Multi-Tenant Virtual GPUs for Optimising Performance of a Financial Risk Application

Graphics Processing Units (GPUs) are becoming popular accelerators in modern High-Performance Computing (HPC) clusters. Installing GPUs on each node of the cluster is not efficient resulting in high costs and power consumption as well as underutilisation of the accelerator. The research reported in this paper is motivated towards the use of few physical GPUs by providing cluster nodes access to remote GPUs on-demand for a financial risk application. We hypothesise that sharing GPUs between several nodes, referred to as multi-tenancy, reduces the execution time and energy consumed by an application. Two data transfer modes between the CPU and the GPUs, namely concurrent and sequential, are explored. The key result from the experiments is that multi-tenancy with few physical GPUs using sequential data transfers lowers the execution time and the energy consumed, thereby improving the overall performance of the application.

Characterization of High-Performance Organic Dyes for Dye-Sensitized Solar Cell: A DFT/TDDFT Study

Dye-sensitized solar cell (DSSC) is currently a promising technology that makes solar energy efficient and cost-effective to harness. In DSSC, metal free dyes, such indoline-containing D149 and D205, are proved to be potential alternatives for traditional metal organic dyes. In this work, a DFT/TDDFT characterization for D149 and D205 were carried out using different functionals, including B3LYP, MPW1K, CAM-B3LYP and PBE0. Three different conformers for D149 and four different conformers for D205 were identified and calculated in vacuum. The performance of different functionals on calculating the maximum absorbance of the dyes in vacuum and five common solvents (acetonitrile, chloroform, ethanol, methanol, and THF) were examined and compared to determine the suitable computational setting for predicting properties of these two dyes. Furthermore, deprotonated D149 and D205 in solvents were also considered, and the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) were calculated, which elucidates the substitution effect on the rhodanine ring of D149 and D205 dyes on their efficiency. Finally, D149 and D205 molecules were confirmed to be firmly anchored on ZnO surface by periodic DFT calculations. These results would shed light on the design of new highly efficiency metal-free dyes.

A simply effective double-coating cathode with MnO2 nanosheets/graphene as functionalized interlayer for high performance lithium-sulfur batteries

Herein, we report a facile and effective adsorption strategy to improve the performance of Lithium-Sulfur (Li-S) batteries. MnO₂ nanosheets grown on the surface of highly conductive graphene resulted in a coupled composite bilayer electrode when coated onto a sulfur cathode. In this way, a high initial specific capacity of 1395 mA h g^-1 at a rate of 0.5C, a coulombic efficiency approaching 100% and steady cyclic efficiency with a fade rate of 0.3% per cycle from 10 to 100 cycles has been achieved. This hybrid electrode not only shows enhanced electrochemical performance but can also be easily controlled and scaled thereby aiding future commercialization of high-performance Li-S batteries.

High performance cobalt-free Cub>1.4Mn1.6O4 spinel oxide as an intermediate temperature solid oxide fuel cell cathode

In this work Cub>1.4Mn_1.6O₄ (CMO) spinel oxide is prepared and evaluated as a novel cobalt-free cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). Single phase CMO powder with cubic structure is identified using XRD. XPS results confirm that mixed Cup>+/Cup>2+ and Mn³⁺/Mn⁴⁺ couples exist in the CMO sample, and a maximum conductivity of 78 S cm⁻¹ is achieved at 800 °C. Meanwhile, CMO oxide shows good thermal and chemical compatibility with a 10 mol% Sc₂O₃ stabilized ZrO₂ (ScSZ) electrolyte material. Impedance spectroscopy measurements reveals that CMO exhibits a low polarization resistance of 0.143 Ω cm² at 800 °C. Furthermore, a Ni-ScSZ/ScSZ/CMO single cell demonstrates a maximum power density of 1076 mW cm⁻² at 800 °C under H₂ (3% H₂O) as the fuel and ambient air as the oxidant. These results indicate that Cub>1.4Mn_1.6O₄ is a superior and promising cathode material for IT-SOFCs.

High-Performance WSe2 CMOS Technology and Integrated Circuits.

Because of their extraordinary structural and electrical properties, two dimensional materials are currently being pursued for applications such as thin-film transistors and integrated circuit. One of the main challenges that still needs to be overcome for these applications is the fabrication of air-stable transistors with industry-compatible complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. In this work, we experimentally demonstrate a novel high performance air-stable WSe2 CMOS technology with almost ideal voltage transfer characteristic, full logic swing and high noise margin with different supply voltages. More importantly, the inverter shows large voltage gain (~38) and small static power (Pico-Watts), paving the way for low power electronic system in 2D materials.

Epitaxial growth of molecular crystals on van der Waals substrates for high-performance organic electronics

Epitaxial van der Waals (vdW) heterostructures of organic and layered materials are demonstrated to create high-performance organic electronic devices. High-quality rubrene films with large single-crystalline domains are grown on h-BN dielectric layers via vdW epitaxy. In addition, high carrier mobility comparable to free-standing single-crystal counterparts is achieved by forming interfacial electrical contacts with graphene electrodes.

