Statically-analyzed stream monitoring for cyber-physical Systems

Cyber-physical systems are digital systems interacting with the physical world. Even though this induces an inherent complexity, they are responsible for safety-critical tasks like governing nuclear power plants or controlling autonomous vehicles. To preserve trust into the safety of such systems, this thesis presents a runtime verification approach designed to generate trustworthy monitors from a formal specification. These monitors are responsible for observing the cyber-physical system during runtime and ensuring its safety. As underlying language, I present the asynchronous real-time specification language RTLola. It contains primitives for arithmetic properties and grants precise control over the timing of the monitor. With this, it enables specifiers to express properties relevant to cyber-physical systems. The thesis further presents a static analysis that identifies inconsistencies in the specification and provides insights into the dynamic behavior of the monitor. As a result, the resource consumption of the monitor becomes predictable. The generation of the monitor produces either a hardware description synthesizable onto programmable hardware, or Rust code with verification annotation. These annotations allow for proving the correctness of the monitor with respect to the semantics of RTLola. Last, I present the construction of a conservative hybrid model of the underlying system using information extracted from the specification. This model enables further verification steps.Cyber-physische Systeme sind digitale Systeme, die mit der physischen Welt interagieren. Obwohl das zu einer inhärenten Komplexität führt, sind sie verantwortlich für sicherheitskritische Aufgaben wie der Steuerung von Kernkraftwerken oder autonomen Fahrzeugen. Umdas Vertrauen in deren Sicherheit zu wahren, präsentiert diese Doktorarbeit einen Ansatz zur Laufzeitverifikation, konzipiert, um vertrauenswürdige Monitore aus einer formalen Spezifikation zu generieren. Diese Monitore sind dafür verantwortlich, das cyber-physische System zur Laufzeit zu überwachen und dessen Sicherheit zu gewährleisten. Als zugrundeliegende Sprache präsentiere ich die asynchrone Echtzeit-Spezifikationssprache RTLola. Sie enthält Primitiven für arithmetische Eigenschaften und gewährt präzise Kontrolle über das Timing des Monitors. Damit wird es Spezifizierenden ermöglicht Eigenschaften auszudrücken, die für Cyber-physische Systeme relevant sind. Weiterhin präsentiert diese Doktorarbeit eine statische Analyse, die Unstimmigkeiten in der Spezifikation identifiziert und Einblicke in das dynamische Verhalten des Monitors liefert. Aufgrund dessen wird der Ressourcenverbrauch des Monitors vorhersehbar. Die Generierung des Monitors erzeugt entweder eine Hardwarebeschreibung, die auf programmierbarer Hardware synthetisiert werden kann, oder Rust Code mit Verifikationsannotationen. Diese Annotationen erlauben es, die Korrektheit des Monitors bezogen auf die Semantik von RTLola zu beweisen. Abschließend präsentiere ich die Konstruktion von einem konservativen hybriden Modell des zugrundeliegenden Systems anhand von Informationen, die aus der Spezifikation gewonnen wurden. Dieses Modell ermöglicht weitere Verifikationsschritte

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability

Implementations Of Novel Cellular Nonlinear And Cellular Logic Networks And Their Applications

