Coding for information storage

Storage systems are widely used and have played a crucial rule in both consumer and industrial products, for example, personal computers, data centers, and embedded systems. However, such system suffers from issues of cost, restricted-lifetime, and reliability with the emergence of new systems and devices, such as distributed storage and flash memory, respectively. Information theory, on the other hand, provides fundamental bounds and solutions to fully utilize resources such as data density, information I/O and network bandwidth. This thesis bridges these two topics, and proposes to solve challenges in data storage using a variety of coding techniques, so that storage becomes faster, more affordable, and more reliable.

We consider the system level and study the integration of RAID schemes and distributed storage. Erasure-correcting codes are the basis of the ubiquitous RAID schemes for storage systems, where disks correspond to symbols in the code and are located in a (distributed) network. Specifically, RAID schemes are based on MDS (maximum distance separable) array codes that enable optimal storage and efficient encoding and decoding algorithms. With r redundancy symbols an MDS code can sustain r erasures. For example, consider an MDS code that can correct two erasures. It is clear that when two symbols are erased, one needs to access and transmit all the remaining information to rebuild the erasures. However, an interesting and practical question is: What is the smallest fraction of information that one needs to access and transmit in order to correct a single erasure? In Part I we will show that the lower bound of 1/2 is achievable and that the result can be generalized to codes with arbitrary number of parities and optimal rebuilding.

We consider the device level and study coding and modulation techniques for emerging non-volatile memories such as flash memory. In particular, rank modulation is a novel data representation scheme proposed by Jiang et al. for multi-level flash memory cells, in which a set of n cells stores information in the permutation induced by the different charge levels of the individual cells. It eliminates the need for discrete cell levels, as well as overshoot errors, when programming cells. In order to decrease the decoding complexity, we propose two variations of this scheme in Part II: bounded rank modulation where only small sliding windows of cells are sorted to generated permutations, and partial rank modulation where only part of the n cells are used to represent data. We study limits on the capacity of bounded rank modulation and propose encoding and decoding algorithms. We show that overlaps between windows will increase capacity. We present Gray codes spanning all possible partial-rank states and using only ``push-to-the-top'' operations. These Gray codes turn out to solve an open combinatorial problem called universal cycle, which is a sequence of integers generating all possible partial permutations.

The Demand for Environmental Quality in Driving Transitions to Low Polluting Energy Sources

38 p.

Efficient methods for stochastic optimal control

The Hamilton Jacobi Bellman (HJB) equation is central to stochastic optimal control (SOC) theory, yielding the optimal solution to general problems specified by known dynamics and a specified cost functional. Given the assumption of quadratic cost on the control input, it is well known that the HJB reduces to a particular partial differential equation (PDE). While powerful, this reduction is not commonly used as the PDE is of second order, is nonlinear, and examples exist where the problem may not have a solution in a classical sense. Furthermore, each state of the system appears as another dimension of the PDE, giving rise to the curse of dimensionality. Since the number of degrees of freedom required to solve the optimal control problem grows exponentially with dimension, the problem becomes intractable for systems with all but modest dimension.

In the last decade researchers have found that under certain, fairly non-restrictive structural assumptions, the HJB may be transformed into a linear PDE, with an interesting analogue in the discretized domain of Markov Decision Processes (MDP). The work presented in this thesis uses the linearity of this particular form of the HJB PDE to push the computational boundaries of stochastic optimal control.

This is done by crafting together previously disjoint lines of research in computation. The first of these is the use of Sum of Squares (SOS) techniques for synthesis of control policies. A candidate polynomial with variable coefficients is proposed as the solution to the stochastic optimal control problem. An SOS relaxation is then taken to the partial differential constraints, leading to a hierarchy of semidefinite relaxations with improving sub-optimality gap. The resulting approximate solutions are shown to be guaranteed over- and under-approximations for the optimal value function. It is shown that these results extend to arbitrary parabolic and elliptic PDEs, yielding a novel method for Uncertainty Quantification (UQ) of systems governed by partial differential constraints. Domain decomposition techniques are also made available, allowing for such problems to be solved via parallelization and low-order polynomials.

