MCM-41 and SBA-15 showed characteristic peaks of hexagonal mesoporous structure formation, showing the structure thereof was obtained. The method used was efficient reflux according to XPS and elemental analysis, which showed the presence of amines in the starting materials. The functionalized SBA -15 samples were those that had potential as best adsorbent for CO2 capture when compared with samples of MCM-41, obtaining the maximum adsorption capacity for SBA-15-P sample

Cosmological constraints on an invisibly decaying Higgs

Working in the context of a proposal for collisional dark matter, we derive bounds on the Higgs boson coupling g' to a stable light scalar particle, which we refer to as phion (phi), required to solve problems with small scale structure formation which arise in collisionless, dark matter models. We discuss the behaviour of the phion in the early universe for different ranges of its mass. We find that a phion in the mass range of 100 MeV is excluded and that a phion in the mass range of I GeV requires a large coupling constant, g' greater than or similar to 2, and m(h) less than or similar to 130 GeV in order to avoid overabundance, in which case the invisible decay mode of the Higgs boson would be dominant. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Alterações morfoanatômicas em plantas de Lithraea molleoides (Vell.) Engl. submetidas ao alagamento

Flooding effects in Lithraea molleoides plants were studied. Young plants were kept under drained and flooded soil over a period of 35 days. For growth and development analyses, the length and diameter of stem and main root and the dry weight of roots, stem, and leaves were measured. For anatomical studies, sections of fresh and fixed roots, stem bases and leaves were made using standard procedures in vegetal anatomy. The stress reduced the dry weight increment of plants without causing the death of roots or the abscission of leaves. In the stem base, flooding induced the hypertrophy of lenticels and the increase of intercellular space and reduction lower starch contents, in the cortex. Plants flooded displayed greater percentage of cortical intercellular space in the secondary roots and lower investment in secretory structure formation in the stem base. It can be suggested that flooding reduced the recourses allocation to growth. These recourses could be used in morphological alterations, such as hypertrophied lenticels and increase of intercellular spaces, that could contribute to plants survival during stress period, probably, due maintenance of aerobic respiration.

Incorporation of Ca, P, and Si on bioactive coatings produced by plasma electrolytic oxidation: The role of electrolyte concentration and treatment duration

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Energia escura e formação de estruturas em larga escala

Pós-graduação em Física - IFT

EoR in alternative cosmological scenarios

The aim of this Thesis is to investigate the possibility that the observations related to the epoch of reionization can probe not only the evolution of the IGM state, but also the cosmological background in which this process occurs. In fact, the history of the IGM ionization is indeed affected by the evolution of the sources of ionizing photons that, under the assumption of a structure formation paradigm determined by the hierarchic growth of the matter uctuations, results strongly dependent on the characteristics of the background universe. For the purpose of our investigation, we have analysed the reionization history in innovative cosmological frameworks, still in agreement with the recent observational tests related to the SNIa and the CMB probes, comparing our results with the reionization scenario predicted by the commonly used LCDM cosmology. In particular, in this Thesis we have considered two different alternative universes. The first one is a at universe dominated at late epochs by a dynamic dark energy component, characterized by an equation of state evolving in time. The second cosmological framework we have assumed is a LCDM characterized by a primordial overdensity field having a non-Gaussian probability distribution. The reionization scenario have been investigated, in this Thesis, through semi-analytic approaches based on the hierarichic growth of the matter uctuations and on suitable assumptions concerning the ionization and the recombination of the IGM. We make predictions for the evolution and the distribution of the HII regions, and for the global features of reionization, that can be constrained by future observations. Finally, we brie y discuss the possible future prospects of this Thesis work.

