A toolset for the development of mixed-criticality partitioned systems

The development of mixed-criticality virtualized multi-core systems poses new challenges that are being subject of active research work. There is an additional complexity: it is now required to identify a set of partitions, and allocate applications to partitions. In this job, a number of issues have to be considered, such as the criticality level of the application, security and dependability requirements, time requirements granularity, etc. MultiPARTES [11] toolset relies on Model Driven Engineering (MDE), which is a suitable approach in this setting, as it helps to bridge the gap between design issues and partitioning concerns. MDE is changing the way systems are developed nowadays, reducing development time. In general, modelling approaches have shown their benefits when applied to embedded systems. These benefits have been achieved by fostering reuse with an intensive use of abstractions, or automating the generation of boiler-plate code.

Memory isolation in many-core embedded systems

The current approach to developing mixed-criticality sys- tems is by partitioning the hardware resources (processors, memory and I/O devices) among the different applications. Partitions are isolated from each other both in the temporal and the spatial domain, so that low-criticality applications cannot compromise other applications with a higher level of criticality in case of misbehaviour. New architectures based on many-core processors open the way to highly parallel systems in which each partition can be allocated to a set of dedicated proces- sor cores, thus simplifying partition scheduling and temporal separation. Moreover, spatial isolation can also benefit from many-core architectures, by using simpler hardware mechanisms to protect the address spaces of different applications. This paper describes an architecture for many- core embedded partitioned systems, together with some implementation advice for spatial isolation.

Surface velocity and mass balance of Livingston Island ice cap, Antarctica

The mass budget of the ice caps surrounding the Antarctica Peninsula and, in particular, the partitioning of its main components are poorly known. Here we approximate frontal ablation (i.e. the sum of mass losses by calving and submarine melt) and surface mass balance of the ice cap of Livingston Island, the second largest island in the South Shetland Islands archipelago, and analyse variations in surface velocity for the period 2007–2011. Velocities are obtained from feature tracking using 25 PALSAR-1 images, and used in conjunction with estimates of glacier ice thicknesses inferred from principles of glacier dynamics and ground-penetrating radar observations to estimate frontal ablation rates by a flux-gate approach. Glacier-wide surface mass-balance rates are approximated from in situ observations on two glaciers of the ice cap. Within the limitations of the large uncertainties mostly due to unknown ice thicknesses at the flux gates, we find that frontal ablation (−509 ± 263 Mt yr−1, equivalent to −0.73 ± 0.38 m w.e. yr−1 over the ice cap area of 697 km2) and surface ablation (−0.73 ± 0.10 m w.e. yr−1) contribute similar shares to total ablation (−1.46 ± 0.39 m w.e. yr−1). Total mass change (δM = −0.67 ± 0.40 m w.e. yr−1) is negative despite a slightly positive surface mass balance (0.06 ± 0.14 m w.e. yr−1). We find large interannual and, for some basins, pronounced seasonal variations in surface velocities at the flux gates, with higher velocities in summer than in winter. Associated variations in frontal ablation (of ~237 Mt yr−1; −0.34 m w.e. yr−1) highlight the importance of taking into account the seasonality in ice velocities when computing frontal ablation with a flux-gate approach.

