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Parallele Algorithmen

Parallele Algorithmen von Hoßfeld,  F.
Zu den allgemeinen Einordnungen von Algorithmen ist in den letzten Jahren eine neue Klassifikation wichtig geworden: parallel versus sequentiell. Die Ursache findet sich in der nicht zuletzt durch die Entwicklungen der Halbleitertechnologie, vor allem aber durch den wachsenden Druck von Anwendungen, die höchste Rechnerleistung erfordern, erhöhten Bedeutung von Parallelprozessorarchitekturen. Das zunehmende Interesse an Parallelrechnern hat die Entwick lung von parallelen Algorithmen zur Lösung vielfältiger Problemstellungen beschleunigt. Eine Darstellung von Grundprinzipien, Entwurfsmöglichkeiten und Realisierungen paralleler Algorith men, die das Leistungspotential innovativer Rechnerarchitekturen erschließen, erscheint für die integrale Betrachtung der Thematik des "Parallel Computing" nicht nur notwendig, sondern auch - vor allem auf die deutschsprachige Fachliteratur bezogen - überfällig. Dem vorliegenden Band liegt das Skriptum -einer Spezial vorlesung gleichen Titels zugrunde, die ich im Sommersemester 1980 an der Universität Dortmund auf Einladung der Abteilung Informatik gehalten habe. Es ist nicht das Ziel, eine möglichst vollständige Sammlung der in den Zweigen dieses expansiven Forschungsgebietes bisher entwickelten parallelen Algorithmen zu liefern; vielmehr sollen mit dieser Annäherung an eine erste Gesamtdarstellung der Themati- insbesondere auch durch die Gegenüberstellung von repräsentativen sequentiellen Algorithmen - Charakteristika originärer paralleler Algorithmen aufgezeigt und ihr Bezug zu den Architektur elementen von Parallelprozessoren verdeutlicht werden. Dadurch soll auch hierzulande das Interesse an dieser immer wichtiger werdenden Fragestellung weiter gefördert und der Einstieg in die junge, über ein breites Spektrum von hauptsächlich englischsprachigen Fachzeitschriften verstreute Originalliteratur erleichtert werden; wegen der angelsächsischen Dominanz auf diesem Gebiet lassen sich dabei für die klare Begriffsbestimmung naturgemäß gewisse Anglizismen nicht vermeiden.
Aktualisiert: 2020-01-14
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Vorlesungen über Informatik

Vorlesungen über Informatik von Goos,  Gerhard
Dieses Lehrbuch schließt die vierbändige Reihe der Vorlesungen über Informatik des Verfassers ab. Es behandelt in Grundzügen Modelle und Entwicklung paralleler Algorithmen und nicht-analytischer Lösungsverfahren. Die exakte Modellierung einer Aufgabenstellung, namentlich im Bereich der Optimierung, kann oft vermieden werden, wenn man zu Softcomputing (neuronale Netze, evolutionäre Algorithmen, unscharfe Informationsverarbeitung) greift. Das Buch gibt einen Überblick über die Grundlagen und praktische Anwendung dieser Verfahren.
Aktualisiert: 2019-12-21
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Parallele Algorithmen

Parallele Algorithmen von Hoßfeld,  F.
Zu den allgemeinen Einordnungen von Algorithmen ist in den letzten Jahren eine neue Klassifikation wichtig geworden: parallel versus sequentiell. Die Ursache findet sich in der nicht zuletzt durch die Entwicklungen der Halbleitertechnologie, vor allem aber durch den wachsenden Druck von Anwendungen, die höchste Rechnerleistung erfordern, erhöhten Bedeutung von Parallelprozessorarchitekturen. Das zunehmende Interesse an Parallelrechnern hat die Entwick lung von parallelen Algorithmen zur Lösung vielfältiger Problemstellungen beschleunigt. Eine Darstellung von Grundprinzipien, Entwurfsmöglichkeiten und Realisierungen paralleler Algorith men, die das Leistungspotential innovativer Rechnerarchitekturen erschließen, erscheint für die integrale Betrachtung der Thematik des "Parallel Computing" nicht nur notwendig, sondern auch - vor allem auf die deutschsprachige Fachliteratur bezogen - überfällig. Dem vorliegenden Band liegt das Skriptum -einer Spezial vorlesung gleichen Titels zugrunde, die ich im Sommersemester 1980 an der Universität Dortmund auf Einladung der Abteilung Informatik gehalten habe. Es ist nicht das Ziel, eine möglichst vollständige Sammlung der in den Zweigen dieses expansiven Forschungsgebietes bisher entwickelten parallelen Algorithmen zu liefern; vielmehr sollen mit dieser Annäherung an eine erste Gesamtdarstellung der Themati- insbesondere auch durch die Gegenüberstellung von repräsentativen sequentiellen Algorithmen - Charakteristika originärer paralleler Algorithmen aufgezeigt und ihr Bezug zu den Architektur elementen von Parallelprozessoren verdeutlicht werden. Dadurch soll auch hierzulande das Interesse an dieser immer wichtiger werdenden Fragestellung weiter gefördert und der Einstieg in die junge, über ein breites Spektrum von hauptsächlich englischsprachigen Fachzeitschriften verstreute Originalliteratur erleichtert werden; wegen der angelsächsischen Dominanz auf diesem Gebiet lassen sich dabei für die klare Begriffsbestimmung naturgemäß gewisse Anglizismen nicht vermeiden.
Aktualisiert: 2019-10-30
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Dreidimensionale Organisation von Chromosomen-Domänen in Simulation und Experiment

