Estudio de patrones de computación y comunicación en algoritmos paralelos de tratamiento de imágenes multidimensionales sobre arquitecturas heterogéneas

Resumen

El principal objetivo del presente trabajo es analizar el impacto de diferentes patrones de computación y comunicación en el diseño de algoritmos paralelos heterogéneos para el tratamiento de imágenes multidimensionales, Este tipo de imágenes se utiliza de forma frecuente en aplicaciones relacionadas con la observación remota de la tierra o en aplicaciones médicas. El tratamiento de este tipo de imágenes puede llegar a ser muy costoso en términos computacionales, puesto que en dichas imágenes cada píxel viene dado por un vector multidimensional de valores correspondientes, por ejemplo, a diferentes longitudes de onda en aplicaciones de observación remota de la tierra. Dado que la mayor parte de los algoritmos de procesamiento de este tipo de imágenes consideran el píxel (vector) completo como la mínima unidad de procesamiento, el diseño de estrategias paralelas para acelerar el rendimiento computacional de dichos algoritmos presenta el inconveniente de que el tamaño de los mensajes que se intercambian entre los diferentes nodos de procesamiento de la arquitectura paralela es bastante grande, situación que se agrava en arquitecturas paralelas heterogéneas (formadas por diferentes procesadores que se comunican a través de enlaces heterogéneos), lo cual puede llegar a tener un impacto significativo en la escalabilidad de dichos algoritmos paralelos. Como alternativa a este esquema de comunicación de grandes mensajes, se han estudiado estrategias basadas en replicar patrones de cómputo para reducir el impacto nocivo de los patrones de comunicación basados en grandes mensajes. En el presente trabajo, nuestro principal objetivo es analizar la escalabilidad de algoritmos paralelos heterogéneos para tratamiento de imágenes multidimensionales mediante un estudio exhaustivo de los patrones de computación y comunicación que se producen en dichos algoritmos, con particular énfasis en el uso de operaciones de computación redundantes y en los diferentes paradigmas de comunicación que pueden aplicarse en su implementación. En concreto, presentamos un estudio experimental detallado, en el contexto de aplicaciones de tratamiento de imágenes hiperespectrales de la superficie terrestre, de los siguientes tipos de comunicaciones: bloqueantes (BC), no bloqueantes (NBC) y solapadas no bloqueantes (ONBC). Como resultado del análisis experimental propuesto, se proporcionan una serie de recomendaciones de cara a diseñar y validar de forma efectiva algoritmos paralelos heterogéneos en diferentes contextos de aplicación.