Workflows paramétricos para aplicações do método dos elementos finitos em ambientes paralelos heterogêneos

Abstract

O objetivo geral deste trabalho ´e o desenvolvimento de um sistema de workflows param´etricos para aplicac¸ ˜oes do m´etodo dos elementos finitos (MEF) em ambientes paralelos heterogˆeneos. Um workflow ´e um processo definido por um conjunto de atividades que executam sequencialmente e/ou em paralelo e que podem produzir, transformar ou consumir dados. O fluxo de execuc¸ ˜ao de um workflow ´e definido por canais que ligam uma porta de sa´ıda de uma atividade de origem a uma porta de entrada de outra atividade de destino. Por um canal podem trafegar dados ou um sinal de controle da atividade de origem `a de destino, indicando que a ´ultima pode iniciar sua execuc¸ ˜ao. Um workflow param´etrico ´e um modelo no qual uma ou mais atividades s˜ao argumentos de tipo do workflow. No sistema proposto, workflows podem ser gerados a partir de um workflow param´etrico definindo-se quais s˜ao os tipos de atividades correspondentes a cada um dos dos argumento de tipo do modelo. O sistema ´e escrito em C++ e constitu´ıdo de trˆes componentes principais: uma interface gr´afica atrav´es da qual o usu´ario pode interativamente criar, modificar, armazenar e executar workflows; um motor que atua como uma m´aquina virtual paralela respons´avel pela execuc¸ ˜ao de workflows; e uma biblioteca de atividades primitivas que representam os principais blocos b´asicos de construc¸ ˜ao de um programa, tais como sentenc¸as de selec¸ ˜ao, repetic¸ ˜ao, desvio e express˜oes. Embora possa ser destinado a outros tipos de aplicac¸ ˜ao, o projeto do sistema foi voltado para especificac¸ ˜ao de programas de an´alise num´erica via MEF baseados em um arcabouc¸o cujos componentes de software foram desenvolvidos pelo Grupo de Visualizac¸ ˜ao, Simulac¸ ˜ao e Jogos Digitais da FACOM–UFMS. Tal arcabouc¸o, em conjunto com o sistema de workflows param´etricos proposto neste trabalho, permitem a gerac¸ ˜ao interativa e visual de aplicac¸ ˜oes de simulac¸ ˜ao via MEF e sua execuc¸ ˜ao em ambientes paralelos formados por CPUs de v´arios n´ucleos e uma ou mais unidades de processamento gr´afico (GPUs).

The aim of this work is the development of a parametric workflow system for finite element method (FEM) applications in parallel heterogeneous environments. Workflow is a process defined by a set of activities which execute sequentially and/or in parallel and can produce, transform or consume data. The execution flow of a workflow is defined by channels connecting an output port of an source activity to an input port of a target activity. By a channel can travel data or control signals from the source acticity to the target activity, indicating that the latter can be executed. A parametric workflow is a model in which one or more activities are workflow type arguments. In the proposed system, workflows can be generated from a parametric workflow defining which activity type corresponds to each workflow type argument. The system is developed in C++ and consists of three main components: a graphical interface from which users can interactively create, modify, store and execute workflows; an engine that works as a parallel virtual machine responsible for executing workflows; and an API with a set of primitive activities representing the main language programming structures such as selection, repetition, jump, and expression statements. Although it can be used for other purposes, the system was designed for developing programs via FEM numerical analysis based on a framework whose software components were developed by the Group of Visualization, Simulation and Games at FACOM–UFMS. This framework, in conjunction with the parametric workflow system proposed in this work, allow the interactive and visual generation of simulation applications via MEF and their implementation on parallel environments composed of multi-core CPUs and one or more graphics processing units (GPUs).