Bit erasure analysis of binary adders in quantum-dot cellular automata

As a post-CMOS technology, the incipient Quantum-dot Cellular Automata technology has various advantages. A key aspect which makes it highly desirable is low power dissipation. One method that is used to analyse power dissipation in QCA circuits is bit erasure analysis. This method has been applied to analyse previously proposed QCA binary adders. However, a number of improved QCA adders have been proposed more recently that have only been evaluated in terms of area and speed. As the three key performance metrics for QCA circuits are speed, area and power, in this paper, a bit erasure analysis of these adders will be presented to determine their power dissipation. The adders to be analysed are the Carry Flow Adder (CFA), Brent-Kung Adder (B-K), Ladner-Fischer Adder (L-F) and a more recently developed area-delay efficient adder. This research will allow for a more comprehensive comparison between the different QCA adder proposals. To the best of the authors' knowledge, this is the first time power dissipation analysis has been carried out on these adders.

Inexact floating-point adder for dynamic image processing

Power has become a key constraint in current nanoscale integrated circuit design due to the increasing demands for mobile computing and a low carbon economy. As an emerging technology, an inexact circuit design offers a promising approach to significantly reduce both dynamic and static power dissipation for error tolerant applications. Although fixed-point arithmetic circuits have been studied in terms of inexact computing, floating-point arithmetic circuits have not been fully considered although require more power. In this paper, the first inexact floating-point adder is designed and applied to high dynamic range (HDR) image processing. Inexact floating-point adders are proposed by approximately designing an exponent subtractor and mantissa adder. Related logic operations including normalization and rounding modules are also considered in terms of inexact computing. Two HDR images are processed using the proposed inexact floating-point adders to show the validity of the inexact design. HDR-VDP is used as a metric to measure the subjective results of the image addition. Significant improvements have been achieved in terms of area, delay and power consumption. Comparison results show that the proposed inexact floating-point adders can improve power consumption and the power-delay product by 29.98% and 39.60%, respectively.

Design and Analysis of Inexact Floating-Point Adders

Power has become a key constraint in nanoscale inte-grated circuit design due to the increasing demands for mobile computing and higher integration density. As an emerging compu-tational paradigm, an inexact circuit offers a promising approach to significantly reduce both dynamic and static power dissipation for error-tolerant applications. In this paper, an inexact floating-point adder is proposed by approximately designing an exponent sub-tractor and mantissa adder. Related operations such as normaliza-tion and rounding are also dealt with in terms of inexact computing. An upper bound error analysis for the average case is presented to guide the inexact design; it shows that the inexact floating-point adder design is dependent on the application data range. High dynamic range images are then processed using the proposed inexact floating-point adders to show the validity of the inexact design; comparison results show that the proposed inexact floating-point adders can improve the power consumption and power-delay product by 29.98% and 39.60%, respectively.

Modelling Damage in Thin-Walled Structures [Keynote speaker]

A high-fidelity composite damage model is presented and applied to predict low-velocity impact damage, compression after impact (CAI) strength and crushing of thin-walled composite structures. The simulated results correlated well with experimental testing in terms of overall force-displacement response, damage morphologies and energy dissipation. The predictive power of this model makes it suitable for use as part of a virtual testing methodology, reducing the reliance on physical testing.  

Performance and Fault Tolerance of Preconditioned Iterative Solvers on Low-Power ARM Architectures

As the complexity of computing systems grows, reliability and energy are two crucial challenges asking for holistic solutions. In this paper, we investigate the interplay among concurrency, power dissipation, energy consumption and voltage-frequency scaling for a key numerical kernel for the solution of sparse linear systems. Concretely, we leverage a task-parallel implementation of the Conjugate Gradient method, equipped with an state-of-the-art pre-conditioner embedded in the ILUPACK software, and target a low-power multi core processor from ARM.In addition, we perform a theoretical analysis on the impact of a technique like Near Threshold Voltage Computing (NTVC) from the points of view of increased hardware concurrency and error rate.