Durchdringungs- und Adsorptionsverhalten von Stern-Polymeren

Änderungen in der Architektur von Polymeren abweichend von einer linearen Kette, beeinflussen deren physikalisch-chemisches Verhalten. Eine mögliche Architektur der verzweigten Moleküle stellen sternförmige Polymere dar. An einem zentralen Molekül als Kern, beispielsweise einem Dendrimer, sind an dessen Endpunkte lineare Polymerketten kovalent gebunden. In dieser Arbeit wurden zwei Problemstellungen behandelt. Zunächst wurde das Verhalten von Sternpolymeren aus Polybutadien in einer Matrix aus linearem Polybutadien mittels Neutronenkleinwinkelstreuung untersucht. Die Molekulargewichte der linaren Ketten wurden so gewählt, daî eines ein kleineres und das zweite ein größeres Molekulargewicht hat, als der leichteste bzw. schwerste Arm der verwendeten Sternpolymere. Neben den Parametern Armanzahl und -gewicht wurde die Konzentrations- und Temperaturabhängig durchgeführt. Die aus diesen Messungen extrahierten Parameter wurden mit den theoretischen Vorhersagen bezüglich des Skalenverhaltens vonSternpolymeren in derartigen Mischungen verglichen. Weiterhin wurde ein Interaktionsparameter bestimmt und in einzelne Anteile verschiedener Arten der Wechselwirkungen zerlegt. Die zweite Fragestellung betraf das Adsorptionsverhalten von Sternpolymeren im Vergleich mit linearen Polymeren. Es wurde die Kinetik der Adsorption mittels Ellipsometrie, die Strukturbildung mit dem Rasterkraftmikroskop und Streuung unter streifendem Einfalluntersucht.

Monte-Carlo-Simulationen zum Phasenverhalten binärer Polymerbürsten

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Strukturbildung im schlechten Lösungsmittel bei ein- und zweikomponentigen Polymerbürsten, bei denen Polymerketten durch Pfropfung am Substrat verankert sind. Solche Systeme zeigen laterale Strukturbildungen, aus denen sich interessante Anwendungen ergeben. Die Bewegung der Polymere erfolgt durch Monte Carlo-Simulationen im Kontinuum, die auf CBMC-Algorithmen sowie lokalen Monomerverschiebungen basieren. Eine neu entwickelte Variante des CBMC-Algorithmus erlaubt die Bewegung innerer Kettenteile, da der bisherige Algorithmus die Monomere in Nähe des Pfropfmonomers nicht gut relaxiert. Zur Untersuchung des Phasenverhaltens werden mehrere Analysemethoden entwickelt und angepasst: Dazu gehören die Minkowski-Maße zur Strukturuntersuchung binären Bürsten und die Pfropfkorrelationen zur Untersuchung des Einflusses von Pfropfmustern. Bei einkomponentigen Bürsten tritt die Strukturbildung nur beim schwach gepfropften System auf, dichte Pfropfungen führen zu geschlossenen Bürsten ohne laterale Struktur. Für den graduellen Übergang zwischen geschlossener und aufgerissener Bürste wird ein Temperaturbereich bestimmt, in dem der Übergang stattfindet. Der Einfluss des Pfropfmusters (Störung der Ausbildung einer langreichweitigen Ordnung) auf die Bürstenkonfiguration wird mit den Pfropfkorrelationen ausgewertet. Bei unregelmäßiger Pfropfung sind die gebildeten Strukturen größer als bei regelmäßiger Pfropfung und auch stabiler gegen höhere Temperaturen. Bei binären Systemen bilden sich Strukturen auch bei dichter Pfropfung aus. Zu den Parametern Temperatur, Pfropfdichte und Pfropfmuster kommt die Zusammensetzung der beiden Komponenten hinzu. So sind weitere Strukturen möglich, bei gleicher Häufigkeit der beiden Komponenten bilden sich streifenförmige, lamellare Muster, bei ungleicher Häufigkeit formt die Minoritätskomponente Cluster, die in der Majoritätskomponente eingebettet sind. Selbst bei gleichmäßig gepfropften Systemen bildet sich keine langreichweitige Ordnung aus. Auch bei binären Bürsten hat das Pfropfmuster großen Einfluss auf die Strukturbildung. Unregelmäßige Pfropfmuster führen schon bei höheren Temperaturen zur Trennung der Komponenten, die gebildeten Strukturen sind aber ungleichmäßiger und etwas größer als bei gleichmäßig gepfropften Systemen. Im Gegensatz zur self consistent field-Theorie berücksichtigen die Simulationen Fluktuationen in der Pfropfung und zeigen daher bessere Übereinstimmungen mit dem Experiment.