The optimization-based SOS technique is then contrasted with the Separated Representation (SR) approach from the applied mathematics community. The technique allows for systems of equations to be solved through a low-rank decomposition that results in algorithms that scale linearly with dimensionality. Its application in stochastic optimal control allows for previously uncomputable problems to be solved quickly, scaling to such complex systems as the Quadcopter and VTOL aircraft. This technique may be combined with the SOS approach, yielding not only a numerical technique, but also an analytical one that allows for entirely new classes of systems to be studied and for stability properties to be guaranteed.

The analysis of the linear HJB is completed by the study of its implications in application. It is shown that the HJB and a popular technique in robotics, the use of navigation functions, sit on opposite ends of a spectrum of optimization problems, upon which tradeoffs may be made in problem complexity. Analytical solutions to the HJB in these settings are available in simplified domains, yielding guidance towards optimality for approximation schemes. Finally, the use of HJB equations in temporal multi-task planning problems is investigated. It is demonstrated that such problems are reducible to a sequence of SOC problems linked via boundary conditions. The linearity of the PDE allows us to pre-compute control policy primitives and then compose them, at essentially zero cost, to satisfy a complex temporal logic specification.

爆推快点火模型分析

使用简单的爆推模型估算爆推快点火过程及其结果。首先由ns级主驱动激光直接驱动，形成中心低密度高温热斑，周围为高密度低温主燃料区，两区压力平衡（等压模型）；然后用ps级超短超强激光打入，产生超热电子，其能量在低温主燃料区沉积，主燃料区发生爆炸，一部分向外飞散，一部分向内压缩中心热斑。在这个爆推模型下，热斑体积压缩比为64，中子产率将有极大的提高，相应的中子产额和能量增益得到提高。离子温度因为主燃料区质量过大，提高不大。提高超热电子能量，或者减小低温主燃料区质量，离子温度将会显著提高。不同的初始离子温度对结果

Efeito do selamento dentinário imediato na resistência de união de restaurações cerâmicas

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do selamento dentinário imediato na cimentação definitiva de restaurações cerâmicas (Empress2Ivoclar Vivadent), levando em consideração a influência de diferentes métodos de remoção dos restos de cimento provisório da superfície dentinária previamente selada. Para isso foram utilizados 72 molares, hígidos, conseguidos no banco de dentes da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Os dentes foram divididos em nove grupos, os três primeiros serviram como grupo controle, onde não houve contaminação com nenhum cimento provisório, sendo eles: G1, onde o selamento e a cimentação definitiva foram feitas 15 dias após a confecção dos preparos cavitários; G2, onde o selamento dentinário foi feito imediatamente após o preparo e a cimentação definitiva após 15 dias; G3, onde o preparo, selamento e cimentação definitiva foram feitos no mesmo momento. Os próximos grupos foram os do selamento tardio, onde o sistema adesivo foi aplicado somente no momento da cimentação. Nestes grupos, após o preparo foram cimentadas restaurações provisórias com um cimento livre de eugenol (Temp BondNE) e após 15 dias as restaurações provisórias foram removidas e os restos de cimento limpos com diferentes métodos: G4: remoção com instrumento manual; G5: remoção com jato de bicarbonato; G6: remoção com pontas de ultra-som; após esta limpeza o sistema adesivo foi aplicado e as restaurações cerâmicas cimentadas. Por último foram os grupos do selamento dentinário imediato, onde o sistema adesivo foi aplicado imediatamente após a confecção dos preparos cavitários e em seguida foi feita a cimentação das restaurações provisórias. Após 15 dias as restaurações provisórias foram removidas, os restos de cimento foram limpos com os diferentes métodos: G7: remoção com instrumento manual; G8: remoção com jato de bicarbonato; G9: remoção com pontas de ultra-som. Após a limpeza as restaurações cerâmicas foram cimentadas. Para todos os grupos o sistema adesivo utilizado foi o Optibond FL Kerr e o cimento resinoso foi o Rely X ARC3M/ESPE. Vinte e quatro horas após as cimentações cerâmicas os corpos de prova foram submetidos ao ensaio mecânico de push out em uma máquina de ensaios universais EMIC DL. Os valores de resistência de união foram obtidos em KgF, convertidos em MPa e analisados estatisticamente. O teste de ANOVA mostrou que houve diferença estatisticamente significante entre os grupos (p≤0,05) e em seguida o t-teste mostrou que a técnica do selamento imediato resultou nos melhores valores de resistência de união. Por último, o teste de comparações múltiplas Student-Newman-Keuls (Teste SNK) mostrou que o método de limpeza dos restos de cimento provisório da superfície dentinária apresenta influência na resistência de união das restaurações cerâmicas. Com base nos resultados pôde-se concluir que a técnica do selamento imediato promoveu maior resistência adesiva para as restaurações cerâmicas e quanto ao método de limpeza, o melhor resultado, independente da técnica adesiva utilizada, foi a remoção com as pontas de ultrasson.

