aplicação de cluster beowulf em instituições de ensino

Transcrição

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE GUARATINGUETÁ
APLICAÇÃO DE CLUSTER BEOWULF EM
INSTITUIÇÕES DE ENSINO
Claudio Lima do Prado
João Messias Alves da Silva
Monografia apresentada à Faculdade de
Tecnologia de Guaratinguetá, para graduação no
Curso Superior de Tecnologia em Informática,
ênfase Redes de Computadores.
Guaratinguetá – SP
2010
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE GUARATINGUETÁ
APLICAÇÃO DE CLUSTER BEOWULF EM
INSTITUIÇÕES DE ENSINO
Monografia apresentada à Faculdade de
Tecnologia de Guaratinguetá, para graduação no
Curso Superior de Tecnologia em Informática,
ênfase Redes de Computadores.
Área de Concentração: Processamento de alto
desempenho.
Orientador:
Luiz
Eduardo
Guarino
de
Vasconcelos
Guaratinguetá – SP
2010
PRADO, Claudio Lima do; SILVA, João M. A. da. Aplicação de
Cluster Beowulf em Instituições de Ensino. Guaratinguetá, 2010.
117p. Monografia, Faculdade de Tecnologia de Guaratinguetá.
2
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por ter dado força e saúde para conseguir terminar
este projeto.
Agradeço especialmente aos meus pais, Luiz Carlos Ribeiro do Prado e Anália Maria
Lima do Prado por sempre acreditarem.
Agradeço a três pessoas em especial que me ajudaram e deram muita força, cada um
do seu jeito, Sirley Aparecida Rodrigues de Souza, Allan Espíndola dos Santos e meu colega
de TCC João Messias Alves da Silva.
Agradeço a Deus pela sua participação intrínseca nas coisas que compreendemos, nas
que iremos compreender e nas quais nunca iremos entender.
Ao meu pai Aloisio pelo exemplo de honestidade, caráter e inteligência. A minha mãe
Lourdes pelo exemplo de luta, perseverança e fé. A Michele, minha companheira de sempre
pelo seu apoio inquestionável.
Ao amigo Claudio, por dividir a realização desta obra.
As Instituições, professores, coordenadores e pesquisadores que nos apoiaram nas
pesquisas e no intercâmbio de informações.
Ao amigo Kleber Miranda por dividir momentos estressantes, divertidos e de muito
aprendizado e conhecimento.
Ao Professor e amigo Luiz Eduardo Guarino Vasconcelos, nosso orientador, por sua
paciência e grande ajuda.
3
PRADO, Claudio Lima do; SILVA, João Messias Alves da. Aplicação de Cluster Beowulf
em Instituições de Ensino. Guaratinguetá, 2010. 117p. Monografia, Faculdade de
Tecnologia de Guaratinguetá.
Resumo
Este trabalho tem o objetivo de estudar e explorar o tema proposto, considerando dois atores
principais: O Cluster Beowulf, como opção de cluster de alto desempenho e baixo custo e as
Instituições de Ensino, que são sementes de desenvolvimento científico, humano e
tecnológico. A implementação deste cluster de alto desempenho permite as Instituições de
Ensino ter laboratórios para pesquisas avançadas com boa relação custo/benefício. Para o
desdobramento e aplicação, devemos conhecer bem os requisitos e viabilidade. As barreiras
encontradas no caminho merecem atenção especial e estão inclusas ao longo do tema
proposto.
Palavras-chaves: Processamento de alto desempenho, Cluster Beowulf, Instituições de
Ensino, Pesquisa cientifica e tecnológica.
4
PRADO, Claudio Lima do; SILVA, João Messias Alves da. Beowulf Cluster
Implementation in Institutions of Higher Education. Guaratinguetá, 2010. 117p.
Monografia, Faculdade de Tecnologia de Guaratinguetá.
Abstract
This work aims to explore and pursue the proposed topic, considering two main actors: The
Beowulf Cluster as an option for high performance cluster and low-cost and educational
institutions, which are seed development scientific, human and technological. The
implementation of high-performance cluster allows the institutions of teaching may have
advanced research laboratories for cost / benefit. For the deployment and implementation, we
must know well the requirements and feasibility. The barriers encountered along the way,
deserve special attention and are included along the proposed topic.
Keywords: Processing of high performance, Beowulf Cluster, Education Institutions,
Scientific and technological research.
5
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – O modelo de von Neumann .................................................................................... 14
Figura 2 – Modelo detalhado de von Neumann ....................................................................... 15
Figura 3 – Arquitetura SISD.................................................................................................... 16
Figura 4 – Arquitetura SIMD .................................................................................................. 16
Figura 5 – Arquitetura MISD .................................................................................................. 17
Figura 6 – Arquitetura MIMD ................................................................................................. 17
Figura 7 – Arquitetura memória distribuída ............................................................................ 18
Figura 8 – Arquitetura com memória compartilhada .............................................................. 18
Figura 9 – Arquitetura UMA ................................................................................................... 20
Figura 10 – Arquitetura NUMA .............................................................................................. 20
Figura 11 – Arquitetura COMA .............................................................................................. 21
Figura 12 – Modelo de sistema de alta disponibilidade .......................................................... 25
Figura 13 – Sistemas Operacionais mais utilizados no TOP 500............................................ 30
Figura 14 – Arquiteturas mais utilizadas no TOP 500 ............................................................ 31
Figura 15 – Áreas de aplicação TOP 500 ................................................................................ 33
Figura 16 – Cluster Beowulf do Mount Olive College ............................................................ 36
Figura 17 – Cluster Skywulf .................................................................................................... 36
Figura 18 – Visão lógica da arquitetura Beowulf .................................................................... 43
Figura 19 – Instalações CENAPAD CE – UFC ...................................................................... 55
Figura 20 – Recursos de hardware e conexões de rede CENAPAD CE – UFC ..................... 56
Figura 21 – Recursos de hardware CENAPAD SP – Unicamp .............................................. 57
Figura 22 – Pesquisa: Importância da pesquisa científica e tecnológica................................. 66
Figura 23 – Pesquisa: Possuem programas de iniciação científica e tecnológica ................... 67
Figura 24 – Pesquisa: Conhecimento sobre PAD e Clusters .................................................. 68
Figura 25 – Pesquisa: Conhecimento áreas abrangidas pelo PAD .......................................... 68
Figura 26 – Conhecimento sobre benefícios do PAD ............................................................. 69
Figura 27 – Pesquisa: Conhecimento sobre o SINAPAD e CENAPAD................................. 70
Figura 28 – Pesquisa: Sobre Laboratórios exclusivos à Pesquisas.......................................... 71
Figura 29 – Pesquisa: Importância Laboratórios exclusivos para PAD .................................. 72
Figura 30 – Pesquisa: Existências de Clusters para atividades em PAD ................................ 72
Figura 31 – Pesquisas: Dificuldades para se ter um laboratório com clusters ........................ 73
Figura 32 – Pesquisa: Prioridade na formação do aluno ......................................................... 74
Figura 33 – Layout básico do Laboratório de Pesquisa com cluster ....................................... 78
Figura 34 – Layout cabeamento estruturado laboratório de pesquisa com cluster.................. 80
Figura 35 – Diagrama conexões Cluster Skywulf .................................................................... 82
Figura 36 – Execução em terminal Linux do programa tstskywulf.c ...................................... 89
Figura 37 – Cluster Skywulf em operação ............................................................................... 91
Figura 38 – Terminal rodando o programa flop.c ................................................................... 92
Figura 39 – Processos x MFlops (Cluster Skywulf)................................................................. 94
Figura 40 – Processos x Tempo (Cluster Skywulf).................................................................. 94
6
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Sistemas Operacionais mais utilizados no TOP 500 ............................................. 29
Tabela 2 – Arquiteturas mais utilizadas no TOP 500 .............................................................. 30
Tabela 3 – Áreas de aplicação TOP 500.................................................................................. 31
Tabela 4 – Pesquisa: Importância da pesquisa científica e tecnológica .................................. 66
Tabela 5 – Pesquisa: Possuem programas de iniciação científica e tecnológica ..................... 67
Tabela 6 – Pesquisa: Conhecimento sobre PAD e Clusters .................................................... 68
Tabela 7 – Pesquisa: Conhecimento áreas abrangidas pelo PAD ........................................... 68
Tabela 8 – Pesquisa: Conhecimento sobre benefícios do PAD ............................................... 69
Tabela 9 – Pesquisa: Conhecimento sobre o SINAPAD e CENAPAD .................................. 69
Tabela 10 – Pesquisa: Sobre Laboratórios exclusivos à Pesquisas ......................................... 70
Tabela 11 – Pesquisa: Importância Laboratórios exclusivos para PAD .................................. 71
Tabela 12 – Pesquisa: Existências de Clusters para atividades em PAD ................................ 72
Tabela 13 – Pesquisas: Dificuldades para se ter um laboratório com clusters ........................ 72
Tabela 14 – Pesquisa: Prioridade na formação do aluno ......................................................... 73
Tabela 15 – Custos Sala de Pesquisa ....................................................................................... 90
Tabela 16 – Custos Cluster Skywulf ........................................................................................ 90
Tabela 17 – Amostragem do teste flop.c ................................................................................. 93
7
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Arquivo: /etc/apt/sources.list................................................................................ 84
Quadro 2 – Arquivo: /etc/network/interfaces .......................................................................... 85
Quadro 3 – Arquivo: /etc/hosts ............................................................................................... 86
Quadro 4 – Arquivo: /etc/hosts.equiv ..................................................................................... 86
Quadro 5 – Arquivo /home/.rhosts .......................................................................................... 86
Quadro 6 – Arquivo: /etc/securetty ......................................................................................... 87
Quadro 7 – Arquivo: /etc/fstab ................................................................................................ 87
Quadro 8 – Arquivo: /etc/exports ............................................................................................ 87
Quadro 9 – Arquivo: /usr/local/share/machines.LINUX ........................................................ 88
Quadro 10 – Arquivo: /root/.bash_profile ............................................................................... 88
8
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT/NBR – Associação Brasileira de Normas Técnicas / Norma da ABNT
ANSI/EIA/TIA – American National Standards Institute - Electronic Industries Alliance Telecommunications Industry Association
CC-NUMA – Cache Coherence Non-Uniform Memory Access
CEDIS – Centro de Excelência em Ciência da Informação e em Dados Espaciais
CEI – Computational Engineering International
CPU – Central Processing Unit – Unidade Central de Processamento
CRM – É um acrônimo de Customer relationship management – Gestão de Relacionamento
com o Cliente.
DSM – Distributed Shared Memory – Memória compartilhada distribuída
ERP – Enterprise Resource Planning ou SIGE – Sistemas Integrados de Gestão Empresarial,
no Brasil
FORTRAN – Acrônimo de Fórmula Translation
FUJB – Fundação Universitária José Bonifácio
GB – Gigabytes
GFlops – Gigaflops
GNU – Acrônimo de GNU's Not UNIX
HA – High Availability
HPC – High Performance Computing
HPCC/ESS - High Performance Computing Cluster/Earth and Space Sciences
HS – High Scaling
HTTP – Acrônimo de HyperText Transfer Protocol
LAN – Local Area Network
MB – Megabytes
MFlops – Megaflops
MIMD – Multiple Instruction Multiple Data
MISD – Multiple Instruction Single Data
MPI – Message Passage Interface
MPP – Processadores Paralelos Massivos
NASA – National Airspace and Space Agence
NFS – Network File System
NORMA – No Remote Memory Access
PAD – Processamento de Alto Desempenho
PC – Personal computer
PVM – Parallel Virtual Machine
RAM – Random Access Memory – Memória de acesso aleatório
RPC – Remote Procedure Call
SBC – Sociedade Brasileira da Computação
SIMD – Sngle Instuction Multiple Data
SISD – Single Instuction Single Data
SMP – Multiprocessadores Simétricos
TB – Terabytes
TCP/IP – Acrônimo de Transmission Control Protocol/Internet Protocol
TFlops – Teraflops
UTP – Unshielded Twisted Pair - Par Trançado sem Blindagem
9
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS .......................................................................................................................... 2
INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 10
1.1 Arquiteturas e classificações ........................................................................................................ 15
1.2 Tipos de processamento paralelo ................................................................................................. 19
1.3 Sistemas Distribuídos .................................................................................................................... 22
1.4 Clusters de Computadores ........................................................................................................... 23
1.4.1 Cluster Balanceamento de Carga (Load Balancing) ou Horizontal Scaling (HS) ................. 24
1.4.2 Cluster de Alta Disponibilidade (HA) ...................................................................................... 24
1.4.3 Cluster de Alto Desempenho (HPC) ......................................................................................... 26
1.4.4 Benefícios dos Clusters............................................................................................................... 26
1.4.5 Aplicações.................................................................................................................................... 27
1.5 Classificação Top 500 .................................................................................................................... 28
2 CLUSTER BEOWULF.................................................................................................................... 34
2.1 Características ............................................................................................................................... 34
2.2 Funcionamento .............................................................................................................................. 35
2.3 Considerações sobre hardware ..................................................................................................... 37
2.4 Sistema Operacional ..................................................................................................................... 38
2.5 Ambientes de programação .......................................................................................................... 38
2.5.1 PVM – Parallel Virtual Machine ............................................................................................... 39
2.5.2 MPI – Message Passing Interface .............................................................................................. 40
2.6 Softwares de gerenciamento e administração de clusters .......................................................... 41
3 EDUCAÇÃO, PESQUISAS CIENTIFICAS E ACADÊMICAS ................................................. 44
3.1 Uso de computadores na educação .............................................................................................. 44
3.2 Formação escolar........................................................................................................................... 45
3.3 Organização acadêmica ................................................................................................................ 46
3.4 Pesquisa Acadêmica e Iniciação Científica ................................................................................. 47
3.4.1 Fundações de apoio a Iniciação Cientifica e Pesquisa Acadêmica ......................................... 50
4 CENTROS DE ESTUDOS E PESQUISA EM
PROCESSAMENTO DE ALTO DESEMPENHO .......................................................................... 53
4.1 SINAPAD E CENAPADs ............................................................................................................. 53
4.2 Outros Centros de Pesquisas em Processamento de Alto Desempenho ................................... 60
4.3 Considerações sobre os Centros de Pesquisa em PAD ............................................................... 63
4.4 Áreas de atuação e pesquisas em processamento de alto desempenho ..................................... 64
5 PESQUISA: INSTITUIÇÕES DE ENSINO .................................................................................. 65
6 LABORATÓRIOS DE ENSINO E INFORMÁTICA .................................................................. 76
7 PROPOSTA DE UM LABORATORIO DE PESQUISA COM CLUSTER BEOWULF ......... 78
7.1 Cabeamento Estruturado ............................................................................................................. 79
7.2 Descrição dos computadores e equipamentos ............................................................................. 81
7.3 O Cluster Skywulf .......................................................................................................................... 82
8 CONSIDERAÇÕES ACERCA DA APLICAÇÃO DE
CLUSTER BEOWULF EM INSTITUÇÕES DE ENSINO ............................................................ 96
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS .............................................................................................. 98
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA .................................................................................................. 104
APÊNDICE A – QUESTIONÁRIO ELABORADO PARA A
PESQUISA COM AS UNIVERSIDADES E FACULDADES ...................................................... 105
APÊNDICE B – RELAÇÃO DE UNIVERSIDADES E FACULDADES
SELECIONADAS PARA A PESQUISA ........................................................................................ 107
APÊNDICE C – LISTAGEM DO PROGRAMA TSTSKYWULF.C ............................................ 111
APÊNDICE D – RELAÇÃO DOS COMPUTADORES UTILIZADOS
PARA MONTAGEM DO CLUSETER SKYWULF .................................................................... 112
ANEXO A – CAPITULO IV DA LEI Nº 9.394 (LDB) .................................................................. 113
ANEXO B – LISTAGEM DO PROGRAMA FLOP.C .................................................................. 117
10
INTRODUÇÃO
Atualmente com o desenvolvimento cada vez mais rápido da tecnologia e da
informática, encontram-se cada dia mais aplicações que requerem um alto poder
computacional. Para esse fim são desenvolvidos os supercomputadores, clusters e grades
computacionais.
As Instituições de Ensino como ambiente propício para pesquisas e estudos precisam
acompanhar esse desenvolvimento oferecendo aos estudantes e pesquisadores oportunidades
para realizarem projetos e soluções que necessitem de cálculos complexos e que somente são
alcançados com recursos computacionais com alto poder de processamento.
A utilização de Cluster Beowulf, oferecendo alto desempenho a baixo custo, como
centro de processamento, garante a instituição uma ferramenta viável e com a possibilidade de
expansão de seus recursos sem a necessidade de grandes investimentos.
Ao delimitar as Instituições de Ensino Superior para o estudo deste trabalho,
consegue-se focar nas reais necessidades de uma Instituição, pois é na graduação, onde a
maioria dos alunos começa a desenvolver seus primeiros projetos acadêmicos e de iniciação
científica.
A importância das Instituições de Ensino em desenvolver estudos na área de
computação de alto desempenho, reflete-se principalmente nas áreas como: tecnologia da
informação, ciência da computação, ciências ambientais, engenharia, física, matemática e em
outras onde existam estudos envolvendo cálculos complexos. Para comprovar essa
importância, em 2006 foi realizado pela SBC – Sociedade Brasileira de Computação, o “The
18th International Symposium on Computer Architeture and High Performance Computing”
com a participação de mais de 300 pesquisadores. Nesse simpósio foram discutidos os
desafios dos próximos dez anos para a área de processamento de alto desempenho.
11
Além dessas ponderações, ao trabalhar com Cluster Beowulf de arquitetura livre, o uso
de software livre é predominante, abrindo-se um leque de possibilidades de estudos e soluções
próprias e de melhoria, pois o contato com o código fonte e o contrato de licença do software
livre permite este tipo de desenvolvimento e trabalho.
A implantação de um Cluster Beowulf exige um conhecimento de sistema operacional,
redes de computadores, programação paralela / distribuída e hardware.
O trabalho de conclusão de curso baseou-se em consultas a livros, periódicos técnicos,
monografias e artigos relacionados às áreas abrangidas tais como: Clusters de computadores,
supercomputadores, processamento de alto desempenho, programação paralela e distribuída,
laboratório de ensino, Instituições de Ensino (Universidades e Faculdades) e centros de
pesquisa em computação de alto desempenho. Realizou-se uma pesquisa acadêmica tendo
como sujeito as Instituições de ensino da região e como metodologia levou-se a elaboração de
um questionário, buscando conhecer o pensamento acerca da pesquisa científica e as atuais
instalações laboratoriais de computação e pesquisa dessas instituições. A implementação real
do Cluster Beowulf ao final, trouxe a confirmação da teoria e a criação de um pequeno roteiro
de instalação e configuração além de uma proposta concreta de um laboratório de pesquisa
com cluster de computadores.
Ao longo desta obra encontram-se uma breve Fundamentação Teórica, na qual são
abordados tópicos que nos levam a compreender o processamento paralelo, os clusters de
computadores e em especial o Cluster Beowulf. São apresentados alguns conceitos e
definições relacionados à educação, instituições de ensino e programas de iniciação científica
no Brasil, levantamento dos centros de pesquisa em computação de alto desempenho, áreas e
trabalhos realizados com a ajuda do processamento de alto desempenho e uma pesquisa
acadêmica referente a estudos científicos e laboratórios de pesquisa com as instituições de
ensino da região. É abordada uma proposta real de um laboratório de pesquisa com cluster de
12
computadores, levantamento de requisitos de software e hardware, custo estimado e um
roteiro de instalação e configuração de um Cluster Beowulf.
13
1 PROCESSAMENTO PARALELO
Segundo Pinheiro (2008) os problemas computacionais usualmente podem ter algumas
de suas partes divididas em pedaços que poderiam ser solucionados ao mesmo tempo ou
processadas em paralelo. Define-se então processamento paralelo como uma forma pela qual
a demanda computacional é suprida através do uso simultâneo de recursos computacionais
como processadores para solução de um problema de forma mais rápida com algum tipo de
coordenação.
Para Rebonatto (2004) o processamento paralelo é uma técnica que divide as tarefas
grandes em tarefas menores, e estas são distribuídas em vários processadores para serem
executadas simultaneamente. Estes processadores comunicam-se entre si para que haja
coordenação (sincronização) na sua execução.
