Memristive Computing

Memristive computing refers to the utilization of the memristor, the fourth fundamental passive circuit element, in computational tasks. The existence of the memristor was theoretically predicted in 1971 by Leon O. Chua, but experimentally validated only in 2008 by HP Labs. A memristor is essentially a nonvolatile nanoscale programmable resistor — indeed, memory resistor — whose resistance, or memristance to be precise, is changed by applying a voltage across, or current through, the device. Memristive computing is a new area of research, and many of its fundamental questions still remain open. For example, it is yet unclear which applications would benefit the most from the inherent nonlinear dynamics of memristors. In any case, these dynamics should be exploited to allow memristors to perform computation in a natural way instead of attempting to emulate existing technologies such as CMOS logic. Examples of such methods of computation presented in this thesis are memristive stateful logic operations, memristive multiplication based on the translinear principle, and the exploitation of nonlinear dynamics to construct chaotic memristive circuits. This thesis considers memristive computing at various levels of abstraction. The first part of the thesis analyses the physical properties and the current-voltage behaviour of a single device. The middle part presents memristor programming methods, and describes microcircuits for logic and analog operations. The final chapters discuss memristive computing in largescale applications. In particular, cellular neural networks, and associative memory architectures are proposed as applications that significantly benefit from memristive implementation. The work presents several new results on memristor modeling and programming, memristive logic, analog arithmetic operations on memristors, and applications of memristors. The main conclusion of this thesis is that memristive computing will be advantageous in large-scale, highly parallel mixed-mode processing architectures. This can be justified by the following two arguments. First, since processing can be performed directly within memristive memory architectures, the required circuitry, processing time, and possibly also power consumption can be reduced compared to a conventional CMOS implementation. Second, intrachip communication can be naturally implemented by a memristive crossbar structure.

Biomassahydrolysaattien puhdistus uutolla

Lignoselluloosasta koostuvasta biomassasta valmistetaan hydrolysoimalla sokereita, jotka jatkojalostetaan fermentoimalla bioetanoliksi. Bioetanolia käytetään fossiilisten polttoaineiden korvaajana esimerkiksi ajoneuvoissa. Bioetanolin valmistuksessa pyritään mahdollisimman hyvään saantoon, jotta sen valmistus olisi taloudellisesti kannattavaa. Hydrolyysin aikana syntyy sokerien lisäksi orgaanisia happoja, furaanin johdannaisia sekä fenolisia yhdisteitä. Yleisimpiä syntyviä yhdisteitä ovat muun muassa etikkahappo, furfuraali ja hydroksimetyylifurfuraali. Nämä yhdisteet haittaavat sokerien fermentointiprosessia ja pienentävät etanolin saantoa. Fermentointiprosessia haittaavien yhdisteiden poistoon hydrolysaattiliuoksesta voidaan käyttää esimerkiksi haihdutusta, membraanierotusta, adsorptiota, saostusta, sekä uuttoa. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia leikkaussekoittimen soveltuvuutta biomassahydrolysaatin epäpuhtauksien erotukseen. Lisäksi kirjallisuusosassa on esitetty hydrolysointiprosessissa syntyviä haitta-aineita ja niiden erotusmenetelmiä.

Pressure filtration characteristics of enzymatically hydrolyzed biomass suspensions

Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic polymers is likely to become one of the key technologies enabling industrial production of liquid biofuels and chemicals from lignocellulosic biomass. Certain types of enzymes are able to hydrolyze cellulose and hemicellulose polymers to shorter units and finally to sugar monomers. These monomeric sugars are environmentally acceptable carbon sources for the production of liquid biofuels, such as bioethanol, and other chemicals, such as organic acids. Liquid biofuels in particular have been shown to contribute to the reduction of net emissions of greenhouse gases. The solid residue of enzymatic hydrolysis is composed mainly of lignin and partially degraded fibers, while the liquid phase contains the produced sugars. It is usually necessary to separate these two phases at some point after the hydrolysis stage. Pressure filtration is an efficient technique for this separation. Solid-liquid separation of biomass suspensions is difficult, because biomass solids are able to retain high amounts of water, which cannot be readily liberated by mechanical separation techniques. Most importantly, the filter cakes formed from biomaterials are compressible, which ultimately means that the separation may not be much improved by increasing the filtration pressure. The use of filter aids can therefore facilitate the filtration significantly. On the other hand, the upstream process conditions have a major influence on the filtration process. This thesis investigates how enzymatic hydrolysis and related process conditions affect the filtration properties of a cardboard suspension. The experimental work consists of pressure filtration and characterization of hydrolysates. The study provides novel information about both issues, as the relationship between enzymatic hydrolysis conditions and subsequent filtration properties has so far not been considered in academic studies. The results of the work reveal that the final degree of hydrolysis is an important factor in the filtration stage. High hydrolysis yield generally increases the average specific cake resistance. Mixing during the hydrolysis stage resulted in undefined changes in the physical properties of the solid residue, causing a high filtration resistance when the mixing intensity was high. Theoretical processing of the mixing data led to an interesting observation: the average specific cake resistance was observed to be linearly proportional to the mixer shear stress. Another finding worth attention is that the size distributions of the solids did not change very dramatically during enzymatic hydrolysis. There was an observable size reduction during the first couple of hours, but after that the size reduction was minimal. Similarly, the size distribution of the suspended solids remained almost constant when the hydrolyzed suspension was subjected to intensive mixing. It was also found that the average specific cake resistance was successfully reduced by the use of filter aids. This reduction depended on the method of how the filter aids were applied. In order to obtain high filtration capacity, it is recommended to use the body feed mode, i.e. to mix the filter aid with the slurry prior to filtration. Regarding the quality of the filtrate, precoat filtration was observed to produce a clear filtrate with negligible suspended solids content, while the body feed filtrates were turbid, irrespective of which type of filter aid was used.

Siiderin ja long drink -juomien sekoitusprosessin kehittäminen

Diplomityössä perehdytään Hartwall Lahden tuotantolaitoksen juomanvalmistuksen osaston siiderin ja long drink –juomien valmistusprosessin kehittämiseen. Diplomityön tavoitteena oli löytää prosessin ongelma- ja poikkeamakohtia, tutkia mahdollisia hävikkikohteita ja suorittaa laadun osalta ajoseurantamittauksia. Ongelmakohtien pohjalta laadittiin parannusehdotuksia ja niitä toteutettiin jo tämän projektin aikana. Ongelma- ja poikkeamakohtia tutkittiin ajoprosessin aikana. Hävikkitutkimus kohdennettiin aromiliuoksen annostelulinjaan, nestesokerin an-nostelulinjaan ja tuotteiden alku- ja lopputyönnöille painetankkeihin. Painetankkien osalta mahdollisia hävikkikohteita tutkittiin kokeellisen toiminnan avulla ajo-prosessin aikana. Ajoprosessin käynnistyksen jälkeen selvitettiin milloin valmis tuote on painetankkien venttiilimatriisilla. Uudet parametrit alku- ja lopputyönnöille määritettiin tuoteputken, painetankkien pohjaputkien ja venttiilimatriisin tilavuuksien avulla. Hävikkitutkimuksen tuloksena saatiin pienennettyä hävikkiä ja näin ollen syntyi kustannussäästöjä. Hiilidioksidin sitoutuvuutta tutkittiin mittauksien avulla valmistusprosessin aikana. Mittauksien perusteella havaittiin, että hiilidioksidipitoisuus laskee painetankissa. Tämä johtuu valmiin tuotteen lämpötilamuutoksista. Tuotteen lämpötilaa voidaan tasata esimerkiksi levylämmönvaihtimen avulla.

