Model predictive control in thermal management of multiprocessor systems-on-chip

MultiProcessor Systems-on-Chip (MPSoC) are the core of nowadays and next generation computing platforms. Their relevance in the global market continuously increase, occupying an important role both in everydaylife products (e.g. smartphones, tablets, laptops, cars) and in strategical market sectors as aviation, defense, robotics, medicine. Despite of the incredible performance improvements in the recent years processors manufacturers have had to deal with issues, commonly called “Walls”, that have hindered the processors development. After the famous “Power Wall”, that limited the maximum frequency of a single core and marked the birth of the modern multiprocessors system-on-chip, the “Thermal Wall” and the “Utilization Wall” are the actual key limiter for performance improvements. The former concerns the damaging effects of the high temperature on the chip caused by the large power densities dissipation, whereas the second refers to the impossibility of fully exploiting the computing power of the processor due to the limitations on power and temperature budgets. In this thesis we faced these challenges by developing efficient and reliable solutions able to maximize performance while limiting the maximum temperature below a fixed critical threshold and saving energy. This has been possible by exploiting the Model Predictive Controller (MPC) paradigm that solves an optimization problem subject to constraints in order to find the optimal control decisions for the future interval. A fully-distributedMPC-based thermal controller with a far lower complexity respect to a centralized one has been developed. The control feasibility and interesting properties for the simplification of the control design has been proved by studying a partial differential equation thermal model. Finally, the controller has been efficiently included in more complex control schemes able to minimize energy consumption and deal with mixed-criticalities tasks

Coordination and Control of Autonomous Mobile Robots Swarms by using Particle Swarm Optimization Algorithm and Consensus Theory

This thesis presents some different techniques designed to drive a swarm of robots in an a-priori unknown environment in order to move the group from a starting area to a final one avoiding obstacles. The presented techniques are based on two different theories used alone or in combination: Swarm Intelligence (SI) and Graph Theory. Both theories are based on the study of interactions between different entities (also called agents or units) in Multi- Agent Systems (MAS). The first one belongs to the Artificial Intelligence context and the second one to the Distributed Systems context. These theories, each one from its own point of view, exploit the emergent behaviour that comes from the interactive work of the entities, in order to achieve a common goal. The features of flexibility and adaptability of the swarm have been exploited with the aim to overcome and to minimize difficulties and problems that can affect one or more units of the group, having minimal impact to the whole group and to the common main target. Another aim of this work is to show the importance of the information shared between the units of the group, such as the communication topology, because it helps to maintain the environmental information, detected by each single agent, updated among the swarm. Swarm Intelligence has been applied to the presented technique, through the Particle Swarm Optimization algorithm (PSO), taking advantage of its features as a navigation system. The Graph Theory has been applied by exploiting Consensus and the application of the agreement protocol with the aim to maintain the units in a desired and controlled formation. This approach has been followed in order to conserve the power of PSO and to control part of its random behaviour with a distributed control algorithm like Consensus.

Studio neuroradiologico (morfologico e funzionale) nei pazienti con Epilessia Frontale Notturna