Dreidimensionale Organisation von Chromosomen-Domänen in Simulation und Experiment von Knoch,  Tobias Aurelius
Zusammenfassung:Um Aussagen über die dreidimensionale Organisation von Chromosomen in der Interphase zu machen, wurden Monte-Carlo- und Brownsche-Dynamik-Simulationen von Chromosomenterritorien mit Hilfe eines Polymeransatzes durchgeführt. Daraus wurden Observable (verschiedene Abstandsverteilungen zwischen genomischen Markern, Aufenthaltswahrscheinlichkeit und Dichte) berechnet, die für die Vorhersage und Interpretation von Experimenten dienen. Damit können Modelle der chromosomalen Organisation, insbesondere das Random-Walk-Giant-Loop- (MLS) und das Multi-Loop-Subcompartment-Modell, unterschieden werden. Für die Bestimmung von Abstandsverteilungen zwischen genomischen Markern der Prader-Labhart-Willi/Angelmann (PLWS/A) Region wurden Experimente mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) durchgeführt. Zellkerne von Fibroblasten wurden mit schonender Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) präpariert. Über die Signal-Brightness, das Signalvolumen, die Intergrierte Fluoreszenz Intensität (IFI) und den Abstand homologer Chromosomen wurden ebenfalls Aussagen gemacht.Vergleiche zwischen Simulation und Experiment ergaben starke Hinweise für das MLS-Modell, sowie eine unterschiedliche Organisation zwischen mütterlichem und väterlichem Chromosom 15.Im Hinblick auf zukünftige komplexere Fragestellungen der Gesamtorganisation des Zellkerns stellte sich die Theorie der Fraktale für neue Analysemethoden als geeignet heraus. Die Ergebnisse der Simulationen zeigte dabei multifraktales Verhalten. Erstmals könnte damit die Fraktalität und Multifraktalität einer zellulären Organisationsstruktur gezeigt worden sein. Damit besteht nun die Möglichkeit aus der fraktalen Struktur Aussagen über Diffusionseigenschaften und andere Organisationsmerkmale im Zellkern zu treffen.Abstract:To draw conclusions about the three-dimensional organization of interphase chromosomes, Monte-Carlo and Brownian-Dynamic simulations of chromosomal territories were conducted, using a polymer model for the chromatin fiber. From the simulated configuration ensembles observables (various distance distributions between genomic markers, radial space distribution and density) were calculated and used for predictions and interpretation of experiments. It was possible to distinguish between different models of chromosomal organization, especially between the Random-Walk-Giant-Loop- (RWGL) and the Multi-Loop-Subcompartment-model.For the determination of distance distributions between genomic markers of the Prader-Labhart-Willi/Angelmann region (PLWS/A) experiments were made with a confocal Laser-Scanning-Microscope (CLSM). Cell nuclei of fibroblast cells were prepared with soft Fluorescent-in-situ-Hybridization (FISH). Conclusions can be drawn from the signal-brightness, signal-volume, Integrated Fluorescent Intensity (IFI) and the distance between homologous chromosomes.Comparisons between simulation and experiment lead to strong hints for the MLS-model, as well as different organization of maternal and paternal chromsome15.With respect to future aspects of more complex questions on the total organization of cell nuclei the theory of fractals proved very worthwhile for new methods of analysis. The results of the simulations thereby showed multi-fractal behaviour. Thus, for the first time the fractal and multi-fractal behaviour of a cellular-organization-structure was determined. Consequently possibilities exist to draw conclusions from the fractal structure for diffusion behaviour and other organizational patterns of the cell nucleus.
Aktualisiert: 2020-04-16
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Vorlesungen über Informatik

Vorlesungen über Informatik von Goos,  Gerhard
Dieses Lehrbuch schließt die vierbändige Reihe der Vorlesungen über Informatik des Verfassers ab. Es behandelt in Grundzügen Modelle und Entwicklung paralleler Algorithmen und nicht-analytischer Lösungsverfahren. Die exakte Modellierung einer Aufgabenstellung, namentlich im Bereich der Optimierung, kann oft vermieden werden, wenn man zu Softcomputing (neuronale Netze, evolutionäre Algorithmen, unscharfe Informationsverarbeitung) greift. Das Buch gibt einen Überblick über die Grundlagen und praktische Anwendung dieser Verfahren.
Aktualisiert: 2019-10-28
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Dreidimensionale Organisation von Chromosomen-Domänen in Simulation und Experiment