High-affinity NO3 --H+ cotransport in the fungus Neurospora:Induction and control by pH and membrane voltate

High-affinity nitrate transport was examined in intact hyphae of Neurospora crassa using electrophysiological recordings to characterize the response of the plasma membrane to NO₃ ^- challenge and to quantify transport activity. The NO₃ ^--associated membrane current was determined using a three electrode voltage clamp to bring membrane voltage under experimental control and to compensate for current dissipation along the longitudinal cell axis. Nitrate transport was evident in hyphae transferred to NO₃ ^--free, N-limited medium for 15 hr, and in hyphae grown in the absence of a nitrogen source after a single 2-min exposure to 100 μM NO₃ ^-. In the latter, induction showed a latency of 40-80 min and rose in scalar fashion with full transport activity mensurable approx. 100 min after first exposure to NO₃ ^-; it was marked by the appearance of a pronounced sensitivity of membrane voltage to extracellular NO₃ ^- additions which, after induction, resulted in reversible membrane depolarizations of (+)54-85 mV in the presence of 50 μM NO₃ ^-; and it was suppressed when NH₄ ⁺, was present during the first, inductive exposure to NO₃ ^-. Voltage clamp measurements carried out immediately before and following NO₃ ^- additions showed that the NO₃ ^--evoked depolarizations were the consequence of an inward-directed current that appeared in parallel with the depolarizations across the entire range of accessible voltages -400 to +100 mV). Measurements of NO₃ ^- uptake using NO₃ ^--selective macroelectrodes indicated a charge stoichiometry for NO₃ ^- transport of 1(+):1(NO₃ ^-) with common K(m) and J(max) values around 25 μM and 75 pmol NO₃ ^- cm^-2sec^-1, respectively, and combined measurements of pH(o) and [NO₃ ^-](o) showed a net uptake of approx. 1 H⁺ with each NO₃ ^- anion. Analysis of the NO₃ ^- current demonstrated a pronounced voltage sensitivity within the normal physiological range between -300 and -100 mV as well as interactions between the kinetic parameters of membrane voltage, pH(o) and [NO₃ ^-](o). Increasing the bathing pH from 5.5 to 8.0 reduced the current and the associated membrane depolarizations 2- to 4-fold. At a constant pH(o) of 6.1, driving the membrane voltage from -350 to -150 mV resulted in an approx. 3-fold reduction in the maximum current and a 5-fold rise in the apparent affinity for NO₃ ^-. By contrast, the same depolarization effected an approx. 20% fall in the K(m) for transport as a function in [H⁺](o). These, and additional results are consistent with a charge-coupling stoichiometry of 2(H⁺) per NO anion transported across the membrane, and implicate a carrier cycle in which NO binding is kinetically adjacent to the rate-limiting step of membrane charge transit. The data concur with previous studies demonstrating a pronounced voltage-dependence to high-affinity NO₃ ^- transport system in Arabidopsis, and underline the importance of voltage as a kinetic factor controlling NO₃ ^- transport; finally, they distinguish metabolite repression of NO₃ ^- transport induction from its sensitivity to metabolic blockade and competition with the uptake of other substrates that draw on membrane voltage as a kinetic substrate.

Cable correction of membrane currents recorded from root hairs of Arabidopsis thaliana L.

Membrane currents were recorded under voltage clamp from root hairs of Arabidopsis thaliana L. using the two-electrode method. Concurrent measurements of membrane voltage distal to the point of current injection were also carried out to assess the extent of current dissipation along the root hair axis. Estimates of the characteristic cable length, λ, showed this parameter to be a function both of membrane voltage and of substrate concentration for transport. The mean value for λ at 0 mV was 103 ± 20 μm (n=17), but ranged by as much as 6-fold in any one cell for membrane voltages from -300 to +40 mV and was affected by 0.25 to 3-fold at any one voltage on raising [K⁺]₀ from 0.1 to 10 mol m^-3. Current dissipation along the length of the cells lead to serious distortions of the current-voltage [I-V) characteristic, including consistent underestimates of membrane current as well as a general linearization of the I-V curve and a masking of conductance changes in the presence of transported substrates. In some experiments, microelectrodes were also placed in neighbouring epidermal cells to record the extent of intercellular coupling. Even with current-passing microelectrodes placed at the base of root hairs, coupling was ≤5% (voltage deflection of the epidermal cell ≤5% that recorded at the site of current injection), indicating an appreciable resistance to current passage between cells. These results demonstrate the feasibility of using root hairs as a 'single-cell model' in electrophysiological analyses of transport across the higher-plant plasma membrane; they also confirmed the need to correct for the cable properties of these cells on a cell-by-cell basis. © 1994 Oxford University Press.