L'epilessia frontale notturna (EFN) è caratterizzata da crisi motorie che insorgono durante il sonno. Scopo del progetto è studiare le cause fisiopatologiche e morfo-funzionali che sottendono ai fenomeni motori nei pazienti con EFN e identificare alterazioni strutturali e/o metaboliche mediante tecniche avanzate di Risonanza Magnetica (RM). Abbiamo raccolto una casistica di pazienti con EFN afferenti al Centro Epilessia e dei Disturbi del Sonno del Dipartimento di Scienze Neurologiche, Università di Bologna. Ad ogni paziente è stato associato un controllo sano di età (± 5 anni) e sesso corrispondente. Tutti sono stati studiati mediante tecniche avanzate di RM comprendenti Spettroscopia del protone (1H-MRS), Tensore di diffusione ed imaging 3D ad alta risoluzione per analisi morfometriche. In particolare, la 1H-MRS è stata effettuata su due volumi di interesse localizzati nei talami e nel giro del cingolo anteriore. Sono stati inclusi nell’analisi finale 19 pazienti (7 M), età media 34 anni (range 19-50) e 14 controlli (6 M) età media 30 anni (range 19-40). A livello del cingolo anteriore il rapporto della concentrazione di N-Acetil-Aspartato rispetto alla Creatina (NAA/Cr) è risultato significativamente ridotto nei pazienti rispetto ai controlli (p=0,021). Relativamente all’analisi di correlazione, l'analisi tramite modelli di regressione multipla ha evidenziato che il rapporto NAA/Cr nel cingolo anteriore nei pazienti correlava con la frequenza delle crisi (p=0,048), essendo minore nei pazienti con crisi plurisettimanali/plurigiornaliere. Per interpretare il dato ottenuto è possibile solo fare delle ipotesi. L’NAA è un marker di integrità, densità e funzionalità neuronale. E’ possibile che alla base della EFN ci siano alterazioni metaboliche tessutali in precise strutture come il giro del cingolo anteriore. Questo apre nuove possibilità sull’utilizzo di strumenti di indagine basati sull’analisi di biosegnali, per caratterizzare aree coinvolte nella genesi della EFN ancora largamente sconosciute e chiarire ulteriormente l’eziologia di questo tipo di epilessia.

Il vocabolario del potere fra intento etico-morale e tutela sociale. I lemmi dei Capitolari Carolingi nel Regnum Italicum (774-813)

Il vocabolario del potere fra intento etico-morale e tutela sociale. I lemmi dei Capitolari Carolingi nel Regnum Italicum (774-813), costituisce il risultato di una ricerca condotta sul lessico della legislazione carolingia promulgata per il Regno Italico dal momento della conquista dei Franchi sino alla morte di Carlomagno. L’analisi ha preso in esame tutti i lemmi, soprattutto sostantivi e aggettivi, riconducibili alla sfera etica e morale, e alla concezione della libertà della persona. Il lavoro si è giovato delle analisi più specifiche in merito ai concetti giuridico-istituzionali che fonti normative come quelle prese in esame portano inevitabilmente in primo piano. La ricerca, partita da una completa catalogazione dei lemmi, si è concentrata su quelli che maggiormente consentissero di valutare le interazioni fra la corte intellettuale dei primi carolingi – formata come noto da uomini di chiesa – e le caratteristiche di pensiero di quegli uomini, un pensiero sociale e istituzionale insieme. Il lavoro ha analizzato un lessico specifico per indagare come la concezione tradizionale della societas Christiana si esprimesse nella legislazione attraverso lemmi ed espressioni formulari peculiari: la scelta di questi da parte del Rex e della sua cerchia avrebbe indicato alla collettività una pacifica convivenza e definito contestualmente “l’intento ordinatore e pacificatore” del sovrano. L’analisi è stata condotta su un periodo breve ma assai significativo – un momento di frattura politica importante – per cogliere, proprio sfruttando la sovrapposizione e talvolta lo scontro fra i diversi usi di cancelleria del regno longobardo prima e carolingio poi, la volontarietà o meno da parte dei sovrani nell’uso di un lessico specifico. Questo diventa il problema centrale della tesi: tale lessico impone con la sua continuità d’uso modelli politici o invece è proprio un uso consapevole e strumentale di un determinato apparato lessicale che intende imporre alla società nuovi modelli di convivenza?

Il viaggio celeste di Paolo (2Cor 12,1-10). Particolarità e funzionalità di una forma di contatto con il soprannaturale

L’obiettivo principale di questa ricerca è quello di affrontare le questioni critiche poste all’esegesi da uno dei passi paolini più discussi. Grazie all’impiego delle categorie connesse all’esperienza religiosa, si vuole argomentare la possibilità di leggere il viaggio celeste in termini di modello culturale attraverso il quale interpretare un’esperienza di contatto con il soprannaturale. L’approccio individuato può consentire di rivalutare la funzione di tale narrazione non solo nel contesto di 2 Corinzi, bensì anche in relazione ai paralleli letterari di matrice tanto giudaica e protocristiana quanto greco-romana. Conseguenza di simile analisi ad ampio raggio è il riconoscimento dell’importanza attribuita da Paolo ad esperienze di questo tipo, come testimoniato da alcuni brani centrali delle sue lettere.