Pitanga (2008, p. 2) relata que surgiu na década de 50 o modelo computacional que
seria a base de todo o desenvolvimento posterior chamado de “modelo de von Neuman1”,
como pode ser visto na Figura 1.
1
John von Neumann (1903-1957), foi um dos mais importantes matemáticos do século XX. Além do conhecido
modelo de von Neumann, realizou trabalhos importantes nas áreas da teoria dos conjuntos, análise funcional,
teoria ergódiga, mecânica quântica, ciência da computação, economia, teoria dos jogos, análise numérica,
hidrodinâmica das explosões, estatística e muitas outras as áreas.
14
Figura 1 – O modelo de von Neumann
Fonte: PITANGA, 2008, p. 1.
Este modelo constitui de um esquema básico que envolve: Entrada / Saída +
Processamento + Memória, onde o processador executa as tarefas.
Silla (2008) relata um modelo mais detalhado da arquitetura de von Neuman que
divide um computador digital em cinco partes principais:
– Unidade de Entrada: componente responsável por fornecer dados e instruções de programas
ao sistema.
– Unidade de Memória: é o componente onde as informações são armazenadas.
– Unidade Aritmética e Lógica: componente responsável por processar instruções dos
programas armazenados na memória.
– Unidade de Controle: componente que é encarregado de supervisionar as atividades
realizadas por cada um dos outros componentes do sistema durante a execução de uma
instrução.
– Unidade de Saída: componente responsável por disponibilizar para o mundo externo as
informações computadas pela unidade aritmética e lógica.
A junção da Unidade Aritmética e Lógica com a Unidade de Controle forma a
Unidade Central de Processamento (CPU).
Um diagrama detalhado pode ser conferido na Figura 2 a seguir.
15
Figura 2 – Modelo detalhado de von Neumann
Fonte: SILLA, 2008.
O surgimento do processamento paralelo e de sua arquitetura se relaciona com os
avanços do hardware ao longo da história. De acordo com Pitanga (2008, p. 10), as máquinas
paralelas surgiram por volta de 1962 quando a empresa Burroughs criou o multiprocessador
MIMD simétrico de até 4 CPUs.
A empresa CDC (Contral Data Corporation) fundada em 1957 por alguns dissidentes
da UNIVAC2 desenvolveu o computador CDC 6600 e segundo Canal (1998) deve-se a eles o
pioneirismo em computação paralela, sendo um marco na evolução da história dos
computadores.
1.1 Arquiteturas e classificações
Classificação de Flynn
Segundo Pinheiro (2008), Pitanga (2008), Silla (2008) e Paiva (2010) o pesquisador
Michael J. Flynn em 1972 classificou as arquiteturas dos computadores segundo o fluxo de
2
UNIVAC – UNIVersal Automatic Computer – Computador Automático Universal, foi o primeiro computador
comercial fabricado e comercializado nos Estados Unidos, foi projetado por J. Presper Eckert e John Mauchly.
16
instruções e de dados. Esta classificação também é conhecida como Taxonomia de Flynn e se
agrupa da seguinte forma:
- SISD (Single Instruction Single Data): É representada pela Figura 3, essa arquitetura
executa uma instrução por vez, por isso o equipamento é considerado seqüencial. Exemplos:
Máquina de von Neuman, computador pessoal com processador convencional.
Figura 3 – Arquitetura SISD
- SIMD (Single Instruction Multiple Data): É quando o equipamento(s) utiliza uma única
instrução ou fluxo desta, utilizando-se múltiplos dados conforme mostra a Figura 4.
Exemplos: CM-2, MasPar, ILLIAC IV.
Figura 4 – Arquitetura SIMD
- MISD (Multiple Instruction Single Data): São máquinas que trabalham com várias
instruções, mas apenas um único dado ou fluxo de dado, a Figura 5 traz o diagrama da
arquitetura MISD. Exemplos: até hoje não temos representantes nesta categoria.
17
Figura 5 – Arquitetura MISD
- MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data): Várias instruções agindo de forma
independente cada um com seu fluxo de dados. Agindo assim de forma paralela. Exemplos:
SP IBM, Intel Paragon, Thinking Machines CM-5, Cluster de Computadores Distribuídos. Os
Clusters de Computadores se encontram, segundo Flynn, na arquitetura MIMD. Na Figura 6 é
mostrado o diagrama da arquitetura MIMD.
Figura 6 – Arquitetura MIMD
Na literatura, ainda encontra-se uma subdivisão dentro da MIMD, que se diferencia
segundo a forma de interligação e uso da memória.
Memória distribuída
Pitanga (2008, p. 15) inclui nesta categoria máquinas formadas por várias unidades de
processadores, cada um com a sua própria memória. A Figura 7 ilustra este conceito.
18
Figura 7 – Arquitetura memória distribuída
Dantas (2005, p. 21) denomina esta divisão como sendo de arquitetura de
multicomputadores, são ambientes fracamente acoplados, ou seja, possuem suas próprias
memórias locais. A comunicação entre processos é efetuada apenas por troca de mensagens
entre os processos que estão sendo executados nos processadores. Processadores e memórias
podem ser conectados por um barramento ou comutador.
Memória compartilhada
De acordo com Pitanga (2008, p. 14) aqui se encontram todas as máquinas com
múltiplos processadores que compartilham o mesmo endereço de memória. A Figura 8 a
seguir traz a representação desta arquitetura.
Dantas (2005, p. 19) refere-se esta divisão como sendo as do multiprocessadores e que
se caracteriza por vários processadores compartilhando uma única memória. São ambientes
fortemente acoplados sendo que processador e memória estão fortemente interligados em um
mesmo sistema local de interconexão.
Figura 8 – Arquitetura com memória compartilhada
19
1.2 Tipos de processamento paralelo
Outra forma de classificação é referente aos tipos de processamento paralelo. De
acordo com Dantas (2005, p. 22) e Pitanga (2008, p. 16) podem ser do tipo:
Multiprocessadores Simétricos (SMP), Processadores Massivamente Paralelas (MPP) e CCNUMA.
Processadores Paralelos Massivos (MPP)
É um grande sistema de processamento paralelo com arquitetura de memória
compartilhada (DSM) e centralizada. Conta com centenas e até milhares de elementos
processadores (nós3), que são interligados por uma conexão de rede com alta velocidade, os
nós possuem memória própria e um ou mais processadores. (PITANGA 2008, p. 16).
Outra característica da arquitetura é que cada nó possuiu sua própria cópia de sistema
operacional, onde as aplicações executam localmente e se comunicam através de pacotes de
troca de mensagem. (DANTAS, 2005, p. 29).
Paiva (2008) observa que como cada nó só tem acesso a sua própria memória. Os
Processadores Paralelos Massivos se caracterizam por serem máquinas NORMA (No Remote
Memory Access), ou seja, não existe um espaço de endereçamento global com acesso remoto
as memórias, cada processador possuiu sua memória local.
Multiprocessadores Simétricos (SMP)
Pitanga (2008, p. 17) define como sendo um sistema de processamento simétrico que
apresenta de dois até sessenta e quatro processadores, compartilhando a mesma memória,
através de um barramento ou uma rede de comunicação dedicada. Como todos os
3
Nós, node ou nodo – elementos processadores de dados, máquinas pertencentes ao um cluster.
20
processadores podem acessar a mesma memória, o tempo de acesso deve ser muito baixo,
porém quanto maior o sistema mais cresce o tempo de acesso. Para contornar essa situação
são empregadas lógicas adicionais para as interligações entre processadores e memória, as
referidas interligações se encaixam em três categorias:
- UMA (Uniform Memory Access): memória de acesso uniforme é uma arquitetura fortemente
acoplada, usada em multiprocessadores de pequena dimensão. A Figura 9 representa a
arquitetura UMA.
Figura 9 – Arquitetura UMA
- NUMA (Non Uniform Memory Access): a memória usada é distribuída com vários módulos
de memória associados a um processador. O espaço de endereçamento é único, assim cada
processador pode acessar toda a memória do sistema. A Figura 10 traz o diagrama desta
arquitetura.
Figura 10 – Arquitetura NUMA
21
- COMA (Cache-Only Memory Architecture): é um tipo especial de NUMA, onde as
memórias são substituídas por caches4 que formam apenas um bloco total de memória, utiliza
um mecanismo sofisticado de coerência de cache no nível de hardware, isso faz elevar o custo
dessa arquitetura. A Figura 11 ilustra este tipo de interligação.
Figura 11 – Arquitetura COMA
Segundo Dantas (2005, p. 24) as máquinas SMP são também conhecidas como
multiprocessadores fortemente acoplados e por isso nestes ambientes não são muito
escaláveis. Com o aumento no número de processadores, a taxa de colisão de acesso à
memória cresce de maneira substancial.
Memória de Acesso não-uniforme com Coerência de Cachê (CC-NUMA)
Segundo Pitanga (2008, p. 19) CC-NUMA é um sistema de multiprocessadores
escaláveis que possuem uma arquitetura de coerência de cachê com acesso não uniforme.
Igual a uma máquina SMP, cada processador é um sistema CC-NUMA com uma visão
globalizada da memória. Nessa arquitetura a memória é dividida e cada processador tem seu
bloco de memória, cada bloco de memória é conectado via barramento a um processador
como memória local.
Dantas (2005, p. 26) destaca algumas aplicações para esta arquitetura como serviços
de Web, banco de dados, processamento de sinal, CRM e ERP.
4
Cache – é um dispositivo de acesso rápido, interno a um sistema, que serve de intermediário entre um operador
de um processo e o dispositivo de armazenamento. Pode ser definido também como um bloco de memória para o
armazenamento temporário de dados que possuem uma grande probabilidade de serem utilizados novamente.
22
1.3 Sistemas Distribuídos
Sistemas Distribuídos podem ser vistos como a agregação de vários computadores
existentes em uma rede convencional. Nos ambientes distribuídos, a homogeneidade ou
heterogeneidade de um conjunto de computadores, onde cada um tem seu próprio hardware e
seu próprio software, permite a formação de SMPs, MPPs, de clusters e de grids
computacionais. (DANTAS, 2005, p. 31)
Para Pitanga (2008, p. 22) um Sistema Distribuído é um conjunto de elementos que se
comunicam através de uma rede de interconexão e que utilizam software de sistema
distribuído. Objetiva melhorar a comunicação entre os computadores incrementando o
desempenho da comunicação entre processos.
Souza (2004) descreve as características que um sistema distribuído deve ter:
- Transparência: Qualquer processo pode ser executado em qualquer máquina da rede de
maneira transparente ao utilizador;
- Confiabilidade: Alta disponibilidade dos serviços. Atinge-se este patamar utilizando-se
vários equipamentos em conjunto;
- Concorrência: Caracterizado pelo compartilhamento de recursos com uma melhor utilização
da carga de processamento entre todas as máquinas;
- Escalabilidade: Capacidade de agregar novos recursos ao sistema, tanto hardware quanto
software;
- Flexibilidade: Flexível às decisões do projeto, permitindo mudanças no sistema, caso
necessite;
- Heterogeneidade: Diversidade de elementos computacionais. Como plataforma de hardware
ou software.
23
A diferença entre um sistema distribuído e um computador paralelo, segundo Pitanga
(2008, p. 23) está na sua utilização. Sendo que o computador paralelo é definido por uma
coleção de elementos de processamento que cooperam e comunicam para resolver problemas
de maneira bem mais rápida. Assim, os computadores paralelos são um tipo mais restrito
dentro do sistema distribuído.
1.4 Clusters de Computadores
Para Dantas (2005, p. 32) um cluster pode ser entendido como uma agregação de
computadores de uma forma dedicada (ou não) para a execução de aplicações específicas de
uma organização ou de uma instituição.
A utilização de dois ou mais computadores em conjunto para resolver certo problema
denomina-se cluster, que em português significa agrupamento. (PITANGA, 2008, p. 25).
O termo cluster, ou aglomerado de computadores, pode ser formado por um conjunto
de computadores convencionais agrupados fisicamente em um ambiente, ou simplesmente por
computadores dedicados. (ALVARENGA, 2007).
Segundo Dantas (2005, p. 147), frente aos altos custos de máquinas do tipo MPP e
SMP e de uma maior oferta de computadores pessoais existentes nas redes das instituições,
tem se adotado o aglomerado de computadores para a utilização em ambientes que requerem
processamento de alto desempenho.
Basicamente existem três tipos de clusters: Balanceamento de carga (Load Balancing),
Alta disponibilidade (High Availability) e Alto desempenho (High Performance Computing).
24
1.4.1 Cluster Balanceamento de Carga (Load Balancing) ou Horizontal Scaling (HS)
O cluster de balanceamento de carga tem por objetivo distribuir as requisições que
chegam ao cluster. Mesmo no caso de falha em um dos nós, estas requisições são
redistribuídas entre os outros membros do cluster. (BATISTA, 2007).
Para Leão (2004) o cluster de Balanceamento de Carga tem como propósito a
distribuição igualitária de processos ao longo dos nós do agrupamento de computadores, com
a ajuda de algoritmos de escalonamento.
Pitanga (2003) destaca a importância de algoritmos para balanceamento e enumera
três exemplos destes algoritmos:
- Least Connections: Esta técnica redireciona as requisições para o servidor baseado no menor
número de requisições/conexões.
- Round Robin: Este método usa a técnica de sempre direcionar as requisições para o próximo
servidor disponível de uma forma circular.
- Weighted Fair: Esta técnica dirige os pedidos para os servidores baseados na carga de
requisições de cada um e na capacidade de resposta dos mesmos (performance).
Este tipo de cluster é muito utilizado para serviços web e de comércio eletrônico.
Também é comum a associação do cluster de balanceamento de carga com o de alta
disponibilidade criando-se um cluster hibrido.
1.4.2 Cluster de Alta Disponibilidade (HA)
Um cluster de alta disponibilidade é usado para manter o acesso à informação sempre
disponível.
25
Pitanga (2003) descreve cluster de Alta Disponibilidade (High Availability – HA)
como um modelo construído para prover uma disponibilidade de serviços e recursos de forma
ininterrupta através do uso da redundância.
Sobre Cluster de Alta Disponibilidade, Alvarenga (2007) relata que são
implementados para fornecer uma disponibilidade de serviços de forma sempre ativa, através
de operações redundantes nos nós, ou seja, se um deles falhar, então outro nó iria executar sua
tarefa, de forma que o cluster não se desliga por inteiro. A Figura 12 faz a representação deste
funcionamento.
Por essas características o Cluster de alta disponibilidade é utilizado especialmente em
missões críticas.
Figura 12 – Modelo de sistema de alta disponibilidade
Fonte: ALVARENGA, 2007.
26
1.4.3 Cluster de Alto Desempenho (HPC)
Para Pitanga (2008, p. 31) é um tipo de sistema para processamento paralelo que
consiste de uma coleção de computadores interconectados, trabalhando juntos como um
recurso de computação simples e interligado de forma a conseguir um maior processamento.
Segundo Dantas (2005) um ambiente de alto desempenho necessita de um cluster com
inúmeros processadores, grande quantidade de memória e espaço em disco.
Esse tipo de cluster foi desenvolvido para oferecer maior poder de computação para a
solução de um determinado problema.
De acordo com Gorino (2006) é o cluster mais comum no meio acadêmico e
científico.
O funcionamento básico de um cluster de alto desempenho pode ser exemplificado da
seguinte forma: dado um problema, que possa ser divido em partes menores (“ser
paralelizado”), um servidor fica responsável por dividir o problema em várias partes e enviar
para os respectivos nós. Esses, por sua vez, acham a solução e respondem ao servidor, que
junta às respostas e disponibiliza para o usuário. (GORINO, 2006).
Um exemplo de cluster HPC é o Cluster Beowulf, e será visto em detalhes no Capitulo
2.
1.4.4 Benefícios dos Clusters
São inúmeros os benefícios que um aglomerado de computadores, ou seja, cluster
pode trazer para uma organização ou instituição. Porém, antes do desenvolvimento do cluster,
a finalidade do mesmo já deve estar previamente definida, pois devem ser desenvolvidos com
uma finalidade especifica e não desenvolver sem saber os processos que devem ser agilizados.
(DANTAS, 2005).
27
Os benefícios mais importantes que os clusters podem nos proporcionar segundo
Pitanga (2008, p. 33), Batista (2007) e Dantas (2005) são:
- Baixo custo: a redução de custo para se obter processamento de alto desempenho utilizandose simples PCs.
- Disponibilidade: devido ao cluster possuir no mínimo dois nós, em caso de ocorrer qualquer
problema, a disponibilidade dos serviços não deve ser prejudicada.
- Escalabilidade: a configuração pode crescer à medida que mais recursos estiverem
disponíveis.
- Tolerância à falhas: o aumento de confiabilidade do sistema como um todo, caso alguma
parte falhe.
- Alto desempenho: possibilidade de se resolver problemas muito complexos através do
processamento paralelo, o que diminui o tempo de resolução dos problemas.
O processamento de alto desempenho, que é a característica principal do Cluster
Beowulf (Capitulo 2), é o benefício que permite o desenvolvimento de pesquisas, quando
estas exigem cálculos complexos, nas instituições e centros de ensino e pesquisa.
1.4.5 Aplicações
As aplicações para os clusters são muito diversificadas, e envolvem todas as áreas,
seja de pesquisa, indústria ou ensino. Em qualquer local que aparecer um grande problema
computacional em que o processamento paralelo seja indicado, o cluster será recomendado
para o serviço. (PITANGA, 2008, p. 34).
Dantas (2005) alerta que os clusters, devem ser estabelecidos a partir das necessidades
das empresas e instituições.
28
Para Pitanga (2008, p. 33) empresas de menor porte e universidades, com poucos
recursos financeiros, podem recorrer a uma alternativa para obtenção do processamento de
alto desempenho, a custos baixos, aproveitando os equipamentos (hardware) existentes. Isto
se deve ao barateamento das redes locais e da evolução dos processadores.
Alguns exemplos de áreas onde os clusters podem ser implementados e serão muito
úteis: Servidores de Internet, banco de dados, computação gráfica, aerodinâmica, análise de
elementos finitos, inteligência artificial e automação, engenharia genética, exploração sísmica,
oceanografia e astrofísica, previsão do tempo, pesquisas militares, problemas e pesquisa
básica (física, química, engenharia e matemática), segurança de reatores nucleares.
(PITANGA, 2008, p. 37).
O uso de clusters para pesquisa científica e acadêmica nas Instituições de Ensino é a
proposta central desta obra.
1.5 Classificação Top 500
Top500 é um projeto onde são desenvolvidas e apresentadas as estatísticas sobre os
quinhentos mais poderosos sistemas de computadores. Teve inicio em 1993, é atualizada duas
vezes ao ano (semestralmente).
É organizada por Hans Meuer da University of Mannheim, Alemanha, Jack Dongarra
da University of Tennessee, Erich Strohmaier e Horst Simon do NERSC / Lawrence Berkeley
National Laboratory.
A mensuração é feita a partir da ferramenta de benchmark Linpack, desenvolvida por
Jack Dongarra. Esta ferramenta se baseia na resolução de um sistema denso de equações
lineares.
29
Essas estatísticas são de grande interesse para os fabricantes, instituições e usuários,
facilitando o estabelecimento de colaborações, ao intercâmbio de dados e software,
proporcionando uma melhor compreensão do mercado de computadores de alto desempenho e
suas aplicações.
Foram detalhadas três listas: sistemas operacionais, arquitetura e áreas de aplicação
mais utilizados dos sistemas computacionais de alto poder de processamento.
Sistemas operacionais mais utilizados
Na Tabela 1, é listado segundo TOP 500 (2010) os Sistemas Operacionais mais
utilizados. Em seguida a Figura 13, traz o gráfico correspondente. Destaca-se a
impressionante marca de 91% de utilização do Sistema Operacional Linux.
Tabela 1 – Sistemas Operacionais mais utilizados no TOP 500
Sistema Operacional
Quantidade
Porcentagem
Linux
455
91 %
Unix
22
4.40 %
Mixed5
17
3.40 %
Windows
5
1.00 %
BSD Based
1
0.20 %
500
100%
Total
Fonte: TOP 500, 2010.
