Interconnection systems for highly integrated computation devices

The sustained demand for faster,more powerful chips has beenmet by the availability of chip manufacturing processes allowing for the integration of increasing numbers of computation units onto a single die. The resulting outcome, especially in the embedded domain, has often been called SYSTEM-ON-CHIP (SOC) or MULTI-PROCESSOR SYSTEM-ON-CHIP (MPSOC). MPSoC design brings to the foreground a large number of challenges, one of the most prominent of which is the design of the chip interconnection. With a number of on-chip blocks presently ranging in the tens, and quickly approaching the hundreds, the novel issue of how to best provide on-chip communication resources is clearly felt. NETWORKS-ON-CHIPS (NOCS) are the most comprehensive and scalable answer to this design concern. By bringing large-scale networking concepts to the on-chip domain, they guarantee a structured answer to present and future communication requirements. The point-to-point connection and packet switching paradigms they involve are also of great help in minimizing wiring overhead and physical routing issues. However, as with any technology of recent inception, NoC design is still an evolving discipline. Several main areas of interest require deep investigation for NoCs to become viable solutions: • The design of the NoC architecture needs to strike the best tradeoff among performance, features and the tight area and power constraints of the on-chip domain. • Simulation and verification infrastructure must be put in place to explore, validate and optimize the NoC performance. • NoCs offer a huge design space, thanks to their extreme customizability in terms of topology and architectural parameters. Design tools are needed to prune this space and pick the best solutions. • Even more so given their global, distributed nature, it is essential to evaluate the physical implementation of NoCs to evaluate their suitability for next-generation designs and their area and power costs. This dissertation focuses on all of the above points, by describing a NoC architectural implementation called ×pipes; a NoC simulation environment within a cycle-accurate MPSoC emulator called MPARM; a NoC design flow consisting of a front-end tool for optimal NoC instantiation, called SunFloor, and a set of back-end facilities for the study of NoC physical implementations. This dissertation proves the viability of NoCs for current and upcoming designs, by outlining their advantages (alongwith a fewtradeoffs) and by providing a full NoC implementation framework. It also presents some examples of additional extensions of NoCs, allowing e.g. for increased fault tolerance, and outlines where NoCsmay find further application scenarios, such as in stacked chips.

Design and Computation of Warped Time-Frequency Transforms

In this work we introduce an analytical approach for the frequency warping transform. Criteria for the design of operators based on arbitrary warping maps are provided and an algorithm carrying out a fast computation is defined. Such operators can be used to shape the tiling of time-frequency plane in a flexible way. Moreover, they are designed to be inverted by the application of their adjoint operator. According to the proposed mathematical model, the frequency warping transform is computed by considering two additive operators: the first one represents its nonuniform Fourier transform approximation and the second one suppresses aliasing. The first operator is known to be analytically characterized and fast computable by various interpolation approaches. A factorization of the second operator is found for arbitrary shaped non-smooth warping maps. By properly truncating the operators involved in the factorization, the computation turns out to be fast without compromising accuracy.

Performance evaluation of asphalt pavements using the Incremental-Recursive procedure of the Mechanistic-Empirical design software CalME