Influência da associação de catalisadores químicos na cimentação de pinos pré-fabricados de fibra de vidro

O objetivo deste estudo foi avaliar a Influência da associação de catalisadores químicos junto a diferentes sistemas adesivos autocondicionantes e cimentos resinosos de dupla polimerização, na cimentação de pinos pré-fabricados de fibra de vidro, quanto a sua resistência ao cisalhamento por extrusão - push out, seu grau de conversão e nanoinfiltração. Foram utilizadas trinta raízes bovinas extraídas, que tiveram seus canais obturados com guta-percha termoplastificada, divididas em três grupos: G1 - Adper SE Plus /Rely X ARC; G2- Adper SE Plus / Catalisador Scotchbond + Rely X ARC ; G3- Clearfil SE Bond / ED Primer + Panavia F. Após a cimentação dos pinos foram obtidas fatias das raízes, com 1mm de espessura, dos terços cervical (C), médio (M) e apical (A). O ensaio de resistência ao cisalhamento por extrusão foi realizado em máquina de ensaio universal EMIC D500 com carga de 100KN à velocidade de 1,0 mm/min, até o deslocamento do pino. Os dados obtidos no ensaio foram tabulados e submetidos à análise estatística. A análise de variância a dois critérios mostrou que apenas os fatores grupo e profundidade foram significativos, não sendo significativa a sua interação. O resultado do teste de Tukey (ρ≥0,05), para o fator grupo, mostrou que a menor média de resistência ao cisalhamento por extrusão foi obtida pelo grupo 3, que apresentou diferença estatística significativa para os grupos 1 e 2 que não diferiram entre si. Para o fator Profundidade a maior média foi obtida no terço cervical que apresentou diferença estatística significativa para os terços médio e apical que não diferiram entre si: A análise do grau de conversão foi feita após vinte e quatro horas e os fatores estudados foram os cimentos resinosos Panavia F e Rely X ARC e os catalisadores químicos ED Primer e Catalisador Scotchbond, na forma incorporada ou aplicada superficialmente aos cimentos, formando 10 grupos experimentais. Para o grau de conversão, o teste de Tukey mostrou que o catalisador químico não aumentou o grau de conversão do RelyX ARC, já para o Panavia F, este aumentou significativamente seu grau de conversão. Quanto a análise em MEV da nanoinfiltração para o fator grupo, o resultado do teste de Tukey (ρ≥0,05) mostrou que a maior média foi obtida pelo grupo 3 que apresentou diferença estatística significativa para os grupos 1 e 2, que não diferiram entre si. Para o fator Profundidade a maior média foi obtida no terço apical que apresentou diferença estatística significativa para o terço cervical, que não diferiu do terço médio. Conclusões: 1- A associação de catalisadores químicos não aumentou a resistência ao cisalhamento por extrusão dos pinos de fibra de vidro. 2- O cimento Panavia F é dependente de catalisador aumentar o grau de conversão. 3- A associação de catalisadores químicos não foi capaz de alterar o padrão da camada híbrida, representado pela nanoinfiltração. 4- A nanoinfiltração está associada inversamente ao grau de conversão dos sistemas de cimentação, o que contribui negativamente para a resistência adesiva de pinos de fibra de vidro.