Effects of defined mixtures of persistent organic pollutants (POPs) on multiple cellular responses in the human hepatocarcinoma cell line, HepG2, using high content analysis screening

Persistent organic pollutants (POPs) are toxic substances, highly resistant to environmental degradation, which can bio-accumulate and have long-range atmospheric transport potential. Most studies focus on single compound effects, however as humans are exposed to several POPs simultaneously, investigating exposure effects of real life POP mixtures on human health is necessary. A defined mixture of POPs was used, where the compound concentration reflected its contribution to the levels seen in Scandinavian human serum (total mix). Several sub mixtures representing different classes of POP were also constructed. The perfluorinated (PFC) mixture contained six perfluorinated compounds, brominated (Br) mixture contained seven brominated compounds, chlorinated (Cl) mixture contained polychlorinated biphenyls and also p,p'-dichlorodiphenyldichloroethylene, hexachlorobenzene, three chlordanes, three hexachlorocyclohexanes and dieldrin. Human hepatocarcinoma (HepG2) cells were used for 2h and 48h exposures to the seven mixtures and analysis on a CellInsight™ NXT High Content Screening platform. Multiple cytotoxic endpoints were investigated: cell number, nuclear intensity and area, mitochondrial mass and membrane potential (MMP) and reactive oxygen species (ROS). Both the Br and Cl mixtures induced ROS production but did not lead to apoptosis. The PFC mixture induced the ROS production and likely induced cell apoptosis accompanied by the dissipation of MMP. Synergistic effects were evident for ROS induction when cells were exposed to the PFC+Br mixture. No significant effects were detected in the Br+Cl, PFC+Cl or total mixtures, which contain the same concentrations of chlorinated compounds as the Cl mixture plus additional compounds; highlighting the need for further exploration of POP mixtures in risk assessment.

Finite element modelling of cyclic behaviour of cold-formed steel bolted moment-resisting connections

This paper investigates the accuracy of new finite element modelling approaches to predict the behaviour of bolted moment-connections between cold-formed steel members, formed by using brackets bolted to the webs of the section, under low cycle fatigue. ABAQUS software is used as a modelling platform. Such joints are used for portal frames and potentially have good seismic resisting capabilities, which is important for construction in developing countries. The modelling implications of a two-dimensional beam element model, a three-dimensional shell element model and a three-dimensional solid element model are reported. Quantitative and qualitative results indicate that the three-dimensional quadratic S8R shell element model most accurately predicts the hysteretic behaviour and energy dissipation capacity of the connection when compared to the test results.

Ultra-High-Resolution Observations of MHD Waves in Photospheric Magnetic Structures

This chapter reviews the recent observations of waves and oscillations manifesting in fine-scale magnetic structures in the solar photosphere, which are often interpreted as the "building blocks' of the magnetic Sun. The authors found, through phase relationships between the various waveforms, that small-scale magnetic bright points (MBPs) in the photosphere demonstrated signatures of specific magnetoacoustic waves, in particular the sausage and kink modes. Modern magnetohydrodynamic (MHD) simulations of the lower solar atmosphere clearly show how torsional motions can easily be induced in magnetic elements in the photosphere through the processes of vortical motions and/or buffeting by neighboring granules. The authors detected significant power associated with high-frequency horizontal motions, and suggested that these cases may be especially important in the creation of a turbulent environment that efficiently promotes Alfvén wave dissipation.

A Scalable Runtime for the ECOSCALE Heterogeneous Exascale Hardware Platform

Exascale computation is the next target of high performance computing. In the push to create exascale computing platforms, simply increasing the number of hardware devices is not an acceptable option given the limitations of power consumption, heat dissipation, and programming models which are designed for current hardware platforms. Instead, new hardware technologies, coupled with improved programming abstractions and more autonomous runtime systems, are required to achieve this goal. This position paper presents the design of a new runtime for a new heterogeneous hardware platform being developed to explore energy efficient, high performance computing. By combining a number of different technologies, this framework will both simplify the programming of current and future HPC applications, as well as automating the scheduling of data and computation across this new hardware platform. In particular, this work explores the use of FPGAs to achieve both the power and performance goals of exascale, as well as utilising the runtime to automatically effect dynamic configuration and reconfiguration of these platforms. 