A framework for mixed-criticality partitioned real-time embedded systems

Los sistemas empotrados son cada día más comunes y complejos, de modo que encontrar procesos seguros, eficaces y baratos de desarrollo software dirigidos específicamente a esta clase de sistemas es más necesario que nunca. A diferencia de lo que ocurría hasta hace poco, en la actualidad los avances tecnológicos en el campo de los microprocesadores de los últimos tiempos permiten el desarrollo de equipos con prestaciones más que suficientes para ejecutar varios sistemas software en una única máquina. Además, hay sistemas empotrados con requisitos de seguridad (safety) de cuyo correcto funcionamiento depende la vida de muchas personas y/o grandes inversiones económicas. Estos sistemas software se diseñan e implementan de acuerdo con unos estándares de desarrollo software muy estrictos y exigentes. En algunos casos puede ser necesaria también la certificación del software. Para estos casos, los sistemas con criticidades mixtas pueden ser una alternativa muy valiosa. En esta clase de sistemas, aplicaciones con diferentes niveles de criticidad se ejecutan en el mismo computador. Sin embargo, a menudo es necesario certificar el sistema entero con el nivel de criticidad de la aplicación más crítica, lo que hace que los costes se disparen. La virtualización se ha postulado como una tecnología muy interesante para contener esos costes. Esta tecnología permite que un conjunto de máquinas virtuales o particiones ejecuten las aplicaciones con unos niveles de aislamiento tanto temporal como espacial muy altos. Esto, a su vez, permite que cada partición pueda ser certificada independientemente. Para el desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas se necesita actualizar los modelos de desarrollo software tradicionales, pues estos no cubren ni las nuevas actividades ni los nuevos roles que se requieren en el desarrollo de estos sistemas. Por ejemplo, el integrador del sistema debe definir las particiones o el desarrollador de aplicaciones debe tener en cuenta las características de la partición donde su aplicación va a ejecutar. Tradicionalmente, en el desarrollo de sistemas empotrados, el modelo en V ha tenido una especial relevancia. Por ello, este modelo ha sido adaptado para tener en cuenta escenarios tales como el desarrollo en paralelo de aplicaciones o la incorporación de una nueva partición a un sistema ya existente. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar la tecnología actual de desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas. Para ello, se ha diseñado e implementado un entorno dirigido específicamente a facilitar y mejorar los procesos de desarrollo de esta clase de sistemas. En concreto, se ha creado un algoritmo que genera el particionado del sistema automáticamente. En el entorno de desarrollo propuesto, se han integrado todas las actividades necesarias para desarrollo de un sistema particionado, incluidos los nuevos roles y actividades mencionados anteriormente. Además, el diseño del entorno de desarrollo se ha basado en la ingeniería guiada por modelos (Model-Driven Engineering), la cual promueve el uso de los modelos como elementos fundamentales en el proceso de desarrollo. Así pues, se proporcionan las herramientas necesarias para modelar y particionar el sistema, así como para validar los resultados y generar los artefactos necesarios para el compilado, construcción y despliegue del mismo. Además, en el diseño del entorno de desarrollo, la extensión e integración del mismo con herramientas de validación ha sido un factor clave. En concreto, se pueden incorporar al entorno de desarrollo nuevos requisitos no-funcionales, la generación de nuevos artefactos tales como documentación o diferentes lenguajes de programación, etc. Una parte clave del entorno de desarrollo es el algoritmo de particionado. Este algoritmo se ha diseñado para ser independiente de los requisitos de las aplicaciones así como para permitir al integrador del sistema implementar nuevos requisitos del sistema. Para lograr esta independencia, se han definido las restricciones al particionado. El algoritmo garantiza que dichas restricciones se cumplirán en el sistema particionado que resulte de su ejecución. Las restricciones al particionado se han diseñado con una capacidad expresiva suficiente para que, con un pequeño grupo de ellas, se puedan expresar la mayor parte de los requisitos no-funcionales más comunes. Las restricciones pueden ser definidas manualmente por el integrador del sistema o bien pueden ser generadas automáticamente por una herramienta a partir de los requisitos funcionales y no-funcionales de una aplicación. El algoritmo de particionado toma como entradas los modelos y las restricciones al particionado del sistema. Tras la ejecución y como resultado, se genera un modelo de despliegue en el que se definen las particiones que son necesarias para el particionado del sistema. A su vez, cada partición define qué aplicaciones deben ejecutar en ella así como los recursos que necesita la partición