Discrete Event Systems based Design Patterns for Diagnosability Analysis of Automated Manufacturing Systems

The main goal of this thesis is to facilitate the process of industrial automated systems development applying formal methods to ensure the reliability of systems. A new formulation of distributed diagnosability problem in terms of Discrete Event Systems theory and automata framework is presented, which is then used to enforce the desired property of the system, rather then just verifying it. This approach tackles the state explosion problem with modeling patterns and new algorithms, aimed for verification of diagnosability property in the context of the distributed diagnosability problem. The concepts are validated with a newly developed software tool.

Pedagogia e immaginario: Fiction e giovani dell'eta' post-moderna

La ricerca prende in esame le produzioni narrative, in particolare quelle dedicate agli adolescenti e ai giovani adulti, nei cui linguaggi e nelle cui trame si insinuano modelli di vita, comportamenti, valori, stereotipie, ecc. Attraverso le fiction dell'ultimo decennio, sono offerte interpretazioni alle costanti e alle variabili che percorrono i diversi prodotti culturali e che sono metafore di caratteristiche e di dinamiche della società post-moderna. Nella ricerca si studiano le trame e i personaggi delle narrazioni e, in parallelo, si individuano le correlazioni con studi pedagogici interessati alle ultime generazioni giovanili. La comparazione ha portato ad un sistema di decifrazione per individuare il giovane dell'era post-moderna tra gli elementi di finzione. Si sono prese in esame le più importanti icone dell'immaginario che, pur attraverso innumerevoli riscritture, continuano ad imporsi come metafore per identificazione, abnegazione, catarsi. Rispetto al passato, molte icone presenti nelle ultime produzioni di fiction subiscono alterazioni leggibili come spie (i.e. Ginzburg). È in queste trasformazioni, spinte fino alla metamorfosi dell'icona, che è possibile rintracciare alcune caratteristiche proprie del mondo giovanile in rapporto con la società contemporanea. L'immaginario può dunque essere lo specchio in cui l'uomo e la società possono riconoscersi, e studiarlo apre possibilità per sviluppare prospettive di interpretazione verso nuovi orizzonti.

Deidrogenazione catalitica di idrocarburi per la produzione di H2 "on-board"

Lo studio della deidrogenazione catalitica di idrocarburi affronta uno dei problemi principali per l'applicazione delle fuel cells in aeromobili. La conversione di miscele di idrocarburi in H2 può essere eseguita in loco, evitando le difficoltà di stoccaggio dell'idrogeno: l'H2 prodotto è privo di CO e CO2 e può essere alimentato direttamente alle celle a combustibile per dare energia ai sistemi ausiliari, mentre i prodotti deidrogenati, mantenendo le loro originali caratteristiche possono essere riutilizzati come carburante. In questo un lavoro è stato effettuato uno studio approfondito sulla deidrogenazione parziale (PDH) di diverse miscele di idrocarburi e carburante avio JetA1 desolforato utilizzando Pt-Sn/Al2O3, con l'obiettivo di mettere in luce i principali parametri (condizioni di reazione e composizione di catalizzatore) coinvolti nel processo di deidrogenazione. Inoltre, la PDH di miscele idrocarburiche e di Jet-A1 ha evidenziato che il problema principale in questa reazione è la disattivazione del catalizzatore, a causa della formazione di residui carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo. Il meccanismo di disattivazione da residui carboniosi è stato studiato a fondo, essendo uno dei principali fattori che influenzano la vita del catalizzatore e di conseguenza l'applicabilità processo. Alimentando molecole modello separatamente, è stato possibile discriminare le classi di composti che sono coinvolti principalmente nella produzione di H2 o nell’avvelenamento del catalizzatore. Una riduzione parziale della velocità di disattivazione è stata ottenuta modulando l'acidità del catalizzatore al fine di ottimizzare le condizioni di reazione. I catalizzatori Pt-Sn modificati hanno mostrato ottimi risultati in termini di attività, ma soffrono di una disattivazione rapida in presenza di zolfo. Così, la sfida finale di questa ricerca era sviluppare un sistema catalitico in grado di lavorare in condizioni reali con carburante ad alto tenore di zolfo, in questo campo sono stati studiati due nuove classi di materiali: Ni e Co fosfuri supportati su SiO2 e catalizzatori Pd-Pt/Al2O3.