5
Mixed – sistemas operativos mistos
30
Sistema Operacional TOP 500
455
500
400
300
200
100
0
22
Quantidade
17
5
Linux
Unix
Mixed
Windows
1
BSD
Based
Figura 13 – Sistemas Operacionais mais utilizados no TOP 500
Arquiteturas mais utilizad
utilizadas
A Tabela 2 apresenta os tipos de arquiteturas
rquiteturas mais utilizados.
utilizados A Figura 14 traz o
gráfico correspondente. Observa
Observa-se
se que 84% da arquitetura dos sistemas computacionais mais
poderosos em termos de processamento, são constituídos por clusters de computadores.
Tabela 2 – Arquiteturas mais utilizadas no TOP 500
Arquitetura
Quantidade
Porcentagem
Constellations6
2
0.40%
MPP
74
14.80%
Cluster
424
84.80%
Total
500
100.0%
Fonte: TOP 500, 2010.
6
Constellations – redes
edes composta por várias máquinas MPP
MPP.
31
Arquitetura TOP 500
500
424
400
300
200
Quantidade
100
74
0
2
Cluster
MPP
Constellations
Figura 14 – Arquiteturas mais utilizadas no TOP 500
Áreas de aplicação
A Tabela 3 traz as áreas de aplicação mais utilizadas e a Figura 15,
15 o gráfico
correspondente. Das áreas especificadas, as pesquisas com 16,40% representam a maior
aplicação e uso dos sistemas computacionais de alto desempenho.
Tabela 3 – Áreas de aplicação TOP 500
Área de Aplicação
Quantidade
Porcentagem
Aeroespacial
5
1.00 %
Automotivos
2
0.40 %
Aplicações e Testes
4
0.80 %
Biologia
1
0.20 %
Consultoria
1
0.20 %
Banco de Dados
5
1.00 %
Defesa
15
3.00 %
Energia
6
1.20 %
Financeira
53
10.60 %
Geofísica
24
4.80 %
Hardware
2
0.40 %
continua
32
Área de Aplicação
(continuação)
Quantidade
(continuação)
Porcentagem
(continuação)
Serviço de Informação
33
6.60 %
Processamento de Informação
16
3.20 %
Ciência para a Vida
1
0.20 %
Medicina
3
0.60 %
Media
2
0.40 %
Pesquisas
82
16.40 %
Serviços
7
1.40 %
Software
7
1.40 %
Telecomunicação
6
1.20 %
Previsão e Estudos do Clima
4
0.80 %
Servidores Web
7
1.40 %
Previsão do Tempo
3
0.60 %
Semicondutores
15
3.00 %
Mídia Digital
1
0.20 %
Diversão
3
0.60 %
Não Especificado
154
30.80 %
Jogos
2
0.40 %
Varejo
7
1.40 %
Serviço de Logística
29
5.80 %
Total
500
100%
Fonte: TOP 500, 2010.
33
Não Especificado
Pesquisas
Financeira
Áreas de aplicação TOP 500
Serviço de Informação
Serviço de Logística
Geofísica
Processamento de Informação
Defesa
Semicondutores
Serviços
Software
Servidores Web
Varejo
Energia
Telecomunicação
Aeroespacial
Banco de Dados
Aplicações e Testes
Previsão e Estudos do Clima
Medicina
Previsão do Tempo
Diversão
Automotivos
Hardware
Media
Jogos
Biologia
Consultoria
Ciência para a Vida
Mídia Digital
Figura 15 – Áreas de aplicação TOP 500
34
2 CLUSTER BEOWULF
Cluster Beowulf pode ser considerado o cluster mais difundido e utilizado para o
processamento de alto desempenho, isto se deve muito ao seu baixo custo de implementação.
Veio suprir a crescente necessidade de elevada capacidade de processamento em diversas
áreas científicas. (ALVARENGA, 2007, p. 19).
A semente inicial veio ainda na década de 1960, com a IBM, em uma forma de
interligar vários mainframes, com o projeto que recebeu o nome de IBM Parallel Sysplex
System. Porém foi somente em 1993 que os pesquisadores Donald J. Becker e Thomas
Sterling começaram a desenvolver um sistema de processamento distribuído utilizando-se
hardware convencional. Em 1994, trabalhando no CEDIS (subsidiária da NASA), sob o
patrocínio do Projeto HPCC/EES7, nasceu o projeto Beowulf8. (NETO, 2008).
O “Cluster da NASA” era “formado por 16 PCs 486 DX-100 ligados em rede. Para
manter a independência do sistema e baixar os custos, os desenvolvedores optaram por
utilizar o Linux”. (MORIMOTO, 2010).
2.1 Características
Uma das características fundamentais do Cluster Beowulf é a possibilidade de
utilização de componentes comuns, ou seja, utiliza hardwares e softwares disponíveis no
mercado e também de utilizar Sistema Operacional Linux e bibliotecas de comunicação de
livre distribuição. (PITANGA, 2008, p. 47).
7
HPCC – High Performance Computing Cluster , programa da NASA para fomento de pesquisa e estudo em
processamento massivamente paralelo. EES – Earth and Space Sciences, programa de fomento a pesquisa e
estudos em várias áreas da ciência espacial.
8
Beowulf – vem de um poema inglês que conta a historia de um herói que salvou um reino dinamarquês de um
monstro chamado Grendel.
35
O Cluster Beowulf foi planejado e desenvolvido para dar suporte às aplicações que
necessitavam de alto processamento na época e também para fazer frente aos
supercomputadores que possuem alto nível de processamento, mas necessitam de elevado
grau de investimento.
Júnior (2005) destaca quatro características principais desta arquitetura, são elas:
Nenhum componente feito sob medida; Independência de fornecedores de hardware e
software; Periférico escalável e software livre e de código aberto.
2.2 Funcionamento
Um Cluster Beowulf consiste de um nó denominado master (mestre), server ou frontend que é responsável pela comunicação central e distribuição das tarefas aos demais nós
chamados de slaves (escravos), clients ou back-ends. Ao nó master é conectado um monitor,
teclado e mouse e aos demais nós somente a alimentação elétrica e o cabo de conexão de rede.
E todos interconectados por um concentrador (switch).
Os programas para o Beowulf, usualmente são escritos em linguagem C ou FORTRAN
e necessitam de uma biblioteca de troca de mensagens (seção 2.6). É configurado o
compartilhamento de pastas e arquivos entre servidor e clientes, habitualmente o padrão
NFS9, além da criação de uma relação de confiança10 entre os nós.
As Figuras 16 e 17 são referências de instalação de Cluster Beowulf.
9
NFS – Network File System, serviço que permite que diretórios e arquivos sejam compartilhados através da
rede, baseando-se em uma arquitetura cliente/servidor.
10
Relação de confiança aqui empregado se refere à utilização de programas de acesso remoto entre máquinas e
usuário, como o rsh (Remote Shell) que permite a execução de comandos via linha de comando (shell) entre
usuários, outro comumente utilizado é o ssh (Secure Shell).
36
Figura 16 – Cluster Beowulf do Mount Olive College
Fonte: COLLEGE, 2010.
Figura 17 – Cluster Skywulf
37
2.3 Considerações sobre hardware
Pitanga (2008, p. 69) lista uma série importante de características a serem levadas em
consideração na hora da montagem do projeto de cluster: Tipo de processador; tamanho e
velocidade da memória cache (L1/L2/L3); número de processadores por nó; capacidade,
velocidade e tecnologia da memória RAM; velocidade do barramento; chipset da placa mãe e
placas de rede.
Para Dantas (2005, p. 170) quando à interconexão é formado por multiprocessadores e
multicomputadores específicos, o projetista poderá avaliar o sistema de interconexão somente
com a comparação do material fornecido pelo fabricante.
Braga (2003) orienta que a escolha dos componentes de “hardware” e “software” para
a construção de clusters do tipo Beowulf devem ser criteriosa e vem se mostrando bastante
viável a computação de alto desempenho para instituições com fortes restrições financeiras.
Em um projeto de cluster o ideal é produzir uma análise dos aplicativos que irão
compor o ambiente e o respectivo custo-benefício do ambiente projetado. (DANTAS, 2005, p.
170).
Padrões de Redes
Padrão Fast-Ethernet (100Mbps) e Gigabit-Ethernet (1Gbps), são os mais comuns,
pois possuem menor custo e permitem fácil migração para os novos padrões Ethernet como o
10 Gigabit-Ethernet (10Gbps). Como desvantagens possuem alta latência11 e não foram
projetados especialmente para aplicação de processamento paralelo.
A Myrinet é uma tecnologia desenvolvida pela empresa Myricon. É muito utilizada
devido ao seu alto desempenho, principalmente com cluster com mais de 32 nodos. Como
11
Latência é a diferença do tempo entre o início de um evento e o momento em que seus efeitos tornam-se
perceptíveis.
38
características principais destacam-se: Full-duplex 2+2Gbp/s de velocidade; Controle de fluxo
e controle de erros; Baixa latência e Processador programável on-board. (PITANGA, 2008, p.
93).
2.4 Sistema Operacional
Segundo Ferreira et al (2001), um Sistema Operacional executa várias tarefas como
gerenciamento de periféricos de entrada / saída, memória e controle de arquivos e diretórios
no disco. Vários Sistemas Operacionais podem ser usados no projeto de Cluster Beowulf e o
GNU/Linux (incluindo suas variadas distribuições) é o mais utilizado para este fim, devido a
sua confiabilidade, robustez e por ser software livre com código fonte aberto permitindo
várias otimizações e custo reduzido.
2.5 Ambientes de programação
Segundo Dantas (2005, p. 107) deve-se levar em consideração requisitos que podem
ser explorados na programação frente às configurações computacionais. Assim, relacionam-se
diferentes tipos de modelos de programação a diferentes arquiteturas de sistemas
computacionais.
Em arquiteturas paralelas e especificamente Cluster Beowulf, utilizam-se bibliotecas
de programação paralela, que são as rotinas e as funções que um conjunto ou pacote de
software possuem para fazerem a comunicação entre os nós. As duas bibliotecas mais
utilizadas para clusters Bewoulf são a PVM e MPI.
39
2.5.1 PVM – Parallel Virtual Machine
A Máquina Virtual Paralela é uma biblioteca de programação paralela por passagem
de mensagem, criada em 1989 pelo Heterogeneous Network Project em conjunto da Oak
Ridge National Laboratory, University of Tennesse, Emory University e Carnegie Mellon
University, com a intenção de facilitar o campo da computação paralela heterogênea.
(PITANGA, 2008, p. 162).
De acordo com Dantas (2005, p. 114) o pacote PVM tem como objetivo ser um
facilitador em um ambiente de programação paralela adicionando um mecanismo transparente
e agregando com isso inúmeras máquinas com arquiteturas homogêneas ou heterogêneas
(máquinas diferentes com sistemas operacionais diversos).
Júnior (2005) resume o funcionamento do PVM da seguinte forma “A idéia do
Parallel Virtual Machine consiste em montar uma máquina virtual de n processadores e usálos para executar tarefas simultâneas”. Objetiva, portanto utilizar um conjunto de
computadores interconectados, como um recurso virtualmente único.
Pitanga (2008, p. 165) destaca algumas características do PVM: Abstração completa
(máquina virtual); Controle de processos em tempo real e recursos; Tolerância a falhas e Fácil
de instalar e usar.
O PVM, segundo Júnior (2005) pode ser dividido em três partes:
- Console: usado para montar a máquina paralela virtual.
- Daemon: um programa (processo) que executa em cada máquina do ambiente,
estabelecendo a comunicação entre as diversas máquinas (nós).
- Biblioteca: onde reside as funções e sub-rotinas que instruem o código a dividir as tarefas
entre os daemons.
40
Atualmente o PVM vem deixando de ser o mais utilizado sendo substituído pelo
padrão MPI.
2.5.2 MPI – Message Passing Interface
É o padrão proposto para a comunidade de desenvolvedores com o objetivo de fazer
com que as aplicações tenham uma maior interoperabilidade, tornando-os portáveis para
diferentes plataformas de hardwares e sistemas operacionais. (DANTAS, 2005, p. 117).
Segundo Pitanga (2008, p. 171) o MPI é uma biblioteca de programação com funções
para troca de mensagens entre os nós e responsável também pela comunicação e
sincronização dos processos de um cluster paralelo.
O padrão MPI foi lançado em 1994 pelo MPI Fórum12 e atualmente esta na versão 2.
Junior (2005) descreve algumas características importantes do MPI:
- Eficiência: projetado para executar eficientemente em máquinas diferentes.
- Facilidade: Define uma interface não muito diferente do padrão PVM e acrescenta algumas
extensões que permitem maior flexibilidade.
- Portabilidade: Suporte a várias plataformas de hardware e sistemas operacionais.
- Transparência: Permite que um programa seja executado em sistemas heterogêneos sem
mudanças significativas.
- Escalabilidade: O MPI suporta escalabilidade sob diversas formas.
O desenvolvimento de programas utilizando MPI usualmente é escrito nas linguagens
de programação C ou FORTRAN.
A plataforma alvo para o MPI são os ambientes de memória distribuída, máquinas
paralelas massivas e clusters de estações de trabalho.
12
MPI Fórum – acesso disponível pelo endereço: http://www.mpi-forum.org
41
Existem várias implementações do MPI tais como: MPICH (ANL/MSU), MPI-F (IBM
Research), UNIFY (Mississipi State University), LAM (Ohio Supercomputer Center),
CHIMP (Edinburgh Parallel Computing Center) e Open MPI (Open Source High
Performance Computing).
2.6 Softwares de gerenciamento e administração de clusters
As ferramentas de gerenciamento de clusters segundo Dantas (2005, p. 119) tem o
objetivo de gerenciar tarefas e recursos geograficamente distribuídos nos clusters. E como
facilidades devem prover: Suporte a Sistemas Operacionais heterogêneos; Ambientes
interativos; Verificação e migração de processo; Balanceamento de carga; Interface gráfica
amigável e relatórios diversos.
Schepke et al (2005) define o gerenciamento de clusters como uma tarefa que resulte
um bom aproveitamento dos recursos, provendo para tanto, de mecanismos que auxilie na
administração dos nós de forma integrada.
Algumas ferramentas de gerenciamento de clusters são listadas a seguir:
- bWatch: beowulf Watch, desenvolvido por Jacek Radajewski, software livre escrito na
linguagem Tcl/Tk. Tem como característica monitorar carga e uso da memória dos nós.
- Ganglia: software livre de monitoramento em tempo real para sistemas de alto desempenho
de forma gráfica e fácil interpretação.
- Nagios: ferramenta de gerenciamento e monitoramento de rede LAN e WAN, monitora
recursos e serviços de rede (protocolos) e computacionais (memória, espaço em disco, uso da
CPU, etc.). Emite eventos de alerta ao administrador da rede.
- Condor: ferramenta desenvolvida pela Universidade de Wisconsin-Madison (EUA), possui
como características: submissão distribuída de tarefas, prioridades para usuários e tarefas,
42
suporte a múltiplos modelos de tarefas, checkpointing e migração, suspensão de tarefa e
posterior continuação, autenticação e autorização.
- Parmon: ferramenta comercial que permite adquirir informações dos recursos do sistema de
vários nós, acompanhar processos e logs do sistema, além de definir eventos de alerta ao
administrador do cluster. Também é possível monitorar CPU, memória, rede e disco.
- SCMS: ferramenta para clusters de pequeno e médio porte através de uma arquitetura
centralizada, organizada em um módulo de monitoração e um módulo de centralização.
Permite monitorar o uso de CPU, memória, rede e disco, além de fornecer informações úteis
sobre a configuração dos nós do cluster.
Os Benchmarks
Boavida (2002) destacam que ao se tratar de clusters, os softwares de benchmark,
tradicionalmente usados para qualificar o desempenho de um sistema, ganharam mais uma
finalidade que é a de medir a escalabilidade dos nodos e/ou aplicações intensivas de
comunicação.
As unidades mais comuns de medida de desempenho em processamento de alto
desempenho são a MFLOPS (Millions of floating-point operations per second) ou Megaflops,
MIPS (Millions of instruction per second) e QUIPS (Quality improvement per second).
(PATRAO, 2002).
Alguns exemplos de ferramentas de benchmark para clusters são:
- NAS Parallel Benchmarks: desenvolvido pela NASA Ames Research Center.
- HPL – High-Performance Linpack: desenvolvido por Jack Dongarra.
- HINT – Hierarchical Integration: desenvolvido pelo U.S Departament of Energy's Ames
Research Laboratory.
- HPC Challenge Bencharmk Suite.
43
- STREAM: desenvolvido por Dr. John D. McCalpin.
- MPBench – Massive Parallel Benchmark
Uma visão lógica geral da arquitetura Beowulf pode ser vista na Figura 18.
Figura 18 – Visão lógica da arquitetura Beowulf
Fonte: FERREIRA et al, 2001.
44
3 EDUCAÇÃO, PESQUISAS CIENTIFICAS E ACADÊMICAS
O artigo n.º 205 da Constituição Federal do Brasil (1998) fala de uma educação que
visa o pleno desenvolvimento da pessoa, seu preparo para o exercício da cidadania e sua
qualificação para o trabalho, além de ser um direito de todos. Segue-se no artigo n.º 206, entre
as bases desta educação, está à liberdade de aprender, ensinar, pesquisar e divulgar o
pensamento, a arte do saber; pluralismo de idéias e de concepções pedagógicas e coexistência
de instituições públicas e privadas de ensino.
Neste plano as instituições públicas e privadas de ensino ganham uma importância
vital para a formação humana e na identidade e desenvolvimento do próprio país.
O modo de se educar em uma sociedade, sofre ao longo da história transformações que
acompanham, às vezes tardiamente, as mudanças da sociedade e os avanços científicos e
tecnológicos. Pinho (1997) no seu discurso de posse como diretora do Instituto de Biociências
da UNESP, campus Botucatu, refletiu que “Os jovens que hoje recebemos pertencem a uma
nova geração”. Ela conclui “e por esse motivo, mudou igualmente a tarefa de como educá-los.
Nossos métodos de ensino não mais funcionam adequadamente. Surge, então, outro desafio,
também bastante difícil, a definição de como ensinar”.
Valente (1999, p. 39) defende que as ações para a introdução de novas idéias para
serem efetivadas devem ser acompanhadas de alterações de currículo, novas propostas de
trabalho em equipe e o uso de novas tecnologias da informação.
3.1 Uso de computadores na educação
Os computadores hoje se tornaram indispensáveis no cotidiano do homem moderno,
seja no trabalho ou no lazer. Como ferramenta de ensino auxilia professores e alunos.
45
Para Brandão (2009), “O uso do computador na educação tem como papel ultrapassar
as fronteiras do educar convencional [...]. A informática na educação possibilita ao educando
a construção do seu conhecimento, transformando a sala de aula num espaço real de interação,
de troca de resultados, e adaptando os dados à realidade do educando.”
Uma das realidades do educando se refere às exigências do mercado de trabalho e em
suas atividades de pesquisa e desenvolvimento científico.
3.2 Formação escolar
No Brasil a Lei de n.º 9.394 de 20 de dezembro de 1996 é que rege as diretrizes e
bases da Educação Nacional, nesta encontra-se definido no Artigo 21º: “A educação escolar
compõe-se de: I - educação básica, formada pela educação infantil, ensino fundamental e
ensino médio; II - ensino superior”. (NACIONAL, 1996).
No Artigo 39º esta as definições referente à educação profissional: “A educação
profissional, integrada às diferentes formas de educação, ao trabalho, à ciência e à tecnologia,
conduz ao permanente desenvolvimento de aptidões para a vida produtiva”. Segue-se no
Artigo 40º: “A educação profissional será desenvolvida em articulação com o ensino regular
ou por diferentes estratégias de educação continuada, em instituições especializadas ou no
ambiente de trabalho”. (NACIONAL, 1996).
Em relação ao ensino superior, objeto maior de análise, o Artigo 43º seguido de seus
parágrafos, nos informa do papel do ensino superior e destaca: o incentivo ao trabalho de
pesquisa e investigação científica; promover a divulgação de conhecimentos culturais,
científicos e técnicos que constituem patrimônio da humanidade e comunicar o saber através
do ensino, de publicações ou de outras formas de comunicação; estimular o conhecimento dos
problemas do mundo presente, em particular os nacionais e regionais, prestar serviços
46
especializados à comunidade e estabelecer com esta uma relação de reciprocidade.