para ejecutar correctamente. El problema del particionado y las restricciones al particionado se modelan matemáticamente a través de grafos coloreados. En dichos grafos, un coloreado propio de los vértices representa un particionado del sistema correcto. El algoritmo se ha diseñado también para que, si es necesario, sea posible obtener particionados alternativos al inicialmente propuesto. El entorno de desarrollo, incluyendo el algoritmo de particionado, se ha probado con éxito en dos casos de uso industriales: el satélite UPMSat-2 y un demostrador del sistema de control de una turbina eólica. Además, el algoritmo se ha validado mediante la ejecución de numerosos escenarios sintéticos, incluyendo algunos muy complejos, de más de 500 aplicaciones. ABSTRACT The importance of embedded software is growing as it is required for a large number of systems. Devising cheap, efficient and reliable development processes for embedded systems is thus a notable challenge nowadays. Computer processing power is continuously increasing, and as a result, it is currently possible to integrate complex systems in a single processor, which was not feasible a few years ago.Embedded systems may have safety critical requirements. Its failure may result in personal or substantial economical loss. The development of these systems requires stringent development processes that are usually defined by suitable standards. In some cases their certification is also necessary. This scenario fosters the use of mixed-criticality systems in which applications of different criticality levels must coexist in a single system. In these cases, it is usually necessary to certify the whole system, including non-critical applications, which is costly. Virtualization emerges as an enabling technology used for dealing with this problem. The system is structured as a set of partitions, or virtual machines, that can be executed with temporal and spatial isolation. In this way, applications can be developed and certified independently. The development of MCPS (Mixed-Criticality Partitioned Systems) requires additional roles and activities that traditional systems do not require. The system integrator has to define system partitions. Application development has to consider the characteristics of the partition to which it is allocated. In addition, traditional software process models have to be adapted to this scenario. The V-model is commonly used in embedded systems development. It can be adapted to the development of MCPS by enabling the parallel development of applications or adding an additional partition to an existing system. The objective of this PhD is to improve the available technology for MCPS development by providing a framework tailored to the development of this type of system and by defining a flexible and efficient algorithm for automatically generating system partitionings. The goal of the framework is to integrate all the activities required for developing MCPS and to support the different roles involved in this process. The framework is based on MDE (Model-Driven Engineering), which emphasizes the use of models in the development process. The framework provides basic means for modeling the system, generating system partitions, validating the system and generating final artifacts. The framework has been designed to facilitate its extension and the integration of external validation tools. In particular, it can be extended by adding support for additional non-functional requirements and support for final artifacts, such as new programming languages or additional documentation. The framework includes a novel partitioning algorithm. It has been designed to be independent of the types of applications requirements and also to enable the system integrator to tailor the partitioning to the specific requirements of a system. This independence is achieved by defining partitioning constraints that must be met by the resulting partitioning. They have sufficient expressive capacity to state the most common constraints and can be defined manually by the system integrator or generated automatically based on functional and non-functional requirements of the applications. The partitioning algorithm uses system models and partitioning constraints as its inputs. It generates a deployment model that is composed by a set of partitions. Each partition is in turn composed of a set of allocated applications and assigned resources. The partitioning problem, including applications and constraints, is modeled as a colored graph. A valid partitioning is a proper vertex coloring. A specially designed algorithm generates this coloring and is able to provide alternative partitions if required. The framework, including the partitioning algorithm, has been successfully used in the development of two industrial use cases: the UPMSat-2 satellite and the control system of a wind-power turbine. The partitioning algorithm has been successfully validated by using a large number of synthetic loads, including complex scenarios with more that 500 applications.

