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Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo The constant search for code integration more and more frequently exposes the need to use automated mechanisms for compiling, running tests, packaging and delivering systems, bringing confidence to those who build and maintain software, as it provides quick feedback on to changes made. Software Engineering describes this process as a build. Because it is a process configured by humans and often also dependent on external services, machine resources and connectivity, they end up becoming sensitive, making some results non-deterministic, a factor that reduces confidence in feedback and increases the need for human research effort. Other areas also suffer loss, such as machine resources and the tomaket team. Given this problem, several studies that use the combination of Software Engineering and Data Science seek to identify non-deterministic results through intelligent algorithms, such as machine learning, thus reducing waste. However, the manual work of labeling builds to be used as input for training steps of the algorithms is quite costly see some cases, even unfeasible. This work proposes a heuristic of collection and automatic labeling of builds with a non-deterministic result and proposes the evolution of the heuristic through the use of clustering algorithms, improving its accuracy by 27%. The results of the labeling of builds with non-deterministic results in two audiences and open source reached a mark of 70% and 100% of accuracy in repositories with 650 and 1224 builds, respectively. A busca constante por integração de código cada vez mais frequente exponencia a necessidade do uso de mecanismos automatizados de compilação, execução de testes, empacotamento e entrega de sistemas, trazendo confiança a quem constrói e dá manutenção em softwares, uma vez que provê feedback rápido quanto a mudanças realizadas. A Engenharia de Software descreve esse processo como build. Por se tratar de um processo configurado por humanos e, muitas vezes também dependente de serviços externos, recursos de máquina e de conectividade, acabam por se tornar sensíveis, fazendo com que alguns resultados sejam não determinísticos, fator que reduz a c confiança a no feedback e aumenta a necessidade de esforço humano de investigação. Outras áreas também sofrem perda, como recursos de máquina e time tomarket. Dado esse problema, d diversos estudos que f aze m uso da junção de Engenharia de Software e Ciência de Dados buscam identificar resultados não determinísticos através de algoritmos inteligentes, como os de aprendizagem de máquina, reduzindo assim o desperdício. Entretanto, o trabalho manual de rotulação de builds a serem utilizadas como insumo para etapas de treinamento dos algoritmos é bastante custos veem alguns casos, até inviável. Esse trabalho propõe uma heurística de coleta e rotulação automática de builds com resultado não determinístico e propõe a evolução da heurística pelo uso de algoritmos de agrupamento, melhorando sua acurácia a em 27%. Os resultados da rotulação de builds com resultado não determinísticos em dois públicos e de código aberto atingir ama marca de 70%e100%deacuráciaemrepositórioscom650e 1224 builds, respectivamente.

A obtenção de soluções numéricas para algoritmos de inversão sísmica como Inversão Completa da Forma de Onda (FWI, do inglês Full-Waveform Inversion) e Migração Reversa no Tempo (RTM, do inglês Reverse Time Migration), pode ser acelerada por arquiteturas que possuem um alto grau de paralelismo, como unidades de processamento gráfico (GPU, do inglês Graphical Processing Units). Porém, o rápido desenvolvimento de novas arquiteturas e tecnologias dificultam a manutenção e atualização das soluções implementadas. Neste trabalho, o transpilador de código fonte aberto chamado Devito é estendido para habilitar conversão automática de kernels de diferenças finitas para arquiteturas GPU. O framework Oxford Parallel Domain Specific Language (OP-DSL) foi utilizado para construção de um novo backend para o Devito. A solução implementada fora validada nas GPUs NVIDIAR GTX Titan Z e NVIDIAR Tesla V100. O desempenho da implementação fora medido em termos de tempo de execução, e em termos de desempenho relativo através do modelo de roofline. Os testes foram feitos para diversos níveis de discretização de ordem espacial em um estêncil de propagação de onda acústica isotrópica 3D sobre uma malha de 2563. Os resultados demonstram que os kernels produzidos alcançaram aproximadamente 63% do desempenho máximo da V100 e cerca de 24% do desempenho máximo na GTX Titan Z. O estudo ainda revela que otimizar a transferência de dados entre CPU e GPU é um dos maiores desafios para alavancar o desempenho nas arquiteturas avaliadas. The growth of data to be processed in the Oil & Gas industry matches the requirements imposed by evolving algorithms based on stencil computations, such as Full Waveform Inversion and Reverse Time Migration. Graphical processing units (GPUs) are an attractive architectural target for stencil computations because of its high degree of data parallelism. However, the rapid architectural and technological progression makes it difficult for even the most proficient programmers to remain up-to-date with the technological advances at a micro-architectural level. This work presents an extension for an open source transpiler named Devito, designed to produce highly optimized finite difference kernels for inversion methods. Embedding it with the Oxford Parallel Domain Specific Language (OP-DSL) enabled the automatic code generation for GPU architectures from a high-level representation. This work aims to enable users coding in a symbolic representation level to effortlessly get their implementations leveraged by the processing capacities of GPU architectures. The implemented backend is evaluated on a NVIDIA R GTX Titan Z, and on a NVIDIAR Tesla V100 in terms of execution time and in terms of operational intensity through the roofline model. A 3D acoustic isotropic wave propagation was used as experiment with stencil kernels for varying space-order discretization levels over grids with 2563 points. It achieves approximately 63% of V100’s peak performance and 24% of Titan Z’s peak performance. This study indicates that improving memory usage should be the most efficient strategy for leveraging the performance of the implemented solution on the evaluated architectures.