(NACIONAL, 1996).
Já o Artigo 45º estabelece que o ensino superior seja ministrado por instituições
públicas ou privadas, com variados graus de abrangência e especialização.
A pós-graduação no Brasil divide-se basicamente em Stricto Sensu e Latu Sensu,
sendo que o primeiro compreende os programas de mestrado e doutorado, abertos a
candidatos diplomados em cursos superiores de graduação e que atendam às exigências das
instituições de ensino e ao edital de seleção dos alunos (artigo 44, III, Lei nº 9.394/1996.). Já
os cursos Lato Sensu, compreende os cursos de especialização em nível de pós graduação
oferecidas por instituições de ensino superior credenciadas e que atendem ao disposto na
Resolução CNE/CES nº 1, de 8 de junho de 2007. (MEC, 2010).
Segundo Bridi (2004), “como instituições socioculturais, criadas e caracterizadas por
um conjunto de papéis e funções, as universidades refletem o contexto econômico, político e
cultural no qual estão inseridas”.
3.3 Organização acadêmica
Cavalcante (2000, p. 20) com base no Decreto nº 2.306/9713 organiza o sistema federal
de ensino em:
- Universidades: Instituições pluridisciplinares de formação de quadros profissionais de nível
superior, caracterizando-se pela indissociabilidade das atividades de ensino, pesquisa e
extensão.
- Universidades Especializadas: Organizadas por campo do saber, nas quais deverá ser
assegurada a existência de atividades de ensino e pesquisa.
13
Ver também Resolução CNE/CES nº 1, de 27/1/99; Portaria nº 639, de 13/5/97; Resolução CNE/CP nº 1, de
30/9/99; Decreto nº 2.406/97 – Regulamenta a Lei nº 8.948, de 8/12/94 e Portaria nº 1.647, de 25/11/99.
47
Centros Universitários: São instituições pluricurriculares, abrangendo uma ou mais áreas de
conhecimento, que devem oferecer ensino de excelência e condições de trabalho acadêmico.
- Centros Universitários Especializados: Deverão atuar numa área de conhecimento
específica ou de formação profissional.
- Faculdades Integradas
- Faculdades
- Institutos Superiores ou Escolas Superiores
- Centros de Educação Tecnológica: Instituições especializadas de educação profissional com
finalidade de qualificar profissionais, nos vários níveis e modalidades do ensino, para os
diversos setores da economia e realizar pesquisa e desenvolvimento tecnológico de novos
processos, produtos e serviços.
3.4 Pesquisa Acadêmica e Iniciação Científica
“A função da Universidade é única e exclusiva. Não se trata somente
de difundir conhecimentos. O livro também os difunde. [...] Trata-se
de conservar o saber vivo e não morto, nos livros ou no empirismo das
práticas não intelectualizadas. Trata-se de formular intelectualmente a
experiência humana, sempre renovada, para que a mesma se torne
consciente e progressiva. Trata-se de difundir cultura humana, mas de
fazê-lo com inspiração, enriquecendo e vitalizando o saber do passado
com a sedução, a atração e o ímpeto do presente. O saber não é um
objeto que se recebe das gerações que se foram para a nossa geração;
o saber é uma atividade de espírito que se forma lentamente ao contato
dos que sabem.” (TEIXEIRA, 1977, p. 74 apud BRIDI, 2004).
Esta reflexão de Anísio Teixeira é por si só tema para amplos estudos e análises, no
entanto fiquemos com a instrução sobre o papel da Universidade que não deve ser de mero
reprodutor de conhecimento e sim de saberes que se desenvolve no processo contínuo em um
ambiente propício. A construção de um ambiente para o saber dentro da universidade engloba
48
vários fatores e o incentivo a pesquisa acadêmica ocupa uma grande fatia e tem papel
fundamental nesta construção.
Pinheiro (2010, p. 17) define pesquisa científica como um conjunto de ações que tem
por objetivo encontrar a solução para um problema, tendo como base procedimentos
racionais. Ele conclui: “Trata-se, pois, de um processo de construção do conhecimento que
tem como metas principais gerar novo conhecimento e corroborar ou refutar algum
conhecimento preexistente.”
A importância da pesquisa científica é destacada por Bridi (2004), pois a universidade
que se assenta no plano do ensino e da pesquisa, a formação científica do universitário é
valorizada e o aluno adquire uma postura mais ativa, possibilitada pela valorização da
pesquisa.
É conclusivo pensar que a pesquisa cientifica é importante para uma universidade,
porém Larocca et al (2007) analisa a educação superior universitária contraditória, pois
desvaloriza o livre-pensar em favor de um utilitarismo por vezes exagerado aceitando a ênfase
da reprodução do conhecimento, ao invés de produzi-lo e colabora para manter fortes os
interesses das empresas.
Schwartzman (1984) relata que em muitos casos as pesquisas cientificas são
influenciadas e distorcidas por interesses meramente empresariais.
Larocca et al (2007) levanta novamente à importância de se afastar a idéia de que a
universidade se limita a meramente repassar conhecimentos e valores prontos e acabados,
devendo sim preocupar-se com à pesquisa e à extensão, assegurando em todos os planos a
participação dos alunos, em um sentido de desenvolvimento da criticidade.
O fator político e econômico como cerne das metas de ensino e cursos em uma
universidade, segundo Schwartzman (1984), afetam diretamente o sistema educacional em
49
todos os seus níveis. O desenvolvimento da pesquisa tecnológica encontra limitações na
política econômica baseada na importação de capitais e tecnologia do exterior.
Entre as finalidades do ensino superior, lê-se no artigo 43º da Lei de n.º 9.394 (Lei de
Diretrizes e Bases da Educação Nacional), mais precisamente no terceiro parágrafo, com grifo
nosso: “III - incentivar o trabalho de pesquisa e investigação científica, visando o
desenvolvimento da ciência e da tecnologia e da criação e difusão da cultura, e, desse modo,
desenvolver o entendimento do homem e do meio em que vive”. (NACIONAL, 1996).
Portanto não é um opcional nas universidades e faculdades o incentivo a pesquisa e
investigação cientifica, e sim parte das grades e dos programas curriculares destas
instituições.
Bridi (2004) em sua analise sobre a Lei de n.º 9.394, conclui que a função da
universidade é promover a autonomia de pensamento e de reflexão crítica, não se podendo
mais admitir uma prática docente que venha reforçar a passividade em vez de despertar a
espontaneidade e o espírito de criatividade do aluno.
Oliveira (2008) potencializa a pesquisa científica como um instrumento de formação
de recursos humanos qualificados: “a iniciação científica é um dever da instituição e não uma
atividade eventual ou esporádica”.
O parecer 776/97 reforça para o fortalecimento e articulação da teoria com a prática,
valorizando a pesquisa individual e coletiva, assim como os estágios e a participação em
atividades de extensão. (CNE, 1997).
Segundo Bridi (2004) a iniciação científica é considerada uma atividade importante
nas instituições de ensino superior, pois incentiva o aluno de graduação à pesquisa,
colocando-o, desde cedo, em contato direto com as atividades científicas, formando assim, o
futuro investigador.
50
Para Oliveira (2008) a iniciação cientifica pode ser vista como um instrumento de
apoio teórico e metodológico que potencializa as chances de um estudante de graduação
engajar na pesquisa científica, auxiliando no desenvolvimento das visões do aluno, pois
permite um contato com o conhecimento diferente daquele visto em sala de aula. E eleva a
iniciação científica como um componente essencial de formação acadêmica.
As pesquisas acadêmicas, como destacado, são programas essenciais dentro de uma
instituição de ensino e o ambiente e recursos tecnológicos (laboratórios de pesquisa)
disponíveis aos alunos é fundamental para o sucesso destas como um todo.
3.4.1 Fundações de apoio a Iniciação Cientifica e Pesquisa Acadêmica
Alguns organismos de apoio a iniciação científica e a pesquisa acadêmica são
destacadas a seguir.
FAPESP
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo é uma das principais
agências de fomento à pesquisa científica e tecnológica do país. Apóia a pesquisa e financia a
investigação, o intercâmbio e a divulgação da ciência e da tecnologia produzida em São
Paulo. Possui autonomia garantida por lei, estando ligada à Secretaria de Ensino Superior do
governo do Estado de São Paulo (FAPESP, 2010).
FAPEMIG
A FAPEMIG (2010) é uma fundação do Governo Estadual de Minas Gerais, vinculada
à Secretaria de Estado de Ciência, Tecnologia e Ensino Superior e tem a missão de fomentar a
pesquisa e a inovação científica e tecnológica para o desenvolvimento do Estado de Minas
51
Gerais. Atua no financiamento de projetos de pesquisa científica e tecnológica, incentivando a
capacitação de recursos humanos para Ciência e Tecnologia, por meio de bolsas em diversos
níveis de formação. Contribui para a fixação de grupos de pesquisa científica e tecnológica.
Promove integração entre o setor produtivo e instituições de pesquisa e desenvolvimento.
Apóia a realização e organiza eventos de caráter científico e tecnológico. Realiza
intercâmbios entre pesquisadores brasileiros e estrangeiros, e estabelece laços de cooperação
com instituições nacionais e internacionais. Por meio do escritório de Gestão de Tecnologia e
Patentes, orienta e encaminha as ações de patenteamento e comercialização de produtos ou
processos inovadores.
FAPERJ
A Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro –
FAPERJ é uma Pessoa Jurídica de direito Público, vinculada à Secretaria de Estado de
Ciência e Tecnologia e tem como objetivo fomentar a pesquisa e a formação científica e
tecnológica necessárias ao desenvolvimento sócio cultural do Estado do Rio de Janeiro.
(FAPERJ, 2010).
CNPq
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) é uma
agência do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) destinada ao fomento da pesquisa
científica e tecnológica e à formação de recursos humanos para a pesquisa no país. O CNPq
opera no âmbito federal. (CNPq, 2010).
52
CAPES
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES, tem o papel
de expandir e consolidar o programa de pós-graduação stricto sensu (mestrado e doutorado)
em todo o país. Foi criada em 11 de julho de 1951, pelo Decreto nº 29.741, com o objetivo de
“assegurar a existência de pessoal especializado em quantidade e qualidade suficientes para
atender às necessidades dos empreendimentos públicos e privados que visam o
desenvolvimento do país”. Concentra seus trabalhos em quatro frentes: Avaliação da pósgraduação stricto sensu; Acesso e divulgação da produção científica; Investimentos na
formação de recursos de alto nível no país e exterior; Promoção da cooperação científica
internacional. (CAPES, 2010).
FINEP
Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP, é uma empresa vinculada ao MCT
(Ministério de Ciência e Tecnologia). Criada em 24 de julho de 1967, para institucionalizar o
Fundo de Financiamento de Estudos de Projetos e Programas, criado em 1965. Funciona de
forma análoga ao CNPq, a diferença é que o apoio em vez de ser prioritariamente a pessoas
físicas (CNPq) se dá as instituições públicas e privadas. (FINEP, 2010).
53
4 CENTROS DE ESTUDOS E PESQUISA EM PROCESSAMENTO DE
ALTO DESEMPENHO
4.1 SINAPAD E CENAPADs
No Brasil o SINAPAD – Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho,
criado pelo Decreto nº 5.156, de 26/07/2004, visa gerar fomento de apoio, pesquisa, serviços e
difundir a cultura na área de processamento de alto desempenho (PAD). O SINAPAD é
coordenado pelo Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT).
É uma rede formada por oito Centros Nacionais de Processamento de Alto
Desempenho os CENAPADs na qual fazem parte e são operadas respectivamente pela
UFRGS (Universidade Federal do Rio Grande do Sul), UFMG (Universidade Federal de
Minas Gerais), UFC (Universidade Federal do Ceará), UNICAMP (Universidade de
Campinas), UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro), UFPE (Universidade Federal de
Pernambuco), INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e LNCC (Laboratório
Nacional de Computação Científica). Este último coordena o sistema por delegação do
Ministério de Ciência e Tecnologia. (SINAPAD, 2010).
CENAPAD / CESUP – UFRGS
É o Centro Nacional de Supercomputação na Região Sul, mantido pela UFRGS –
Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Suas operações tiveram inicio em junho de 1992 com acesso aberto, via rede de
computadores, a todo o País. No mesmo ano concluiu-se o período de teste do Cray Y-MP
2E14. Atualmente o centro conta com dois clusters Newton e Gauss. (CESUP-RS, 2010).
14
Supercomputador lançado em 1989 pela empresa Cray Inc.
54
O Cluster Newton que conta com 36 nós de processamento, gerando um total de 84 TB
em disco, 1.248 GB de memória e performance de 12.76 TFlops. Possui duas redes: uma
Gigabit-Ethernet e uma rede de alta performance de baixa latência padrão Infiniband15 de
modo a conectar todos os nós a um único switch. São destinadas ao tráfego de comunicação
interprocessos, bem como ao compartilhamento de arquivos e entrada e saída, através dos
protocolos NFS e Lustre Filesystem16.
E o Cluster Gauss composto por 5 nós de processamento, 1 nó de gerência, em um
total de 1.75 TB em disco e 48 GB de memória. Possui duas redes Gigabit-Ethernet, sendo
uma destinada ao tráfego de comunicação interprocessos e outra para o tráfego de dados via
protocolo de compartilhamento de dados NFS.
Em se tratando de recursos de softwares o centro conta com os compiladores: icpc,
Intel C++ Compiler, gcc (GNU Compiler Collection), f77 (Fortran 77 compiler), gfortran
(GNU Fortran), ifort (Intel Fortran Compiler). Aplicações: MAPLE V – aplicativo de
computação simbólica; BRAMS – aplicativo utilizado para previsão das condições climáticas;
CFX 5 – aplicativo destinado a simulação de escoamento de fluído através do método dos
volumes finitos e bibliotecas de subrotinas matemáticas otimizadas. (CESUP-RS, 2010).
CENAPAD MG / CO – UFMG
O Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho em Minas Gerais e Centro
Oeste é mantido pelo LCC – Laboratório de Computação Científica e subordinado à Diretoria
de Tecnologia da Informação da UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais.
(CENAPAD-UFMG, 2010).
15
Infiniband é uma associação de mais de 100 empresas com objetivo de desenvolver e ampliar a computação de
alto desempenho, com produtos e padrões lançados no mercado.
16
Sistema de arquivo para computação maciçamente paralela.
55
CENAPAD CE – UFC
O centro faz parte da estrutura organizacional da UFC – Universidade Federal do
Ceará, estando ligado à Pró-Reitoria de Planejamento/Coordenadoria de Projetos
Institucionais.
As instalações ocupam um espaço de aproximadamente 200 m² e conta com o
fornecimento contínuo de energia elétrica através de um grupo gerador e no-breaks, com
computadores conectados permanentemente à Internet. A Figura 19 detalha as instalações do
centro. (CENAPAD-UFC, 2010).
Figura 19 – Instalações CENAPAD CE – UFC
Fonte: CENAPAD-UFC, 2010.
O CENAPAD-UFC (2010) disponibiliza um ambiente computacional baseado em
cluster de arquitetura Sun e sistema operacional Unix. São 4 nós biprocessados Sunfire V20Z,
com processadores Opteron 244 e 5 computadores do tipo PC desktop. Recursos de softwares
56
incluem os compiladores GNU versão 3.3.5, ambiente de execução paralela MPI, versão
MPICH 1.2.7, ambiente de execução paralela PVM, versão 3.4.2, Globus Toolkit versão 3.0 e
escalonador Sun Grid Engine (SGE) 6.0.
A Figura 20 detalha os recursos de hardware e conexões de rede do centro.
Figura 20 – Recursos de hardware e conexões de rede CENAPAD CE – UFC
Fonte: CENAPAD-UFC, 2010.
CENAPAD SP – Unicamp
Criado em 1994 o Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho em São
Paulo é ligado a Pro-Reitoria de Pesquisa da UNICAMP – Universidade de Campinas.
O centro disponibiliza um ambiente computacional baseado em máquinas RISC17
(IBM) e Intel / Itanium2 (SGI) com sistema operacional baseado em Unix. A capacidade de
processamento teórica desses dois ambientes totaliza em torno de 1.5 TFlops, além de 44 TB
disco externo. (CENAPAD-SP, 2010).
Um diagrama dos recursos de hardware pode ser conferido na Figura 21 a seguir.
17
RISC – Reduced Instruction Set Computer, arquitetura de processadores que possuem um conjunto simples e
pequeno de instruções, as instruções são executadas diretamente pelo hardware.
57
Figura 21 – Recursos de hardware CENAPAD SP – Unicamp
Fonte: CENAPAD-SP, 2010.
CENAPAD – NACAD / COPPE – UFRJ
A COPPE (Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa de
Engenharia), conta com o Núcleo de Atendimento em Computação de Alto Desempenho
(NACAD) que é o laboratório responsável pelos serviços relacionados à computação de alto
desempenho.
A origem se deu em 1988 quando a COPPE começou o desenvolvimento de atividades
relacionadas ao processamento de alto desempenho apoiadas pela FINEP, CNPq e FUJB. A
evolução destas atividades se deu com a criação do NACAD, em fevereiro de 1995. É desta
data a instalação do Cray EL94 e 12 estações de trabalho Sun Sparc 20. As áreas
interdisciplinares abrangidas são: Mecânica computacinoal, sistemas computacionais,
58
simulação e controle de sistemas de grande porte e arquitetura de sistemas operacionais.
Oferecendo programas de mestrado e doutorado nestas áreas. (NACAD-URFJ, 2010).
Os recursos de hardware e software do NACAD-URFJ (2010) são listados a seguir:
- Cluster Galileu
Modelo Sun Blade 6048 com 1792 CPUs Quad Core Intel i7 Xeon (Nehalem), 896 nós
de processamento, 24 GB de memória por nó de processamento e 21 TB de RAM
(distribuída), sistema de arquivo paralelo Lustre Filesystem (216 TB), armazenamento em
disco da própria Sun com 50 TB e rede infiniband. Em relação a softwares, sistema
operacionais: Red Hat Enterpresie Linux e CentOS. Compiladores: Intel e GNU (Fortran-90 e
C/C++). Bibliotecas: Intel MPI, MVAPICH2 e OpenMPI.
O Galileu ocupa a 86º posição no rank TOP 500 de Junho de 2010.
- SGI Altix ICE 8200
Possui 64 CPUs Quad Core Intel Xeon 5355 (Clovertown), 2.66 GHz, memória 512
GB de RAM (distribuída), armazenamento em disco SGI InfiniteStorage NAS (32 TB) e rede
Infiniband e Gigabit. Sistema Operacional: Suse Linux Enterprise Server + SGI ProPack.
Compiladores: Intel e GNU (Fortran-90 e C/C). Blibliotecas: MPT (SGI Message Passing
Toolkit), MVAPICH2 e OpenMPI.
- SGI Altix 450
Com 36 CPUs Dual Core Intel Itanium2, pico teórico de Performance de 6 GFlops por
core, memória de 144 GB de RAM (compartilhada) com armazenamento em disco de 3.5
TB. Sistema operacional: Suse Linux Enterprise Server + SGI ProPack. Compiladores Intel e
GNU (Fortran-90 e C/C++) com suporte OpenMP e MPT (SGI Message Passing Toolkit).
- Dell Blade Server
Possui 32 CPUs Quad Core Intel Xeon, memória de 256 GB de RAM (distribuída),
armazenamento em disco Dell PowerVault MD3000 e MD1000 Disk Storage Array (10 TB) e
59
rede Infiniband e Gigabit Ethernet. Sistemas operacionais: RedHat Enterprise Linux e/ou
Windows HPC Server 2008. Compiladores: Intel e GNU (Fortran-90 e C/C++) com suporte
OpenMP e/ou Visual Studio. Bibliotecas: MVAPICH2, OpenMPI e/ou MS-MPI (Microsoft
MPI).
CENAPAD PE – UFPE
O CENAPAD-PE (2010) é fruto de uma iniciativa do grupo de pesquisa de
Processamento de Alto Desempenho de Mecânica Computacional (PADMEC), que envolve
professores do departamento de engenharia mecânica, área de mecânica computacional e da
engenharia civil, área de estruturas. Em 2007 a UFPE passou a integrar o grupo de unidades
do Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho (SINAPAD).