Influence of reactant absorption and dissolution in heterogeneous precipitation processes

In this research work, the aim was to investigate the volumetric mass transfer coefficient [kLa] of oxygen in stirred tank in the presence of solid particle experimentally. The kLa correlations as a function of propeller rotation speed and flow rate of gas feed were studied. The O2 and CO2 absorption in water and in solid-liquid suspensions and heterogeneous precipitation of MgCO3 were thoroughly examined. The absorption experiments of oxygen were conducted in various systems like pure water and in aqueous suspensions of quartz and calcium carbonate particles. Secondly, the precipitation kinetics of magnesium carbonate was also investigated. The experiments were performed to study the reactive crystallization with magnesium hydroxide slurry and carbon dioxide gas by varying the feed rates of carbon dioxide and rotation speeds of mixer. The results of absorption and precipitation are evaluated by titration, total carbon (TC analysis), and ionic chromatrography (IC). For calcium carbonate, the particle concentration was varied from 17.4 g to 2382 g with two size fractions: 5 µm and 45-63 µm sieves. The kLa and P/V values of 17.4 g CaCO3 with particle size of 5µm and 45-63 µm were 0.016 s-1 and 2400 W/m3. At 69.9 g concentration of CaCO3, the achieved kLa is 0.014 s-1 with particle size of 5 µm and 0.017 s-1 with particle size of 45 to 63 µm. Further increase in concentration of calcium carbonate, i.e. 870g and 2382g , does not affect volumetric mass transfer coeffienct of oxygen. It could be concluded from absorption results that maximum value of kLa is 0.016 s-1. Also particle size and concentration does affect the transfer rate to some extend. For precipitation experiments, the constant concentration of Mg(OH)2 was 100 g and the rotation speed varied from 560 to 750 rpm, whereas the used feed rates of CO2 were 1 and 9 L/min. At 560 rpm and feed rate of CO2 is 1 L/min, the maximum value of Mg ion and TC were 0.25 mol/litre and 0.12 mol/litre with the residence time of 40 min. When flow rate of CO2 increased to 9 L/min with same 560 rpm, the achieved value of Mg and TC were 0.3 mol/litre and 0.12 mol/L with shorter residence time of 30 min. It is concluded that feed rate of CO2 is dominant in precipitation experiments and it has a key role in dissociation and reaction of magnesium hydroxide in precipitation of magnesium carbonate.

Superkondensaattoreiden valmistus selluloosageeleistä ja hiilimustasta

Tässä työssä tavoitteena oli selvittää selluloosageelien soveltuvuutta superkondensaattorien elektrodimateriaaliksi. Superkondensaattoreiden elektrodit valmistetaan yleensä hyvin huokoisesta hiilimateriaalista. Näin ollen selluloosageeliin joukkoon sekoitettiin sähkönjohtavuutta parantamaan hiilimustaa. Kirjallisessa osassa keskityttiin superkondensaattorin toimintaperiaatteeseen, rakenteeseen ja yleisimmin käytössä oleviin elektrodimateriaaleihin. Yksityiskohtaisemmin paneuduttiin selluloosan käyttöön superkondensaattorien rakennemateriaalina. Kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia selluloosageelejä ja tämän jälkeen elektrodeja hiilimusta-selluloosageeli-seoksesta. Eri sekoitustapojen vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin tarkasteltiin sekoittamalla hiilimustaa selluloosageeliin kahdella eri tavalla; korkeapainehajottajalla ja sekoittimella. Tämän lisäksi selvitettiin myös eri kuivaustapojen ja kuivauslämpötilojen vaikutusta elektrodiarkkien ominaisuuksiin. Arkkien sähköiset ominaisuudet määritettiin syklistä voltammetriaa (SV) käyttäen. Saavutetut tulokset osoittivat, että selluloosageelin valmistus on yksi kriittisimmistä kohdista elektrodimateriaalin valmistuksessa. Riittävä entsyymikäsittely vaaditaan, jotta saadaan muodostettua sopiva geeli, johon hiilimusta-partikkelit saadaan takertumaan. Hiilimustan sekoitustavalla sekä elektrodiarkin kuivauslämpötilalla ja – tavalla on myös suuresti vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin.

Modeling a Network of Heat Exchangers

This research work addresses the problem of building a mathematical model for the given system of heat exchangers and to determine the temperatures, pressures and velocities at the intermediate positions. Such model could be used in nding an optimal design for such a superstructure. To limit the size and computing time a reduced network model was used. The method can be generalized to larger network structures. A mathematical model which includes a system of non-linear equations has been built and solved according to the Newton-Raphson algorithm. The results obtained by the proposed mathematical model were compared with the results obtained by the Paterson approximation and Chen's Approximation. Results of this research work in collaboration with a current ongoing research at the department will optimize the valve positions and hence, minimize the pumping cost and maximize the heat transfer of the system of heat exchangers.

