A User-Centric Perspective on Parallel Programming with Focus on OpenMP

The process of developing software that takes advantage of multiple processors is commonly referred to as parallel programming. For various reasons, this process is much harder than the sequential case. For decades, parallel programming has been a problem for a small niche only: engineers working on parallelizing mostly numerical applications in High Performance Computing. This has changed with the advent of multi-core processors in mainstream computer architectures. Parallel programming in our days becomes a problem for a much larger group of developers. The main objective of this thesis was to find ways to make parallel programming easier for them. Different aims were identified in order to reach the objective: research the state of the art of parallel programming today, improve the education of software developers about the topic, and provide programmers with powerful abstractions to make their work easier. To reach these aims, several key steps were taken. To start with, a survey was conducted among parallel programmers to find out about the state of the art. More than 250 people participated, yielding results about the parallel programming systems and languages in use, as well as about common problems with these systems. Furthermore, a study was conducted in university classes on parallel programming. It resulted in a list of frequently made mistakes that were analyzed and used to create a programmers' checklist to avoid them in the future. For programmers' education, an online resource was setup to collect experiences and knowledge in the field of parallel programming - called the Parawiki. Another key step in this direction was the creation of the Thinking Parallel weblog, where more than 50.000 readers to date have read essays on the topic. For the third aim (powerful abstractions), it was decided to concentrate on one parallel programming system: OpenMP. Its ease of use and high level of abstraction were the most important reasons for this decision. Two different research directions were pursued. The first one resulted in a parallel library called AthenaMP. It contains so-called generic components, derived from design patterns for parallel programming. These include functionality to enhance the locks provided by OpenMP, to perform operations on large amounts of data (data-parallel programming), and to enable the implementation of irregular algorithms using task pools. AthenaMP itself serves a triple role: the components are well-documented and can be used directly in programs, it enables developers to study the source code and learn from it, and it is possible for compiler writers to use it as a testing ground for their OpenMP compilers. The second research direction was targeted at changing the OpenMP specification to make the system more powerful. The main contributions here were a proposal to enable thread-cancellation and a proposal to avoid busy waiting. Both were implemented in a research compiler, shown to be useful in example applications, and proposed to the OpenMP Language Committee.