CENAPAD Ambiental – CPTEC / INPE
Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho Ambiental, mantido pelo
INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e CPTEC – Centro de Tempo e Estudos
Climáticos na cidade de Cachoeira Paulista – SP.
Possui instalado um supercomputador NEC SX4/8A, com as seguintes características:
8 CPUs, com desempenho por CPU de 2 GFlops, memória 8 GB, disco 256 GB. O Sistema
Operacional utilizado é o SuperUX, compiladores Fortran 90 e C, biblioteca OpenMP.
(CENAPAD-INPE, 2010).
CENAPAD RJ – LNCC
Outro integrante do SINAPAD é o CENAPAD RJ – LNCC (Laboratório Nacional de
Computação Científica), responsável também por coordenador toda a rede SINAPAD.
60
O parque computacional
da CENAPAD-LNCC-RJ
(2010) conta com
os
equipamentos:
- Sun Fire 6800: 24 processadores SPARC III, 40 GB de RAM e 0,5 TB de disco T3.
- SGI Origin 350: 10 processadores IP35, CPU MIPS R16000 Processor Chip Revision 2.2,
FPU MIPS R16010 Floating Point Chip Revision 2.2, 14 GB de RAM e 2x80 GB de disco.
- ALTIX BX3700: 32 processadores Itanium2, 64 GB de RAM e 2x140 GB de disco.
- Sun Fire V20Z: 5x2 processadores Opteron 248, 5x2 GB de RAM, 5x80 GB de disco.
4.2 Outros Centros de Pesquisas em Processamento de Alto Desempenho
LCCV – UFAL – Laboratório de Computação Científica e Visualização da UFAL
É uma unidade da UFAL (Universidade Federal de Alagoas), vinculada ao CTEC e
voltada à busca de soluções de problemas de engenharia utilizando recursos da mecânica
computacional nas áreas de modelagem computacional, desenvolvimento e aplicações de
simuladores numéricos, computação de alto desempenho, visualização e computação
científica (LCCV-UFAL, 2010).
Possuem um cluster beowulf intitulado Typhon montado em 2007. O cluster é
constituído por 43 nós. Utiliza os compiladores: gcc 4.1.2, icc 10.1.008; bibliotecas
matemáticas: mkl 10.0.3.020, atlas 3.6.0; bibliotecas de paralelismo: openMPI 1.2.5, openMP
com icc 10.1.008. (LCCV-UFAL, 2010).
Complex Systems – UFF
É um grupo de Sistemas Complexos do Instituto de Física da UFF – Universidade
Federal Fluminense, realiza simulações de sistemas estatísticos e sistemas complexos.
Possui um cluster com 8 nós. (SYSTEMS, 2010).
61
ERAD – Escola Regional de Processamento Alto Desempenho
A Escola Regional de Alto Desempenho, ERAD, é um evento promovido pela
Sociedade Brasileira de Computação (SBC) e pela CRAD/RS – Comissão Regional de AltoDesempenho do Rio Grande do Sul e tem por objetivo qualificar profissionais da região nas
áreas que compõem o Processamento de Alto Desempenho e prover um fórum regular onde
possam ser apresentados avanços recentes nessas áreas e discutidas as formas de ensino de
processamento de alto desempenho nas universidades do Sul do Brasil. (ERAD, 2010).
LAD – PUC/RS
É um Laboratório de Alto Desempenho, que tem por objetivo, prover recursos
computacionais de alto desempenho para os grupos de pesquisa da Pontifícia Universidade
Católica (PUC). Possui três clusters. O cluster Ombrófila com 16 máquinas HP e-pc, cada
uma com um processador Pentium III, 256 MB de memória principal e 20 GB de disco e 16
máquinas HP e-pc 42, com processador Intel Pentium IV com 512MB de memória e HD de
40 GB. Este agregado utiliza uma rede Fast-Ethernet. O cluster Pantanal é composto por 6
máquinas HP ProLiant BL20p Blade Server cada uma com 2 processadores Intel Xeon com 4
GB de memória e HD de 150 GB. Essas máquinas estão interligadas por uma rede GigabitEthernet num switch otimizado. O cluster Atlântica é composto por 10 máquinas Dell
PowerEdge R610, cada máquina possui dois processadores Intel Xeon Quad-Core E5520
Hyper-Threading, totalizando 16 núcleos por nó, 16 GB de memória e 150GB de HD, os nós
estão interligadas por duas redes Gigabit-Ethernet chaveadas, uma para comunicação e uma
para gerência. Softwares utilizam biblioteca MPI e compiladores GNU C e Fortran. (LADPUC/RS, 2010).
62
LCAD – UFES
Laboratório de Computação de Alto Desempenho da Universidade Federal do Espírito
Santo. Possui um cluster composto de 64 nós de processamento e 1 nó de administração. Com
256 MB de memória e 20 GB de capacidade de armazenamento por nó, o cluster totaliza 16
GB de memória RAM e 1,2 TB de capacidade de armazenamento em disco. Sistema
operacional Linux Red Hat. (LCAD-UFES, 2010).
CoCADA
Rede Colaborativa de Computação de Alto Desempenho e Aplicações da Bahia
(CoCADA). A rede tem como objetivo geral fortalecer as colaborações envolvendo
pesquisadores e atuando nas instituições baianas, tanto da área de computação quanto os de
outras áreas do conhecimento que façam uso intensivo de Computação de Alto Desempenho.
Universidades participantes: Universidade Federal da Bahia – UFBA, Universidade Estadual
de Santa Cruz – UESC, Universidade do Estado da Bahia – UNEB, Universidade Estadual de
Feira de Santana – UEFS, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia –
IFBA, Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia – SENAI-CIMATEC. (COCADA,
2010).
LCCA – USP
Laboratório de Computação Científica Avançada (LCCA) da USP, é um laboratório
virtual com recursos de Computação de Alto Desempenho, gerenciados de forma a otimizar a
sua disponibilidade a todos os pesquisadores da Universidade que deles necessitem. (LCCAUSP, 2010).
Como recursos de hardware possuem:
63
- Cluster Intel Linux PUMA: constituído por 59 servidores Dell PowerEdge 1950, com 2
Xeon 5430 (8 cores), 16 GB de RAM e com 300 GB de disco SAS cada.
- SGI Jaguar: Possui 112 GB de RAM compartilhada em uma única imagem de sistema
operacional Linux SuSE. 56 CPUs Intel Itanium2 e 5 TB de armazenamento.
- IBM Multiusuário Mamute: 8 Blade Center, 112 lâminas (nós) com 4 CPU PowerPC 970 e
1 disco 36 GB cada por lâmina; 3 servidores de gerenciamento; 1 switch Myrinet-2000 com
160 portas e 1 storage com 8 TB (6 TB em RAID 5).
4.3 Considerações sobre os Centros de Pesquisa em PAD
Ao conhecer um pouco mais alguns centros de estudo, pesquisa e desenvolvimento de
processamento de alto desempenho (PAD) algumas características são destacadas. O grande
uso do Sistema Operacional Linux como sistema operativo dos clusters. A adoção da
biblioteca de troca de mensagens MPI quase que como um padrão.
Os CENAPADs por serem apenas oito em todo Brasil e tendo a função de servir várias
universidades, utilizam em sua maioria arquiteturas paralelas mais robustas e clusters
proprietários para atingirem um maior desempenho. Porém, mesmo assim, vêem-se
tecnologias comuns, encontradas nos clusters Beowulf, como interconexão com redes
Gigabit-Ethernet e a utilização de bibliotecas livres como MPICH e Open MPI.
Constata-se também que outros laboratórios utilizam-se de clusters acessíveis,
oferecendo uma ferramenta concreta e funcional para pesquisadores e alunos desenvolverem
suas pesquisas com ajuda do processamento de alto desempenho.
64
4.4 Áreas de atuação e pesquisas em processamento de alto desempenho
Todas às pesquisas e estudos em que envolvam cálculos complexos, simulações e
modelagem computacional18 se beneficiam do processamento de alto desempenho.
Citemos algumas grandes áreas da educação, considerando desde já todas as suas
subáreas: engenharia, matemática, física, química, meteorologia (ou ciências atmosféricas),
ciências da computação, bioquímica, biologia, genética, medicina, nanotecnologia e
geociências.
4.4.1 Pesquisas e trabalhos em PAD
Alguns estudos e pesquisas reais de aplicações envolvendo processamento de alto
desempenho podem ser encontrados em CENAPAD-SP (2010), CENAPAD-PE (2010),
CESUP-RS (2010), LCCV-UFAL (2010), Grupo Complex Systems (SYSTEMS, 2010), LADPUC/RS (2010), CENAPAD-INPE (2010) e NACAD-UFRJ (2010).
18
Modelagem computacional – é uma área de conhecimento multidisciplinar que trata da aplicação de modelos
matemáticos à análise, compreensão e estudo da fenomenologia de problemas complexos.
65
5 PESQUISA: INSTITUIÇÕES DE ENSINO
Foram selecionadas Instituições de Ensino (Faculdades, Universidades e Centros de
Pesquisa) da Região do Vale do Paraíba (Paulista), Sul do estado de Minas Gerais e Sul
Fluminense, para responderem ao um questionário com 10 questões.
Segundo Pinheiro (2010), um questionário é uma série de perguntas ordenadas (ordem
lógica) e objetivas. Deve-se informar o propósito da sua aplicação, ressaltar a colaboração do
informante e de fácil preenchimento.
O modelo do questionário enviado as instituições esta apresentado no Apêndice A.
O critério de seleção se baseou em instituições de ensino superior, proximidade
regional e os cursos ministrados por elas. A relação completa das Instituições (Universidades
e Faculdades) participantes e a grade dos cursos estão listadas no Apêndice B.
Obteve-se um total de 21 Instituições de Ensino potenciais para pesquisa, porém por
motivos de comunicação em duas Instituições não foi possível o envio do questionário.
Portanto, 19 Instituições receberam o questionário, deste número 10 retornaram
positivamente, ou seja, 52,6% participaram de fato da pesquisa.
Sobre a importância da pesquisa cientifica e tecnológica e programas de incentivo a
pesquisa acadêmica
As questões 1 e 2, buscou conhecer a opinião da Instituição e seu apoio referente a
pesquisa científica e acadêmica. A questão 1 (Tabela 4), sobre a importância da pesquisa
cientifica, obteve 90% como sendo indispensável e 10% como importantes (Figura 22), estes
dados mostra que a pesquisa científica, como deveria ser, ocupa uma posição de destaque
nestas instituições. A questão 2 (Tabela 5) acompanha o pensamento anterior, sendo que todas
66
as instituições pesquisadas possuem programas de incentivo a pesquisa acadêmica (Figura
23). Porém somente 6 instituições informaram estes programas, que são:
- USS (Vassouras): Bolsas de pesquisa para professores / pesquisadores e incentivo à
participação discente. Total de 200 alunos.
- UNIVAP (São José dos Campos): CNPq. Total de 5 alunos.
- UNIFENAS (Alfenas): PIBIC / PROBIC (CNPq).
- UGB (Volta Redonda): PIC – Programa de Iniciação Científica (CNPq). Total 20 alunos.
- UFLA (Lavras): Bolsas de Iniciação Científica PIBIC/CNPq e PIBIC/FAPEMIG. Total de
150 bolsas.
- INATEL (Santa Rita do Sapucaí): Bolsas de IC da FAPEMIG e da própria instituição.
Tabela 4 – Pesquisa: Importância da pesquisa científica e tecnológica
Alternativas
Quantidade
Indispensável
9
Importante
1
Regular
0
Dispensável
0
Total
10
Importância da Pesquisa Científica
10%
Indispensável
Importante
Regular
Dispensável
90%
Figura 22 – Pesquisa: Importância da pesquisa científica e tecnológica
67
Tabela 5 – Pesquisa: Possuem programas de iniciação científica e tecnológica
Alternativas
Quantidade
Sim, e já esta em funcionamento
9
Sim, mas não esta em funcionamento
1
Não temos
Total
0
10
Programas de Incentivo
10%
Sim, e já esta em
funcionamento
Sim, mas não esta
em funcionamento
Não temos
90%
Figura 23 – Pesquisa: Possuem programas de iniciação científica e tecnológica
Conhecimento sobre processamento de alto desempenho (PAD), clusters de computadores,
áreas abrangidas e benefícios
Procurando conhecer o entendimento das instituições referente ao processamento de
alto desempenho e cluster, foi elaborado as questões 3, 4 e 5. A questão 3 (Tabela 6),
referente ao conhecimento mais breve sobre PAD, obteve-se 20% de pleno conhecimento e
80% de conhecimento regular (Figura 24). A questão 4 (Tabela 7), que questionou sobre as
áreas abrangidas pelo processamento de alto desempenho, obteve 20% pleno conhecimento,
70% conhecimento regular e 10% Não conhece (Figura 25). A questão 5 (Tabela 8), referente
aos benefícios das pesquisas envolvendo PAD, resultou em 10% conhecimento pleno, 80%
conhecimento regular e 10% Não conhece os benefícios (Figura 26). Os resultados apontam
que quanto mais profunda é a questão referente ao PAD, tem se a tendência de um
conhecimento mais superficial.
68
Tabela 6 – Pesquisa: Conhecimento sobre PAD e Clusters
Alternativas
Quantidade
Pleno conhecimento
2
Conhecimento Regular
8
Não conhecemos
0
Total
10
Processamento de Alto Desempenho e
Clusters
20%
Pleno
conhecimento
Conhecimento
Regular
Não conhecemos
80%
Figura 24 – Pesquisa: Conhecimento sobre PAD e Clusters
Tabela 7 – Pesquisa: Conhecimento áreas abrangidas pelo PAD
Alternativas
Quantidade
Pleno conhecimento
2
7
Não conhecemos
1
Total
10
Áreas abrangidas pelo PAD
10%
20%
Pleno
conhecimento
Conhecimento
Regular
Não conhecemos
70%
Figura 25 – Pesquisa: Conhecimento áreas abrangidas pelo PAD
69
Tabela 8 – Pesquisa: Conhecimento sobre benefícios do PAD
Alternativas
Quantidade
Pleno conhecimento
1
8
Não conhecemos
1
Total
10
Beneficios em PAD
10%
10%
Pleno
conhecimento
Conhecimento
Regular
Não conhecemos
80%
Figura 26 – Conhecimento sobre benefícios do PAD
Conhecimento sobre o Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho
(SINAPAD) e os Centros Nacionais (CENAPAD)
A questão 6 (Tabela 9), questiona o conhecimento acerca do SINAPAD operante
através dos CENAPADs, sendo um importante e oficial programa de fomento em pesquisas e
estudos em processamento de alto desempenho do governo federal e aberto a qualquer
instituição, porém nenhuma instituição utiliza-se deste recurso, 10% pleno conhecimento,
80% conhecimento regular e 10% não conhece (Figura 27). O resultado seguiu a mesma linha
das questões mais profundas referente ao PAD.
Tabela 9 – Pesquisa: Conhecimento sobre o SINAPAD e CENAPAD
Alternativas
Quantidade
Conhecemos e já utilizamos
0
Pleno Conhecimento
1
8
Não sabemos do que se trata
1
Total
10
70
Sobre o SINAPAD e CENAPAD
10%
10%
Conhecemos e já
utilizamos
Pleno Conhecimento
Não sabemos do que
se trata
80%
Figura 27 – Pesquisa: Conhecimento sobre o SINAPAD e CENAPAD
Sobre a existência de Laboratórios exclusivos para pesquisa acadêmica
A questão 7 (Tabela 10) foi referente a existência ou não de laboratório exclusivo de
apoio a pesquisa acadêmica, TCC, monografia e teses. É uma pergunta geral, preparatória
para o questionamento sobre os laboratórios que necessitam de processamento de alto
desempenho. Porém as respostas, 60% possuem e 40% não possuem (Figura 28), revela que
apesar de declararem a iniciação cientifica indispensáveis (90%) e importantes (10%)
(questão 1), este apoio não se estendeu, para algumas instituições, na necessidade de se
oferecer um laboratório exclusivo para pesquisas acadêmicas.
Tabela 10 – Pesquisa: Sobre Laboratórios exclusivos à Pesquisas
Alternativas
Quantidade
Sim
6
Não
4
Total
10
71
Laboratórios exclusivos de pesquisa
40%
Sim
60%
Não
Figura 28 – Pesquisa: Sobre Laboratórios exclusivos à Pesquisas
Sobre Laboratórios de Pesquisa com recursos de processamento de alto desempenho
As questões 8 e 9, objetiva conhecer o pensamento e a existência de laboratórios de
pesquisas com recursos de PAD, tais como clusters e/ou supercomputadores. A questão 8
(Tabela 11) classificou a importância desses laboratórios e para 80% declararam importantes
e 20% regular (Figura 29). A questão 9 (Tabela 12) trouxe a constatação que nenhuma
instituição possui clusters ou supercomputadores instalados (Figura 30). A nona questão (9)
tem dois desdobramentos, o primeiro, caso tivessem tais equipamentos deveriam listá-los e o
segundo desdobramento é outra questão (Tabela 13) sobre as maiores dificuldades para se ter
um laboratório com recursos de PAD (Figura 31), o alto custo (60%) é o maior complicador
seguido dê falta de pesquisas (30%) e dificuldade de manutenção (10%).
Tabela 11 – Pesquisa: Importância Laboratórios exclusivos para PAD
Alternativas
Quantidade
Indispensável
0
Importante
8
Regular
2
Dispensável
0
Total
10
72
Laboratórios exclusivos de pesquisa
com PAD
20%
Indispensável
Importante
Regular
Dispensável
80%
Figura 29 – Pesquisa: Importância Laboratórios exclusivos para PAD
Tabela 12 – Pesquisa: Existências de Clusters para atividades em PAD
Alternativas
Quantidade
Sim
0
Não
10
Não se aplica
0
Total
10
Possuem cluster de computadores
instalados
Sim
Não
Não se aplica
100%
Figura 30 – Pesquisa: Existências de Clusters para atividades em PAD
Tabela 13 – Pesquisas: Dificuldades para se ter um laboratório com clusters
Alternativas
Quantidade
Alto Custo
6
Dificuldade de Manutenção
1
Falta de Pesquisas
3
Falta de Conhecimento Técnico
0
Total
10
73
Maiores dificuldades para implantação de
Laboratório de PAD
Alto Custo
30%
Dificuldade de
Manutenção
60%
10%
Falta de Pesquisas
Falta de Conhecimento
Técnico
Figura 31 – Pesquisas: Dificuldades para se ter um laboratório com clusters
Prioridade da Instituição em relação à formação acadêmica do aluno
A última questão (Tabela 14) visa conhecer a prioridade de fato da instituição na
formação acadêmica do aluno ao longo dos anos em que este se encontra vinculado a ela. Para
40% delas somente o “preparo para o mercado de trabalho” é prioridade na formação e
acabou empatando com a prioridade de “preparo para o mercado de trabalho, mas como foco
para o fomento de pesquisa e inovação tecnológica” (40%) e por último, 20% respondeu o
“preparo para o mercado de trabalho e igualmente para o fomento de pesquisa e inovação
tecnológica” (Figura 32). Estas respostas tiveram o único empate e ao mesmo tempo as
maiores diferenças de pensamento sobre os caminhos que esta deve oferecer aos seus alunos.
Tabela 14 – Pesquisa: Prioridade na formação do aluno
Alternativas
Quantidade
Preparar para o mercado de trabalho.
4
Preparar para o fomento de pesquisa e inovação tecnológica.
0
Preparar para o mercado de trabalho, mas com foco para o
fomento de pesquisa e inovação tecnológica.
4
Preparar para o fomento de pesquisa e inovação tecnológica, mas
com foco no mercado de trabalho.
0
Preparar para o mercado de trabalho e igualmente para o fomento
de pesquisa e inovação tecnológica.
2
Total
10
74
Prioridade na formação acadêmica do aluno
Preparar para o mercado de
trabalho.
20%
40%
Preparar para o fomento de
pesquisa e inovação
tecnológica.
Preparar para o mercado de
trabalho, mas com foco para o
fomento de pesquisa e
inovação tecnológica.
