Approcci innovativi per future simulazioni HPC verso l'exascale computing con applicazioni alla fisica dei materiali

In questo lavoro di tesi sono state evidenziate alcune problematiche relative alle macchine exascale (sistemi che sviluppano un exaflops di Potenza di calcolo) e all'evoluzione dei software che saranno eseguiti su questi sistemi, prendendo in esame principalmente la necessità del loro sviluppo, in quanto indispensabili per lo studio di problemi scientifici e tecnologici di più grandi dimensioni, con particolare attenzione alla Material Science, che è uno dei campi che ha avuto maggiori sviluppi grazie all'utilizzo di supercomputer, ed ad uno dei codici HPC più utilizzati in questo contesto: Quantum ESPRESSO. Dal punto di vista del software sono state presentate le prime misure di efficienza energetica su architettura ibrida grazie al prototipo di cluster EURORA sul software Quantum ESPRESSO. Queste misure sono le prime ad essere state pubblicate nel contesto software per la Material Science e serviranno come baseline per future ottimizzazioni basate sull'efficienza energetica. Nelle macchine exascale infatti uno dei requisiti per l'accesso sarà la capacità di essere energeticamente efficiente, così come oggi è un requisito la scalabilità del codice. Un altro aspetto molto importante, riguardante le macchine exascale, è la riduzione del numero di comunicazioni che riduce il costo energetico dell'algoritmo parallelo, poiché in questi nuovi sistemi costerà di più, da un punto di vista energetico, spostare i dati che calcolarli. Per tale motivo in questo lavoro sono state esposte una strategia, e la relativa implementazione, per aumentare la località dei dati in uno degli algoritmi più dispendiosi, dal punto di vista computazionale, in Quantum ESPRESSO: Fast Fourier Transform (FFT). Per portare i software attuali su una macchina exascale bisogna iniziare a testare la robustezza di tali software e i loro workflow su test case che stressino al massimo le macchine attualmente a disposizione. In questa tesi per testare il flusso di lavoro di Quantum ESPRESSO e WanT, un software per calcolo di trasporto, è stato caratterizzato un sistema scientificamente rilevante costituito da un cristallo di PDI - FCN2 che viene utilizzato per la costruzione di transistor organici OFET. Infine è stato simulato un dispositivo ideale costituito da due elettrodi in oro con al centro una singola molecola organica.

Analisi e processi di immagini astronomiche

Questa tesi riguarda l'analisi di immagini astronomiche. In particolare esamineremo tecniche che permettono l'elaborazione di immagini. Si parlerà di operazioni di base che comprendono le usuali operazioni matematiche e le trasformazioni geometriche fornendo alcuni esempi di applicazioni. Parleremo inoltre approfonditamente dell'operazione di convoluzione tra immagini e delle sue proprietà. Successivamente tratteremo in modo approfondito la teoria di Fourier, a partire dai suoi lavori sulle serie omonime fino allo sviluppo dell'algoritmo FFT. Vedremo inoltre svariate applicazioni della trasformata di Fourier all'analisi di immagini. Per concludere parleremo di deconvoluzione, analizzando in particolare due algoritmi deconvolutivi, l'algoritmo di Van Cittert e l'algoritmo di Richardson-Lucy.

Analisi morfometrica classica ed EFA (Elliptic Fourier Analysis) degli otoliti del genere Mullus in Alto - Medio Adriatico.

