Utilization of the three-dimensional volcano surface to understand the chemistry of multiphase systems in heterogeneous catalysis

CO hydrogenation is used as a model system to understand why multiphase catalysts are chemically important in heterogeneous catalysis. By including both adsorption and subsequent surface reactions, kinetic equations are derived with two fundamental properties, the chemisorption energies of C and O (Delta H-C and Delta H-O, respectively). By plotting the activity against Delta H-C and Delta H-O, a 3-D volcano surface is obtained. Because of the constraint between Delta H-C and Delta H-O on monophase systems, a maximum can be achieved. However, if multiphase systems are used, such a constraint can be released and the global maximum may be achieved.

Heterogeneous mixed-layer clays from the Cretaceous greensand, Isle of Wight, southern England

The sea-cliffs of the Isle of Wight were deposited during a period of overall sea-level rise starting in the Barremian (Lower Cretaceous) and continuing into the Aptian and Albian. They consist of fluvial, coastal and lagoonal sediments including greensands and clays. Numerous episodes of erosion, deposition and faunal colonization reflect condensation and abandonment of surfaces with firmgrounds and hardgrounds. This study focused mainly on shallow marine cycles where variations in clay mineralogy would not be expected, because overall system composition, sediment source, and thermal history are similar for all the samples in the studied section. Instead we found a wide variety of clay assemblages even in single samples within a 200 in interval.

Blue bottle light: lecture demonstrations of homogeneous and heterogeneous photo-induced electron transfer reactions

The classic, non-photochemical blue bottle experiment involves the reaction of methylene blue (MB) with deprotonated glucose, to form a bleached form of the dye, leuco-methylene blue (LMB), and subsequent colour recovery by shaking with air. This reaction is a popular demonstrator of key principles in kinetics and reaction mechanisms. Here it is modified so as to highlight features of homogenous and heterogeneous photoinduced electron transfer (PET) (Pure Appl. Chem., 2007, 79, 293-465) reactions, i.e. blue bottle light experiments. The homogeneous blue bottle light experiment uses methylene blue, MB, as the photo-sensitizer and triethanolamine as the sacrificial electron donor. Visible light irradiation of this system leads to its rapid bleaching, followed by the ready restoration of its original colour upon shaking away from the light source. The heterogeneous blue bottle light experiment uses titania as the photo-sensitizer, MB as a redox indicator and glucose as the sacrificial electron donor. UVA light irradiation of this system leads to the rapid bleaching of the MB and the gradual restoration of its original colour with shaking and standing. The latter 'dark' step can be made facile and more demonstrator-friendly by using platinised titania particles. These two photochemical versions of the blue bottle experiment are used to explore the factors which underpin homogeneous and heterogeneous PET reactions and provide useful demonstrations of homogeneous and heterogeneous photochemistry.

Targeting heterogeneous architectures via macro data flow

We propose a data flow based run time system as an efficient tool for supporting execution of parallel code on heterogeneous architectures hosting both multicore CPUs and GPUs. We discuss how the proposed run time system may be the target of both structured parallel applications developed using algorithmic skeletons/parallel design patterns and also more "domain specific" programming models. Experimental results demonstrating the feasibility of the approach are presented. © 2012 World Scientific Publishing Company.

Rapid Implementation and Optimisation of DSP Systems on SoPC Heterogeneous Platforms

The emergence of programmable logic devices as processing platforms for digital signal processing applications poses challenges concerning rapid implementation and high level optimization of algorithms on these platforms. This paper describes Abhainn, a rapid implementation methodology and toolsuite for translating an algorithmic expression of the system to a working implementation on a heterogeneous multiprocessor/field programmable gate array platform, or a standalone system on programmable chip solution. Two particular focuses for Abhainn are the automated but configurable realisation of inter-processor communuication fabrics, and the establishment of novel dedicated hardware component design methodologies allowing algorithm level transformation for system optimization. This paper outlines the approaches employed in both these particular instances.

Intrusion Detection System for Network Security in Synchrophasor Systems

Synchrophasor systems will play a crucial role in next generation Smart Grid monitoring, protection and control. However these systems also introduce a multitude of potential vulnerabilities from malicious and inadvertent attacks, which may render erroneous operation or severe damage. This paper proposes a Synchrophasor Specific Intrusion Detection System (SSIDS) for malicious cyber attack and unintended misuse. The SSIDS comprises a heterogeneous whitelist and behavior-based approach to detect known attack types and unknown and so-called ‘zero-day’ vulnerabilities and attacks. The paper describes reconnaissance, Man-in-the-Middle (MITM) and Denial-of-Service (DoS) attack types executed against a practical synchrophasor system which are used to validate the real-time effectiveness of the proposed SSIDS cyber detection method.