A organização das tarefas entre os nós computacionais impacta diretamente no desempenho da aplicação. Considerando aplicações computacionalmente caras como os problemas geofísicos o impacto é mais significante. O desbalancemanto causado por um escalonamento ineficiente das tarefas pode tornar a aplicação não escalavel. Sendo assim esse trabalho investiga o escalonamento de tarefas em métodos geofísicos. Esse trabalho compara três tipos de escalonadores: centralizado dinâmico (CD), descentralizado estático (DS, do inglês Decentralized Static), descentralizado dinâmico (DD). O CD foi implementado através da técnica mestre-escravo o qual possui um nó mestre responsável pela distribuição das tarefas entre os outros nós chamados de escravos. O DS é a divisão igualitária da quantidade de tarefas entre os nós antes do início da execução delas. O DD utilizado implementa o método work-stealing proposto por Assis et al. (2019), qual o nó ocioso rouba a tarefa de um nó sobrecarregado. O principal método geofísico utilizado foi a inversão completa da forma de onda (FWI, do inglês Full Waveform Inversion) 2D com a onda acústica. Para analisar o desempenho dos escalonadores de tarefas foram gerados gráficos de speedup, eficiência e distribuição das tarefas entre os nós. O tamanho do problema foi definido a partir de modelos de velocidades sintéticos de diferentes tamanhos executados para diferentes quantidades de nós. O código do FWI e do escalonadores foram implementados em C em memória distribuída usando a biblioteca MPI. A partir dos resultados do FWI, foi aplicado o work-stealing (por ter apresentado comportamento mais eficiente) em outro problema geofisico: a migração por mínimos quadrados (LSM, do inglês Least Square Migration). Para comparar a implemetação LSM com work-stealing usamos o LSM com DS proposto por Chauris and Cocher (2017). O código do LSM e DS utilizado neste problema foram implementados em Fortran e o workstealing em C. A comunicação entre os nós foi implementado usando MPI. Para analisar a desempenho do escalonador em LSM, usamos modelo de velocidades marmousi. The tasks organization among computational nodes affects the performance of the program. In computationally expensive applications such as geophysical problems, the impact is more significant. The imbalance caused by inefficient task scheduling can generate an application non-scalable. Therefore this work investigates the workload scheduling in geophysical methods. Three types of workload scheduling will be compared: centralized dynamic (CD), decentralized static (DS), and decentralized dynamic (DD). The CD was implemented with the technique master-slave, where the master node is responsible for the distribution of the tasks to other nodes called slaves. The DS was implemented with an equal division of tasks before the execution of them. The DD implements the work-stealing method proposed by Assis et al. (2019), where an idle node can steal the tasks of an overloaded node. The principal geophysical method used was 2D Full waveform inversion (FWI) with the acoustic wave. To analyze the performance of workload scheduling methods, we employ a synthetic velocity model and present speedup, efficiency, and load distribution plots generated with different model sizes and different quantity of nodes. The FWI code and the workload scheduling methods were implemented in C with distributed memory parallelization and using the message passing interface (MPI) library. With the results of the workload scheduling methods in FWI, it was applied the workstealing (because this technique presented the more effective performance) in another geophysical problem: Least-squares migration (LSM). We used the LSM with DS implemented by Chauris and Cocher (2017) to compare with the LSM with work-stealing. The LSM code and DS used in this problem were implemented in Fortran and the workstealing in C. The communication between the nodes was implemented using MPI. To analyze the performance of workload scheduling methods in LSM, we used the marmousi velocity model.