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello di analizzare i campioni di otoliti delle due specie del genere Mullus (Mullus barbatus e Mullus surmuletus) per mezzo dell’Analisi Ellittica di Fourier (EFA) e l’analisi di morfometria classica con gli indici di forma, al fine di verificare la simmetria tra l’otolite destro e sinistro in ognuna delle singole specie di Mullus e se varia la forma in base alla taglia dell’individuo. Con l’EFA è stato possibile mettere a confronto le forme degli otoliti facendo i confronti multipli in base alla faccia, al sesso e alla classe di taglia. Inoltre è stato fatto un confronto tra le forme degli otoliti delle due specie. Dalle analisi EFA è stato possibile anche valutare se gli esemplari raccolti appartenessero tutti al medesimo stock o a stock differenti. Gli otoliti appartengono agli esemplari di triglia catturati durante la campagna sperimentale MEDITS 2012. Per i campioni di Mullus surmuletus, data la modesta quantità, sono stati analizzati anche gli otoliti provenienti dalla campagna MEDITS 2014 e GRUND 2002. I campioni sono stati puliti e analizzati allo stereomicroscopio con telecamera e collegato ad un PC fornito di programma di analisi di immagine. Dalle analisi di morfometria classica sugli otoliti delle due specie si può sostenere che in generale vi sia una simmetria tra l’otolite destro e sinistro. Dalle analisi EFA sono state riscontrate differenze significative in tutti i confronti, anche nel confronto tra le due specie. I campioni sembrano però appartenere al medesimo stock. In conclusione si può dire che l’analisi di morfometria classica ha dato dei risultati congrui con quello che ci si aspettava. I risultati dell’analisi EFA invece hanno evidenziato delle differenze significative che dimostrano una superiore potenza discriminante. La particolare sensibilità dell’analisi dei contorni impone un controllo di qualità rigoroso durante l’acquisizione delle forme.

Metodi di Fourier per la valutazione dei derivati finanziari

Questa tesi affronta uno dei principali argomenti trattati dalla finanza matematica: la determinazione del prezzo dei derivati finanziari. Esistono diversi metodi per trattare questo tema, ma in particolare vengono illustrati i metodi che usano la trasformata di Fourier. Questi ultimi infatti ci permettono di sostituire il calcolo dell'attesa condizionata scontata, con il calcolo dell'integrale della trasformata di Fourier, in quanto la funzione caratteristica, cioè la trasformata di Fourier della funzione densità, è più trattabile rispetto alla funzione densità stessa. Vengono in primo luogo analizzate alcune importanti formule di valutazione e successivamente implementate, attraverso il software Mathematica. I modelli di riferimento utilizzati per l'implementazione sono il modello di Black-Scholes e il modello di Merton.

Trasformata di Fourier e trasformata Wavelet

Questo elaborato si concentra sullo studio della trasformata di Fourier e della trasformata Wavelet. Nella prima parte della tesi si analizzano gli aspetti fondamentali della trasformata di Fourier. Si definisce poi la trasformata di Fourier su gruppi abeliani finiti, richiamando opportunamente la struttura di tali gruppi. Si mostra che calcolare la trasformata di Fourier nel quoziente richiede un minor numero di operazioni rispetto a calcolarla direttamente nel gruppo di partenza. L'ultima parte dell'elaborato si occupa dello studio delle Wavelet, dette ondine. Viene presentato quindi il sistema di Haar che permette di definire una funzione come serie di funzioni di Haar in alternativa alla serie di Fourier. Si propone poi un vero e proprio metodo per la costruzione delle ondine e si osserva che tale costruzione è strettamente legata all'analisi multirisoluzione. Un ruolo cruciale viene svolto dall'identità di scala, un'identità algebrica che permette di definire certi coefficienti che determinano completamente le ondine. Interviene poi la trasformata di Fourier che riduce la ricerca dei coefficienti sopra citati, alla ricerca di certe funzioni opportune che determinano esplicitamente le Wavelet. Non tutte le scelte di queste funzioni sono accettabili. Ci sono vari approcci, qui viene presentato l'approccio di Ingrid Daubechies. Le Wavelet costituiscono basi per lo spazio di funzioni a quadrato sommabile e sono particolarmente interessanti per la decomposizione dei segnali. Sono quindi in relazione con l'analisi armonica e sono adottate in un gran numero di applicazioni. Spesso sostituiscono la trasformata di Fourier convenzionale.

Reproducibility of retinal thickness measurements in patients with age-related macular degeneration using 3D Fourier-domain optical coherence tomography (OCT) (Topcon 3D-OCT 1000)

Conventional time-domain optical coherence tomography (OCT) has become an important tool for following dry or exudative age-related macular degeneration (AMD). Fourier-domain three-dimensional (3D) OCT was recently introduced. This study tested the reproducibility of 3D-OCT retinal thickness measurements in patients with dry and exudative AMD.