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Bu tez, doğrusal olmayan sistemler ailesinden gevşemeli osilatörler, lojik osilatörler, zaman gecikmeli kaotik osilatörler; bu sistemlerden kurulan ağlar, bunların elektronik gerçeklemeleri ve uygulama alanlarında katkılar sunmaktadır. Tez, iki hipotezi tartışır. Tezde, doğrusal olmayan dalga yayılımı için ortam olan iki boyutlu hücresel doğrusal olmayan ağlar, iki boyutlu hareket planlama problemlerinde hedefin gelecekteki durumlarını öngörmeye yarayan öznitelikler ürettiği gösterilmiştir. Ayrıca, zaman gecikmeli sistemlerde kullanılan, ürettiği ikili sembol dizileri gerçek rastgele bit dizisi olan, en az bir tane iki seviyeli çıkış veren geribesleme fonksiyonu vardır. İki hipotezli bu doktora çalışmasında, hücresel gevşemeli osilatör ağ uygulamaları ve zaman-gecikmeli kaotik osilatör gerçeklemeleri ağırlıklı araştırma sahaları olmuştur. Elde edilen çıktıların çoğu bu iki başlık altında toplanmıştır ve iki hipotez test edilmiştir. Gevşemeli osilatörler ile ilişkili çalışmalar doktora başlangıcından sonuna kadar geçen süreye yayılmıştır. Başlangıçta hedeflenen yeni bir hücresel gevşemeli osilatör ağ modeline başarıyla ulaşılmıştır. Zaman gecikmeli kaotik sistemler ile ilişkili çalışmalar ise tez çalışmalarına sonradan dahil olmuş, sürenin orta ve son kısmında yoğun olarak yürütülmüştür. Özetin devamında, tezin yazım organizasyonuna göre ana bölümler ve alt bölümler kısaca anlatılacak ve aralarındaki ilişki sunulacaktır. Giriş bölümünü takip eden ilk bölüm olan 'Hücreler' bölümünde beş osilatör modeli sunulmaktadır. İlk osilatör (Osilatör 1) çalışmalara referans olan gevşemeli osilatördür ve modelinde bir parça parça doğrusal fonksiyon bulunmaktadır. Bu fonksiyon, iki mutlak değer fonksiyonu ile gerçekleştirilebilir. Osilatör 2, yeni bir gevşemeli osilatör modelidir ve bu doktoranın orjinal önermelerindendir. Model yalnızca bir tane işaret (signum) fonksiyonu barındırır. Osilatör 3 ise lojik osilatör olmakla birlikte, Osilatör 1 ve 2'ye ait dinamik davranışın taklidini yapmaktadır. Kısaca, gevşemeli osilatörde mevcut iki durum deği ̧skeninin birbirine yakın (tepe) değerlerde bulunduğu, biri pozitif diğeri negatif iki tepe durum, ve bunlar arasında farklı yörüngeler üzerinden gerçekle ̧sen iki geçi ̧s durumu, Osilatör 3'teki dört durum ile modellenmi ̧stir. Lojik osilatörün, gev ̧semeli osilatöre davranı ̧ssal olarak benzetilerek sentezlenmesi tezin literatüre katkılarındandır. Osilatör 4 ise yeni bir zaman gecikmeli kaotik sistemi, önerdiği iki seviyeli çıkış veren bir doğrusal olmayan fonksiyon ile sunar. Modelinde bulunan doğrusal olmayan fonksiyonun seviye sayısı sistematik şekilde arttırılarak çok sarmallı çekici üreten kaotik model elde edilmiştir. Osilatör 5 olarak anılacak olan bu modelde doğrusal olmayan fonksiyonun genelleştirilmesi verilir. Yeni önerilen doğrusal olmayan foksiyonları ile hem Osilatör 4 modeli hem de Osilatör 5 modeli tezin literatüre katkılarındandır. Üçüncü ana bölüm olan 'Ağlar'da, beş osilatörden ilk dördü kullanılmakta ve farklı iki tip ağ kurulmaktadır. Osilatör 1, 2 ve 3 ile hücresel doğrusal olmayan ağlar oluşturulmuş, Ağ 1, 2 ve 3 isimleri verilmiştir. Dördüncü osilatör (kaotik zaman gecikmeli osilatör) ile farklı bir tip ağ kurulmuştur. Ağ 1 referans modeldir ve tezde bilgilendirme amacıyla bulunur. Her üç ağ üzerinde, doğrusal olmayan dalgalardan, otodalga ve yürüyen dalganın üretilmesi ve yayılması gösterilmiştir. Ağ 2 ve Ağ 3 için otodalga ve yürüyen dalgaları üreten bağlantı kuralları ve parametreler tezde önerilen yeniliklerdendir. Üç ağda aranan ilerleme, ardı ardına ve lokasyonu değişen kaynak ile üretilen yürüyen dalgaların, 2 boyutlu uzayda iç içe geçmiş ve Doppler Etkisini ortaya çıkarmış dalga çeperleri oluşturmasıdır. Çalışmalarda üç ağda da Doppler Etkisinin gözlenmesi başarılmıştır. Ağların hücreleri otonom osilasyon yapan dinamikte iken otodalga yayılmakta, tezde açıklanan