Multi-Attribute SCADA-Specific Intrusion Detection System for Power Networks

The increased interconnectivity and complexity of supervisory control and data acquisition (SCADA) systems in power system networks has exposed the systems to a multitude of potential vulnerabilities. In this paper, we present a novel approach for a next-generation SCADA-specific intrusion detection system (IDS). The proposed system analyzes multiple attributes in order to provide a comprehensive solution that is able to mitigate varied cyber-attack threats. The multiattribute IDS comprises a heterogeneous white list and behavior-based concept in order to make SCADA cybersystems more secure. This paper also proposes a multilayer cyber-security framework based on IDS for protecting SCADA cybersecurity in smart grids without compromising the availability of normal data. In addition, this paper presents a SCADA-specific cybersecurity testbed to investigate simulated attacks, which has been used in this paper to validate the proposed approach.

The ParaPhrase Project:Parallel patterns for adaptive heterogeneous multicore systems

This paper describes the ParaPhrase project, a new 3-year targeted research project funded under EU Framework 7 Objective 3.4 (Computer Systems), starting in October 2011. ParaPhrase aims to follow a new approach to introducing parallelism using advanced refactoring techniques coupled with high-level parallel design patterns. The refactoring approach will use these design patterns to restructure programs defined as networks of software components into other forms that are more suited to parallel execution. The programmer will be aided by high-level cost information that will be integrated into the refactoring tools. The implementation of these patterns will then use a well-understood algorithmic skeleton approach to achieve good parallelism. A key ParaPhrase design goal is that parallel components are intended to match heterogeneous architectures, defined in terms of CPU/GPU combinations, for example. In order to achieve this, the ParaPhrase approach will map components at link time to the available hardware, and will then re-map them during program execution, taking account of multiple applications, changes in hardware resource availability, the desire to reduce communication costs etc. In this way, we aim to develop a new approach to programming that will be able to produce software that can adapt to dynamic changes in the system environment. Moreover, by using a strong component basis for parallelism, we can achieve potentially significant gains in terms of reducing sharing at a high level of abstraction, and so in reducing or even eliminating the costs that are usually associated with cache management, locking, and synchronisation. © 2013 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Power Modeling and Capping for Heterogeneous ARM/FPGA SoCs

Low-power processors and accelerators that were originally designed for the embedded systems market are emerging as building blocks for servers. Power capping has been actively explored as a technique to reduce the energy footprint of high-performance processors. The opportunities and limitations of power capping on the new low-power processor and accelerator ecosystem are less understood. This paper presents an efficient power capping and management infrastructure for heterogeneous SoCs based on hybrid ARM/FPGA designs. The infrastructure coordinates dynamic voltage and frequency scaling with task allocation on a customised Linux system for the Xilinx Zynq SoC. We present a compiler-assisted power model to guide voltage and frequency scaling, in conjunction with workload allocation between the ARM cores and the FPGA, under given power caps. The model achieves less than 5% estimation bias to mean power consumption. In an FFT case study, the proposed power capping schemes achieve on average 97.5% of the performance of the optimal execution and match the optimal execution in 87.5% of the cases, while always meeting power constraints.

An understanding and implications of the coverage of surface free sites in heterogeneous catalysis

The crucial roles of the coverage of surface free sites in determining catalytic activity trend are quantitatively addressed with the help of density functional theory and microkinetics. First, by analyzing activity trends of NO oxidation catalyzed by Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt surfaces with full kinetic considerations, we identify that the activity trend is in general determined by the competition between the reaction barrier and the coverage of surface free sites. Second, since the dissociation of many important molecules, such as the dissociation of N(2), O(2), and CO, follows the same Bronsted-Evans-Polanyi relationship, the coverage of surface free sites is usually a decisive term that affects the overall activity. Third, an equation is derived for the coverage of surface free sites and it is found that the coverage of surface free sites contains not only all the key thermodynamic parameters but also all the kinetic properties in the catalytic system. (C) 2009 American Institute of Physics. [DOI: 10.1063/1.3140202]