Timing side-channel attacks are an important issue for cryptographic algorithms. If the execution time of an implementation depends on secret information, an adversary may recover the latter through measuring the former. Different approaches have emerged to exploit information leakage on cryptographic implementations and to protect them against these attacks, and recent works extend the concerns to dynamic execution systems [3, 15, 24]. However, little has been said about Cross-ISA emulation and its impact on timing leakages. In this paper, we investigate the impact of dynamic binary translators in the constant-time property of known cryptographic implementations, using different Region Formation Techniques (RFTs). We show that the emulation may have a significant impact by inserting non constant-time constructions during the translation, leading to significant timing leakages in QEMU and HQEMU emulators. These leakages are then verified using a statistical approach. In order to guarantee the constant-time property, we have implemented a solution in the QEMU dynamic binary translator, mitigating the inserted timing side-channels.

Para utilizar os processadores com múltiplos núcleos de forma eficiente, é importante entender como o desempenho dos aplicativos paralelos se comportam. A modelagem desse comportamento pode permitir o uso de técnicas aplicadas em tempo de execução para otimizar o desempenho, a energia dispendida ou até mesmo garantir uma qualidade de serviço (QoS) desejada. Modelos precisos evitariam ter que testar diferentes configurações em tempo de execução, o que poderia causar um aumento desnecessário na sobrecarga causada pela paralelização. Ao longo dos anos, muitos modelos de speedup foram propostos. A maioria deles é baseada na Lei de Amdahl ou na Lei de Gustafson. No entanto, muitos deles consideram que a fração paralela é fixa ou que varia linearmente com o tamanho do problema, além de desconsiderarem os efeitos da sobrecarga causada pela paralelização. Embora tais modelos auxiliem no entendimento teórico da computação paralela, essas considerações não se sustentam na maiores dos ambientes reais, o que torna a modelagem inadequada para a caracterização precisa de aplicações paralelas. O modelo proposto nesta dissertação estima o ganho de desempenho levando em consideração a sobrecarga causada pela paralelização e a variação da fração paralela de acordo com o tamanho do problema e o número de núcleos utilizados. Usando dez aplicações do PARSEC, o modelo proposto foi capaz de estimar o speedup de forma mais precisa do que outros modelos da literatura recente. Os testes foram realizados em dois servidores, cada um com uma arquitetura diferente. To make efficient use of multi-core processors, it is important to understand the performance behavior of parallel applications. Modeling this behavior can enable the use of online approaches to optimize throughput or energy, or even guarantee the desired Quality of Service (QoS). Accurate models would avoid having to probe different runtime configurations, which causes extra overhead. Throughout the years, many speedup models were proposed. Most of them based on Amdahl’s Law or Gustafson’s Law. However, many of those make considerations such as a fixed parallel fraction, or a parallel fraction that varies linearly with problem size, and inexistent parallelization overhead. Although such models aid in the theoretical understanding of parallel computing, these considerations do not hold in most of the real environments, which makes the modeling unsuitable for accurate characterization of parallel applications. The model proposed in this dissertation estimates the speedup taking into account the overhead caused by the parallelization and the variation of the parallel fraction according to problem size and number of cores used. Using ten applications from the PARSEC benchmark suite, the proposed model was able to estimate speedups more accurately than other models in recent literature. Tests were made in two servers, each one with a different hardware architecture.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq As metaheurísticas são algoritmos cuja estratégia visa reduzir o custo computacional em detrimento da qualidade ótima das soluções. Elas são amplamente utilizadas para aproximar soluções de problemas de otimização computacionalmente intratáveis. Embora tipicamente de implementação simples, algumas metaheurísticas sofrem por não possuírem robustez quanto à sintonização de alguns parâmetros de inicialização, o que demanda um processo de tentativa de valoração muito oneroso devido à sua natureza empírica. Neste trabalho, apresentamos algumas soluções para esse problema propondo três novas metaheurísticas baseadas nas abordagens livres de parâmetro, menos é mais (LIMA) e paralelas, que visam tornar robusto algumas metaheurísticas. Como resultados, os algoritmos Nelder-Mead Simplificado (SNM), o Simulated Annealing Acoplado Síncrono (SCSA) e Assíncrono (ACSA), e o Simulated Annealing Acoplado com Órbita Perpétua (PO-CSA) foram propostos. O SNM é o resultado da abordagem LIMA ao método Nelder-Mead (NM). Além de sua