Strukturbildung doppelthydrophiler Blockcopolymere mit mehrwertigen organischen Gegenionen

Sowohl die Komplexierung von Polyelektrolyten mit anorganischen Salzen, als auch die mit entgegengesetzt geladenen Polymeren wurde von vielen Autoren bereits intensiv untersucht. Doch gerade mit Molekülen die zwischen diesen beiden Extremen liegen, sollte es möglich sein, durch elektrostatische Wechselwirkungen gezielt nanometergroße Teilchen definierter Struktur herzustellen. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Strukturbildung doppelthydrophiler Blockcopolymere mit mehrwertigen organischen Gegenionen zu untersuchen und insbesondere Parameter für die Bildung supramolekularer Strukturen in wässriger Lösung zu finden. Als Blockcopolymer wurde dabei Polyethylenoxid-b-methacrylsäure mittels anionischer Polymerisation hergestellt und mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) und Kernresonanzspektroskopie (NMR)charakterisiert. Die Strukturbildung des Polyelektrolyten mit mehrwertigen organischen Gegenionen wurde in pH = 6- und pH = 7-Pufferlösung mit dynamischer und statischer Lichtstreuung, Kleinwinkelneutronenstreuung und Ultrazentrifugation untersucht. Mit Diaminobenzidin als Gegenion wurden dabei sphärische Komplexe mit einem hydrodynamischen Radius um 100 nm erhalten und mit Ultrazentrifugation der Anteil des Gegenions im Komplex quantifiziert. Die schlechte Löslichkeit des Diaminobenzidins in wässrigem Medium erschwerte allerdings die Interpretation der Ergebnisse. Trotzdem deuten diese darauf hin, dass keine Kolloidbildung des Diaminobenzidins, sondern eine Komplexierung der Einzelmoleküle mit dem Copolymer vorliegt. Um Probleme mit der Löslichkeit zu vermeiden, wurden schliesslich Polyamidoamin-Dendrimere als Gegenionen verwendet. Dabei wurde in pH = 6- und pH = 7-Pufferlösung für Dendrimere der Generation 4 mit steigender Gegenionenkonzentration ein kontinuierlicher Anstieg des hydrodynamischen Radius bis zu einer Größe von 70 nm gefunden. Mit Kleinwinkelneutronenstreuung konnte eine ellipsoidale Struktur dieser Komplexe beobachtet werden. Auch die Größe der Gegenionen spielt für die Bildung supramolekularer Aggregate eine Rolle. So zeigte sich, dass für Polyamidoamin-Dendrimere der Generation 2, analog zu denen der Generation 4, ein Anstieg des hydrodynamischen Radius mit steigender Gegenionenkonzentration zu beobachten ist. Für Generation 0-Dendrimere hingegen wurde ein umgekehrter Verlauf beobachtet, welcher dem für Diaminobenzidin gleicht. Somit kann man annehmen, dass die Aggregation mit kleinen Molekülen zu einer anderen Struktur der Komplexe führt, als die mit größeren Molekülen.

Strukturbildungsverhalten kettensteifer Polyelektrolyte in wässrigen Lösungen am Beispiel von Poly(para-phenylen)sulfonat

An einer Vielzahl biogener Polyelektrolyte, wie z.B. den Nukleinsäuren DNA und RNA sowie Proteinen, ist die Ausbildung von Strukturhierarchien durch Selbstorganisation von Strukturelementen zu beobachten. Dabei wird das Strukturbildungsverhalten durch eine Kopplung von Wechselwirkungen auf verschiedenen Längenskalen, den kurzreichweitigen ausgeschlossenen Volumen und den langreichweitigen elektrostatischen Wechselwirkungen (Coulomb-Wechselwirkungen), die wiederum durch eine Vielzahl mikroskopische Parameter (z.B. Konformation) beeinflusst werden, bestimmt. Durch diese Komplexität ist es nicht möglich, den für die Strukturbildung hochgeladener Systeme bedeutsamen Beitrag der elektrostatischen Wechselwirkungen isoliert zu betrachten. Aus diesem Grund werden zur Aufklärung von Wechselwirkungs- und Strukturbildungsmechanismen vereinfachte Modell-Systeme herangezogen. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung synthetischer, kettensteifer Polyelektrolyte. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Aggregationsverhalten wässriger Lösungen dodecylsubstituierter Poly(para-phenylen)sulfonate (PPPS) sowie die Beeinflussung der Strukturbildung durch verschiedene Parameter charakterisiert. Als Einflussparameter wurden einerseits die Gegenion-Spezies und andererseits die Temperatur- und Konzentrations-Abhängigkeit untersucht. Hierzu wurden wässrige Lösungen der freien Säuren der PPPS mit Molekulargewichten zwischen MW = 18 kg/mol bis 58 kg/mol mittels Licht-, Röntgen- und Neutronenstreuung sowie durch Licht-, Polarisations-, Transmissionselektronen- und Rasterkraftmikroskopie in einem Konzentrationsbereich von 0,0008 < c < 1,1 g/L untersucht.