Use of intraoperative fourier-domain anterior segment optical coherence tomography during descemet stripping endothelial keratoplasty

To evaluate the intraoperative use of handheld Fourier-domain optical coherence tomography (OCT) during Descemet stripping automated endothelial keratoplasty (DSAEK) to assess the donor-host interface.

Parallel vector processing of multidimensional orthogonal transforms for digital signal processing applications

The performance of the parallel vector implementation of the one- and two-dimensional orthogonal transforms is evaluated. The orthogonal transforms are computed using actual or modified fast Fourier transform (FFT) kernels. The factors considered in comparing the speed-up of these vectorized digital signal processing algorithms are discussed and it is shown that the traditional way of comparing th execution speed of digital signal processing algorithms by the ratios of the number of multiplications and additions is no longer effective for vector implementation; the structure of the algorithm must also be considered as a factor when comparing the execution speed of vectorized digital signal processing algorithms. Simulation results on the Cray X/MP with the following orthogonal transforms are presented: discrete Fourier transform (DFT), discrete cosine transform (DCT), discrete sine transform (DST), discrete Hartley transform (DHT), discrete Walsh transform (DWHT), and discrete Hadamard transform (DHDT). A comparison between the DHT and the fast Hartley transform is also included.(34 refs)

Broadband Fourier transform rotational spectroscopy for structure determination: The water heptamer

Over the recent years chirped-pulse, Fourier-transform microwave (CP-FTMW) spectrometers have chan- ged the scope of rotational spectroscopy. The broad frequency and large dynamic range make possible structural determinations in molecular systems of increasingly larger size from measurements of heavy atom (13C, 15N, 18O) isotopes recorded in natural abundance in the same spectrum as that of the parent isotopic species. The design of a broadband spectrometer operating in the 2–8 GHz frequency range with further improvements in sensitivity is presented. The current CP-FTMW spectrometer performance is benchmarked in the analyses of the rotational spectrum of the water heptamer, (H2O)7, in both 2– 8 GHz and 6–18 GHz frequency ranges. Two isomers of the water heptamer have been observed in a pulsed supersonic molecular expansion. High level ab initio structural searches were performed to pro- vide plausible low-energy candidates which were directly compared with accurate structures provided from broadband rotational spectra. The full substitution structure of the most stable species has been obtained through the analysis of all possible singly-substituted isotopologues (H218O and HDO), and a least-squares rm(1) geometry of the oxygen framework determined from 16 different isotopic species compares with the calculated O–O equilibrium distances at the 0.01 Å level.

Broadband Fourier transform rotational spectroscopy for structure determination: The water heptamer

Over the recent years chirped-pulse, Fourier-transform microwave (CP-FTMW) spectrometers have changed the scope of rotational spectroscopy. The broad frequency and large dynamic range make possible structural determinations in molecular systems of increasingly larger size from measurements of heavy atom (C-13, N-15, O-18) isotopes recorded in natural abundance in the same spectrum as that of the parent isotopic species. The design of a broadband spectrometer operating in the 2-8 GHz frequency range with further improvements in sensitivity is presented. The current CP-FTMW spectrometer performance is benchmarked in the analyses of the rotational spectrum of the water heptamer, (H2O)(7), in both 2-8 GHz and 6-18 GHz frequency ranges. Two isomers of the water heptamer have been observed in a pulsed supersonic molecular expansion. High level ab initio structural searches were performed to provide plausible low-energy candidates which were directly compared with accurate structures provided from broadband rotational spectra. The full substitution structure of the most stable species has been obtained through the analysis of all possible singly-substituted isotopologues ((H2O)-O-18 and HDO), and a least-squares r(m)((1)) geometry of the oxygen framework determined from 16 different isotopic species compares with the calculated O-O equilibrium distances at the 0.01 angstrom level. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Artists' advance: decreased upper alpha power while drawing in artists compared with non-artists