HpMC: An Energy- Aware Management System for Multi-Level Memory Architectures

DRAM technology faces density and power challenges to increase capacity because of limitations of physical cell design. To overcome these limitations, system designers are exploring alternative solutions that combine DRAM and emerging NVRAM technologies. Previous work on heterogeneous memories focuses, mainly, on two system designs: PCache, a hierarchical, inclusive memory system, and HRank, a flat, non-inclusive memory system. We demonstrate that neither of these designs can universally achieve high performance and energy efficiency across a suite of HPC workloads. In this work, we investigate the impact of a number of multilevel memory designs on the performance, power, and energy consumption of applications. To achieve this goal and overcome the limited number of available tools to study heterogeneous memories, we created HMsim, an infrastructure that enables n-level, heterogeneous memory studies by leveraging existing memory simulators. We, then, propose HpMC, a new memory controller design that combines the best aspects of existing management policies to improve performance and energy. Our energy-aware memory management system dynamically switches between PCache and HRank based on the temporal locality of applications. Our results show that HpMC reduces energy consumption from 13% to 45% compared to PCache and HRank, while providing the same bandwidth and higher capacity than a conventional DRAM system.

Runtime Support for Adaptive Power Capping on Heterogeneous SoCs

Power capping is a fundamental method for reducing the energy consumption of a wide range of modern computing environments, ranging from mobile embedded systems to datacentres. Unfortunately, maximising performance and system efficiency under static power caps remains challenging, while maximising performance under dynamic power caps has been largely unexplored. We present an adaptive power capping method that reduces the power consumption and maximizes the performance of heterogeneous SoCs for mobile and server platforms. Our technique combines power capping with coordinated DVFS, data partitioning and core allocations on a heterogeneous SoC with ARM processors and FPGA resources. We design our framework as a run-time system based on OpenMP and OpenCL to utilise the heterogeneous resources. We evaluate it through five data-parallel benchmarks on the Xilinx SoC which allows fully voltage and frequency control. Our experiments show a significant performance boost of 30% under dynamic power caps with concurrent execution on ARM and FPGA, compared to a naive separate approach.

Adaptation of Cladocerans in metal-polluted heterogeneous environments

No presente trabalho o cladócero Daphnia longispina foi utilizado como organismo modelo para a avaliação dos efeitos ecológicos da adaptação a ambientes contaminados por metais. Foram amostradas populações naturais de D. longispina num local sujeito à contaminação por metais e num local próximo, de referência, ambos localizados no sistema aquático na área envolvente à mina abandonada de São Domingos. Várias linhagens clonais de ambas as populações foram mantidas em laboratório, sob condições controladas, para a execução dos testes. Um dos testes realizados permitiu estudar e quantificar as diferenças na tolerância letal entre as linhagens clonadas de ambas as populações e também avaliar os custos associados. Utilizando vinte linhagens clonais de D. longispina das duas populações verificou-se que apenas clones sensíveis ao cobre estavam presentes na população de referência e clones resistentes ao cobre estavam presentes na população do local contaminado. Os custos associados à tolerância foram ilustrados pela determinação de taxas alimentares mais baixas para a população tolerante quando comparadas com as da população de referência. Outro dos testes realizados permitiu comparar as respostas de clones de populações de ambos os locais – contaminado e referência – à exposição a concentrações sub-letais do metal cobre. A tolerância evidenciada anteriormente ao nível letal foi confirmada ao nível sub-letal, com o clone proveniente da população do local contaminado evidenciando uma maior tolerância ao cobre quando comparado com os restantes clones, para todos os parâmetros analisados (taxas alimentares, consumo de oxigénio, crescimento e reprodução). Os efeitos da aclimatação ao cobre ao longo de várias gerações foram também avaliados num clone de D. longispina. Os resultados evidenciaram a existência de uma adaptação fisiológica ao cobre ao longo das várias gerações que, no entanto, apenas aumentou marginalmente a tolerância a níveis de cobre letais. Para além disso, observou-se também uma grande variação nas respostas do clone de D. longispina estudado, não só entre concentrações de cobre mas também entre gerações. Os resultados obtidos nos vários estudos realizados com linhagens clonais de ambas as populações de D. longispina reforçam a importância de integrar a temática do desenvolvimento de tolerância à poluição aquando da avaliação dos riscos ambientais e ecológicos de compostos químicos, como os metais, no meio ambiente.