A Novel Approach to Context-Aware Content-Based Middleware

La computación ubicua está extendiendo su aplicación desde entornos específicos hacia el uso cotidiano; el Internet de las cosas (IoT, en inglés) es el ejemplo más brillante de su aplicación y de la complejidad intrínseca que tiene, en comparación con el clásico desarrollo de aplicaciones. La principal característica que diferencia la computación ubicua de los otros tipos está en como se emplea la información de contexto. Las aplicaciones clásicas no usan en absoluto la información de contexto o usan sólo una pequeña parte de ella, integrándola de una forma ad hoc con una implementación específica para la aplicación. La motivación de este tratamiento particular se tiene que buscar en la dificultad de compartir el contexto con otras aplicaciones. En realidad lo que es información de contexto depende del tipo de aplicación: por poner un ejemplo, para un editor de imágenes, la imagen es la información y sus metadatos, tales como la hora de grabación o los ajustes de la cámara, son el contexto, mientras que para el sistema de ficheros la imagen junto con los ajustes de cámara son la información, y el contexto es representado por los metadatos externos al fichero como la fecha de modificación o la de último acceso. Esto significa que es difícil compartir la información de contexto, y la presencia de un middleware de comunicación que soporte el contexto de forma explícita simplifica el desarrollo de aplicaciones para computación ubicua. Al mismo tiempo el uso del contexto no tiene que ser obligatorio, porque si no se perdería la compatibilidad con las aplicaciones que no lo usan, convirtiendo así dicho middleware en un middleware de contexto. SilboPS, que es nuestra implementación de un sistema publicador/subscriptor basado en contenido e inspirado en SIENA [11, 9], resuelve dicho problema extendiendo el paradigma con dos elementos: el Contexto y la Función de Contexto. El contexto representa la información contextual propiamente dicha del mensaje por enviar o aquella requerida por el subscriptor para recibir notificaciones, mientras la función de contexto se evalúa usando el contexto del publicador y del subscriptor. Esto permite desacoplar la lógica de gestión del contexto de aquella de la función de contexto, incrementando de esta forma la flexibilidad de la comunicación entre varias aplicaciones. De hecho, al utilizar por defecto un contexto vacío, las aplicaciones clásicas y las que manejan el contexto pueden usar el mismo SilboPS, resolviendo de esta forma la incompatibilidad entre las dos categorías. En cualquier caso la posible incompatibilidad semántica sigue existiendo ya que depende de la interpretación que cada aplicación hace de los datos y no puede ser solucionada por una tercera parte agnóstica. El entorno IoT conlleva retos no sólo de contexto, sino también de escalabilidad. La cantidad de sensores, el volumen de datos que producen y la cantidad de aplicaciones que podrían estar interesadas en manipular esos datos está en continuo aumento. Hoy en día la respuesta a esa necesidad es la computación en la nube, pero requiere que las aplicaciones sean no sólo capaces de escalar, sino de hacerlo de forma elástica [22]. Desgraciadamente no hay ninguna primitiva de sistema distribuido de slicing que soporte un particionamiento del estado interno [33] junto con un cambio en caliente, además de que los sistemas cloud actuales como OpenStack u OpenNebula no ofrecen directamente una monitorización elástica. Esto implica que hay un problema bilateral: cómo puede una aplicación escalar de forma elástica y cómo monitorizar esa aplicación para saber cuándo escalarla horizontalmente. E-SilboPS es la versión elástica de SilboPS y se adapta perfectamente como solución para el problema de monitorización, gracias al paradigma publicador/subscriptor basado en contenido y, a diferencia de otras soluciones [5], permite escalar eficientemente, para cumplir con la carga de trabajo sin sobre-provisionar o sub-provisionar recursos. Además está basado en un algoritmo recientemente diseñado que muestra como añadir elasticidad a una aplicación con distintas restricciones sobre el estado: sin estado, estado aislado con coordinación externa y estado compartido con coordinación general. Su evaluación enseña como se pueden conseguir notables speedups, siendo el nivel de red el principal factor limitante: de hecho la eficiencia calculada (ver Figura 5.8) demuestra cómo se comporta cada configuración en comparación con las adyacentes. Esto permite conocer la tendencia actual de todo el sistema, para saber si la siguiente configuración compensará el coste que tiene con la ganancia que lleva en el throughput de notificaciones. Se tiene que prestar especial atención en la evaluación de los despliegues con igual coste, para ver cuál es la mejor solución en relación a una carga de trabajo dada. Como último análisis se ha estimado el overhead introducido por las distintas configuraciones a fin de identificar el principal factor limitante del throughput. Esto ayuda a determinar la parte secuencial y el overhead de base [26] en un despliegue óptimo en comparación con uno subóptimo. Efectivamente, según el tipo de carga de trabajo, la estimación puede ser tan baja como el 10 % para un óptimo local o tan alta como el 60 %: esto ocurre cuando se despliega una configuración sobredimensionada para la carga de trabajo. Esta estimación de la