Dreidimensionale Organisation von Chromosomen-Domänen in Simulation und Experiment von Knoch,  Tobias Aurelius
Zusammenfassung:Um Aussagen über die dreidimensionale Organisation von Chromosomen in der Interphase zu machen, wurden Monte-Carlo- und Brownsche-Dynamik-Simulationen von Chromosomenterritorien mit Hilfe eines Polymeransatzes durchgeführt. Daraus wurden Observable (verschiedene Abstandsverteilungen zwischen genomischen Markern, Aufenthaltswahrscheinlichkeit und Dichte) berechnet, die für die Vorhersage und Interpretation von Experimenten dienen. Damit können Modelle der chromosomalen Organisation, insbesondere das Random-Walk-Giant-Loop- (MLS) und das Multi-Loop-Subcompartment-Modell, unterschieden werden. Für die Bestimmung von Abstandsverteilungen zwischen genomischen Markern der Prader-Labhart-Willi/Angelmann (PLWS/A) Region wurden Experimente mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) durchgeführt. Zellkerne von Fibroblasten wurden mit schonender Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) präpariert. Über die Signal-Brightness, das Signalvolumen, die Intergrierte Fluoreszenz Intensität (IFI) und den Abstand homologer Chromosomen wurden ebenfalls Aussagen gemacht.Vergleiche zwischen Simulation und Experiment ergaben starke Hinweise für das MLS-Modell, sowie eine unterschiedliche Organisation zwischen mütterlichem und väterlichem Chromosom 15.Im Hinblick auf zukünftige komplexere Fragestellungen der Gesamtorganisation des Zellkerns stellte sich die Theorie der Fraktale für neue Analysemethoden als geeignet heraus. Die Ergebnisse der Simulationen zeigte dabei multifraktales Verhalten. Erstmals könnte damit die Fraktalität und Multifraktalität einer zellulären Organisationsstruktur gezeigt worden sein. Damit besteht nun die Möglichkeit aus der fraktalen Struktur Aussagen über Diffusionseigenschaften und andere Organisationsmerkmale im Zellkern zu treffen. Abstract:To draw conclusions about the three-dimensional organization of interphase chromosomes, Monte-Carlo and Brownian-Dynamic simulations of chromosomal territories were conducted, using a polymer model for the chromatin fiber. From the simulated configuration ensembles observables (various distance distributions between genomic markers, radial space distribution and density) were calculated and used for predictions and interpretation of experiments. It was possible to distinguish between different models of chromosomal organization, especially between the Random-Walk-Giant-Loop- (RWGL) and the Multi-Loop-Subcompartment-model.For the determination of distance distributions between genomic markers of the Prader-Labhart-Willi/Angelmann region (PLWS/A) experiments were made with a confocal Laser-Scanning-Microscope (CLSM). Cell nuclei of fibroblast cells were prepared with soft Fluorescent-in-situ-Hybridization (FISH). Conclusions can be drawn from the signal-brightness, signal-volume, Integrated Fluorescent Intensity (IFI) and the distance between homologous chromosomes.Comparisons between simulation and experiment lead to strong hints for the MLS-model, as well as different organization of maternal and paternal chromsome15.With respect to future aspects of more complex questions on the total organization of cell nuclei the theory of fractals proved very worthwhile for new methods of analysis. The results of the simulations thereby showed multi-fractal behaviour. Thus, for the first time the fractal and multi-fractal behaviour of a cellular-organization-structure was determined. Consequently possibilities exist to draw conclusions from the fractal structure for diffusion behaviour and other organizational patterns of the cell nucleus.
Aktualisiert: 2020-04-16
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Dreidimensionale Organisation von Chromosomen-Domänen in Simulation und Experiment