Gli interventi del presidente della repubblica in sede di promulgazione ed emanazione degli atti legislativi

I tre capitoli in cui è suddiviso il lavoro cercano di offrire una ricognizione delle questioni che ruotano intorno alla sussistenza o meno di prerogative presidenziali riguardo l’attività legislativa, e in generale sulle eventuali trasformazioni avvenute, soprattutto negli ultimi anni, nel ruolo del Presidente della Repubblica all’interno del sistema costituzionale italiano. Il lavoro esordisce con una premessa metodologica con cui si tenta di valorizzare la questione relativa ai diversi approcci metodologici che si possono seguire nello studio delle tematiche presidenziali: ossia, tenere nettamente distinti il piano delle norme da quello delle prassi oppure analizzarli e valutarli congiuntamente. Il primo capitolo è dedicato all’analisi della figura presidenziale così come delineata dalla Costituzione e arricchita dagli oltre sessant’anni di letteratura costituzionale. Vengono quindi analizzate le disposizioni costituzionali di riferimento e viene dato conto delle principali teorie costituzionali espresse dalla letteratura giuridica. Il secondo capitolo è dedicato a quella che viene offerta come una delle possibili cause da cui traggono origine le evoluzioni registrate in questi ultimi anni dalla figura presidenziale: ossia, il mutamento del sistema costituzionale di rappresentanza politica. Tale elemento è analizzato soprattutto nel suo ambito istituzionale, vale a dire il modello di forma di governo rappresentato dal circuito parlamento-governo. Il terzo capitolo entra direttamente nelle due questioni di fondo della ricerca: da un lato lo studio della generale attività presidenziale di intervento nelle questioni politiche, attraverso comunicati o esternazioni; dall’altro lato l’analisi di alcuni specifici casi paradigmatici di intervento presidenziale in sede di emanazione o promulgazione (o, comunque, discussione) degli atti legislativi del governo e del parlamento, accaduti tra il 2006 e il 2013. Inoltre, il lavoro è arricchito da una importante sezione (allegata) di “case studies” contenente il risultato di una ricerca effettuata su oltre tremila documenti presidenziali, dal 2006 al 2013, resi pubblici dagli uffici del Quirinale.

Networks, Uncertainty, Applications and a Crusade for Optimality

In this thesis we address a collection of Network Design problems which are strongly motivated by applications from Telecommunications, Logistics and Bioinformatics. In most cases we justify the need of taking into account uncertainty in some of the problem parameters, and different Robust optimization models are used to hedge against it. Mixed integer linear programming formulations along with sophisticated algorithmic frameworks are designed, implemented and rigorously assessed for the majority of the studied problems. The obtained results yield the following observations: (i) relevant real problems can be effectively represented as (discrete) optimization problems within the framework of network design; (ii) uncertainty can be appropriately incorporated into the decision process if a suitable robust optimization model is considered; (iii) optimal, or nearly optimal, solutions can be obtained for large instances if a tailored algorithm, that exploits the structure of the problem, is designed; (iv) a systematic and rigorous experimental analysis allows to understand both, the characteristics of the obtained (robust) solutions and the behavior of the proposed algorithm.