Il concetto di “sostenibilità” si riferisce allo sviluppo dei sistemi umani attraverso il più piccolo impatto possibile sul sistema ambientale. Le opere che si inseriscono bene nel contesto ambientale circostante e le pratiche che rispettano le risorse in maniera tale da permettere una crescita e uno sviluppo a lungo termine senza impattare sull’ambiente sono indispensabili in una società moderna. I progressi passati, presenti e futuri che hanno reso i conglomerati bituminosi materiali sostenibili dal punto di vista ambientale sono particolarmente importanti data la grande quantità di conglomerato usato annualmente in Europa e negli Stati Uniti. I produttori di bitume e di conglomerato bituminoso stanno sviluppando tecniche innovative per ridurre l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” (WMA), pur sviluppando le stesse caratteristiche meccaniche, richiede un temperatura di produzione minore rispetto a quella di un tradizionale conglomerato bituminoso a caldo (HMA). L’abbassamento della temperature di produzione riduce le emissioni nocive. Questo migliora le condizioni dei lavoratori ed è orientato verso uno sviluppo sostenibile. L’obbiettivo principale di questa tesi di laurea è quello di dimostrare il duplice valore sia dal punto di vista dell’eco-compatibilità sia dal punto di vista meccanico di questi conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità”. In particolare in questa tesi di laurea è stato studiato uno SMA ad “alta lavorabilità” (PGGWMA). L’uso di materiali a basso impatto ambientale è la prima fase verso un progetto ecocompatibile ma non può che essere il punto di partenza. L’approccio ecocompatibile deve essere esteso anche ai metodi di progetto e alla caratterizzazione di laboratorio dei materiali perché solo in questo modo è possibile ricavare le massime potenzialità dai materiali usati. Un’appropriata caratterizzazione del conglomerato bituminoso è fondamentale e necessaria per una realistica previsione delle performance di una pavimentazione stradale. La caratterizzazione volumetrica (Mix Design) e meccanica (Deformazioni Permanenti e Comportamento a fatica) di un conglomerato bituminoso è una fase importante. Inoltre, al fine di utilizzare correttamente i materiali, un metodo di progetto avanzato ed efficiente, come quello rappresentato da un approccio Empirico-Meccanicistico (ME), deve essere utilizzato. Una procedura di progetto Empirico-Meccanicistica consiste di un modello strutturale capace di prevedere gli stati di tensione e deformazione all’interno della pavimentazione sotto l’azione del traffico e in funzione delle condizioni atmosferiche e di modelli empirici, calibrati sul comportamento dei materiali, che collegano la risposta strutturale alle performance della pavimentazione. Nel 1996 in California, per poter effettivamente sfruttare i benefici dei continui progressi nel campo delle pavimentazioni stradali, fu iniziato un estensivo progetto di ricerca mirato allo sviluppo dei metodi di progetto Empirico - Meccanicistici per le pavimentazioni stradali. Il risultato finale fu la prima versione del software CalME che fornisce all’utente tre approcci diversi di l’analisi e progetto: un approccio Empirico, uno Empirico - Meccanicistico classico e un approccio Empirico - Meccanicistico Incrementale - Ricorsivo. Questo tesi di laurea si concentra sulla procedura Incrementale - Ricorsiva del software CalME, basata su modelli di danno per quanto riguarda la fatica e l’accumulo di deformazioni di taglio dai quali dipendono rispettivamente la fessurazione superficiale e le deformazioni permanenti nella pavimentazione. Tale procedura funziona per incrementi temporali successivi e, usando i risultati di ogni incremento temporale, ricorsivamente, come input dell’incremento temporale successivo, prevede le condizioni di una pavimentazione stradale per quanto riguarda il modulo complesso dei diversi strati, le fessurazioni superficiali dovute alla fatica, le deformazioni permanenti e la rugosità superficiale. Al fine di verificare le propreità meccaniche del PGGWMA e le reciproche relazioni in termini di danno a fatica e deformazioni permanenti tra strato superficiale e struttura della pavimentazione per fissate condizioni ambientali e di traffico, è stata usata la procedura Incrementale – Ricorsiva del software CalME. Il conglomerato bituminoso studiato (PGGWMA) è stato usato in una pavimentazione stradale come strato superficiale di 60 mm di spessore. Le performance della pavimentazione sono state confrontate a quelle della stessa pavimentazione in cui altri tipi di conglomerato bituminoso sono stati usati come strato superficiale. I tre tipi di conglomerato bituminoso usati come termini di paragone sono stati: un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” con granulometria “chiusa” non modificato (DGWMA), un conglomerato bituminoso modificato con polverino di gomma con granulometria “aperta” (GGRAC) e un conglomerato bituminoso non modificato con granulometria “chiusa” (DGAC). Nel Capitolo I è stato introdotto il problema del progetto ecocompatibile delle pavimentazioni stradali. I materiali a basso impatto ambientale come i conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità” e i conglomerati bituminosi modificati con polverino di gomma sono stati descritti in dettaglio. Inoltre è stata discussa l’importanza della caratterizzazione di laboratorio dei materiali e il valore di un metodo razionale di progetto delle pavimentazioni stradali. Nel Capitolo II sono stati descritti i diversi approcci progettuali utilizzabili con il CalME e in particolare è stata spiegata la procedura Incrementale – Ricorsiva. Nel Capitolo III sono state studiate le proprietà volumetriche e meccaniche del PGGWMA. Test di Fatica e di Deformazioni Permanenti, eseguiti rispettivamente con la macchina a fatica per flessione su quattro punti e il Simple Shear Test device (macchina di taglio semplice), sono stati effettuati su provini di conglomerato bituminoso e i risultati dei test sono stati riassunti. Attraverso questi dati di laboratorio, i parametri dei modelli della Master Curve, del danno a fatica e dell’accumulo di deformazioni di taglio usati nella procedura Incrementale – Ricorsiva del CalME sono stati valutati. Infine, nel Capitolo IV, sono stati presentati i risultati delle simulazioni di pavimentazioni stradali con diversi strati superficiali. Per ogni pavimentazione sono stati analizzati la fessurazione superficiale complessiva, le deformazioni permanenti complessive, il danno a fatica e la profondità delle deformazioni in ognuno degli stati legati.