Acceleration Sensing, Feedback Cooling, and Nonlinear Dynamics with Nanoscale Cavity-Optomechanical Devices

Light has long been used for the precise measurement of moving bodies, but the burgeoning field of optomechanics is concerned with the interaction of light and matter in a regime where the typically weak radiation pressure force of light is able to push back on the moving object. This field began with the realization in the late 1960's that the momentum imparted by a recoiling photon on a mirror would place fundamental limits on the smallest measurable displacement of that mirror. This coupling between the frequency of light and the motion of a mechanical object does much more than simply add noise, however. It has been used to cool objects to their quantum ground state, demonstrate electromagnetically-induced-transparency, and modify the damping and spring constant of the resonator. Amazingly, these radiation pressure effects have now been demonstrated in systems ranging 18 orders of magnitude in mass (kg to fg).

In this work we will focus on three diverse experiments in three different optomechanical devices which span the fields of inertial sensors, closed-loop feedback, and nonlinear dynamics. The mechanical elements presented cover 6 orders of magnitude in mass (ng to fg), but they all employ nano-scale photonic crystals to trap light and resonantly enhance the light-matter interaction. In the first experiment we take advantage of the sub-femtometer displacement resolution of our photonic crystals to demonstrate a sensitive chip-scale optical accelerometer with a kHz-frequency mechanical resonator. This sensor has a noise density of approximately 10 micro-g/rt-Hz over a useable bandwidth of approximately 20 kHz and we demonstrate at least 50 dB of linear dynamic sensor range. We also discuss methods to further improve performance of this device by a factor of 10.

In the second experiment, we used a closed-loop measurement and feedback system to damp and cool a room-temperature MHz-frequency mechanical oscillator from a phonon occupation of 6.5 million down to just 66. At the time of the experiment, this represented a world-record result for the laser cooling of a macroscopic mechanical element without the aid of cryogenic pre-cooling. Furthermore, this closed-loop damping yields a high-resolution force sensor with a practical bandwidth of 200 kHZ and the method has applications to other optomechanical sensors.

The final experiment contains results from a GHz-frequency mechanical resonator in a regime where the nonlinearity of the radiation-pressure interaction dominates the system dynamics. In this device we show self-oscillations of the mechanical element that are driven by multi-photon-phonon scattering. Control of the system allows us to initialize the mechanical oscillator into a stable high-amplitude attractor which would otherwise be inaccessible. To provide context, we begin this work by first presenting an intuitive overview of optomechanical systems and then providing an extended discussion of the principles underlying the design and fabrication of our optomechanical devices.

Rewriting Schemes for Flash Memory

Flash memory is a leading storage media with excellent features such as random access and high storage density. However, it also faces significant reliability and endurance challenges. In flash memory, the charge level in the cells can be easily increased, but removing charge requires an expensive erasure operation. In this thesis we study rewriting schemes that enable the data stored in a set of cells to be rewritten by only increasing the charge level in the cells. We consider two types of modulation scheme; a convectional modulation based on the absolute levels of the cells, and a recently-proposed scheme based on the relative cell levels, called rank modulation. The contributions of this thesis to the study of rewriting schemes for rank modulation include the following: we

•propose a new method of rewriting in rank modulation, beyond the previously proposed method of “push-to-the-top”;

•study the limits of rewriting with the newly proposed method, and derive a tight upper bound of 1 bit per cell;

•extend the rank-modulation scheme to support rankings with repetitions, in order to improve the storage density;

•derive a tight upper bound of 2 bits per cell for rewriting in rank modulation with repetitions;

•construct an efficient rewriting scheme that asymptotically approaches the upper bound of 2 bit per cell.