40%
Preparar para o fomento de
pesquisa e inovação
tecnológica, mas com foco no
mercado de trabalho.
Figura 32 – Pesquisa: Prioridade na formação do aluno
Análises finais
Após a formulação do questionário, do envio e da coleta dos dados. Realizou-se uma
organização e sintetização dos resultados obtidos. Para tanto, foi elaborado uma série de
tabelas e gráficos, com o objetivo de agrupar e contabilizar as respostas conseguidas.
Destaca-se, para todas as instituições, a importância da pesquisa acadêmica (questões
1 e 2). Ficou evidente um conhecimento regular em relação ao processamento de alto
desempenho (questões 3, 4, 5).
O fato de 90% das instituições afirmarem as pesquisas acadêmicas como
indispensáveis, não refletiu na existência de um laboratório exclusivo para pesquisas, 40%
não possuem (questão 7). A ausência de laboratórios com recursos de processamento de alto
desempenho na questão 9, desdobrou para os principais motivos da não aplicação e utilização
de fato de equipamentos (cluster) com poder de processamento de alto desempenho, e estes
motivos foram: 60% alto custo e 30% falta de pesquisas. Acredita-se que o conhecimento
regular sobre processamento de alto desempenho, tenha influenciado em concluir que para ter
alto desempenho, necessariamente precisa-se gastar muito, o Capítulo 7 – Proposta de um
75
laboratório de pesquisa com cluster Beowulf vem trazer explicações e uma solução de cluster
viável para instituição com restrições financeiras. O mesmo ocorre com a segunda maior
causa de não instalação, a falta de pesquisas, de fato não são todas as pesquisas acadêmicas
que se beneficiam do processamento de alto desempenho, as maiores beneficiárias são as que
exigem cálculos mais complexos, porém um conhecimento superficial sobre as áreas e
benefícios, não ajuda a tornar comum a utilização de recursos do PAD a pesquisa acadêmica.
O tópico 4.4 – Áreas de atuação e pesquisas em processamento de alto desempenho aborda
algumas áreas e trabalhos acadêmicos que vêm sendo explorados pelo processamento de alto
desempenho com a ajuda de clusters de computadores.
A última questão, a que aponta a prioridade da Instituição junto a formação acadêmica
do aluno, traz novamente uma discordância, assim como ocorreu com a questão 7. Ao
declarar 90% como indispensável (essencial, imprescindível) a pesquisa acadêmica e
cientifica, entende-se que está é uma das prioridades da Instituição, porém não é o que ocorre
com 40% delas que estão satisfeitas em atender somente o mercado de trabalho. Este alto
número de respostas vem coincidir com o pensamento de Larocca et al (2007) e Schwartzman
(1984), descritos no tópico 3.4 Pesquisa Acadêmica e Iniciação Cientifica. No entanto para
outros 60% o fomento de pesquisa e inovação tecnológica ou é prioridade igualitária ou maior
em relação a formação somente para o mercado de trabalho.
76
6 LABORATÓRIOS DE ENSINO E INFORMÁTICA
Teixeira (1954) já observava que não existe ensino prático sem teoria e nem ensino
teórico sem a prática, pois formar técnicos sem prática seria formar homens que não sabem
coisa nenhuma.
Deste modo o laboratório de ensino tem como objetivo proporcionar aos alunos
oportunidade de testar através de simulações e praticas aquilo que aprendem na teoria e até
inovando e criando novas soluções para problemas atuais e problemas que ainda surgirão.
Para Viana (2007) os laboratórios de informática têm a missão de dar apoio aos alunos
oferecendo um ambiente favorável para realizações de trabalhos e pesquisas acadêmicas.
Além de servir como uma excelente ferramenta didática para o ensino nas diversas disciplinas
do currículo do aluno.
Projeto pedagógico
Um projeto pedagógico segundo Valente (1999, p. 88) traz a idéia de pensar uma
realidade que ainda não aconteceu, analisar o presente. Não é um passo a passo do que o
educador e os alunos deverão fazer e sim delinear um percurso possível. Porém não se trata de
oposição ao conteúdo curricular previsto e definindo pela escola, que deve ser respeitado, e
sim uma reinterpretação de tais diretrizes de modo que haja compatibilidade com as
necessidades e expectativas da aula.
Segundo Brandão (2010), as novas técnicas educacionais estimulam a renovação
pedagógica. E o computador, quando usado corretamente, poderá ser uma ferramenta muito
importante para a educação, diversificando os métodos de ensino, possibilitando o
desenvolvimento do raciocínio, do pensamento abstrato e motivando o aluno ao aprendizado,
ajudando-o na construção do próprio conhecimento.
77
Assim a proposta de um laboratório de pesquisas com cluster de computadores, visa
ser um recurso e ferramenta de auxilio aos professores e alunos. No âmbito de projeto
pedagógico poderá ser incluído como disciplina em cursos de informática ou um espaço
complementar de extrema importância para pesquisas acadêmicas.
78
7 PROPOSTA DE UM LABORATORIO DE PESQUISA COM CLUSTER
BEOWULF
Para fins de nomeclatura, autoria e arranjo, foi estabelecido o nome Cluster Skywulf,
para o cluster sugerido nesta obra, que é do tipo Beowulf.
A área total do laboratório proposto é de 80m² sendo duas salas divididas por uma
“parede falsa” ou vidrada, separada por uma porta com controle de acesso básico.
A sala do cluster é o local onde estará abrigado o Cluster Skywulf, assim como o
administrador/suporte do cluster.
O outro espaço do laboratório é dedicado aos alunos e pesquisadores, sendo composto
por oito computadores, duas mesas de leitura, um quadro branco e uma mesa para montagem
de datashow ou suporte ao professor (notebook). A Figura 33 ilustra a proposta.
Figura 33 – Layout básico do Laboratório de Pesquisa com cluster
79
7.1 Cabeamento Estruturado
A montagem do laboratório segue o padrão das normas ABNT/NBR 14565 (2000):
Procedimento básico para elaboração de projetos de cabeamento de telecomunicações para
rede interna estruturada. E também pela norma ANSI/EIA/TIA 568A e 568B.
Sala Cluster
A sala de equipamentos (SEQ) onde estará instalado o Cluster Skywulf, inclui um
sistema de resfriamento que possibilite manter o ambiente na faixa de 18º a 24º. Em uma área
mínima de 20m².
A topologia física / lógica será do tipo estrela. O padrão da rede escolhido é o GigabitEthernet – 1000baseT. Cabeamento utilizado UTP Categoria 6 com conectores modulares de
8 vias.
Os computadores que formam o cluster estarão em um rack, interconectados por um
switch de alta performance e confiabilidade.
Além do rack, com os computadores do cluster, terá também uma ATR (área de
trabalho) para o administrador/suporte do cluster.
Utilização de um no-break para os computadores do cluster e switch.
Sala Pesquisa
A sala de pesquisa contará com 8 computadores mais uma mesa com disponibilidade
para algum equipamento como datashow ou notebook, totalizando 9 ATRs.
A topologia física / lógica será do tipo estrela. O padrão da rede Fast-Ethernet –
100baseT. Cabeamento utilizado UTP Categoria 5e, com conectores modulares de 8 vias.
80
Poderá conter um ar-condicionado, porém não é requisito, pois a temperatura não
necessita ser controlada.
Em ambas as salas os PT (Ponto de Telecomunicação) ficaram a 30 cm do piso,
conforme norma ABNT/NBR 14565 (2000).
Desenho técnico do cabeamento do laboratório
A Figura 34 representa o layout do cabeamento estruturado do laboratório proposto.
Figura 34 – Layout cabeamento estruturado laboratório de pesquisa com cluster
81
AT01: Armário de Telecomunicações da Sala Cluster, contendo um rack de parede, um
switch 16 portas Gigabit de uso exclusivo do cluster e um patch panel.
AT02: Armário de Telecomunicações da Sala de Pesquisa, contendo um rack de parede, um
switch 24 portas e um patch panel.
PT01 001 até 0024: São os pontos de telecomunicação (conexão) da Sala de Pesquisa /
Cluster, onde serão colocadas as estações de trabalho, que são chamadas de ATR.
CS: Cabeamento Secundário, representado pela cor azul, ligando todas as ATR’s ao AT
(armário de telecomunicações).
CP: Cabeamento Primário, representado pela cor verde, ligação entre os AT’s.
7.2 Descrição dos computadores e equipamentos
Switch Cluster: Padrão Gigabit-Ethernet (GbE) de alta confiabilidade e performance. Switch
central de interconexão dos nós.
Switch Pesquisa: Padrão Fast-Ethernet. Utilizado para interligar os computadores da sala de
pesquisa.
Firewall: Um servidor de pequeno porte Linux para ser o firewall. Este equipamento tem a
finalidade de fazer o controle de acesso da rede externa para o front-end do cluster e viceversa.
Computadores Pesquisa: Computadores modelo básico, Dual Core, tipo PC compatível ou
superior Pentium 4 com 1 GB RAM e HD 160 GB.
Computador Administrador/Suporte Cluster: Computador modelo básico, Dual Core, tipo PC
compatível ou superior Pentium 4 com 2 GB RAM e HD 320 GB.
Cluster Skywulf Mestre (Front-End): Computador PC comum, desejável 512 MB RAM ou
superior. 2 Placas rede Gigabit off board. Monitor, mouse e teclado.
82
Cluster Skywulf Escravos (Back-End): Computador PC comum, desejável 512 MB RAM ou
superior. Placa rede Gigabit off board.
Cabos de Rede: Padrão Categoria 6 para a rede Cluster e padrão Categoria 5e para a rede
Pesquisa.
Conectores modulares de 8 vias (RJ-45)
Tomadas fêmeas para os conectores modulares de 8 vias (RJ-45)
No-break: Modelo projetado para carga de até 2 Kva e autonomia para 30 minutos. Calculo
para 5 computadores (sem monitores), 1 computador (com monitor) e um swtich.
Ar-Condicionado: Para garantir a temperatura da Sala Cluster de acordo com a norma do
cabeamento estruturado.
7.3 O Cluster Skywulf
A composição do Cluster Skywulf é de 5 nós e um mestre (front-end), interconectados
por um switch, todos dispostos em um rack. A Figura 35 traz o diagrama funcional.
Figura 35 – Diagrama conexões Cluster Skywulf
83
Um firewall faz a filtragem e segurança das conexões oriundas externamente e da
LAN da sala de pesquisa.
O Sistema Operacional
Debian é uma distribuição do sistema operacional GNU/Linux. Utiliza o kernel
(núcleo do sistema operacional) Linux e uma série de outras ferramentas do projeto GNU
(GNU is Not Unix). A distribuição vem com mais de 25.000 pacotes (softwares précompilados e empacotados) de fácil instalação. É constituída por softwares livres (Open
Source) e possuiu em seu “Contrato Social” o compromisso de se manter livre. Conta com
uma lista bem organizada de desenvolvedores e mantenedores. É uma das mais estáveis
distribuições e considerada a mais pura por não misturar com softwares proprietários
(DEBIAN, 2010).
As características foram determinantes pela escolha desta distribuição GNU/Linux
para ser o sistema operativo do Cluster Skywulf.
Quando nos referimos a software livre se refere à liberdade dos usuários de
executarem, copiarem, distribuírem, estudarem, modificarem e aperfeiçoarem o software e
com acesso ao seu código fonte. (GNU, 2010).
Biblioteca
Utilização da biblioteca MPICH na sua versão 1.2.7p1. MPICH (MPICHamaleon) é
uma implementação do padrão MPI, disponibilizado livremente19 e sem restrições comerciais.
19
Link para download: ftp://ftp.mcs.anl.gov/pub/mpi/mpich-1.2.7p1.tar.gz
84
Configuração do Cluster Skywulf
Atualização o Sistema Operacional
Após a instalação do Sistema Operacional Debian Lenny, deve-se atualizá-lo, isto é
feito primeiramente editando o arquivo que contém os links (repositórios) de origem dos
pacotes20, ver Quadro 1. Após a edição, executar os comandos: apt-get update e apt-get
upgrade
Quadro 1 – Arquivo: /etc/apt/sources.list
deb http://security.debian.org/ lenny/updates main
deb-src http://security.debian.org/ lenny/updates main
deb http://volatile.debian.org/debian-volatile lenny/volatile main
deb-src http://volatile.debian.org/debian-volatile lenny/volatile main
deb ftp://ftp.br.debian.org/debian/ lenny main contrib-non-free
deb http://linorg.usp.br/debian/ lenny main contrib non-free
Pacotes
O passo seguinte é a instalação de alguns pacotes necessários para o funcionamento do
cluster, a instalação destes pacotes, é feito através do comando apt-get install <pacote>.
- Computadores Nós (Escravos)
rsh-client: Client do Remote Shell
rsh-server: Server do Remote Shell
nfs-common: Pacote de suporte na montagem do NFS (Network File System).
- Computador Mestre
Além dos pacotes citados (escravos), instalar também:
nfs-kernel-server: Pacote necessário para o funcionamento do NFS.
make: GNU Make é um programa que determina quais partes de um programa grande
precisam ser recompiladas e fornece os comandos para recompilá-las, quando necessário.
gcc: É um compilador C desenvolvido pelo GNU.
20
Pacote é um método de distribuição e instalação de softwares.
85
Configuração da Rede
É necessário configurar a interface de rede, isto é feito editando o arquivo de
configuração interfaces, ver Quadro 2. Deve-se em seguida reiniciar as configurações da
interface de rede com o comando: /etc/init.d/networking restart
Quadro 2 – Arquivo: /etc/network/interfaces
auto lo
iface lo inet loopback
auto eth0
iface eth0 inet static
address 192.168.1.XX
netmask 255.255.255.0
Onde XX é o número IP final. Os computadores do cluster skywulf receberam os
seguintes endereços:
Mestre: 192.168.1.10 (debmaster)
Nó 1: 192.168.1.11 (debno1)
Nó 2: 192.168.1.22 (debno2)
Nó 3: 192.168.1.33 (debno3)
Nó 4: 192.168.1.44 (debno4)
Nó 5: 192.168.1.55 (debno5)
Após a configuração do endereço IP é necessário configurar a relação IP x Nome da
máquina (host), assim é necessário a edição do arquivo hosts, que pode ser conferido no
Quadro 3:
86
Quadro 3 – Arquivo: /etc/hosts
127.0.0.1
localhost
localhost.localdomain
192.168.1.10 debmaster
debmaster.sky.com.br
192.168.1.11 debno1
debno1.sky.com.br
192.168.1.22 debno2
debno2.sky.com.br
192.168.1.33 debno3
debno3.sky.com.br
192.168.1.44 debno4
debno4.sky.com.br
192.168.1.55 debno5
debno5.sky.com.br
Configuração relação de confiança entre máquinas
Entre os computadores do cluster é necessário que ambos mantenham uma relação de
confiança e que não exijam senhas para execução de comandos remotamente (rsh), assim
devemos editar o arquivo hosts.equiv (Nós e Mestre), ver Quadro 4 e .rhosts (Mestre),
conferir o Quadro 5.
Quadro 4 – Arquivo: /etc/hosts.equiv
debmaster
debno1
debno2
debno3
debno4
debno5
Quadro 5 – Arquivo /home/.rhosts
debmaster
debno1
debno2
debno3
debno4
debno5
87
Incluir os programas rsh e rlogin no arquivo securetty, ver Quadro 6, assim ambos
(os programas) poderão ser executados como root.
Quadro 6 – Arquivo: /etc/securetty
rsh
rlogin
Configurando o NFS (Computadores Nós – Escravos)
É necessário montar o sistema de arquivos de rede NFS para o compartilhamento de
arquivos e pastas entre o Nó e o Mestre, isto é feito editando o arquivo fstab. O Quadro 7
apresenta as linhas a serem incluídas.
Quadro 7 – Arquivo: /etc/fstab
192.168.1.10:/home/ /home
192.168.1.10:/usr/local/
nfs
/usr/local
exec,dev,suid,rw
nfs
1
exec,dev,suid,rw
1
1
1
Configurando o NFS (Computador Mestre)
É necessário indicar quais pastas e permissões irão estar disponíveis (compartilhadas)
para os nós na montagem do NFS, assim é necessário editar o arquivo exports, ver Quadro 8.
Quadro 8 – Arquivo: /etc/exports
/home *(rw,no_root_squash)
/usr/local *(rw,no_root_squash)
Instalação e configuração do MPICH (Mestre)
A Biblioteca de troca de mensagem MPICH somente é instalada e configurada no
computador Mestre. O arquivo mpich.tar.gz deve ser copiado para a pasta /usr/local/ em
seguida descompactado com o comando: tar –zxvf mpich.tar
Na pasta /usr/local/mpich-1.2.7p1, compilar e instalar com os comandos:
./configure –prefix=/usr/local
88
make
make install
Deve-se ainda indicar (setar) quais computadores (nós) irão executar as tarefas do
cluster (pertencer ao cluster), isto é feito editando o arquivo machines.LINUX, conforme
Quadro 9 a seguir.
Quadro 9 – Arquivo: /usr/local/share/machines.LINUX
debmaster
debno1
debno2
debno3
debno4
debno5
É necessário configurar o bash21 para “enxergar” os programas instalados na pasta do
mpich. Para tanto, deve-se editar, ver Quadro 10, o arquivo .bash_profile
Quadro 10 – Arquivo: /root/.bash_profile
export MPIR_HOME = /usr/local/mpich-1.2.7p1
Testando e compilando programas
Certifique-se que toda a instalação e configuração estão correta, alguns programas de
exemplo estão localizados dentro da pasta: /usr/local/mpich/1.2.4/examples
Realize o login com o usuário criado durante a instalação do Debian e copie os
programas na pasta home (/home/<usuário>) deste usuário.
Basicamente utilizam-se dois comandos da biblioteca MPI para compilação e
execução de programas respectivamente:
mpicc <programa > -o <nome do executável>
mpirun -np <numero de processos> <arquivo executável>
21
Bash é um interpretador de comando, também conhecido como terminais de texto Linux.
89
Um programa simples descrito por GALANTE (2010) que tem a função de imprimir a
relação processo x máquina, que estão sendo executadas no momento, nos ajuda a testar o
funcionamento de todos os nós conectados. O programa tstskywulf.c escrito na linguagem C
foi personalizado para esta obra e encontra-se listado no Apêndice C.
A Figura 36 mostra o programa executado em 20 processos (-np 20), indicando que
todos os nós estão se comunicando.
Figura 36 – Execução em terminal Linux do programa tstskywulf.c
7.4 Investimentos do laboratório
Hardware
Foi realizado uma pesquisa de mercado (Tabela 15 e 16), considerando a instalação
completamente nova (computadores e equipamentos), tanto para o Cluster como para o
Laboratório de Pesquisa, no entanto, a possibilidade de utilizar-se de recursos e equipamentos
90
já disponíveis dentro da própria Instituição é algo real e uma alternativa quando se tem
restrições financeiras mais elevadas.
Um modelo alternativo de computadores (usados) foi utilizado na implantação real do
Cluster Skywulf para fins de testes e aplicações, como pode ser conferido no tópico 7.5.
Tabela 15 – Custos Sala de Pesquisa
PRODUTO
QUANTIDADE
PREÇO UNITÁRIO
PREÇO TOTAL
Swtich 24 portas Cat. 5e
01
R$ 590,00
R$ 590,00
Computadores Pesquisa
08
R$ 1.200,00
R$ 9.600,00
Rack AT2 (Parede) 5U
01
R$ 300,00
R$ 300,00
Patch Panel 24 portas
01
R$ 100,00
R$ 100,00
Path Cords Cat. 5e
09
R$ 10,00
R$ 90,00
Cabo UTP Cat 5e
100m
R$ 1,25
R$ 125,00
RJ-45
25
R$ 0,50
R$ 12,50
Jack (RJ-45 fêmea)
09
R$ 6,00
R$ 54,00
Total:
R$ 10.871,50
Tabela 16 – Custos Cluster Skywulf
PRODUTO
QUANTIDADE
PREÇO UNITÁRIO
PREÇO TOTAL
Swtich Gigabit 16 portas
01
R$ 950,00
R$ 950,00
Computadores Nós
05
R$900,00
R$ 4.500,00
Computador Mestre
01
R$ 1.400,00
R$ 1.400,00
PC Firewall Linux
01
R$ 1.200,00
R$ 1.200,00
Computador ADM
01
R$ 1.200,00
R$ 1.200,00
Rack AT1 (Parede) 5U
01
R$ 300,00
R$ 300,00
Patch Panel 16 portas
01
R$ 100,00
R$ 200,00
Path Cord Cat.6 1,5m
10
R$ 15,00
R$ 150,00
Path Cord Cat.6 2,5m
10
R$ 20,00
R$ 200,00
Jack (RJ-45 fêmea)
01
R$ 6,00
R$ 6,00
No-break
01
R$ 2.000,00
R$ 2.000,00
Ar-condicionado
01
R$ 800,00
R$ 800,00
Total:
R$ 12.906,00
91
Softwares
Custo zero em relação as licenças dos softwares utilizados pelo Cluster Skywulf, pois
todos os programas e pacotes utilizados são softwares livres (Open Source).