Computation of direction selectivity in retinal starburst amacrine cell dendrites – studied using electrophysiological recordings and two-photon imaging

Neuronal circuits in the retina analyze images according to qualitative aspects such as color or motion, before the information is transmitted to higher visual areas of the brain. One example, studied for over the last four decades, is the detection of motion direction in ‘direction selective’ neurons. Recently, the starburst amacrine cell, one type of retinal interneuron, has emerged as an essential player in the computation of direction selectivity. In this study the mechanisms underlying the computation of direction selective calcium signals in starburst cell dendrites were investigated using whole-cell electrical recordings and two-photon calcium imaging. Analysis of the somatic electrical responses to visual stimulation and pharmacological agents indicated that the directional signal (i) is not computed presynaptically to starburst cells or by inhibitory network interactions. It is thus computed via a cell-intrinsic mechanism, which (ii) depends upon the differential, i.e. direction selective, activation of voltage-gated channels. Optically measuring dendritic calcium signals as a function of somatic voltage suggests (iii) a difference in resting membrane potential between the starburst cell’s soma and its distal dendrites. In conclusion, it is proposed that the mechanism underlying direction selectivity in starburst cell dendrites relies on intrinsic properties of the cell, particularly on the interaction of spatio-temporally structured synaptic inputs with voltage-gated channels, and their differential activation due to a somato-dendritic difference in membrane potential.

Exact computation of the adjacency graph of an arrangement of quadrics

Präsentiert wird ein vollständiger, exakter und effizienter Algorithmus zur Berechnung des Nachbarschaftsgraphen eines Arrangements von Quadriken (Algebraische Flächen vom Grad 2). Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Berechnung des vollen 3D Arrangements. Dabei greifen wir auf eine bereits existierende Implementierung zur Berechnung der exakten Parametrisierung der Schnittkurve von zwei Quadriken zurück. Somit ist es möglich, die exakten Parameterwerte der Schnittpunkte zu bestimmen, diese entlang der Kurven zu sortieren und den Nachbarschaftsgraphen zu berechnen. Wir bezeichnen unsere Implementierung als vollständig, da sie auch die Behandlung aller Sonderfälle wie singulärer oder tangentialer Schnittpunkte einschließt. Sie ist exakt, da immer das mathematisch korrekte Ergebnis berechnet wird. Und schließlich bezeichnen wir unsere Implementierung als effizient, da sie im Vergleich mit dem einzigen bisher implementierten Ansatz gut abschneidet. Implementiert wurde unser Ansatz im Rahmen des Projektes EXACUS. Das zentrale Ziel von EXACUS ist es, einen Prototypen eines zuverlässigen und leistungsfähigen CAD Geometriekerns zu entwickeln. Obwohl wir das Design unserer Bibliothek als prototypisch bezeichnen, legen wir dennoch größten Wert auf Vollständigkeit, Exaktheit, Effizienz, Dokumentation und Wiederverwendbarkeit. Über den eigentlich Beitrag zu EXACUS hinaus, hatte der hier vorgestellte Ansatz durch seine besonderen Anforderungen auch wesentlichen Einfluss auf grundlegende Teile von EXACUS. Im Besonderen hat diese Arbeit zur generischen Unterstützung der Zahlentypen und der Verwendung modularer Methoden innerhalb von EXACUS beigetragen. Im Rahmen der derzeitigen Integration von EXACUS in CGAL wurden diese Teile bereits erfolgreich in ausgereifte CGAL Pakete weiterentwickelt.

Certificates for Incremental Type Checking

The central topic of this thesis is the study of algorithms for type checking, both from the programming language and from the proof-theoretic point of view. A type checking algorithm takes a program or a proof, represented as a syntactical object, and checks its validity with respect to a specification or a statement. It is a central piece of compilers and proof assistants. We postulate that since type checkers are at the interface between proof theory and program theory, their study can let these two fields mutually enrich each other. We argue by two main instances: first, starting from the problem of proof reuse, we develop an incremental type checker; secondly, starting from a type checking program, we evidence a novel correspondence between natural deduction and the sequent calculus.