Organic potatoes for processing

Drei Feldversuche auf zwei Standorten (DFH: 51°4, 9°4’, BEL: 52°2’, 8°08’) wurden in den Jahren 2002 bis 2004 durchgeführt, um den Einfluss der Vorfrucht, des Vorkeimens, der N- und K-Düngung und der Sorte auf Nährstoffverfügbarkeit, Gesamt- und sortierte Knollenerträge sowie die Qualität von Kartoffeln und deren Eignung für die industrielle Verarbeitung zu Pommes frites und Chips zu untersuchen. Bestimmt wurden die N- und K-Verfügbarkeit im Boden, die N- und K-Aufnahme von Kraut und Knollen, gesamte Frisch- und Trockenmasseerträge, sortierte Frischmasseerträge für die Verarbeitung, sowie die Gehalte der Knollen an Trockensubstanz und reduzierenden Zuckern. In einer sensorischen Prüfung wurden Qualitätsparameter von Pommes frites (Aussehen/Farbe, Textur und Geschmack/Geruch) bewertet, die gewichtet in einen Qualitätsindex eingingen. Die Qualität der Chips wurde maschinell durch den L-Wert (Helligkeit) des Produktes quantifiziert. Der Gehalt des Bodens an mineralisiertem Nitrat-Stickstoff hing von der Vorfrucht und dem Jahr ab. Nach Erbsen wurden zum Auflaufen der Kartoffeln in den Versuchsjahren 2003 und 2004 (187 und 132 kg NO3-N ha-1) die höchsten NO3-N-Werte in 0-60 cm Boden gemessen verglichen mit Kleegras (169 bzw. 108 kg NO3-N ha-1 oder Getreide (112 kg bzw. 97 kg NO3-N ha-1), obgleich die Differenz nicht in allen Fällen signifikant war. Entsprechend wurden nach Erbsen die höchsten Knollen-Frischmasseerträge (414 und 308 dt ha-1) geerntet. Dasselbe galt für die Trockenmasserträge, was belegt, dass der Trockensubstanzgehalt der Knollen bei verbesserter N-Versorgung nicht im selben Maße sinkt, wie der Frischmasseertrag steigt. Das Vorkeimen der Pflanzknollen führte zu einer rascheren phänologischen Entwicklung im Jugendstadium der Pflanze, beschleunigter Trockenmassebildung des Krautes und einer früheren Einlagerung von Assimilaten vom Kraut in die Knollen. Obwohl die positive Wirkung des Vorkeimens auf den Gesamtertrag bis Ende Juli (+ 26 in 2003 bzw. 34 dt ha-1 in 2004) im Jahr ohne Krautfäuleepidemie von den nicht vorgekeimten Varianten bis zur Endernte im September kompensiert wurde, konnte in diesem Jahr durch Vorkeimen dennoch ein erhöhter Ertragsanteil (+ 12%) der besonders nachgefragten Übergrößen (>50 mm für Pommes frites) erzielt werden. Die durchschnittliche Knollenmasse reagierte positiv auf Vorkeimen (+ 5,4 g), Sortenwahl (Sorte Agria) und ein erhöhtes N-Angebot (Leguminosenvorfrucht). Generell wurde deutlich, dass die Knollengesamterträge unter den Bedingungen des Ökologischen Landbaus (geringe bis mittlere Nährstoffversorgung, verkürzte Vegetationsdauer) sehr stark vom Anbaujahr abhängen. Die Ergebnisse belegen jedoch, dass organisch-mineralische N-K-Düngung den sortierten Ertrag an Knollen für die Verarbeitung signifikant erhöht: Höchste Gesamt- und sortierte Knollenfrischmasseerträge wurden nach kombinierter N (Horngrieß) und mineralischer K- (Kaliumsulfat) Gabe erzielt (348 dt ha-1 im Durchschnitt von 2002-2004). Im Gegensatz dazu kann eine Wirkung von Stallmist auf den Ertrag im Jahr der Ausbringung nicht unbedingt erwartet werden. Steigende Erträge nach Stallmistdüngung wurden lediglich in einem von drei Versuchsjahren (+58 dt ha-1) festgestellt und ließen sich eher auf eine K- als eine N-Wirkung zurückführen. Die Ergebnisse belegen, dass die Sortenwahl eine entscheidende Rolle spielt, wenn die Kartoffeln für die industrielle Verarbeitung zu den oben genannten Produkten angebaut werden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass Kartoffelknollen aus ökologischen Anbauverfahren ausreichend hohe Trockensubstanzgehalte aufweisen, um für die Verarbeitung zu Pommes frites (>19%) geeignet zu sein und ohne dass dadurch die Konsistenz des Endproduktes gefährdet würde. Der Trockensubstanzgehalt der Referenzsorte für Chips, „Marlen“, unterschritt das in der Literatur geforderte Minimum für Chips von 23% lediglich, wenn die kombinierte Horngrieß-Kaliumsulfatdüngung zur Anwendung kam. Die Trockensubstanzgehalte der Knollen konnten durch Vorkeimen signifikant gesteigert werden und der Effekt war besonders groß (+1.2% absolut) in dem Jahr mit frühem Auftreten der Krautfäule (Phytophthora infestans), d.h. verkürzter Vegetationszeit. Die Knollen-Trockensubstanzgehalte waren in zwei von drei Experimenten nach Lagerung höher (+0.4 und 0.5% absolut) als noch zur Ernte. Sorten der sehr frühen und frühen Reifegruppe wiesen den größten relativen Anstieg der Gehalte an reduzierenden Zuckern (Glukose und Fruktose) während der Lagerung auf. Den mittelfrühen Sorten „Agria“ und „Marena“ hingegen kann aufgrund des von ihnen erreichten höchsten Qualitätsstandards (Pommes frites) zur Ernte eine sehr gute Eignung für die Bedingungen des Ökologischen Landbaus unterstellt werden. Die durchgehend beste Chipseignung wies die mittelfrühe Referenzsorte „Marlen“ auf. Insgesamt konnte nachgewiesen werden, dass durch gezielte Sortenwahl der Trockensubstanzgehalt und die Konzentration reduzierender Zucker, sowie die Qualität der Endprodukte (Pommes frites und Chips) gezielt beeinflusst werden kann. Im Gegensatz dazu haben acker- und pflanzenbauliche Maßnahmen wie Düngung, Wahl der Vorfrucht und Vorkeimen der Pflanzknollen einen eher geringen Einfluss. Dementsprechend sollte der Landwirt versuchen, durch die Wahl der Sorte den hohen Anforderungen der Industrie an die Rohware gerecht zu werden.