implementação possuir muito menos pontos que o algoritmo original, sua capacidade de realizar vários passos simples o torna capaz de encontrar melhores resultados do que o NM original mesmo para funções não convexas. O SCSA e ACSA são implementações paralelas do Simulated Annealing Acoplado (CSA) que permitem ao usuário a escolha eficiente de uma ou outra versão baseado no tamanho do problema e no número de otimizadores. A técnica Órbita Perpétua (PO) foi desenvolvida no intuito de controlar a temperatura de geração do CSA para torná-lo livre de parâmetros de inicialização. O PO-CSA aproveita a técnica PO combinada com o escalonamento automático quase-ótimo da temperatura de aceitação do CSA para tornar a otimização do CSA mais robusta com relação aos parâmetros de inicialização. Enquanto que o PO-CSA tem melhor desempenho do que os algoritmos de referência para a maioria das funções objetivo, tanto em qualidade de solução como em tempo de execução, seu controle da temperatura de geração também se mostrou mais efetivo do que o CSA original com parâmetros de inicialização ajustados exaustivamente. Metaheuristics are algorithms whose strategy is to reduce the computational load to the detriment of the optimal quality of solutions. They are widely used to approximate solutions of computationally intractable optimization problems. Although typically simple to implement, some metaheuristics suffer because of lack of robustness for tuning some initialization parameters, which requires a very expensive tuning process due to its empirical nature. In this paper, we present some solutions to this problem by proposing three new metaheuristics based on free-parameter, less is more (LIMA) and parallel approaches, aiming to make some metaheuristics robust. As results, the algorithms Simplified Nelder-Mead algorithm (SNM), Syncrhonous (SCSA) and Asynchronous Coupled Simulated Annealing (ACSA), and Perpetual Orbit Coupled Simulated Annealing (PO-CSA) were proposed. The SNM is the result of the LIMA approach and the Nelder-Mead (NM) method. While its implementation has far fewer points than the original algorithm, its ability to perform several simple steps makes it able to find better results than the original NM even for non-convex functions. The SCSA and the ACSA are parallel implementations of Simulated Annealing Coupled (CSA) that allow the user to efficiently choose one or another version based on the size of the problem and the number of optimizer cores. The Perpetual Orbit (PO) technique was developed to control the generation temperature of the CSA to make it parameter free. The algorithm PO-CSA takes advantage of the PO technique combined to the CSA’s automatic quasi-optimal scheduling of the acceptance temperature to make optimization of the CSA more robust with respect to the initialization parameters. While the PO-CSA performed better than the reference algorithms for the majority of the objective functions, both in quality of solution and execution time, its control of the generation temperature also proved to be more effective than the original CSA with an exhaustively tuned initialization parameters.

Poços de bombeio mecânico, que são os mais comuns na indústria do petróleo, podem ter colunas de produção verticais ou direcionais. Apesar de vários modelos matemáticos terem sido propostos na literatura para descrever o comportamento dinâmico de poços de bombeio mecânico direcionais, o trabalho de Costa (1995) foi o primeiro entre eles a combinar num modelo unificado uma variedade de fatores essenciais de simulação. Infelizmente, sua complexidade computacional limitou seu uso até agora. Neste trabalho, são apresentadas diversas otimizações de desempenho para as simulações deste modelo, com o objetivo de tornar sua utilização viável. As otimizações propostas são descritas em detalhes, e seu desempenho é avaliado sob diferentes cenários. Os resultados mostram que os tempos de execução do novo simulador o tornam uma solução viável. Engenheiros de petróleo podem usar este simulador em estruturas de computação de alto desempenho para otimizar o projeto e os parâmetros operacionais de poços de bombeio mecânico direcionais. Sucker-rod pumping wells, which are the most common in the oil industry, can have vertical or directional production strings. While several mathematical models have been proposed in the literature to describe the dynamic behavior of directional sucker-rod wells, the work of Costa (1995) was the first among them to combine a number of essential simulation characteristics into a unified model. Unfortunately, its computational complexity has limited its practical use up to now. In this work, several performance optimizations are presented for the simulations of this model in order to make its use feasible. All the proposed optimizations are described in detail and their performance is evaluated under different scenarios. The results show that the execution times of the new simulator make it a viable solution. Petroleum engineers can use this simulator in high-performance computing infrastructures to optimize the design and operating parameters of directional sucker-rod pumping wells.