Selluloosapohjaisten superkondensaattorien valmistaminen hiilinanoputkista

Tämän työn tarkoitus on seuloa oleelliset prosessiparametrit superkondensaattoreiden elektrodikomposiittien valmistuksessa, jotka vaikuttavat kondensaattorin laatuun. Tarkoitus on tutkia parametreja, joiden avulla prosessia on mahdollista optimoida. Työn tarkoituksena on tutkia myös itse komponenttimateriaalien valmistusvaiheen sekoitusprosessia mitatulla ja laskennallisella seokseen siirtyvällä tehonkulutuksella. Työn kirjallisuusosassa esitetään superkondensaattoreiden rakennetta, toimintamekanismia ja ominaisuuksia sähköenergian varastoijana. Lisäksi tarkastellaan tavallisimpia kondensaattoreihin sisältyviä materiaaleja, erityisesti hiilinanoputkia ja selluloosakuituja. Sekoitusprosesseista tarkastellaan kokeellisessa osassa käytettävien sekoituslaitteita ja niiden toimintamekanismeja komponenttien sekoitusprosesseissa. Kokeellisessa osassa tutkimuskysymyksiksi asetettiin eri sekoitusparametrien (materiaalin määrä ja laatu sekä sekoitusajat) vaikutus superkondensaattorien elektrodiarkkien ominaiskapasitansseihin. Testit suoritettiin LUT Prosessien laboratoriossa, ja testeissä massojen sekoitukseen käytettiin roottoristaattoria ja ultraäänisekoitinta. Lisäksi tutkittiin prosessin skaalausta varten skaalatulla laitteistolla sekoitettuja massanäytteitä. Sekoitusprosessin riittävyyttä varten tutkittiin kokeellisesti käytettyjen sekoituslaitteiden tehonkulutusta. Lisäksi roottoristaattorille tehtiin laskentaohjelmalla virtaussimulaatio paikallisen tehonkulutuksen selvittämiseksi Testeissä todettiin tutkittujen parametrien vaikutus, mutta tulosten perusteella varsinaista optimointia ei kyetty tekemään. Tulokset kuitenkin antavat suunnan, johon prosessia voi optimointia varten kehittää. Myös sekoitukseen todettiin siirtyvän suuri määrä tehoa tutkituilla laitteilla, mitä voidaan pitää mahdollisesti riittävänä käytettyjen komponenttien sekoitukseen.

Haihdutusnopeuksien määritys glysiinin alipainekiteytyksessä

Alipainekiteytyksessä tasalaatuisen lopputuotteen valmistamiseksi kiteytysolosuhteiden vaikutus liuottimen haihtumisvuohon ja kiteiden ominaisuuksiin on huomioitava. Kandidaatin työn tavoitteena oli selvittää, miten glysiinin alipainekiteytyksessä vesiliuoksesta kiteytysolosuhteet (lämpötila ja paine) vaikuttavat liuottimen haihtumisvuohon ja syntyvien kiteiden polymorfiaan. Haihdutuskokeet suoritettiin puhtaalle vedelle ja alipainekiteytyskokeet glysiinin 95 % kylläiselle vesiliuokselle lämpötiloissa 40 °C, 50 °C ja 60 °C ja paineissa 40 mbar, 60 mbar ja 80 mbar. Kiteyttimenä käytettiin suljettua, virtaushaitoilla, sekoittimella ja ohjausputkella varustettua reaktoria johon oli kytketty alipainepumppu ja termostaatti paineen ja lämpötilan ohjaamiseksi. Nesteen määrä haihdutuskokeissa oli 2 kg ja alipainekiteytyskokeissa 1,2 kg. Osa alipainekiteytyskokeista saaduista kiteistä analysoitiin jauheröntgendiffraktioanalysaattorin (PXRD, engl. powder x-ray diffraction) avulla. Kaikki PXRD-laitteella analysoidut alipainekiteytyskokeissa saadut kiteet osoittautuivat glysiinin γ-polymorfiksi. Kiteytysolosuhteilla oli selkeä vaikutus haihtumisvuohon, mutta vaikutusta glysiinikiteiden polymorfiaan ei havaittu koealueella.