Bildbasierte Authentifizierung und Verschlüsselung

Bildbasierte Authentifizierung und Verschlüsselung: Identitätsbasierte Kryptographie (oft auch identity Based Encryption, IBE) ist eine Variation der asymmetrischen Schlüsselverfahren, bei der der öffentliche Schlüssel des Anwenders eine beliebig wählbare Zeichenfolge sein darf, die dem Besitzer offensichtlich zugeordnet werden kann. Adi Shamir stellte 1984 zunächst ein solches Signatursystem vor. In der Literatur wird dabei als öffentlicher Schlüssel meist die Email-Adresse oder eine Sozialversicherungsnummer genannt. Der Preis für die freie Schlüsselwahl ist die Einbeziehung eines vertrauenswürdigen Dritten, genannt Private Key Generator, der mit seinem privaten Generalschlüssel den privaten Schlüssel des Antragstellers generiert. Mit der Arbeit von Boneh und Franklin 2001 zum Einsatz der Weil-Paarbildung über elliptischen Kurven wurde IBE auf eine sichere und praktikable Grundlage gestellt. In dieser Arbeit wird nach einer allgemeinen Übersicht über Probleme und Lösungsmöglichkeiten für Authentifizierungsaufgaben im zweiten Teil als neue Idee der Einsatz eines Bildes des Anwenders als öffentlicher Schlüssel vorgeschlagen. Dazu wird der Ablauf der Schlüsselausgabe, die Bestellung einer Dienstleistung, z. B. die Ausstellung einer personengebundenen Fahrkarte, sowie deren Kontrolle dargestellt. Letztere kann offline auf dem Gerät des Kontrolleurs erfolgen, wobei Ticket und Bild auf dem Handy des Kunden bereitliegen. Insgesamt eröffnet sich dadurch die Möglichkeit einer Authentifizierung ohne weitere Preisgabe einer Identität, wenn man davon ausgeht, dass das Bild einer Person angesichts allgegenwärtiger Kameras sowieso öffentlich ist. Die Praktikabilität wird mit einer Implementierung auf der Basis des IBE-JCA Providers der National University of Ireland in Maynooth demonstriert und liefert auch Aufschluss auf das in der Praxis zu erwartende Laufzeitverhalten.

On-line analytical processing with conceptual information systems

A conceptual information system consists of a database together with conceptual hierarchies. The management system TOSCANA visualizes arbitrary combinations of conceptual hierarchies by nested line diagrams and allows an on-line interaction with a database to analyze data conceptually. The paper describes the conception of conceptual information systems and discusses the use of their visualization techniques for on-line analytical processing (OLAP).

Conceptual knowledge discovery and data analysis

In this paper, we discuss Conceptual Knowledge Discovery in Databases (CKDD) in its connection with Data Analysis. Our approach is based on Formal Concept Analysis, a mathematical theory which has been developed and proven useful during the last 20 years. Formal Concept Analysis has led to a theory of conceptual information systems which has been applied by using the management system TOSCANA in a wide range of domains. In this paper, we use such an application in database marketing to demonstrate how methods and procedures of CKDD can be applied in Data Analysis. In particular, we show the interplay and integration of data mining and data analysis techniques based on Formal Concept Analysis. The main concern of this paper is to explain how the transition from data to knowledge can be supported by a TOSCANA system. To clarify the transition steps we discuss their correspondence to the five levels of knowledge representation established by R. Brachman and to the steps of empirically grounded theory building proposed by A. Strauss and J. Corbin.