Dreidimensionale Organisation von Chromosomen-Domänen in Simulation und Experiment von Knoch,  Tobias Aurelius
Zusammenfassung: Um Aussagen über die dreidimensionale Organisation von Chromosomen in der Interphase zu machen, wurden Monte-Carlo- und Brownsche-Dynamik-Simulationen von Chromosomenterritorien mit Hilfe eines Polymeransatzes durchgeführt. Daraus wurden Observable (verschiedene Abstandsverteilungen zwischen genomischen Markern, Aufenthaltswahrscheinlichkeit und Dichte) berechnet, die für die Vorhersage und Interpretation von Experimenten dienen. Damit können Modelle der chromosomalen Organisation, insbesondere das Random-Walk-Giant-Loop- (MLS) und das Multi-Loop-Subcompartment-Modell, unterschieden werden. Für die Bestimmung von Abstandsverteilungen zwischen genomischen Markern der Prader-Labhart-Willi/Angelmann (PLWS/A) Region wurden Experimente mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) durchgeführt. Zellkerne von Fibroblasten wurden mit schonender Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) präpariert. Über die Signal-Brightness, das Signalvolumen, die Intergrierte Fluoreszenz Intensität (IFI) und den Abstand homologer Chromosomen wurden ebenfalls Aussagen gemacht.Vergleiche zwischen Simulation und Experiment ergaben starke Hinweise für das MLS-Modell, sowie eine unterschiedliche Organisation zwischen mütterlichem und väterlichem Chromosom 15.Im Hinblick auf zukünftige komplexere Fragestellungen der Gesamtorganisation des Zellkerns stellte sich die Theorie der Fraktale für neue Analysemethoden als geeignet heraus. Die Ergebnisse der Simulationen zeigte dabei multifraktales Verhalten. Erstmals könnte damit die Fraktalität und Multifraktalität einer zellulären Organisationsstruktur gezeigt worden sein. Damit besteht nun die Möglichkeit aus der fraktalen Struktur Aussagen über Diffusionseigenschaften und andere Organisationsmerkmale im Zellkern zu treffen. Abstract: To draw conclusions about the three-dimensional organization of interphase chromosomes, Monte-Carlo and Brownian-Dynamic simulations of chromosomal territories were conducted, using a polymer model for the chromatin fiber. From the simulated configuration ensembles observables (various distance distributions between genomic markers, radial space distribution and density) were calculated and used for predictions and interpretation of experiments. It was possible to distinguish between different models of chromosomal organization, especially between the Random-Walk-Giant-Loop- (RWGL) and the Multi-Loop-Subcompartment-model.For the determination of distance distributions between genomic markers of the Prader-Labhart-Willi/Angelmann region (PLWS/A) experiments were made with a confocal Laser-Scanning-Microscope (CLSM). Cell nuclei of fibroblast cells were prepared with soft Fluorescent-in-situ-Hybridization (FISH). Conclusions can be drawn from the signal-brightness, signal-volume, Integrated Fluorescent Intensity (IFI) and the distance between homologous chromosomes.Comparisons between simulation and experiment lead to strong hints for the MLS-model, as well as different organization of maternal and paternal chromsome15.With respect to future aspects of more complex questions on the total organization of cell nuclei the theory of fractals proved very worthwhile for new methods of analysis. The results of the simulations thereby showed multi-fractal behaviour. Thus, for the first time the fractal and multi-fractal behaviour of a cellular-organization-structure was determined. Consequently possibilities exist to draw conclusions from the fractal structure for diffusion behaviour and other organizational patterns of the cell nucleus.
Aktualisiert: 2020-04-16
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Paralleles Rechnen

Paralleles Rechnen von Schüle,  Josef
Die ersten Kapitel konzentrieren sich auf die Informatik und beinhalten informatische Grundbegriffe, Rechnerarchitekturen und ein Performancemodell, OpenMP als Programmierumgebung für Mehrkernrechner und MPI und PVM als Programmiermodelle für Rechner mit verteiltem Speicher. Anschließend werden mathematische Algorithmen, Performancebetrachtungen, Design paralleler Programme und Ausführungen zu Simulationsprogrammen aus den Ingenieur- und Naturwissenschaften gegenübergestellt. Die nächsten Kapitel sind Performancebetrachtungen und Parallelisierungsstrategien für mathematische Algorithmen gewidmet, bevor abschließend GPUs behandelt und Teile der zuvor erläuterten Algorithmen auf diese übertragen und diskutiert werden. Roter Faden durch das mit vielen Erläuterungen und Quelltextbeispielen angereicherte Buch ist die Performanceanalyse unterschiedlicher Speicherungstechniken von Feldern am Beispiel der algorithmischen Lösung linearer Gleichungssysteme. Dazu wird zunächst das Gaußsche Eliminationsverfahren auf ein Blockverfahren umgestellt und dieses mit sehr hoher Performance auf einem Mehrkernrechner parallelisiert. Bei der iterativen Lösung linearer Gleichungssysteme steht das konjugierte Gradienten-Verfahren und seine fein granulare Parallelisierung im Vordergrund. Besonderes Augenmerk richtet sich dabei auf die Matrix-Vektor-Multiplikation und die Abhängigkeit der Performance von der Speicherungstechnik der Matrix. Gebietszerlegungsmethoden zur Lösung linearer Gleichungssysteme bieten einen grob granularen Parallelisierungsansatz, der für das massiv parallele Rechnen der fein granularen Parallelisierung auf Schleifenebene überlegen ist.
Aktualisiert: 2019-12-28
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