Evaluation of energy level to be absorbed by tractor ROPS: Actual Tests, Simulation and Computation

A highly dangerous situations for tractor driver is the lateral rollover in operating conditions. Several accidents, involving tractor rollover, have indeed been encountered, requiring the design of a robust Roll-Over Protective Structure (ROPS). The aim of the thesis was to evaluate tractor behaviour in the rollover phase so as to calculate the energy absorbed by the ROPS to ensure driver safety. A Mathematical Model representing the behaviour of a generic tractor during a lateral rollover, with the possibility of modifying the geometry, the inertia of the tractor and the environmental boundary conditions, is proposed. The purpose is to define a method allowing the prediction of the elasto-plastic behaviour of the subsequent impacts occurring in the rollover phase. A tyre impact model capable of analysing the influence of the wheels on the energy to be absorbed by the ROPS has been also developed. Different tractor design parameters affecting the rollover behaviour, such as mass and dimensions, have been considered. This permitted the evaluation of their influence on the amount of energy to be absorbed by the ROPS. The mathematical model was designed and calibrated with respect to the results of actual lateral upset tests carried out on a narrow-track tractor. The dynamic behaviour of the tractor and the energy absorbed by the ROPS, obtained from the actual tests, showed to match the results of the model developed. The proposed approach represents a valuable tool in understanding the dynamics (kinetic energy) and kinematics (position, velocity, angular velocity, etc.) of the tractor in the phases of lateral rollover and the factors mainly affecting the event. The prediction of the amount of energy to be absorbed in some cases of accident is possible with good accuracy. It can then help in designing protective structures or active security devices.

Applicazioni della tecnica di misura incremental hole drilling per provini sottili

Allo scopo di valutare le tensioni residue di un pannello in alluminio sottile, è stata sviluppata la tecnica definita Incremental Hole Drilling. Poichè tale tecnica è applicata a componenti di spessori rilevanti, per ovviare alle problematiche di vibrazione del provino è stata applicata una controlastra di resina polimerizzata per aumentare la rigidezza flessionale. Le analisi effettuate hanno mostrato una influenza della resina non trascurabile sullo stato di tensione del materiale.

Determinazione delle tensioni residue in componenti metallici sottili mediante "incremental hole drilling"

La vita di un aeromobile è un elemento importante sia per quanto riguarda la sicurezza del payload, che da un punto di vista economico, a causa delle spese di manutenzione/rinnovamento della flotta che una compagnia aerea deve affrontare. Gli elementi costitutivi di un aeromobile sono soggetti a diverse tipologie di carichi, alcuni dei quali ciclici come la pressurizzazione/depressurizzazione della fusoliera; tali carichi, nel lungo periodo, possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. Il legame tra tensioni residue e nascita/crescita delle cricche ha portato allo sviluppo di tecniche per contrastare questo fenomeno, come il processo del LSP. Per la misura delle tensioni residue esistono già normative di riferimento, le quali però non trattano componenti metallici di piccolo spessore mentre i pannelli di fusoliera rientrano in questa categoria. Scopo di questa tesi è quello di studiare una variante della tecnica HD adatta a valutare le tensioni residue in componenti metallici di piccolo spessore e confrontare i risultati con quelli ottenuti con la tecnica XRD. L’idea di partenza è l’implementazione di un supporto posteriore in resina che simuli la presenza di uno spessore maggiore.

Embodied computation and life: building blocks for open-ended evolution

Il presente lavoro si propone di sviluppare una analogia formale tra sistemi dinamici e teoria della computazione in relazione all’emergenza di proprietà biologiche da tali sistemi. Il primo capitolo sarà dedicato all’estensione della teoria delle macchine di Turing ad un più ampio contesto di funzioni computabili e debolmente computabili. Mostreremo quindi come un sistema dinamico continuo possa essere elaborato da una macchina computante, e come proprietà informative quali l’universalità possano essere naturalmente estese alla fisica attraverso questo ponte formale. Nel secondo capitolo applicheremo i risultati teorici derivati nel primo allo sviluppo di un sistema chimico che mostri tali proprietà di universalità, ponendo particolare attenzione alla plausibilità fisica di tale sistema.