métrica de Karp-Flatt es importante para el sistema de gestión porque le permite conocer en que dirección (ampliar o reducir) es necesario cambiar el despliegue para mejorar sus prestaciones, en lugar que usar simplemente una política de ampliación. ABSTRACT The application of pervasive computing is extending from field-specific to everyday use. The Internet of Things (IoT) is the shiniest example of its application and of its intrinsic complexity compared with classical application development. The main characteristic that differentiates pervasive from other forms of computing lies in the use of contextual information. Some classical applications do not use any contextual information whatsoever. Others, on the other hand, use only part of the contextual information, which is integrated in an ad hoc fashion using an application-specific implementation. This information is handled in a one-off manner because of the difficulty of sharing context across applications. As a matter of fact, the application type determines what the contextual information is. For instance, for an imaging editor, the image is the information and its meta-data, like the time of the shot or camera settings, are the context, whereas, for a file-system application, the image, including its camera settings, is the information and the meta-data external to the file, like the modification date or the last accessed timestamps, constitute the context. This means that contextual information is hard to share. A communication middleware that supports context decidedly eases application development in pervasive computing. However, the use of context should not be mandatory; otherwise, the communication middleware would be reduced to a context middleware and no longer be compatible with non-context-aware applications. SilboPS, our implementation of content-based publish/subscribe inspired by SIENA [11, 9], solves this problem by adding two new elements to the paradigm: the context and the context function. Context represents the actual contextual information specific to the message to be sent or that needs to be notified to the subscriber, whereas the context function is evaluated using the publisher’s context and the subscriber’s context to decide whether the current message and context are useful for the subscriber. In this manner, context logic management is decoupled from context management, increasing the flexibility of communication and usage across different applications. Since the default context is empty, context-aware and classical applications can use the same SilboPS, resolving the syntactic mismatch that there is between the two categories. In any case, the possible semantic mismatch is still present because it depends on how each application interprets the data, and it cannot be resolved by an agnostic third party. The IoT environment introduces not only context but scaling challenges too. The number of sensors, the volume of the data that they produce and the number of applications that could be interested in harvesting such data are growing all the time. Today’s response to the above need is cloud computing. However, cloud computing applications need to be able to scale elastically [22]. Unfortunately there is no slicing, as distributed system primitives that support internal state partitioning [33] and hot swapping and current cloud systems like OpenStack or OpenNebula do not provide elastic monitoring out of the box. This means there is a two-sided problem: 1) how to scale an application elastically and 2) how to monitor the application and know when it should scale in or out. E-SilboPS is the elastic version of SilboPS. I t is the solution for the monitoring problem thanks to its content-based publish/subscribe nature and, unlike other solutions [5], it scales efficiently so as to meet workload demand without overprovisioning or underprovisioning. Additionally, it is based on a newly designed algorithm that shows how to add elasticity in an application with different state constraints: stateless, isolated stateful with external coordination and shared stateful with general coordination. Its evaluation shows that it is able to achieve remarkable speedups where the network layer is the main limiting factor: the calculated efficiency (see Figure 5.8) shows how each configuration performs with respect to adjacent configurations. This provides insight into the actual trending of the whole system in order to predict if the next configuration would offset its cost against the resulting gain in notification throughput. Particular attention has been paid to the evaluation of same-cost deployments in order to find out which one is the best for the given workload demand. Finally, the overhead introduced by the different configurations has been estimated to identify the primary limiting factor for throughput. This helps to determine the intrinsic sequential part and base overhead [26] of an optimal versus a suboptimal deployment. Depending on the type of workload, this can be as low as 10% in a local optimum or as high as 60% when an overprovisioned configuration is deployed for a given workload demand. This Karp-Flatt metric estimation is important for system management because it indicates the direction (scale in or out) in which the deployment has to be changed in order to improve its performance instead of simply using a scale-out policy.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.