Conceptual knowledge processing with formal concept analysis and ontologies

Among many other knowledge representations formalisms, Ontologies and Formal Concept Analysis (FCA) aim at modeling ‘concepts’. We discuss how these two formalisms may complement another from an application point of view. In particular, we will see how FCA can be used to support Ontology Engineering, and how ontologies can be exploited in FCA applications. The interplay of FCA and ontologies is studied along the life cycle of an ontology: (i) FCA can support the building of the ontology as a learning technique. (ii) The established ontology can be analyzed and navigated by using techniques of FCA. (iii) Last but not least, the ontology may be used to improve an FCA application.

A finite state model for on-line analytical processing in triadic contexts

About ten years ago, triadic contexts were presented by Lehmann and Wille as an extension of Formal Concept Analysis. However, they have rarely been used up to now, which may be due to the rather complex structure of the resulting diagrams. In this paper, we go one step back and discuss how traditional line diagrams of standard (dyadic) concept lattices can be used for exploring and navigating triadic data. Our approach is inspired by the slice & dice paradigm of On-Line-Analytical Processing (OLAP). We recall the basic ideas of OLAP, and show how they may be transferred to triadic contexts. For modeling the navigation patterns a user might follow, we use the formalisms of finite state machines. In order to present the benefits of our model, we show how it can be used for navigating the IT Baseline Protection Manual of the German Federal Office for Information Security.

Fehlersuche im Modell - Modellbasiertes Testen und Debuggen

Kern der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung von Methoden, Techniken und Werkzeugen zur Fehlersuche in modellbasierten Softwareentwicklungsprozessen. Hierzu wird zuerst ein von mir mitentwickelter, neuartiger und modellbasierter Softwareentwicklungsprozess, der sogenannte Fujaba Process, vorgestellt. Dieser Prozess wird von Usecase Szenarien getrieben, die durch spezielle Kollaborationsdiagramme formalisiert werden. Auch die weiteren Artefakte des Prozess bishin zur fertigen Applikation werden durch UML Diagrammarten modelliert. Es ist keine Programmierung im Quelltext nötig. Werkzeugunterstützung für den vorgestellte Prozess wird von dem Fujaba CASE Tool bereitgestellt. Große Teile der Werkzeugunterstützung für den Fujaba Process, darunter die Toolunterstützung für das Testen und Debuggen, wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit wird der Fujaba Process im Detail erklärt und unsere Erfahrungen mit dem Einsatz des Prozesses in Industrieprojekten sowie in der Lehre dargestellt. Der zweite Teil beschreibt die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Testgenerierung, die zu einem wichtigen Teil des Fujaba Process geworden ist. Hierbei werden aus den formalisierten Usecase Szenarien ausführbare Testfälle generiert. Es wird das zugrunde liegende Konzept, die konkrete technische Umsetzung und die Erfahrungen aus der Praxis mit der entwickelten Testgenerierung dargestellt. Der letzte Teil beschäftigt sich mit dem Debuggen im Fujaba Process. Es werden verschiedene im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Konzepte und Techniken vorgestellt, die die Fehlersuche während der Applikationsentwicklung vereinfachen. Hierbei wurde darauf geachtet, dass das Debuggen, wie alle anderen Schritte im Fujaba Process, ausschließlich auf Modellebene passiert. Unter anderem werden Techniken zur schrittweisen Ausführung von Modellen, ein Objekt Browser und ein Debugger, der die rückwärtige Ausführung von Programmen erlaubt (back-in-time debugging), vorgestellt. Alle beschriebenen Konzepte wurden in dieser Arbeit als Plugins für die Eclipse Version von Fujaba, Fujaba4Eclipse, implementiert und erprobt. Bei der Implementierung der Plugins wurde auf eine enge Integration mit Fujaba zum einen und mit Eclipse auf der anderen Seite geachtet. Zusammenfassend wird also ein Entwicklungsprozess vorgestellt, die Möglichkeit in diesem mit automatischen Tests Fehler zu identifizieren und diese Fehler dann mittels spezieller Debuggingtechniken im Programm zu lokalisieren und schließlich zu beheben. Dabei läuft der komplette Prozess auf Modellebene ab. Für die Test- und Debuggingtechniken wurden in dieser Arbeit Plugins für Fujaba4Eclipse entwickelt, die den Entwickler bestmöglich bei der zugehörigen Tätigkeit unterstützen.