Il cambiamento climatico in Italia. Istituzioni scientifiche, politica e discorso pubblico (1988-2012)

La tesi di dottorato ivi presentata si pone come obbiettivo la ricostruzione come questo sapere scientifico (la scoperta del cambiamento climatico antropico sostanziata dalla comunità scientifica di 190 paesi) ha influenzato la ricerca, la politica e il discorso pubblico nel nostro paese, l'italia. Il titolo è indicativo quando riassuntivo: Il cambiamento climatico in Italia. Istituzioni scientifiche, politica e discorso pubblico (1988-2012). Esso definisce in maniera puntuale i temi che si tratteranno: una genealogia di fenomeni storici, politici, culturali nati in nuce alla scoperta di questo cambiamento che influenzerà in maniera determinante il modo in cui viviamo, l'ambiente intorno a noi, i modelli di sviluppo, la sicurezza del nostro abitare, la forma delle nostre città. In ogni paese questa complessa scoperta ha avuto impatti differenti, un portato differente sulla ricerca e sullo sviluppo economico. Quello che in queste pagine si tenta di analizzare è come l'Italia ha assimilato il discorso del cambiamento climatico , in continua evoluzione date le sue infinite ramificazioni, e come ha reagito a livello politico e di ricerca.

Ab initio quantum mechanical investigation of structural and chemical-physical properties of selected minerals for minero-petrological, structural ceramic and biomaterial applications

The purpose of this thesis is the atomic-scale simulation of the crystal-chemical and physical (phonon, energetic) properties of some strategically important minerals for structural ceramics, biomedical and petrological applications. These properties affect the thermodynamic stability and rule the mineral-environment interface phenomena, with important economical, (bio)technological, petrological and environmental implications. The minerals of interest belong to the family of phyllosilicates (talc, pyrophyllite and muscovite) and apatite (OHAp), chosen for their importance in industrial and biomedical applications (structural ceramics) and petrophysics. In this thesis work we have applicated quantum mechanics methods, formulas and knowledge to the resolution of mineralogical problems ("Quantum Mineralogy”). The chosen theoretical approach is the Density Functional Theory (DFT), along with periodic boundary conditions to limit the portion of the mineral in analysis to the crystallographic cell and the hybrid functional B3LYP. The crystalline orbitals were simulated by linear combination of Gaussian functions (GTO). The dispersive forces, which are important for the structural determination of phyllosilicates and not properly con-sidered in pure DFT method, have been included by means of a semi-empirical correction. The phonon and the mechanical properties were also calculated. The equation of state, both in athermal conditions and in a wide temperature range, has been obtained by means of variations in the volume of the cell and quasi-harmonic approximation. Some thermo-chemical properties of the minerals (isochoric and isobaric thermal capacity) were calculated, because of their considerable applicative importance. For the first time three-dimensional charts related to these properties at different pressures and temperatures were provided. The hydroxylapatite has been studied from the standpoint of structural and phonon properties for its biotechnological role. In fact, biological apatite represents the inorganic phase of vertebrate hard tissues. Numerous carbonated (hydroxyl)apatite structures were modelled by QM to cover the broadest spectrum of possible biological structural variations to fulfil bioceramics applications.

Operational research applied to regional healthcare system

In this thesis we focus on optimization and simulation techniques applied to solve strategic, tactical and operational problems rising in the healthcare sector. At first we present three applications to Emilia-Romagna Public Health System (SSR) developed in collaboration with Agenzia Sanitaria e Sociale dell'Emilia-Romagna (ASSR), a regional center for innovation and improvement in health. Agenzia launched a strategic campaign aimed at introducing Operations Research techniques as decision making tools to support technological and organizational innovations. The three applications focus on forecast and fund allocation of medical specialty positions, breast screening program extension and operating theater planning. The case studies exploit the potential of combinatorial optimization, discrete event simulation and system dynamics techniques to solve resource constrained problem arising within Emilia-Romagna territory. We then present an application in collaboration with Dipartimento di Epidemiologia del Lazio that focuses on population demand of service allocation to regional emergency departments. Finally, a simulation-optimization approach, developed in collaboration with INESC TECH center of Porto, to evaluate matching policies for the kidney exchange problem is discussed.