Brain mechanisms associated with artistic talents or skills are still not well understood. This exploratory study investigated differences in brain activity of artists and non-artists while drawing previously presented perspective line-drawings from memory and completing other drawing-related tasks. Electroencephalography (EEG) data were analyzed for power in the frequency domain by means of a Fast Fourier Transform (FFT). Low Resolution Brain Electromagnetic Tomography (LORETA) was applied to localize emerging significances. During drawing and related tasks, decreased power was seen in artists compared to non-artists mainly in upper alpha frequency ranges. Decreased alpha power is often associated with an increase in cognitive functioning and may reflect enhanced semantic memory performance and object recognition processes in artists. These assumptions are supported by the behavioral data assessed in this study and complement previous findings showing increased parietal activations in non-artists compared to artists while drawing. However, due to the exploratory nature of the analysis, additional confirmatory studies will be needed.

Enhanced (1)G(4) emission in NaLaF4: Pr3+, Yb3+ and charge transfer in NaLaF4: Ce3+, Yb3+ studied by fourier transform luminescence spectroscopy

A high resolution luminescence study of NaLaF4: 1%Pr3+, 5%Yb3+ and NaLaF4: 1%Ce3+, 5%Yb3+ in the UV to NIR spectral range using a InGaAs detector and a fourier transform interferometer is reported. Although the Pr3+(P-3(0) -> (1)G(4), Yb3+(F-2(7/2) -> F-2(5/2)) energy transfer step takes place, significant Pr3+ (1)G(4) emission around 993, 1330 and 1850 nm is observed. No experimental proof for the second energy transfer step in the down-conversion process between Pr3+ and Yb3+ can be given. In the case of NaLaF4: Ce3+, Yb3+ it is concluded that the observed Yb3+ emission upon Ce3+ 5d excitation is the result of a charge transfer process instead of down-conversion. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Application of Discrete Fourier Inter-Coefficient Difference for Assessing Genetic Sequence Similarity

Digital signal processing (DSP) techniques for biological sequence analysis continue to grow in popularity due to the inherent digital nature of these sequences. DSP methods have demonstrated early success for detection of coding regions in a gene. Recently, these methods are being used to establish DNA gene similarity. We present the inter-coefficient difference (ICD) transformation, a novel extension of the discrete Fourier transformation, which can be applied to any DNA sequence. The ICD method is a mathematical, alignment-free DNA comparison method that generates a genetic signature for any DNA sequence that is used to generate relative measures of similarity among DNA sequences. We demonstrate our method on a set of insulin genes obtained from an evolutionarily wide range of species, and on a set of avian influenza viral sequences, which represents a set of highly similar sequences. We compare phylogenetic trees generated using our technique against trees generated using traditional alignment techniques for similarity and demonstrate that the ICD method produces a highly accurate tree without requiring an alignment prior to establishing sequence similarity.

Microwave remote sensing of stratospheric trace gases using digital Fast Fourier Transform spectrometers

The Institute of Applied Physics observes middle atmospheric trace gases, such as ozone and water vapour, by microwave radiometry. We report on the comparison of measurements using a novel digital Fast Fourier Transform and accousto optical spectrometers. First tests made on ground are presented as well as first experience about the use of such spectrometers under aircraft conditions.

Computational Techniques for Spatial Logistic Regression with Large Datasets

In epidemiological work, outcomes are frequently non-normal, sample sizes may be large, and effects are often small. To relate health outcomes to geographic risk factors, fast and powerful methods for fitting spatial models, particularly for non-normal data, are required. We focus on binary outcomes, with the risk surface a smooth function of space. We compare penalized likelihood models, including the penalized quasi-likelihood (PQL) approach, and Bayesian models based on fit, speed, and ease of implementation. A Bayesian model using a spectral basis representation of the spatial surface provides the best tradeoff of sensitivity and specificity in simulations, detecting real spatial features while limiting overfitting and being more efficient computationally than other Bayesian approaches. One of the contributions of this work is further development of this underused representation. The spectral basis model outperforms the penalized likelihood methods, which are prone to overfitting, but is slower to fit and not as easily implemented. Conclusions based on a real dataset of cancer cases in Taiwan are similar albeit less conclusive with respect to comparing the approaches. The success of the spectral basis with binary data and similar results with count data suggest that it may be generally useful in spatial models and more complicated hierarchical models.