Source)
Também
m será custo zero nas estações de pesquisa, devido à utilização de software
livre. Incluindo o Sistema operacional (Debian), pacote de escritório (OpenOffice), navegador
navegad
web (Firefox) e ferramenta de acesso remoto (RSH, SSH) ao Mestre (Front-end).
(Front
este de desempenho e aplicações do Cluster Skywulf
7.5 Implantação real, teste
Para realização de testes, medições e aplicações da teoria e prática,
prát
a montagem real
do Cluster Skywulf se fez necessário e assim foi feito. A montagem, instalação e configuração
do cluster seguiu a risca todos os procedimento já explicados e comentados nos tópicos
anteriores. Foi utilizado, como já proposto, 5 nós mais 1 nó mestre, interligados por um
switch em uma rede Fast--Ethernet (em substituição ao padrão Gigabit-Ethernet
Gigabit
proposto),
Figura 37 que apresenta o Cluster Skywulf em operação.
Figura 37 – Cluster Skywulf em operação
92
A relação completa dos computadores utilizados, contendo suas configurações e valor
de mercado podem ser conferidos no Apêndice D.
Teste de desempenho
A aplicação de testes leva a uma série de conclusões e observações que são úteis para
o aprimoramento de um projeto.
No Cluster Skywulf foram aplicados alguns testes de desempenho. Um deles constituise de um programa desenvolvido por NORDLIE (2003) na linguagem C, intitulado flop.c
(Listagem do código fonte no Anexo B), que calcula o numero do Pi e também mede a
performance em Megaflops do cluster, é um teste simples.
A metodologia do teste, constitui-se em executar o programa flop.c primeiramente
rodando sob 1 processo, seguido de 2 processos, 3 processos e assim por diante. A cada
execução anota-se o valor do Megaflops estimado e o tempo total de execução (Wall clock
time). A Figura 38 mostra o programa flop.c em execução.
Figura 38 – Terminal rodando o programa flop.c
93
A Tabela 17 apresenta os resultados obtidos ao longo do teste.
Tabela 17 – Amostragem do teste flop.c
N.º de Processos
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Megaflops
Tempo (em segundos)
322,545
644,115
610,115
767,908
959,864
1143,161
1343,405
1626,730
910,845
984,199
1061,895
1129,581
1278,581
1347,321
936,784
1020,511
1140,868
1148,187
1189,863
1296,099
1011,247
1048,154
1095,479
1129,296
1208,609
1238,481
18,65
9,3
9,82
7,81
6,25
5,24
4,46
3,68
6,58
6,09
5,65
5,31
4,69
4,45
6,4
5,87
5,29
5,22
5,04
4,62
5,93
5,72
5,47
5,31
4,96
4,84
Com os dados do Megaflops estimado e tempo total de execução, gerou-se dois
gráficos, apresentados pela Figura 39 e 40 a seguir.
94
Processos x Megaflops
1800
1600
Megaflops
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
Megaflops
N.º de Processos
Figura 39 – Processos x MFlops (Cluster Skywulf)
Tempo (segundos)
Processos x Tempo execução
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
N.º de Processos
Tempo (segundos)
Figura 40 – Processos x Tempo (Cluster Skywulf)
Uma analise do gráfico
ráfico Processos x Megaflops (Figura 39) e a Tabela
T
17, apresentam
algumas conclusões como: Pico de praticamente 1,6 Gigaflops quando o programa é
95
executado com 8 processos, depois a cada 6 processos o Cluster Skywulf obtém seu melhor
desempenho.
Outra conclusão que se obteve foi à tendência para a estabilidade, pois os menores
indicadores de megaflops estavam chegando perto dos maiores, como se pode ver na Tabela
17, observando a diferença entre os megaflops com 8 e 9 processos que são 715 megaflops,
com 14 e 15 processos são 410 megaflops, com 21 e 22 processos são 37 megaflops e com 25
e 26 processos ficou em 30 megaflops.
O gráfico Processos x Tempo execução (Figura 40), pode ser analisada como sendo o
inverso do gráfico Processos x Megaflops (Figura 39), quando maior os megaflops atingido
menor será o tempo de execução.
Para fins de anotações o Cluster Skywulf obteve o resultado final de 1,2 Gigaflops e
média geral de 1 Gigaflops de processamento.
96
8 CONSIDERAÇÕES ACERCA DA APLICAÇÃO DE CLUSTER
BEOWULF EM INSTITUÇÕES DE ENSINO
Ao entender o funcionamento de um cluster de computadores, o ambiente de
processamento de alto desempenho e mais especificamente o cluster beowulf, suas
características, usabilidade, requisitos de hardware e de software, consegue-se projetar um
cenário útil para sua aplicação e funcionamento.
Como visto ao longo desta obra, os cálculos complexos, as simulações e modelagem
computacionais são ambientes hoje, que simplesmente não conseguiriam grandes resultados
sem a ajuda do processamento de alto desempenho. E muitas outras áreas aos poucos vão se
beneficiando com os equipamentos que permitem processar a informação de uma maneira
mais rápida.
Dentro das instituições de ensino, o uso básico desta ferramenta, vem acompanhado de
pesquisas acadêmicas, por tanto, primeiramente, as Instituições de Ensino, mais precisamente
as Universidades, devem repensar como as pesquisas acadêmicas são encaradas dentro da
Instituição, visto que o incentivo a pesquisa e a divulgação cientifica é um dos tripés do
Ensino Superior.
A viabilidade da implantação, provada nesta obra, de um cluster beowulf, deve estar
em pauta em novas propostas para laboratórios de pesquisa que envolva processamento de
alto desempenho, principalmente em instituições com fortes restrições financeiras.
Portanto, a junção de instituições de ensino, pesquisa acadêmica e cluster beowulf se
aplicam no momento em que ambas se acharem importantes no desenvolvimento científico,
tecnológico e profissional.
97
As dificuldades encontradas foram:
- Biblioteca de troca de mensagem: Inicialmente foi testada a biblioteca LAM/MPI, porém
não se obteve sucesso devido a uma série de bugs e pouca documentação para a solução
destes. Em pesquisa realizada, descobriu-se que esta biblioteca encontra-se em estado de
manutenção e seus usuários estão sendo fortemente orientados a substituí-la.
- Pesquisa Acadêmica: Acredita-se que a falta de um profissional da área de assessoria de
comunicação por parte das Universidades e Faculdades tenha dificultado um pouco a
colaboração dessas Instituições para com a pesquisa proposta nesta obra.
- Computadores: Não foi fácil conseguir computadores disponíveis para testes (montagem do
cluster skywulf) por um período relativamente longo. E alguns computadores mais antigos (15
anos de uso) não tiveram a placa de rede reconhecida pelo sistema operacional GNU/Linux
Debian e foram substituídos por outros.
Para trabalhos futuros propõe-se em relação a custos do laboratório, levantar outros
itens, como mobília, segurança física da Sala Cluster e uma versão do Cluster Skywulf com
equipamentos mais específicos e adaptáveis ao processamento de alto desempenho, como
placas de comunicação Myrinet e arquiteturas de servidores como as Blades. Também
calcular os investimentos com treinamento e recursos humanos, garantindo um estudo de ROI
(Retorno de Investimento) mais completo. Além disso, instalações de software e bibliotecas
para uso mais fácil e adaptável aos pesquisadores e alunos que se utilizarão do cluster;
compilação e testes de programas funcionais em linguagem de programação C e/ou Fortran;
testes com outras distribuições GNU/Linux como a RedHat, SuSE e CentOS; realização de
benchmark com ferramentas profissionais, como por exemplo, o LINPACK utilizado para a
classificação da Lista Top500.
98
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1186-1187. Ano: 1954
TOP 500, Supercomputers. Sitio Oficial. Disponível em < http://www.top500.org/ >
Acessado em: 05 mai. 2010.
VALENTE, José Armando (org.). O computador na sociedade do conhecimento. Coleção
Informática na Educação. Brasília: MEC, 1999.
VIANA, Leonardo Américo Bezerra. Projeto de Redes - Modelo de laboratório de
informática para escolas. Disponível em < http://knol.google.com/k/modelo-delaborat%C3%B3rio-de-inform%C3%A1tica-paraescolas#Introdu%28C3%29%28A7%29%28C3%29%28A3%29o > Acessado em: 23 de mai.
2010. Ano: 2007
104
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
CECÍLIA, Universidade de. Elaboração de um projeto de pesquisa. Disponível em <
http://sites.unisanta.br/teiadosaber/apostila/matematica/ELABORACAO_DE_UM_PROJETO
_DE_PESQUISA-Ines2808.pdf > Acessado em: 01 de mai. 2010
FATEC, Faculdade de Guaratinguetá. Normas e orientações para elaboração e
apresentação da monografia de conclusão de curso. Guaratinguetá, 2009 – SP.
MATTAR, João. Metodologia científica na era da informática. São Paulo: Saraiva, 2008.
VALE PORTAL. Lista de IES. Disponível em <
http://www.valedoparaiba.com/vestibular/vale_paulista.asp > Acessado em: 27 de abr. 2010.
105
APÊNDICE A – QUESTIONÁRIO ELABORADO PARA A PESQUISA
COM AS UNIVERSIDADES E FACULDADES
Somos alunos do curso Tecnologia em Informática – ênfase Redes de Computadores da FATEC
Guaratinguetá (www.fatecguaratingueta.edu.br) e estamos realizando nosso Trabalho de Conclusão de Curso
(TCC) sob o titulo: Aplicação de Cluster Beowulf em Instituições de Ensino.
Selecionamos a sua instituição para fazer parte de uma pesquisa regional referente à pesquisa cientifica
e laboratórios de informática.
Assim pedimos sua atenção e disponibilidade para responder o questionário preferencialmente até o dia
10 de maio. Lembramos também que as informações ficarão restritas a publicações acadêmicas.
Nome completo: ___________________________________________________________________________
Cargo: _________________________ Função: _____________________ Departamento: ______________
Instituição: __________________________________________________ Cidade: _____________________
E-mail: ___________________________________________ Telefone/Ramal: _________________________
1º) Sobre a importância da pesquisa cientifica e tecnológica em uma Universidade e Faculdade, pode se
dizer que ela é:
( ) Indispensável
( ) Importante
( ) Regular
( ) Dispensável
2º) A Instituição possui programas de incentivo de iniciação cientifica / tecnológica?
( ) Sim, e já esta em funcionamento
( ) Sim, mas não esta em funcionamento
( ) Não temos
Se Sim descreva quais são:
Se Sim, quantos alunos fazem parte deste(s) programa(s):
3º) Em relação ao processamento de alto desempenho e clusters de computadores pode se dizer que temos:
( ) Pleno conhecimento
( ) Conhecimento Regular
( ) Não conhecemos
4º) Em relação as áreas que são abrangidas pelas pesquisas que envolvem processamento de alto
desempenho pode se dizer que temos:
( ) Não conhecemos
5º) Em relação aos benefícios que podem ser alcançados com as pesquisas que envolvem processamento de
alto desempenho, pode se dizer que temos:
( ) Não procuramos saber
6º) Em relação ao Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho (SINAPAD) e os Centros
Nacionais (CENAPAD), pode-se dizer que:
106
( ) Conhecemos e já utilizamos ( ) Pleno Conhecimento ( ) Conhecimento Regular ( ) Não sabemos do que
se trata
7º) Possuem laboratórios exclusivos de apoio a pesquisa, teses, monografias e TCC?
( ) Sim
( ) Não
8º) Sobre a importância de se ter um laboratório exclusivo para pesquisas e trabalhos acadêmicos que
necessitam de processamento de alto desempenho, classificaria como sendo:
( ) Indispensável
( ) Importante
( ) Regular
( ) Dispensável
9º) Nos laboratórios de pesquisa, possuem clusters de computadores ou supercomputadores para
atividades de pesquisa que requerem processamento de alto desempenho?
( ) Sim
( ) Não
( ) Não se aplica
Se Sim responda abaixo sobre a arquitetura e quantidade:
( ) Clusters. Quantos: [__]
( ) Supercomputadores. Quantos: [__]
( ) Outro. ________
Se Não, qual seria a maior dificuldade para se ter um laboratório de computação para processamento de alto
desempenho:
( ) Alto custo
( ) Dificuldade de manutenção ( ) Falta de pesquisas
(
) Falta de conhecimento
técnico
10º) Qual a maior prioridade da Instituição em relação a formação acadêmica do aluno:
( ) Preparar para o mercado de trabalho
( ) Preparar para o fomento de pesquisa e inovação tecnológica
( ) Preparar para o mercado de trabalho mas com foco para o fomento de pesquisa e inovação tecnológica
( ) Preparar para o fomento de pesquisa e inovação tecnológica mas com foco no mercado de trabalho
( ) Preparar para o mercado de trabalho e igualmente para o fomento de pesquisa e inovação tecnológica
107
APÊNDICE B – RELAÇÃO DE UNIVERSIDADES E FACULDADES
SELECIONADAS PARA A PESQUISA
SUL FLUMINENSE
Centro Universitário Geraldo Di Biase
Cidade: Volta Redonda
Cursos: Administração, Arquitetura e Urbanismo, Ciências Biológicas, Ciências Contábeis, Comunicação
Social, Jornalismo, Publicidade e Propaganda, Direito, Economia, Serviço Social, Sistemas de Informação,
Computação, Ciências Biológicas, Geografia, História, Letras, Português e Inglês, Português e Espanhol,
Matemática e Pedagogia,
Site: http://www.ugb.edu.br/
Telefone: (24) 3345-1700
UNIFOA – Centro Universitário de Volta Redonda
Cidade: Volta Redonda
Cursos: Administração, Ciências Biológicas (Biotecnologia), Ciências Contábeis, Comunicação Social
(Jornalismo), Comunicação Social (Publicidade e Propaganda), Design (Desenho Industrial), Direito, Educação
Física (Licenciatura / Graduação), Enfermagem, Engenharia Ambiental, Engenharia Civil, Engenharia de
Produção, Engenharia Elétrica, Engenharia Mecânica, ,Fisioterapia, História, Letras, Medicina, Nutrição,
Odontologia, Serviço Social e Sistemas de Informação (Informática).
Site: http://www.unifoa.edu.br/
Telefone: (24) 3340-8400
USS – Universidade Severino Sombra
Cidade: Vassouras
Cursos: Administração, Biomedicina, Ciências Biológicas (Bacharelado/Licenciatura), Ciências Biológicas
(Licenciatura), Enfermagem, Engenharia Ambiental, Engenharia Elétrica, Farmácia, Fisioterapia, Geografia,
História, Gestão Ambiental, Gestão da Tecnologia da Informação, Gestão Agronegócio, Gestão Turismo, Gestão
Pública, Negócios imobiliario, Letras, Matemática, Medicina Veterinária, Medicina, Odontologia, Pedagogia,
Psicologia, Quimica, Química Industrial, Sistema de Informação, Tecnologia em Radiologia e Teologia.
Site: http://www.uss.br/
Telefone: (24) 2471-1287
UBM – Centro universitário de Barra Mansa
Cidade: Barra Mansa
Cursos: Administração, Artes Visuais, Biologia, Ciências Contábeis, Comunicação Social, Curso Superior de
Tecnologia em Logística, Curso Superior de Tecnologia em Gestão de Recursos Humanos, Curso Superior de
Tecnologia em Gestão da Produção Industrial, Ciência da Computação, Curso Superior de Tecnologia em
Gestão de Turismo, Curso Superior de Tecnologia em Gestão da Qualidade, Curso Superior de Tecnologia em
Gestão Pública, Curso Superior de Tecnologia em Eventos, Curso Superior de Tecnologia em Gestão Ambiental,
Direito, Engenharia de Computação, Engenharia de Petróleo, Engenharia de Controle e Automação, Engenharia
de Produção, Educação Física, Enfermagem, Fisioterapia, Farmácia, Geografia, História, Letras, Música
(Bacharelado), Música (Licenciatura), Matemática, Medicina, Veterinária, Nutrição, Pedagogia, Psicologia e
Programa de Formação Pedagógica de Docentes
Site: http://www.ubm.br/
Telefone: (24) 3325-0222 / 0800-725-0222
VALE PAULISTA
ITA – Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Cidade: São José dos Campos
Cursos: Engenharia Aeronáutica, Engenharia Eletrônica, Engenharia Mecânica-Aeronáutica, Engenharia CivilAeronáutica, Engenharia de Computação
Site: http://www.ita.br/
Telefone: (12) 3947-6908
108
UNISAL – Faculdade Salesiana de Lorena
Cidade: Lorena
Cursos: Psicologia, Ciência da Computação, Matemática, Tecnólogo em Sistemas Para Internet, Administração,
Direito, Filosofia, Geografia, História, Pedagogia, Tecnologia em Hotelaria e Turismo.
Site: http://www.lo.unisal.br/
Telefone: (12) 3159-2033
EEL-USP – Escola de Engenharia de Lorena
Cidade: Lorena
Cursos: Engenharia Bioquímica, Engenharia Química, Industria Química, Engenharia de Materiais
Site: http://www.faenquil.br/
Telefone: FATEC – Faculdade de Tecnologia de Guaratinguetá
Cidade: Guaratinguetá
Cursos: Análise e Desenvolvimento de Sistemas, Gestão da Tecnologia da Informação, Gestão Financeira,
Logística e Tecnólogo em Gestão Empresarial (Processos Gerenciais)
Site: http://www.fatecguaratingueta.edu.br/
Telefone: (12) 3126-3921
FATEC – Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos
Cursos: Tecnologia em Logística, Informática - opções de saída: Banco de Dados ou Redes de Computadores,
Manutenção de Aeronaves - opções de saída: Manutenção de Aeronaves ou Automação Aeronáutica,
Manufatura Aeronáutica e Manufatura Aeronáutica - opções de saída: Manufatura Aeronáutica ou Estruturas
Leves.
Site: http://www.fatecsjc.edu.br/index.php
Telefone: (12) 3905-4851
FEG – UNESP – Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
Cidade: Guaratinguetá
Cursos: Engenharia Mecânica, Engenharia Civil, Engenharia Elétrica, Engenharia de Produção, Engenharia de
Materiais, Física (Licenciatura/Bacharelado), Licenciatura em Matemática.
Site: http://www.feg.unesp.br/
Telefone: UNIVAP – Universidade do Vale do Paraíba
Cursos: Administração, Arquitetura e Urbanismo, Artes Visuais, Biomedicina, Ciência da Computação,
Ciências Biológicas, Ciências Contábeis, Comunicação Social (Jornalismo), Comunicação Social (Publicidade e
Propaganda), Comunicação Social (Rádio e TV), Direito, Educação Física, Enfermagem, Engenharia
Aeronáutica e Espaço, Engenharia Ambiental, Engenharia Biomédica, Engenharia Civil, Engenharia Elétrica
/Eletrônica, Engenharia Química, Engenharia de Computação, Engenharia de Alimentos, Engenharia de
Materiais, Farmácia, Fisioterapia, Física, Geografia, História, Letras, Matemática, Moda, Nutrição, Odontologia,
Pedagogia, Química, Serviço Social, Superior de Tecnologia em Gastronomia, Superior de Tecnologia em
Gestão Ambiental, Terapia Ocupacional e Turismo.