The next part of this thesis studies rewriting schemes for a conventional absolute-levels modulation. The considered model is called “write-once memory” (WOM). We focus on WOM schemes that achieve the capacity of the model. In recent years several capacity-achieving WOM schemes were proposed, based on polar codes and randomness extractors. The contributions of this thesis to the study of WOM scheme include the following: we

•propose a new capacity-achievingWOM scheme based on sparse-graph codes, and show its attractive properties for practical implementation;

•improve the design of polarWOMschemes to remove the reliance on shared randomness and include an error-correction capability.

The last part of the thesis studies the local rank-modulation (LRM) scheme, in which a sliding window going over a sequence of real-valued variables induces a sequence of permutations. The LRM scheme is used to simulate a single conventional multi-level flash cell. The simulated cell is realized by a Gray code traversing all the relative-value states where, physically, the transition between two adjacent states in the Gray code is achieved by using a single “push-to-the-top” operation. The main results of the last part of the thesis are two constructions of Gray codes with asymptotically-optimal rate.

Development of Microfluidic Devices with the Use of Nanotechnology to Aid in the Analysis of Biological Systems Including Membrane Protein Separation, Single Cell Analysis, and Genetic Markers

Computation technology has dramatically changed the world around us; you can hardly find an area where cell phones have not saturated the market, yet there is a significant lack of breakthroughs in the development to integrate the computer with biological environments. This is largely the result of the incompatibility of the materials used in both environments; biological environments and experiments tend to need aqueous environments. To help aid in these development chemists, engineers, physicists and biologists have begun to develop microfluidics to help bridge this divide. Unfortunately, the microfluidic devices required large external support equipment to run the device. This thesis presents a series of several microfluidic methods that can help integrate engineering and biology by exploiting nanotechnology to help push the field of microfluidics back to its intended purpose, small integrated biological and electrical devices. I demonstrate this goal by developing different methods and devices to (1) separate membrane bound proteins with the use of microfluidics, (2) use optical technology to make fiber optic cables into protein sensors, (3) generate new fluidic devices using semiconductor material to manipulate single cells, and (4) develop a new genetic microfluidic based diagnostic assay that works with current PCR methodology to provide faster and cheaper results. All of these methods and systems can be used as components to build a self-contained biomedical device.

Integración en Android de las herramientas de medición de la QoS con el Contenedor

[ES]En este documento se presenta el trabajo realizado para la integración de las distintas herramientas disponibles para la medición de la Calidad de Servicio (QoS) con el Contenedor que les da soporte dentro de la infraestructura QoSMETER desarrollada por el grupo de investigación NQaS de la UPV/EHU. Se analizan las distintas alternativas disponibles para resolver el problema y se plantea el diseño en base a la mejor de ellas.

Retenção em canais amplos de núcleos confeccionados por diferentes técnicas com pinos fibro resinosos