Multi-physics modelling of materials processes on high performance parallel computers

Abstract not available

Report on the High Quality Jobs Program (HQJP) and the Grow Iowa Values Fund (GIVF), administered by the Iowa Economic Development Authority (IEDA), previously known as the Department of Economic Development, for the period July 1, 2003 through June 30, 2014

Report on the High Quality Jobs Program (HQJP) and the Grow Iowa Values Fund (GIVF), administered by the Iowa Economic Development Authority (IEDA), previously known as the Department of Economic Development, for the period July 1, 2003 through June 30, 2014

Multi-physics modelling for design optimization and manufacturing on high-performance parallel systems

Abstract not available

Mallard Investigations W-130-R-4 Quarterly Federal Aid Performance Report

W-130-R-4 Quarterly Federal Aid Performance Report

Computação de alto desempenho aplicada a modelagem numérica de fenômenos atmosféricos

A constante evolução da tecnologia disponibilizou, atualmente, ferramentas computacionais que eram apenas expectativas há 10 anos atrás. O aumento do potencial computacional aplicado a modelos numéricos que simulam a atmosfera permitiu ampliar o estudo de fenômenos atmosféricos, através do uso de ferramentas de computação de alto desempenho. O trabalho propôs o desenvolvimento de algoritmos com base em arquiteturas SIMT e aplicação de técnicas de paralelismo com uso da ferramenta OpenACC para processamento de dados de previsão numérica do modelo Weather Research and Forecast. Esta proposta tem forte conotação interdisciplinar, buscando a interação entre as áreas de modelagem atmosférica e computação científica. Foram testadas a influência da computação do cálculo de microfísica de nuvens na degradação temporal do modelo. Como a entrada de dados para execução na GPU não era suficientemente grande, o tempo necessário para transferir dados da CPU para a GPU foi maior do que a execução da computação na CPU. Outro fator determinante foi a adição de código CUDA dentro de um contexto MPI, causando assim condições de disputa de recursos entre os processadores, mais uma vez degradando o tempo de execução. A proposta do uso de diretivas para aplicar computação de alto desempenho em uma estrutura CUDA parece muito promissora, mas ainda precisa ser utilizada com muita cautela a fim de produzir bons resultados. A construção de um híbrido MPI + CUDA foi testada, mas os resultados não foram conclusivos.

Balancing Energy and Performance in Dense Linear System Solvers for Hybrid ARM+GPU platforms

The high performance computing community has traditionally focused uniquely on the reduction of execution time, though in the last years, the optimization of energy consumption has become a main issue. A reduction of energy usage without a degradation of performance requires the adoption of energy-efficient hardware platforms accompanied by the development of energy-aware algorithms and computational kernels. The solution of linear systems is a key operation for many scientific and engineering problems. Its relevance has motivated an important amount of work, and consequently, it is possible to find high performance solvers for a wide variety of hardware platforms. In this work, we aim to develop a high performance and energy-efficient linear system solver. In particular, we develop two solvers for a low-power CPU-GPU platform, the NVIDIA Jetson TK1. These solvers implement the Gauss-Huard algorithm yielding an efficient usage of the target hardware as well as an efficient memory access. The experimental evaluation shows that the novel proposal reports important savings in both time and energy-consumption when compared with the state-of-the-art solvers of the platform.

Development of ultra-high-performance concrete (UHPC) using waste glass materials ─ towards innovative eco-friendly concrete

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.

Low-power high-performance SAR ADC design with digital calibration techniques

This dissertation presents the design of three high-performance successive-approximation-register (SAR) analog-to-digital converters (ADCs) using distinct digital background calibration techniques under the framework of a generalized code-domain linear equalizer. These digital calibration techniques effectively and efficiently remove the static mismatch errors in the analog-to-digital (A/D) conversion. They enable aggressive scaling of the capacitive digital-to-analog converter (DAC), which also serves as sampling capacitor, to the kT/C limit. As a result, outstanding conversion linearity, high signal-to-noise ratio (SNR), high conversion speed, robustness, superb energy efficiency, and minimal chip-area are accomplished simultaneously. The first design is a 12-bit 22.5/45-MS/s SAR ADC in 0.13-μm CMOS process. It employs a perturbation-based calibration based on the superposition property of linear systems to digitally correct the capacitor mismatch error in the weighted DAC. With 3.0-mW power dissipation at a 1.2-V power supply and a 22.5-MS/s sample rate, it achieves a 71.1-dB signal-to-noise-plus-distortion ratio (SNDR), and a 94.6-dB spurious free dynamic range (SFDR). At Nyquist frequency, the conversion figure of merit (FoM) is 50.8 fJ/conversion step, the best FoM up to date (2010) for 12-bit ADCs. The SAR ADC core occupies 0.06 mm2, while the estimated area the calibration circuits is 0.03 mm2. The second proposed digital calibration technique is a bit-wise-correlation-based digital calibration. It utilizes the statistical independence of an injected pseudo-random signal and the input signal to correct the DAC mismatch in SAR ADCs. This idea is experimentally verified in a 12-bit 37-MS/s SAR ADC fabricated in 65-nm CMOS implemented by Pingli Huang. This prototype chip achieves a 70.23-dB peak SNDR and an 81.02-dB peak SFDR, while occupying 0.12-mm2 silicon area and dissipating 9.14 mW from a 1.2-V supply with the synthesized digital calibration circuits included. The third work is an 8-bit, 600-MS/s, 10-way time-interleaved SAR ADC array fabricated in 0.13-μm CMOS process. This work employs an adaptive digital equalization approach to calibrate both intra-channel nonlinearities and inter-channel mismatch errors. The prototype chip achieves 47.4-dB SNDR, 63.6-dB SFDR, less than 0.30-LSB differential nonlinearity (DNL), and less than 0.23-LSB integral nonlinearity (INL). The ADC array occupies an active area of 1.35 mm2 and dissipates 30.3 mW, including synthesized digital calibration circuits and an on-chip dual-loop delay-locked loop (DLL) for clock generation and synchronization.