Optimizing the Performance of a Heat Exchanger Network

This research is the continuation and a joint work with a master thesis that has been done in this department recently by Hemamali Chathurangani Yashika Jayathunga. The mathematical system of the equations in the designed Heat Exchanger Network synthesis has been extended by adding a number of equipment; such as heat exchangers, mixers and dividers. The solutions of the system is obtained and the optimal setting of the valves (Each divider contains a valve) is calculated by introducing grid-based optimization. Finding the best position of the valves will lead to maximization of the transferred heat in the hot stream and minimization of the pressure drop in the cold stream. The aim of the following thesis will be achieved by practicing the cost optimization to model an optimized network.

Continuous Counter-current Solvent Extraction of Magnesium and Calcium from Lithium-rich Brine

Solvent extraction of calcium and magnesium impurities from a lithium-rich brine (Ca ~ 2,000 ppm, Mg ~ 50 ppm, Li ~ 30,000 ppm) was investigated using a continuous counter-current solvent extraction mixer-settler set-up. The literature review includes a general review about resources, demands and production methods of Li followed by basics of solvent extraction. Experimental section includes batch experiments for investigation of pH isotherms of three extractants; D2EHPA, Versatic 10 and LIX 984 with concentrations of 0.52, 0.53 and 0.50 M in kerosene respectively. Based on pH isotherms LIX 984 showed no affinity for solvent extraction of Mg and Ca at pH ≤ 8 while D2EHPA and Versatic 10 were effective in extraction of Ca and Mg. Based on constructed pH isotherms, loading isotherms of D2EHPA (at pH 3.5 and 3.9) and Versatic 10 (at pH 7 and 8) were further investigated. Furthermore based on McCabe-Thiele method, two extraction stages and one stripping stage (using HCl acid with concentration of 2 M for Versatic 10 and 3 M for D2EHPA) was practiced in continuous runs. Merits of Versatic 10 in comparison to D2EHPA are higher selectivity for Ca and Mg, faster phase disengagement, no detrimental change in viscosity due to shear amount of metal extraction and lower acidity in stripping. On the other hand D2EHPA has less aqueous solubility and is capable of removing Mg and Ca simultaneously even at higher Ca loading (A/O in continuous runs > 1). In general, shorter residence time (~ 2 min), lower temperature (~23 °C), lower pH values (6.5-7.0 for Versatic 10 and 3.5-3.7 for D2EHPA) and a moderately low A/O value (< 1:1) would cause removal of 100% of Ca and nearly 100% of Mg while keeping Li loss less than 4%, much lower than the conventional precipitation in which 20% of Li is lost.

Evaluation of process parameters in the industrial scale production of fish nuggets

This work reports the use of experimental design for the assessment of the effects of process parameters on the production of fish nuggets in an industrial scale environment. The effect of independent factors on the physicochemical and microbiological parameters was investigated through a full 24 experimental design. The studied factors included the temperature of fish fillet and pulp in the mixer, the temperature of the added fat, the temperature of water and the ratio of protein extraction time to emulsion time. The physicochemical analyses showed that the higher temperature of the pulp and fillet of fish, the lower the protein in the final product. Microbiological analyses revealed that the counting of Staphylococcus coagulase positive, total and thermo-tolerant coliforms were in accordance with the current legislation.