Entwicklung eines Verfahrens zum Schneiden und Schälen von Obst mit Hochdruckwasserstrahlen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt und untersucht, mit welchem Früchte annähernd verlustfrei und unter sehr hygienischen Bedingungen geschnitten werden können. Die Produkte – hier gezeigt am Beispiel von Äpfeln und Melonen – werden mit einem Hochdruckwasserstrahl geschnitten, der durch ein bildverarbeitendes System entsprechend der Anatomie der Frucht geführt werden kann. Die Vorteile dieses Verfahrens sind die individuelle Schnittführung, die Materialverluste minimiert und die Tatsache, dass die Frucht ohne wesentlichen Eingriff von Personal bearbeitet wird. Die Literaturauswertung ergab, dass diese Technologie bislang noch nicht bearbeitet wurde. Der Einsatz des Hochdruckwasserstrahlschneidens im Bereich der Agrartechnik beschränkte sich auf das Schneiden von Zuckerrüben Brüser [2008], Ligocki [2005] bzw. Kartoffeln Becker u. Gray [1992], das Zerteilen von Fleisch Bansal u. Walker [1999] und Fisch Lobash u. a. [1990] sowie die Nutzung von Wasserstrahlen im Zusammenhang mit der Injektion von Flüssigdünger in Ackerböden Niemoeller u. a. [2011]. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Einsatzmöglichkeiten des Wasserstrahlschneidens zu erfassen und zu bewerten. Dazu wurden in einer Vielzahl von Einzelversuchen die Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern wie Wasserdruck, Düsendurchmesser, Vorschubgeschwindigkeit und Düsenabstand auf das Schnittergebnis, also die Rauheit der entstehenden Schnittfläche untersucht. Ein Vergleich mit konventionellen Schneidemethoden erfolgte hinsichtlich der Schnittergebnisse und der Auswirkungen des Wasserstrahlschneidens auf nachfolgende Verfahrensschritte, wie dem Trocknen.

Optimization in the Technological Steps for the Fabrication of Large Area Micromirror Arrays

Micromirror arrays are a very strong candidate for future energy saving applications. Within this work, the fabrication process for these micromirror arrays has been optimized and some steps for the large area fabrication of micromirror modules were performed. At first the surface roughness of the insulation layer of silicon dioxide (SiO2) was investigated. This SiO2 thin layer was deposited on three different type of substrates i.e. silicon, glass and Polyethylene Naphthalate (PEN) substrates. The deposition techniques which has been used are Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Physical Vapor Deposition (PVD) and Ion Beam Sputter Deposition (IBSD). The thickness of the SiO2 thin layer was kept constant at 150nm for each deposition process. The surface roughness was measured by Stylus Profilometry and Atomic Force Microscopy (AFM). It was found that the layer which was deposited by IBSD has got the minimum surface roughness value and the layer which was deposited by PECVD process has the highest surface roughness value. During the same investigation, the substrate temperature of PECVD was varied from 80° C to 300° C with the step size of 40° C and it was found that the surface roughness keeps on increasing as the substrate holder temperature increases in the PECVD process. A new insulation layer system was proposed to minimize the dielectric breakdown effect in insulation layer for micromirror arrays. The conventional bilayer system was replaced by five layer system but the total thickness of insulation layer remains the same. It was found that during the actuation of micromirror arrays structure, the dielectric breakdown effect was reduced considerably as compared to the bilayer system. In the second step the fabrication process of the micromirror arrays was successfully adapted and transferred from glass substrates to the flexible PEN substrates by optimizing the conventional process recipe. In the last section, a large module of micromirror arrays was fabricated by electrically interconnecting four 10cm×10cm micromirror modules on a glass pane having dimensions of 21cm×21cm.