Preparation of new materials by heterogeneous modification of cellulose

O presente trabalho teve como principal objectivo estudar a modificação química heterogénea controlada de fibras de celulose com diferentes reagentes de modo a alterar as suas propriedades de superfície, em especial em termos da criação de um carácter hidrofóbico e lipofóbico, preservando, sempre que possível, as suas propriedades mecânicas e, consequentemente, abrindo novas perspectivas de aplicação. O desenvolvimento do trabalho envolveu três abordagens principais, envolvendo, em cada caso, o estudo de diferentes condições reaccionais. Na primeira abordagem foram utilizados como reagentes de modificação compostos perfluorados, nomeadamente o anidrido trifluoroacético (TFAA), o cloreto de 2,3,4,5,6-pentafluorobenzoílo (PFBz) e o cloreto de 3,3,3- trifluoropropanoílo (TFP), para promover a acilação heterogénea da superfície das fibras. A segunda estratégia usada consistiu na preparação de híbridos de celulose do tipo orgânico-inorgânico classe-II, através da modificação das fibras de celulose com o (3-isocianatopropil)trietoxissilano (ICPTEOS), um reagente organossilano bifuncional. A ligação às fibras de celulose foi efectuada através das funções isocianato e, posteriormente, os grupos etoxissilano foram sujeitos a tratamentos de hidrólise ácida, como tal ou na presença de outros siloxanos, nomeadamente o tetraetoxissilano (TEOS) e o 1H,1H,2H,2Hperfluorodeciltrietoxissilano (PFDTEOS). Finalmente, a última abordagem foi baseada na modificação das fibras com triclorometilssilano (TCMS), através de uma reacção gás-sólido, que dispensou assim o uso de solventes orgânicos. A ocorrência de modificação química foi em cada caso confirmada por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier e Reflectância Total Atenuada (FTIR-ATR), Análise Elementar (EA) e determinação de ângulos de contacto. Adicionalmente, e dependendo de cada caso específico, diversas outras técnicas foram empregues na caracterização aprofundada dos materiais preparados, nomeadamente Ressonância Magnética Nuclear CPMAS no Estado Sólido (RMN), Espectroscopia de Difracção de Raios-X (XRD), Análise Termogravimétrica (TGA), Espectrometria de Massa de Iões Secundários com Análise de Tempo de Vôo (ToF-SIMS), Espectroscopia Fotoelectrónica de Raios-X (XPS) e Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM). Relativamente à acilação das fibras de celulose com reagentes perfluorados, o sucesso da reacção foi comprovado por FTIR-ATR, EA, XPS e ToF-SIMS. Neste contexto, obtiveram-se fibras modificadas possuindo graus de substituição (DS) compreendidos entre 0.006 e 0.39. Verificou-se por XRD que, em geral, mesmo para os valores de DS mais elevados, a cristalinidade das fibras não foi afectada, indicando que a modificação foi limitada às camadas mais superficiais das mesmas ou a regiões amorfas das suas camadas mais internas. Adicionalmente, observou-se por ToF-SIMS que a distribuição dos grupos perfluorados à superfície das fibras foi, de facto, bastante heterogénea. Todos os derivados de celulose perfluorados apresentaram elevada hidrofobicidade e lipofobicidade, tendo-se atingido ângulos de contacto com água e diiodometano de 126º e 104º, respectivamente. Um aspecto interessante relativo a estes materiais é que a elevada omnifobicidade foi observada mesmo para valores de DS muito reduzidos, não se mostrando significativamente afectada pelo aumento dos mesmos. Em consonância, verificou-se por XPS que a cobertura da superfície das fibras de celulose com grupos perfluorados aumentou apenas ligeiramente com o aumento do DS, apontando para a esterificação de camadas mais internas das fibras, associada, neste caso, predominantemente aos seus domínios amorfos. No que diz respeito à estabilidade hidrolítica destes derivados, obtiveram-se dois tipos distintos de comportamento. Por um lado, as fibras de celulose trifluoroacetiladas são facilmente hidrolisáveis em meio neutro, e, por outro, as fibras pentafluorobenzoiladas e trifluoropropanoiladas mostram-se bastante resistentes face a condições de hidrólise em meio neutro e ácido (pH 4), podendo, contudo, ser facilmente hidrolisadas em meio alcalino (pH 9 e 12, para derivados do PFBz e do TFP, respectivamente). Na segunda abordagem verificou-se a ocorrência de reacção por FTIR-ATR e EA. Em geral, a modificação química com ICPTEOS ocorre predominantemente nas zonas mais superficiais das fibras de celulose ou em regiões amorfas. Contudo, em condições reaccionais mais severas (maior quantidade de reagente e tempo de reacção), esta atingiu também regiões cristalinas, afectando, consequentemente, a estrutura cristalina das fibras, como verificado por XRD. Por RMN de 29Si observou-se que após reacção com o ICPTEOS já existiam indícios de alguma hidrólise dos grupos etoxissilano, e que a sua subsequente condensação parcial tinha levado à formação de uma película inorgânica em redor das fibras (verificado por SEM), constituída maioritariamente por estruturas lineares, com uma contribuição mais modesta de estruturas “diméricas” e outras mais ramificadas. Consequentemente, este revestimento inorgânico transformou as fibras de celulose em materiais híbridos com elevada hidrofobicidade (ângulos de contacto com água entre 103-129º). A hidrólise ácida dos restantes grupos etoxissilano, como tal ou na presença de TEOS, originou híbridos de celulose com elevada hidrofilicidade, sendo impossível medirem-se os ângulos de contacto com água dos produtos finais, devido à presença maioritária de grupos silanol (Si-OH) e ligações Si-O-Si à superfície, os quais contribuíram para o consequente aumento de energia de superfície. No entanto, quando a hidrólise foi realizada na presença de PFDTEOS, obtiveram-se materiais híbridos com elevada hidrofobicidade e lipofobicidade (ângulos de contacto com água e diiodometano de 140º e 134º, respectivamente), devido à combinação da presença de grupos perfluorados e micro- e nano-rugosidades na superfície das fibras de celulose, conforme confirmado por SEM. Finalmente, a última abordagem permitiu preparar materiais derivados de celulose altamente hidrofóbicos e lipofóbicos (ângulos de contacto com água e diiodometano de 136º e 109º, respectivamente) por um processo simples, envolvendo tempos de tratamento tão curtos como 0.5 min. Este comportamento omnifóbico foi gerado pelo efeito sinergético entre a diminuição de energia de superfície das fibras, devido à presença de grupos metilo dos resíduos de TCMS ligados a estas, e a condensação dos resíduos de TCMS na forma de micro- e nano-partículas inorgânicas, que levou à criação de um revestimento rugoso à superfície das fibras, conforme observado por RMN de 29Si e SEM, respectivamente. A pré-humidificação das fibras de celulose demonstrou desempenhar um importante papel de “acelerador” dos processos de hidrólise e condensação das moléculas de TCMS. Nestas condições, o tempo de tratamento foi um dos parâmetros mais relevantes, pois para tempos de tratamento muito curtos (0.5 min) os materiais resultantes não apresentaram quaisquer diferenças a nível de propriedades físico-químicas em relação ao substrato de partida (a humidade em excesso consumiu todo o TCMS antes que este conseguisse reagir com os grupos hidroxilo das fibras de celulose), possuindo, por exemplo, valores de ângulos de contacto com água idênticos. Para tempos de tratamento mais longos, como 30 min, os materiais finais apresentaram a maior quantidade de componentes inorgânicos, tal como verificado por EA e TGA. Assim, o controlo da humidade das fibras é imperativo para se poder moldar as propriedades finais dos produtos. Esta última abordagem é particularmente promissora uma vez que tem como base um sistema simples e “verde” que pode ser facilmente implementado. Em conclusão, este trabalho permitiu demonstrar que a modificação química heterogénea controlada das fibras de celulose representa uma iniciativa promissora para a preparação de novos materiais obtidos a partir de recursos renováveis, com propriedades interessantes e passíveis de ser potencialmente aplicados em diferentes áreas. Para além do mais, as estratégias de modificação estudadas podem também ser precursoras de novos estudos que possam vir a ser desenvolvidos dentro do mesmo âmbito.

Energy-aware task mapping onto heterogeneous platforms using DVFS and sleep states

Heterogeneous multicore platforms are becoming an interesting alternative for embedded computing systems with limited power supply as they can execute specific tasks in an efficient manner. Nonetheless, one of the main challenges of such platforms consists of optimising the energy consumption in the presence of temporal constraints. This paper addresses the problem of task-to-core allocation onto heterogeneous multicore platforms such that the overall energy consumption of the system is minimised. To this end, we propose a two-phase approach that considers both dynamic and leakage energy consumption: (i) the first phase allocates tasks to the cores such that the dynamic energy consumption is reduced; (ii) the second phase refines the allocation performed in the first phase in order to achieve better sleep states by trading off the dynamic energy consumption with the reduction in leakage energy consumption. This hybrid approach considers core frequency set-points, tasks energy consumption and sleep states of the cores to reduce the energy consumption of the system. Major value has been placed on a realistic power model which increases the practical relevance of the proposed approach. Finally, extensive simulations have been carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm. In the best-case, savings up to 18% of energy are reached over the first fit algorithm, which has shown, in previous works, to perform better than other bin-packing heuristics for the target heterogeneous multicore platform.