Site: http://www.univap.br/
Telefone: (12) 3947-1085 ou (12) 3947-1028
UNIP – Universidade Paulista
Cursos: Administração, Análise de Sistema, Arquitetura e Urbanismo, Ciência da Computação, Comunicação
Digital, Comunicação Digital (webdesign), Desenho Gráfico Digital, Direito, Enfermagem, Engenharia da
Computação, Engenharia elétrica, Farmácia, Fisioterapia, Gestão de Comércio Exterior, Gestão de Marketing,
Gestão de Negócios Empresariais, Gestão de recursos Humanos, Gestão de Gerenciamento de redes, Nutrição,
Pedagogia, Propaganda e Marketing, Psicologia e Turismo.
Site: http://www.unip.br/
Telefone: (12) 2136-9000
109
UNITAU – Universidade de Taubaté
Cidade: Taubaté
Cursos: Ciências Biológicas, Agronomia, Engenharia de Alimentos, Nutrição, Educação Física, Enfermagem,
Fisioterapia, Medicina, Odontologia, Psicologia, Arquitetura e Urbanismo, Engenharia Civil, Engenharia
Ambiental e Sanitária, Engenharia de Telecomunicações, Engenharia Elétrica e Eletrônica, Engenharia
Aeronáutica, Engenharia de Produção Mecânica, Engenharia Mecânica, Engenharia Mecânica com ênfase em
Mecatrônica, Bacharelado em Sistemas de Informação, Computação Aplicada (Automação de Sistemas),
Computação Científica, Engenharia da Computação, Sistemas de Informação - Análise e Gestão em Tecnologia
da Informação (TI), Física, Matemática, Direito, Filosofia, Geografia, História, Letras, Ciências Sociais,
Jornalismo, Publicidade e Propaganda, Relações Públicas, Administração, Ciências Contábeis, Ciências
Econômicas, Comércio Exterior, Pedagogia e Serviço Social.
Site: http://www.unitau.br/
Telefone: (12) 3625-4258
ANHANGUERA – SJC
Cursos: Administração, Comunicação Social, Engenharia Elétrica, Engenharia de Controle e Automação Mecatrônica, Fisioterapia, Letras, Pedagogia, Tecnologia em Análise e Desenvolvimento de Sistemas,
Tecnologia em Marketing.
Site: http://www.unianhanguera.edu.br/anhanguera/
Telefone: (12) 3625-4256
ANHANGUERA – Taubaté
Cidade: Taubaté
Cursos: Administração, Ciências da Computação, Ciências Contábeis, Comunicação Social - Publicidade e
Propaganda, Enermagem, Engenharia Elétrica, Engenharia de Controle e Automação (Mecatrônica), Engenharia
de Produção Mecânica, Fisioterapia, Letras, Pedagogia, Tecnologia em Gestão de Recursos Humanos,
Tecnologia em Marketing.
Site: http://www.unianhanguera.edu.br/anhanguera/
Telefone: (12) 3631-4467
SUL DE MINAS
INATEL – Instituto Nacional de Telecomunicações
Cidade: Santa Rita do Sapucaí
Cursos: Engenharia Eletrica, Engenharia da Computação, Engenharia Biomédica, Tecnologia em Automação e
Tecnologia em Redes
Site: http://www.inatel.br
Telefone: (35) 3471-9292
UNIFENAS – Universidade José do Rosário Vellano
Cidade: Alfenas
Cursos: Administração, Enfermagem, Odontologia, Agronomia,
Farmácia,
Pedagogia,
Biomedicina,
Fisioterapia, Psicologia, Ciência da Computação, Medicina, Zootecnia, Direito, Medicina Veterinária, Educação
Física, Nutrição.
Site: http://www.unifenas.br
Telefone: (12) 3299-3000
UNIFEI – Universidade Federal de Itajubá
Cidade: Itajubá
Cursos: Administração, Ciência da Computação, Engenharia Ambiental, Engenharia da Computação,
Engenharia de Controle e Automação, Engenharia de Produção, Engenharia Elétrica, Engenharia Hídrica,
Engenharia Mecânica, Física (Bacharelado), Física (Licenciatura), Matemática (Bacharelado/Licenciatura),
Sistemas de Informação, Ciências Atmosféricas, Engenharia de Materiais e Engenharia Eletrônica.
Site: http://www.unifei.edu.br/
Telefone: (35) 3629-1101
110
UNIVERSITAS – Centro Universitário de Itajubá
Cidade: Itajubá
Cursos: Ciências Biológicas, Educação Física, Engenharia Civil, Engenharia de Produção, Farmácia,
Fisioterapia, Letras, Medicina Veterinária, Pedagogia, Psicologia, Sistemas de Informação, Tecnologia em
Automação Industrial, Tecnologia em Fabricação Mecânica.
Site: http://www.universitas.edu.br/
Telefone: (35) 3629-8400
UFLA- Universidade Federal de LavrasCidade: Lavras
Cursos: Administração, Agronomia, Ciências Biológicas, Ciência da Computação, Engenharia Agrícola,
Engenharia Ambiental, Engenharia de Alimentos, Engenharia de Controle e Automação, Engenharia Florestal,
Zootecnia, Medicina Veterinária, Nutrição, Química (Licenciatura), Matemática (Licenciatura), Sistemas de
Informação, Educação Física (Licenciatura), Física (Licenciatura).
Site: http://www.ufla.br
Telefone: (35) 3829-1378
UFSJ – Universidade Federal de São João Del-Rei
Cidade: São João Del-Rei
Cursos: Administração, Administração Pública, Arquitetura e Urbanismo, Artes Aplicadas - Ênfase em
Cerâmica, Ciência da Computação, Ciências Biológicas, Ciências Contábeis, Ciências Econômicas,
Comunicação Social - Habilitação em Jornalismo, Educação Física, Engenharia de Produção, Engenharia
Elétrica, Engenharia Mecânica, Filosofia, Física (Bacharelado/Licenciatura), Geografia, História, Letras,
Matemática, Música, Pedagogia, Psicologia, Química (Bacharelado/Licenciatura), Teatro e Zootecnia
Site: http://www.ufsj.edu.br/
Telefone: (32) 3379-2530
111
APÊNDICE C – LISTAGEM DO PROGRAMA TSTSKYWULF.C
/* programa para testar comunicao x processos dos computadores do cluster
*/
#include "mpi.h"
#include <stdio.h>
int main (int argc, char * argv[])
{
int processId;
int noProcesses;
int nameSize;
char computerName[MPI_MAX_PROCESSOR_NAME];
MPI_Init(&argc, &argv);
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &noProcesses);
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &processId);
MPI_Get_processor_name(computerName, &nameSize);
printf("Cluster ->Skywulf<-: Processo %d na Maquina %s\n",
processId, computerName);
MPI_Finalize();
return 0;
}
112
APÊNDICE D – RELAÇÃO DOS COMPUTADORES UTILIZADOS
PARA MONTAGEM DO CLUSETER SKYWULF
MESTRE:
Notebook Dell Inspiron 1525
CPU: Core2Duo
Memória Ram: 3GB
HD: 120GB
Placa Rede: Marvell Yukon 88E8040
Chipset placa mãe: Intel
Valor: R$ 1.800,00
NÓ1:
CPU: AMD Athlon XP 2700+ (2.1GHz)
Memória Ram: 765MB DDR333
HD: 80GB IDE
Placa de Rede: Via VT6102 10/100
Chipset placa mãe: Via VT8378 (KM400)
Valor: R$ 400,00
NÓ2:
CPU: AMD Duron Pro 1200+ (900MHz)
Memória Ram: 384MB DDR333
HD: 20GB IDE
Placa de Rede: SIS 900 10/100
Chipset placa mãe: SIS 5513(SIS730)
Valor: R$ 250,00
NÓ3:
CPU: AMD Athlon 64Bits X2 5600+ (2.81GHz)
Memória Ram: 2GB DDR2 800MHz
HD: 160GB Sata II
Placa de Rede: Nvidia NForce
Chipset placa mãe: Nvidia
Valor: R$ 1.200,00
NÓ4:
CPU: Intel Dual Core E2200 2.2GHz
HD: 160GB Sata II
Placa de Rede: Realtek 8139B 10/100
Chipset placa mãe: Intel 945G
Valor: R$ 1.000,00
NÓ5:
CPU: Intel i7 920 2.67GHz
HD: 320GB Sata II
Placa de Rede: Realtek RTL-8168C
Chipset placa mãe: Intel X58
Valor: R$ 2.300,00
113
ANEXO A – CAPITULO IV DA LEI Nº 9.394 (LDB)
CAPÍTULO IV
Da Educação Superior
Art. 43º. A educação superior tem por finalidade:
I - estimular a criação cultural e o desenvolvimento do espírito científico e do pensamento reflexivo;
II - formar diplomados nas diferentes áreas de conhecimento, aptos para a inserção em setores profissionais e
para a participação no desenvolvimento da sociedade brasileira, e colaborar na sua formação contínua;
III - incentivar o trabalho de pesquisa e investigação científica, visando o desenvolvimento da ciência e da
tecnologia e da criação e difusão da cultura, e, desse modo, desenvolver o entendimento do homem e do meio
em que vive;
IV - promover a divulgação de conhecimentos culturais, científicos e técnicos que constituem patrimônio da
humanidade e comunicar o saber através do ensino, de publicações ou de outras formas de comunicação;
V - suscitar o desejo permanente de aperfeiçoamento cultural e profissional e possibilitar a correspondente
concretização, integrando os conhecimentos que vão sendo adquiridos numa estrutura intelectual sistematizadora
do conhecimento de cada geração;
VI - estimular o conhecimento dos problemas do mundo presente, em particular os nacionais e regionais, prestar
serviços especializados à comunidade e estabelecer com esta uma relação de reciprocidade;
VII - promover a extensão, aberta à participação da população, visando à difusão das conquistas e benefícios
resultantes da criação cultural e da pesquisa científica e tecnológica geradas na instituição.
Art. 44º. A educação superior abrangerá os seguintes cursos e programas: I - cursos seqüenciais por campo de
saber, de diferentes níveis de abrangência, abertos a candidatos que atendam aos requisitos estabelecidos pelas
instituições de ensino;
II - de graduação, abertos a candidatos que tenham concluído o ensino médio ou equivalente e tenham sido
classificados em processo seletivo;
III - de pós -graduação, compreendendo programas de mestrado e doutorado, cursos de especialização,
aperfeiçoamento e outros, abertos a candidatos diplomados em cursos de graduação e que atendam às exigências
das instituições de ensino;
IV - de extensão, abertos a candidatos que atendam aos requisitos estabelecidos em cada caso pelas instituições
de ensino.
Art. 45º. A educação superior será ministrada em instituições de ensino superior, públicas ou privadas, com
variados graus de abrangência ou especialização.
Art. 46º. A autorização e o reconhecimento de cursos, bem como o credenciamento de instituições de educação
superior, terão prazos limitados, sendo renovados, periodicamente, após processo regular de avaliação.
§ 1º. Após um prazo para saneamento de deficiências eventualmente identificadas pela avaliação a que se refere
este artigo, haverá reavaliação, que poderá resultar, conforme o caso, em desativação de cursos e habilitações,
em intervenção na instituição, em suspensão temporária de prerrogativas da autonomia, ou em
descredenciamento.
§ 2º. No caso de instituição pública, o Poder Executivo responsável por sua manutenção acompanhará o processo
de saneamento e fornecerá recursos adicionais, se necessários, para a superação das deficiências.
Art. 47º. Na educação superior, o ano letivo regular, independente do ano civil, tem, no mínimo, duzentos dias
de trabalho acadêmico efetivo, excluído o tempo reservado aos exames finais, quando houver.
114
§ 1º. As instituições informarão aos interessados, antes de cada período letivo, os programas dos cursos e demais
componentes curriculares, sua duração, requisitos, qualificação dos professores, recursos disponíveis e critérios
de avaliação, obrigando-se a cumprir as respectivas condições.
§ 2º. Os alunos que tenham extraordinário aproveitamento nos estudos, demonstrado por meio de provas e outros
instrumentos de avaliação específicos, aplicados por banca examinadora especial, poderão ter abreviada a
duração dos seus cursos, de acordo com as normas dos sistemas de ensino.
§ 3º. É obrigatória a freqüência de alunos e professores, salvo nos programas de educação a distância.
§ 4º. As instituições de educação superior oferecerão, no período noturno, cursos de graduação nos mesmos
padrões de qualidade mantidos no período diurno, sendo obrigatória a oferta noturna nas instituições públicas,
garantida a necessária previsão orçamentária.
Art. 48º. Os diplomas de cursos superiores reconhecidos, quando registrados, terão validade nacional como
prova da formação recebida por seu titular.
§ 1º. Os diplomas expedidos pelas universidades serão por elas próprias registrados, e aqueles conferidos por
instituições não-universitárias serão registrados em universidades indicadas pelo Conselho Nacional de
Educação.
§ 2º. Os diplomas de graduação expedidos por universidades estrangeiras serão revalidados por universidades
públicas que tenham curso do mesmo nível e área ou equivalente, respeitando-se os acordos internacionais de
reciprocidade ou equiparação.
§ 3º. Os diplomas de Mestrado e de Doutorado expedidos por universidades estrangeiras só poderão ser
reconhecidos por universidades que possuam cursos de pósgraduação reconhecidos e avaliados, na mesma área
de conhecimento e em nível equivalente ou superior.
Art. 49º. As instituições de educação superior aceitarão a transferência de alunos regulares, para cursos afins, na
hipótese de existência de vagas, e mediante processo seletivo.
Parágrafo único. As transferências ex officio dar-se-ão na forma da lei.
Art. 50º. As instituições de educação superior, quando da ocorrência de vagas, abrirão matrícula nas disciplinas
de seus cursos a alunos não regulares que demonstrarem capacidade de cursá-las com proveito, mediante
processo seletivo prévio.
Art. 51º. As instituições de educação superior credenciadas como universidades, ao deliberar sobre critérios e
normas de seleção e admissão de estudantes, levarão em conta os efeitos desses critérios sobre a orientação do
ensino médio, articulando-se com os órgãos normativos dos sistemas de ensino.
Art. 52º. As universidades são instituições pluridisciplinares de formação dos quadros profissionais de nível
superior, de pesquisa, de extensão e de domínio e cultivo do saber humano, que se caracterizam por:
I - produção intelectual institucionalizada mediante o estudo sistemá tico dos temas e problemas mais relevantes,
tanto do ponto de vista científico e cultural, quanto regional e nacional;
II - um terço do corpo docente, pelo menos, com titulação acadêmica de mestrado ou doutorado;
III - um terço do cor po docente em regime de tempo integral.
Parágrafo único. É facultada a criação de universidades especializadas por campo do saber.
Art. 53º. No exercício de sua autonomia, são asseguradas às universidades, sem prejuízo de outras, as seguintes
atribuições:
I - criar, organizar e extinguir, em sua sede, cursos e programas de educação superior previstos nesta Lei,
obedecendo às normas gerais da União e, quando for o caso, do respectivo sistema de ensino;
115
II - fixar os currículos dos seus cursos e programas, observadas as diretrizes gerais pertinentes;
III - estabelecer planos, programas e projetos de pesquisa científica, produção artística e atividades de extensão;
IV - fixar o número de vagas de acordo com a capacidade institucional e as exigências do seu meio;
V - elaborar e reformar os seus estatutos e regimentos em consonância com as normas gerais atinentes;
VI - conferir graus, diplomas e outros títulos;
VII - firmar contratos, acordos e convênios;
VIII - aprovar e executar planos, programas e projetos de investimentos referentes a obras, serviços e aquisições
em geral, bem como administrar rendimentos conforme dispositivos institucionais;
IX - administrar os rendimentos e deles dispor na forma prevista no ato de constituição, nas leis e nos
respectivos estatutos;
X - receber subvenções, doações, heranças, legados e cooperação financeira resultante de convênios com
entidades públicas e privadas.
Parágrafo único. Para garantir a autonomia didático-científica das universidades, caberá aos seus colegiados de
ensino e pesquisa decidir, dentro dos recursos orçamentários disponíveis, sobre:
I - criação, expansão, modificação e extinção de cursos;
II - ampliação e diminuição de vagas;
III - elaboração da programação dos cursos;
IV - programação das pesquisas e das atividades de extensão;
V - contratação e dispensa de professores;
VI - planos de carreira docente.
Art. 54º. As universidades mantidas pelo Poder Público gozarão, na forma da lei, de estatuto jurídico especial
para atender às peculiaridades de sua estrutura, organização e financiamento pelo Poder Público, assim como dos
seus planos de carreira e do regime jurídico do seu pessoal.
§ 1º. No exercício da sua autonomia, além das atribuições asseguradas pelo artigo anterior, as universidades
públicas poderão:
I - propor o seu quadro de pessoal docente, técnico e administrativo, assim como um plano de cargos e salários,
atendidas as normas gerais pertinentes e os recursos disponíveis;
II - elaborar o regulamento de seu pessoal em conformidade com as normas gerais concernentes;
III - aprovar e executar planos, programas e projetos de investimentos referentes a obras, serviços e aquisições
em geral, de acordo com os recursos alocados pelo respectivo Poder mantenedor;
IV - elaborar seus orçamentos anuais e plurianuais;
V - adotar regime financeiro e contábil que atenda às suas peculiaridades de organização e funcionamento;
VI - realizar operações de crédito ou de financiamento, com aprovação do Poder competente, para aquisição de
bens imóveis, instalações e equipamentos;
VII - efetuar transferências, quitações e tomar outras providências de ordem orçamentária, financeira e
patrimonial necessárias ao seu bom desempenho.
116
§ 2º. Atribuições de autonomia universitária poderão ser estendidas a instituições que comprovem alta
qualificação para o ensino ou para a pesquisa, com base em avaliação realizada pelo Poder Público.
Art. 55º. Caberá à União assegurar, anualmente, em seu Orçamento Geral, recursos suficientes para manutenção
e desenvolvimento das instituições de educação superior por ela mantidas.
Art. 56º. As instituições públicas de educação superior obedecerão ao princípio da gestão democrática,
assegurada a existência de órgãos colegiados deliberativos, de que participarão os segmentos da comunidade
institucional, local e regional.
Parágrafo único. Em qualquer caso, os docentes ocuparão setenta por cento dos assentos em cada órgão
colegiado e comissão, inclusive nos que tratarem da elaboração e modificações estatutárias e regimentais, bem
como da escolha de dirigentes.
Art. 57º. Nas instituições públicas de educação superior, o professor ficará obrigado ao mínimo de oito horas
semanais de aulas.
117
ANEXO B – LISTAGEM DO PROGRAMA FLOP.C
#include "mpi.h"
#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
int done = 0, n, myid, numprocs, i;
double PI25DT = 3.141592653589793238462643;
double mypi, pi, h, sum, x, mflops;
double startwtime = 0.0, endwtime;
int namelen;
char processor_name[MPI_MAX_PROCESSOR_NAME];
MPI_Init(&argc,&argv);
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&numprocs);
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&myid);
MPI_Get_processor_name(processor_name,&namelen);
fprintf(stdout,"Process %d of %d on %s\n",
myid, numprocs, processor_name);
n = 0;
while (!done)
{
if (myid == 0)
{
/*
printf("Enter the number of intervals: (0 quits) ");
scanf("%d",&n);
*/
if (n==0) n=1000000000; else n=0;
startwtime = MPI_Wtime();
}
MPI_Bcast(&n, 1, MPI_INT, 0, MPI_COMM_WORLD);
if (n == 0)
done = 1;
else
{
h
= 1.0 / (double) n;
sum = 0.0;
/* A slightly better approach starts from large i and works back */
for (i = myid + 1; i <= n; i += numprocs)
{
x = h * ((double)i - 0.5);
sum += ( 4.0 / ( 1.0 + x * x ));
}
mypi = h * sum;
MPI_Reduce(&mypi, &pi, 1, MPI_DOUBLE, MPI_SUM, 0, MPI_COMM_WORLD);
if (myid == 0)
{
printf("pi is approximately %.16f, Error is %.16f\n",
pi, fabs(pi - PI25DT));
endwtime = MPI_Wtime();
printf("wall clock time = %f\n", endwtime-startwtime);
mflops = ((6.0 * (double)n) / (endwtime - startwtime)) / 1000000.0;
printf("Estimated MFLOPs = %f\n", mflops);
fflush( stdout );
}
}
}
MPI_Finalize();
return 0;
}

aplicação de cluster beowulf em instituições de ensino

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