Simultaneous Drying and Separation of Composite Agricultural Material for Hay Processing

In composite agricultural materials such as grass, tee, medicinal plants; leaves and stems have a different drying time. By this behavior, after leaving the dryer, the stems may have greater moisture content than desired, while the leaves one minor, which can cause either the appearance of fungi or the collapse of the over-dried material. Taking into account that a lot of grass is dehydrated in forced air dryers, especially rotary drum dryers, this research was developed in order to establish conditions enabling to make a separation of the components during the drying process in order to provide a homogeneous product at the end. For this, a rotary dryer consisting of three concentric cylinders and a circular sieve aligned with the more internal cylinder was proposed; so that, once material enters into the dryer in the area of the inner cylinder, stems pass through sieve to the middle and then continue towards the external cylinder, while the leaves continue by the inner cylinder. For this project, a mixture of Ryegrass and White Clover was used. The characteristics of the components of a mixture were: Drying Rate in thin layer and in rotation, Bulk density, Projected Area, Terminal velocity, weight/Area Ratio, Flux through Rotary sieve. Three drying temperatures; 40°C, 60° C and 80° C, and three rotation speeds; 10 rpm, 20 rpm and 40 rpm were evaluated. It was found that the differences in drying time are the less at 80 °C when the dryer rotates at 40 rpm. Above this speed, the material adheres to the walls of the dryer or sieve and does not flow. According to the measurements of terminal velocity of stems and leaves of the components of the mixture, the speed of the air should be less than 1.5 m s-1 in the inner drum for the leaves and less than 4.5 m s-1 in middle and outer drums for stems, in such way that only the rotational movement of the dryer moves the material and achieves a greater residence time. In other hand, the best rotary sieve separation efficiencies were achieved when the material is dry, but the results are good in all the moisture contents. The best rotary speed of sieve is within the critical rotational speed, i.e. 20 rpm. However, the rotational speed of the dryer, including the sieve in line with the inner cylinder should be 10 rpm or less in order to achieve the greatest residence times of the material inside the dryer and the best agitation through the use of lifting flights. With a finite element analysis of a dryer prototype, using an air flow allowing speeds of air already stated, I was found that the best performance occurs when, through a cover, air enters the dryer front of the Middle cylinder and when the inner cylinder is formed in its entirety through a sieve. This way, air flows in almost equal amounts by both the middle and external cylinders, while part of the air in the Middle cylinder passes through the sieve towards the inner cylinder. With this, leaves do not adhere to the sieve and flow along drier, thanks to the rotating movement of the drums and the showering caused by the lifting flights. In these conditions, the differences in drying time are reduced to 60 minutes, but the residence time is higher for the stems than for leaves, therefore the components of the mixture of grass run out of the dryer with the same desired moisture content.

Instant Storyboarding

This thesis aims at empowering software customers with a tool to build software tests them selves, based on a gradual refinement of natural language scenarios into executable visual test models. The process is divided in five steps: 1. First, a natural language parser is used to extract a graph of grammatical relations from the textual scenario descriptions. 2. The resulting graph is transformed into an informal story pattern by interpreting structurization rules based on Fujaba Story Diagrams. 3. While the informal story pattern can already be used by humans the diagram still lacks technical details, especially type information. To add them, a recommender based framework uses web sites and other resources to generate formalization rules. 4. As a preparation for the code generation the classes derived for formal story patterns are aligned across all story steps, substituting a class diagram. 5. Finally, a headless version of Fujaba is used to generate an executable JUnit test. The graph transformations used in the browser application are specified in a textual domain specific language and visualized as story pattern. Last but not least, only the heavyweight parsing (step 1) and code generation (step 5) are executed on the server side. All graph transformation steps (2, 3 and 4) are executed in the browser by an interpreter written in JavaScript/GWT. This result paves the way for online collaboration between global teams of software customers, IT business analysts and software developers.