Prosessiteollisuuden sekoittimen elinkaariarviointi

Työn tavoitteena oli tehdä elinkaariarviointi (LCA) prosessiteollisuuden sekoittimelle Helmix HF-80 ja analysoida LCA-tulokset, vaikutus ilmaston lämpenemisen potentiaalin (GWP) suhteen, sekä tutkia GWP-vaikutuksen pienentämisen mahdollisuuksia. Tutkittavan sekoittimen mahdolliset käyttökohteet ovat sellu- ja paperiteollisuus, raskaiden jätenesteiden käsittely, sekä muut teollisuusalueet, joissa käytetään tämän tyyppisiä laitteita. Työssä on muun muassa käsitelty sekoitusprosessit, sekoituslaitteiden tyypit, niiden rakenteiden ominaisuudet, käyttötarkoitus, toimintaperiaatteet, sekä sellu- ja paperi-teollisuudessa käytettävien sekoittimien yleiskatsaus. Työssä on myös kuvattu elinkaariarviointi (LCA) -menetelmä ja sen käyttötarkoitus. Tärkeimmistä tuloksista voi mainita sen, että sekoittimen (ilman säiliötä, sähkömoottoria ja vaihteistoa) kokoelinkaaren ilmastonlämpenemisen potentiaali (GWP) on noin 750 000 kg CO2-Equiv. Sekoittimen tuotanto- ja kierrätysaikana syntyy vain 1200 kg CO2-Equiv. ja suurin osa 748 000 kg CO2-Equiv. johtuu sähköenergian kulutuksesta käytön aikana. Käyttöajan vaikutusta voisi pienentää arvoksi 0 kg CO2-Equiv. käyttämällä pelkästään uusiutuvaa energiaa. Jos tuotantoaikana käytetty energia myös korvataan uusiutuvalla energialla, niin GWP-arvo koko elinkaaren aikana laskee arvoon 1006 kg CO2eqv., mikä on vain 0,13 % saaduista tuloksista. Suurin osa tästä arvosta liittyy sekoittimen materiaalin, tässä tapauksessa ruostumattoman teräksen tuotantoon.

Training deep convolutional architectures for vision

Les tâches de vision artificielle telles que la reconnaissance d’objets demeurent irrésolues à ce jour. Les algorithmes d’apprentissage tels que les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), représentent une approche prometteuse permettant d’apprendre des caractéristiques utiles pour ces tâches. Ce processus d’optimisation est néanmoins difficile. Les réseaux profonds à base de Machine de Boltzmann Restreintes (RBM) ont récemment été proposés afin de guider l’extraction de représentations intermédiaires, grâce à un algorithme d’apprentissage non-supervisé. Ce mémoire présente, par l’entremise de trois articles, des contributions à ce domaine de recherche. Le premier article traite de la RBM convolutionelle. L’usage de champs réceptifs locaux ainsi que le regroupement d’unités cachées en couches partageant les même paramètres, réduit considérablement le nombre de paramètres à apprendre et engendre des détecteurs de caractéristiques locaux et équivariant aux translations. Ceci mène à des modèles ayant une meilleure vraisemblance, comparativement aux RBMs entraînées sur des segments d’images. Le deuxième article est motivé par des découvertes récentes en neurosciences. Il analyse l’impact d’unités quadratiques sur des tâches de classification visuelles, ainsi que celui d’une nouvelle fonction d’activation. Nous observons que les RNAs à base d’unités quadratiques utilisant la fonction softsign, donnent de meilleures performances de généralisation. Le dernière article quand à lui, offre une vision critique des algorithmes populaires d’entraînement de RBMs. Nous montrons que l’algorithme de Divergence Contrastive (CD) et la CD Persistente ne sont pas robustes : tous deux nécessitent une surface d’énergie relativement plate afin que leur chaîne négative puisse mixer. La PCD à "poids rapides" contourne ce problème en perturbant légèrement le modèle, cependant, ceci génère des échantillons bruités. L’usage de chaînes tempérées dans la phase négative est une façon robuste d’adresser ces problèmes et mène à de meilleurs modèles génératifs.

Privacy in Bitcoin through decentralized mixers

Dans les crypto-monnaies telles Bitcoin, l’anonymité des utilisateurs peut être compromise de plusieurs façons. Dans ce mémoire, nous effectuons une revue de littérature et une classification des différents protocoles existants pour anonymiser les usagers et analysons leur efficacité. S’appuyant sur certains critères désirables dans de tels protocoles, nous proposons un modèle de mixeur synchrone décentralisé. Nous avons ciblé deux approches qui s’inscrivent dans ce modèle, le plan de transaction et le réseau de transactions, le second étant une contribution originale de ce mémoire. Nous expliquons son fonctionnement puis analysons son efficacité dans le contexte actuel d’utilisation de Bitcoin