O propósito desse trabalho foi verificar a retenção de pinos fibro resinosos cimentados em canais radiculares alargados simulando raízes extensamente comprometidas, fabricados por duas técnicas usadas para diminuir sua desadaptação; comparando-as ao pino fixado somente com cimento. Foram utilizados vinte e quatro raízes de dentes humanos unirradiculares, padronizadas com 15.0 mm de comprimento e 5.0 0.3 mm de diâmetro. As raízes foram incluídas em resina acrílica e divididas em grupos de acordo com a técnica usada: grupo I - pino DC White Post no2 cimentado com sistema adesivo quimicamente ativado e com cimento resinoso dual; grupo II mesmo pino reanatomizado com resina composta para copiar a anatomia do canal radicular, cimentado da mesma forma; e grupo III mesmo pino associado a três pinos acessórios, cimentados do mesmo modo. O canal radicular teve seu diâmetro padronizado pela broca no2 para o pino DC em uma profundidade de 12.0 mm e alargado com uma broca tronco cônica em uma profundidade de 10.0 mm. As oito raízes de cada grupo foram seccionadas transversalmente em três discos de 3.0 mm, a partir da cervical para a execução de um ensaio de extrusão, descartando-se os últimos 2.0 mm, que serviram somente para centralizar o pino. Os valores de retenção foram registrados e tratados estatisticamente por ANOVA e pelo teste SNK (p<0.05). Diferenças significativas foram observadas entre três porções radiculares investigadas em todos os grupos, com os valores de retenção diminuindo da cervical para apical. A retenção na porção apical do grupo com pinos customizado com resina foi estatisticamente maior que na mesma região dos demais grupos. Nenhuma diferença foi encontrada entre o grupo com pinos acessórios e o grupo somente com pino e cimento nessa parte da raiz. Nenhuma diferença foi observada comparando as porções cervical e média dos diferentes grupos. Os tipos de falha após o teste de extrusão foram observados em microscópio eletrônico de varredura com aumento de 200, 600 e 1000 vezes. Elas ocorreram exclusivamente entre o pino e o cimento ou a resina composta. A camada de adesão (camada híbrida) foi mais facilmente observada nas porções cervical e média de todos os grupos. Isso sugere que a retenção nas porções apicais da raiz é predominantemente friccional. Uma vez que pinos acessórios somente alcançam até a porção média do canal radicular, a retenção do pino não é aumentada com essa técnica.

Tuberculose pulmonar em populações de Mato Grosso do Sul

Com uma notificação de 71 mil casos e 4.800 óbitos no Brasil, em 2010, a tuberculose foi a terceira causa de mortalidade dentre as doenças infecciosas. Objetivando avaliar a situação da tuberculose no Estado de Mato Grosso do Sul, foi elaborada a presente pesquisa. Realizou-se um estudo ecológico, a partir do Sistema de Informação de Agravos de Notificação (Sinan), tendo sido calculadas taxas de incidência de tuberculose pulmonar, para variáveis sócio-demográficas e proporções para outras variáveis selecionadas. A fonte de informação sobre a População Privada de Liberdade (PPL) foi o Ministério da Justiça. Comparações internas foram realizadas no primeiro artigo; comparações dos resultados obtidos para PPL com a população geral do estado, no segundo artigo; e, resultados obtido para a população das áreas de fronteira foram comparados com as populações residentes em outras áreas do estado, no terceiro artigo. Observou-se uma taxa de incidência anual média de 39 casos na população geral do Estado de Mato Grosso do Sul, e, entre os PPL, uma taxa de 978 casos de tuberculose pulmonar por 100.000 habitantes-ano, 25,4 (IC 95%: 22,5-28,1) vezes a taxa para a população geral. Observou-se, ainda, entre a população indígena do estado, um taxa de 244 casos, com um risco relativo de 7,32 (IC 95%: 6,1-8,8) na comparação com a população geral do estado. Na área de fronteira com o Paraguai, pôde ser observada uma taxa de 50 casos, e, na fronteira com a Bolívia, uma taxa de 84 casos por 100.000 habitantes-ano, correspondentes a riscos relativos de 2,16 (IC 95%: 2,01-2,33) e 1,28 (1,19-1,37), para as áreas de fronteira com o Paraguai e a Bolívia, respectivamente, ao se comparar com a população global do Estado de Mato Grosso do Sul. Conclui-se que o Programa de Controle de Tuberculose no Estado de Mato Grosso do Sul precisa de reformulação e novas estratégias, incluindo inquéritos para detecção precoce em população privada de liberdade e um observatório de saúde para as áreas de fronteira do estado, além de outras medidas de controle, ainda a serem discutidas, definidas, e implantadas para um maior controle da endemia em nosso meio.