Decomposition Methods and Network Design Problems

Decomposition based approaches are recalled from primal and dual point of view. The possibility of building partially disaggregated reduced master problems is investigated. This extends the idea of aggregated-versus-disaggregated formulation to a gradual choice of alternative level of aggregation. Partial aggregation is applied to the linear multicommodity minimum cost flow problem. The possibility of having only partially aggregated bundles opens a wide range of alternatives with different trade-offs between the number of iterations and the required computation for solving it. This trade-off is explored for several sets of instances and the results are compared with the ones obtained by directly solving the natural node-arc formulation. An iterative solution process to the route assignment problem is proposed, based on the well-known Frank Wolfe algorithm. In order to provide a first feasible solution to the Frank Wolfe algorithm, a linear multicommodity min-cost flow problem is solved to optimality by using the decomposition techniques mentioned above. Solutions of this problem are useful for network orientation and design, especially in relation with public transportation systems as the Personal Rapid Transit. A single-commodity robust network design problem is addressed. In this, an undirected graph with edge costs is given together with a discrete set of balance matrices, representing different supply/demand scenarios. The goal is to determine the minimum cost installation of capacities on the edges such that the flow exchange is feasible for every scenario. A set of new instances that are computationally hard for the natural flow formulation are solved by means of a new heuristic algorithm. Finally, an efficient decomposition-based heuristic approach for a large scale stochastic unit commitment problem is presented. The addressed real-world stochastic problem employs at its core a deterministic unit commitment planning model developed by the California Independent System Operator (ISO).

Il microcredito in alcuni Paesi europei: strumento polimorfo tra inclusione sociale e sviluppo finanziario.

La tesi analizza il fenomeno del microcredito in Europa, approfondendo le cause che hanno reso necessaria l’introduzione di questo strumento finanziario anche in economie profondamente diverse da quella in cui ha avuto origine ed esamina le trasformazioni che lo strumento ha subito durante il suo processo di adattamento ai paesi evoluti. Lo studio esamina il microcredito in Francia, Inghilterra, Spagna e Germania, soffermandosi ad analizzare, in ognuno dei suddetti Stati, la disciplina giuridica adottata (qualora esistente), le istituzioni micro finanziarie esistenti, le caratteristiche del settore e le fonti di finanziamento. L’obiettivo dell’analisi è pertanto quello di comprendere come nei Paesi europei convivano contemporaneamente modelli di microcredito profondamente diversi, a seconda del contesto economico, politico e sociale nel quale trovano applicazione. La tesi si concentra ad analizzare il microcredito in Italia, valutando il rapporto esistente tra questo strumento finanziario ed il problema dell’esclusione sociale, dell’immigrazione e dell’usura. Lo studio approfondisce, inoltre, la disciplina giuridica del microcredito adottata in Italia dopo le recenti modifiche introdotte dal D.lgs n. 169/2012. Il lavoro si sofferma ad analizzare, altresì, se e quali interventi, a livello internazionale ed europeo, sono stati programmati per dare al microcredito una cornice legislativa unitaria e per promuoverne lo sviluppo. L’attività di ricerca infine è volta a valutare, sulla base delle esperienze descritte dalla letteratura del settore, gli effetti prodotti dal microcredito, nonché ad approfondire alcune problematiche comuni ai programmi adottati negli Stati europei, quali la sostenibilità delle istituzioni di microcredito, la dipendenza dai sussidi e l’applicazione di tassi di interesse elevati. La tesi si conclude con l’analisi del rapporto esistente tra microcredito e crisi finanziaria, in un periodo storico in cui le politiche per l’occupazione ed il sostegno alla piccola impresa sono fondamentali per stimolare la ripresa economica.