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

O locus amoenus na produção narrativa de Júlio Dinis

No presente trabalho avalia-se o contributo de uma vasta tradição literária na configuração de um topos/motivo – o locus amoenus – patente na produção dinisiana. Analisaram-se as influências da literatura clássica greco-romana, das Sagradas Escrituras, da literatura italiana, e também da literatura produzida em Portugal desde o final da Idade Média até ao Maneirismo. As obras de dois escritores representativos do Romantismo vintista português, Pároco da Aldeia, de Alexandre Herculano, e Os contos do tio Joaquim, de Rodrigo Paganino, tornaram-se tributárias do topos/motivo. A pesquisa centrou-se na narrativa dinisiana com vista a investigar, por um lado, as relações que o locus amoenus, topos/motivo em estudo, mantém com categorias narrativas contíguas, como sejam o espaço ou a descrição; e, por outro, a aferir o eventual contributo do lugar ameno para a dissipação das fronteiras entre a narrativa e a lírica. Pretendeu-se igualmente, sem desprezar uma inclinação natural de Júlio Dinis para os ambientes campestres, demonstrar a existência de três dimensões fundamentais do lugar ameno: a psicológica, cujas origens se perdem no tempo; a social, vertente inovadora no contexto do tópico abordado; e a simbólica, em que a conexão com o locus horrendus se revelou incontornável. Com o estudo do vocabulário configurador do locus amoenus da produção narrativa dinisiana, reflectiu-se mais aprofundadamente sobre as questões tratadas no cômputo geral desta tese. A complexidade que envolve a tentativa de filiação de Júlio Dinis a um movimento ou escola não fica ainda resolvida com este trabalho. Porém surge a proposta de lançar um novo olhar sobre este assunto, à luz dos pressupostos do movimento alemão Biedermeier. Independentemente dos problemas que se levantam, fica a certeza de que muitos escritores do panorama literário nacional se inspiraram nas obras de Júlio Dinis

Global atmospheric energetics under present and future climate conditions

An evaluation of the global atmospheric energetics is presented in the framework of the basic decomposition into the zonal mean and eddy components, the zonal wavenumber decomposition, and the three-dimensional normal mode decomposition. An extension to the normal mode energetics formulation is also presented in the study, which enables the explicit evaluation of the conversion rate between available potential energy and kinetic energy along with their generation and dissipation rates, in both the zonal wavenumber and vertical mode domains. In addition, it has been proposed an extended energy cycle diagram describing the flow of energy among the zonal mean and eddy components, and also among the barotropic and baroclinic components. The energetics is first assessed for three reanalysis datasets and five state-ofthe- art climate models simulations representing the present climate conditions. It is performed a comparative analysis between the observationally based energetics and that based on the climate models' simulations. In order to appraise possible changes in the atmospheric energetics of a future climate scenario relative to that of the present climate conditions, the analysis is extended using the datasets simulated by the same five climate models for a future climate scenario experiment, as defined in the Special Report on Emissions Scenarios (SRES) of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

Biaxial seismic behaviour of reinforced concrete columns

A análise dos efeitos dos sismos mostra que a investigação em engenharia sísmica deve dar especial atenção à avaliação da vulnerabilidade das construções existentes, frequentemente desprovidas de adequada resistência sísmica tal como acontece em edifícios de betão armado (BA) de muitas cidades em países do sul da Europa, entre os quais Portugal. Sendo os pilares elementos estruturais fundamentais na resistência sísmica dos edifícios, deve ser dada especial atenção à sua resposta sob ações cíclicas. Acresce que o sismo é um tipo de ação cujos efeitos nos edifícios exige a consideração de duas componentes horizontais, o que tem exigências mais severas nos pilares comparativamente à ação unidirecional. Assim, esta tese centra-se na avaliação da resposta estrutural de pilares de betão armado sujeitos a ações cíclicas horizontais biaxiais, em três linhas principais. Em primeiro lugar desenvolveu-se uma campanha de ensaios para o estudo do comportamento cíclico uniaxial e biaxial de pilares de betão armado com esforço axial constante. Para tal foram construídas quatro séries de pilares retangulares de betão armado (24 no total) com diferentes características geométricas e quantidades de armadura longitudinal, tendo os pilares sido ensaiados para diferentes histórias de carga. Os resultados experimentais obtidos são analisados e discutidos dando particular atenção à evolução do dano, à degradação de rigidez e resistência com o aumento das exigências de deformação, à energia dissipada, ao amortecimento viscoso equivalente; por fim é proposto um índice de dano para pilares solicitados biaxialmente. De seguida foram aplicadas diferentes estratégias de modelação não-linear para a representação do comportamento biaxial dos pilares ensaiados, considerando não-linearidade distribuída ao longo dos elementos ou concentrada nas extremidades dos mesmos. Os resultados obtidos com as várias estratégias de modelação demonstraram representar adequadamente a resposta em termos das curvas envolventes força-deslocamento, mas foram encontradas algumas dificuldades na representação da degradação de resistência e na evolução da energia dissipada. Por fim, é proposto um modelo global para a representação do comportamento não-linear em flexão de elementos de betão armado sujeitos a ações biaxiais cíclicas. Este modelo tem por base um modelo uniaxial conhecido, combinado com uma função de interação desenvolvida com base no modelo de Bouc- Wen. Esta função de interação foi calibrada com recurso a técnicas de otimização e usando resultados de uma série de análises numéricas com um modelo refinado. É ainda demonstrada a capacidade do modelo simplificado em reproduzir os resultados experimentais de ensaios biaxiais de pilares.