Paralelização híbrida do algoritmo Black Hole em um system on chip

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Akamatu, Saulo
Orientador(a): Pedrino, Emerson Carlos lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCC
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
SoC
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20033
Resumo: Black Hole (BH) is a bioinspired metaheuristic algorithm based on the theory of relativity in which a sufficiently compact mass can deform the space-time to form a black hole, where no particles or electromagnetic radiation can escape from it. Thus, such an approach is based on the concept of a population of individuals (stars) representing solutions for a given computational problem to be optimized. In the literature, such an approach has been used to solve clustering problems, among others, since it is parameterfree and simple to implement. In this work, due to such characteristics, a hybrid solution, in software/hardware, of parallelization of the BH algorithm is proposed, aiming at accelerating its processing in hardware through a methodology that allows any user, even a non-expert, implement hardware accelerators, for optimization problems, among others, through a high level tool. A SoC platform (Pynq) was used for this implementation, containing a Zynq chip from Xilinx, which has two ARM cores and an FPGA. The BH Algorithm was implemented in software first and then in hardware for runtime comparison purposes to validate this approach. Also, in this work, simpler and more popular optimization algorithms, such as Particle Swarm Optimization (PSO), Gravitational Search Algorithm (GSA), and Big Bang - Big Crunch (BB-BC), along with simpler databases, were used for comparison purposes, due to its ease of implementation and to keep a fairer comparison with BH as realized in other works in the literature. Therefore, the results obtained were satisfactory in terms of execution time and quality, with an average speedup of 25 times compared to the same implementation in software.
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In the literature, such an approach has been used to solve clustering problems, among others, since it is parameterfree and simple to implement. In this work, due to such characteristics, a hybrid solution, in software/hardware, of parallelization of the BH algorithm is proposed, aiming at accelerating its processing in hardware through a methodology that allows any user, even a non-expert, implement hardware accelerators, for optimization problems, among others, through a high level tool. A SoC platform (Pynq) was used for this implementation, containing a Zynq chip from Xilinx, which has two ARM cores and an FPGA. The BH Algorithm was implemented in software first and then in hardware for runtime comparison purposes to validate this approach. Also, in this work, simpler and more popular optimization algorithms, such as Particle Swarm Optimization (PSO), Gravitational Search Algorithm (GSA), and Big Bang - Big Crunch (BB-BC), along with simpler databases, were used for comparison purposes, due to its ease of implementation and to keep a fairer comparison with BH as realized in other works in the literature. Therefore, the results obtained were satisfactory in terms of execution time and quality, with an average speedup of 25 times compared to the same implementation in software.Black Hole (BH) é um algoritmo metaheurístico bioinspirado baseado na teoria da relatividade, em que uma massa suficientemente compacta pode deformar o espaço-tempo dando origem a um buraco negro. Deste fenômeno, nenhuma partícula ou radiação eletromagnética pode escapar. Tal abordagem é baseada no conceito de uma população de indivíduos (estrelas) representando soluções para um determinado problema computacional a ser otimizado. Na literatura, tal abordagem tem sido utilizada para resolver problemas de agrupamento, entre outros, por ser livre de parâmetros e simples de implementar. Devido a tais características, neste trabalho, foi proposta uma solução híbrida, em software/hardware, de paralelização do algoritmo BH, visando acelerar seu processamento em hardware. Para isso, foi utilizada uma metodologia que permite a qualquer usuário, mesmo não especialista, implementar aceleradores de hardware para problemas de otimização através de uma ferramenta de alto nível. Nesta implementação, foi utilizada uma plataforma System on Chip (SoC), contendo um chip Zynq da Xilinx, que possui dois núcleos ARM e um FPGA. O Algoritmo BH foi implementado primeiro em software e depois em hardware para avaliar o tempo de execução e validar esta abordagem. Além disso, neste trabalho, algoritmos de otimização mais simples e populares, como Particle Swarm Optimization (PSO), Gravitational Search Algorithm (GSA) e Big Bang - Big Crunch (BB-BC), juntamente com conjuntos de dados mais simples, foram utilizados para fins de uma comparação mais justa com o algoritmo BH, como realizado em outros trabalhos na literatura. Os resultados obtidos foram satisfatórios em termos de tempo de execução e qualidade, com ganho médio de speedup de 25 vezes em relação à mesma implementação em software.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCCUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessAgrupamento de dadosAlgoritmo Black HoleSoCHardware híbridoData clusteringBlack Hole AlgorithmHybrid hardwareCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::SISTEMAS DE COMPUTACAOParalelização híbrida do algoritmo Black Hole em um system on chipHybrid parallelization of the Black Hole algorithm in a system on chipinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTdissertação_SauloAkamatu.pdf.txtdissertação_SauloAkamatu.pdf.txtExtracted texttext/plain102882https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/fc49fd77-884a-44ef-b2c3-53fb14c4d40e/downloadc0980252742ff5732d86cb6e30394d8aMD53falseAnonymousREADTHUMBNAILdissertação_SauloAkamatu.pdf.jpgdissertação_SauloAkamatu.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3747https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/76f7b782-f2f9-46e2-a972-2c45aa7dd8a7/downloadcaed5a604afe71f2ef2a9782d5585585MD54falseAnonymousREADORIGINALdissertação_SauloAkamatu.pdfdissertação_SauloAkamatu.pdfapplication/pdf8251779https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/9d243c56-50b1-4b69-80f8-9a18fa3e411e/download2028a25104c0372441389d28f2e1ceb4MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5df360b3-0e8b-4bc5-841c-b641ab37861b/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREAD20.500.14289/200332025-02-06 02:30:09.598http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/20033https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T05:30:09Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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