kurallar ile çift kararlı (bistable) dinamiğe sahip kılındıklarında ise yürüyen dalga yayılabilmektedir. Ağ 1, 2 ve 3, beş farklı metrik ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma esnasında hücreler çift kararlı davranışa ayarlanmış, yürüyen dalga yayılmıştır. Metrik 1, dalga çeperi geçiş periyodu olan d büyüklüğünün çözünürlüğüdür. Ağ 3 neredeyse 2 değere nicelenmiş d üretebilir, Ağ 2 dört farklı değerde, Ağ 1 çok daha fazla değerde d üretebilir. Tez, Doppler Etkisinin sonucu olarak kaynak hareketi ile ilişkilenen d değişkeninin analizini uygulama kısmında kullanır. Dolayısıyla, d'nin niceleme seviyesindeki fazlalık, analiz işleminde sonuçların keskinliğini etkiler. Metrik 2 elektronik gerçekleme karmaşıklığıdır. Ağ 3'ün lojik devre olması sebebiyle, modele uygun gerçekleme az sayıda transistor ile mümkündür. Ağ 1 ve 2 ise sürekli zamanlı modellere sahip olduğundan analog devre olarak gerçeklenebilir. Modele uygun, yüksek doğrulukta çalışacak, gerçeklemenin karşılaştırıcı, toplayıcı, integre edici, kuvvetlendirici, çoklayıcı gibi bileşenleri çok sayıda transistor gerektirir. Ağ 1 gerçeklemesi, daha karmaşık olan doğrusal olmayan fonksiyonu sebebi ile Ağ 2 gerçeklemesinden karmaşık olacaktır. Metrik 3 uzaysal-zamansal çalışma bölgesinde ağ üzerinde yayılan dalga çeperlerinin yayılma hızıdır. Sürekli zaman modelli Ağ 1 ve Ağ 2'de hız saniye birim zamanda değerlendirilirken, ayrık zamanlı Ağ 3'te hız iterasyon adımına göre değerlendirilmektedir. Ancak, modellerin sayısal yöntemler ile çözümü, her üçünü de ayrık zamanlı ve karşılaştırılabilir hale getirir. Buna göre Ağ 3 en hızlı dalga yayılan ağdır. Ağ 2'de de Ağ 1'e göre daha hızlı dalga yayılır. Metrik 4, ağdaki hücrelerin (1 ve 2'de) eyer noktaları arasındaki hareketlerinde geçen süre ve (3'te) tepe durumlar arasındaki hareketlerinde geçen süredir. Metrik 3'teki gibi, yeni durumuna en hızlı yerleşen hücreler Ağ 3'tekiler, daha yavaş yerleşenler Ağ 2'dekiler, ve en yavaş yerleşenler Ağ 1'dekilerdir. Yerleşme hızı, giriş işareti ile yeni dalga yaratma sıklığını üstten sınırlandıran bir büyüklük olarak değerlendirilmelidir. Yayılan dalga çeperlerinin eğriliği Metrik 5'tir. Ağ 3'te yayılan yürüyen dalga ve otodalga çeperleri dörtgen şeklindedir. Ağ 2'te otodalgalar dörtgen şekilde yayılırken, yürüyen dalga için parametre araştırmasında, uygulanan bir ofset ile sistem dinamiği sekizgen dalga çeperi üretecek hale getirilmiştir. Ağ 1 çember şekle sahip dalga formları yayabilmesi sayesinde diğer ikisine göre uygulamalarda avantajlı konuma gelmektedir. Ağlar ana bölümünün içerdiği son ağ bir boyutlu, tek yönlü bağlantıya sahip zaman gecikmeli hücrelerden kurulu ağdır. Bu ağ, kaotik osilatörler arasında sezgisel (anticipating) senkronizasyonun kurulabildiğini göstermektedir. Takip eden ana bölümde Hücreler ve Ağlar bölümünden modellerin bir kısmının gerçeklemesi için yapılan çalışmalar sunulmaktadır. Ağ 1'in ileri Euler metodu ile ayrıklaştırılmış hali sayısal sistem olarak tasarlanmış ve seçilen Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi (Field Programmable Gate Array, FPGA) üzerinde gerçeklenmiştir. Yapılan gerçeklemede, 2008'de gerçeklenen kayan nokta sayı formatıyla çalışan aritmetik devreler yerine sabit nokta aritmetiği kullanılmıştır. Devrenin çalışma performansı ve FPGA üzerinde kapladığı alan açısından referans tasarım ile karşılaştırması sunulmuştur. Ayrıca, Grafik İşleme Birimi (Graphics Processing Unit, GPU) üzerinde yine Ağ 1 modeline ilişkin benzetim sonuçları elde edilmiştir ve gerek Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit, CPU) üzerinde çalışan benzetimlerden, gerek FPGA gerçeklemelerinden daha yüksek performans elde edilmiştir. Ağ 3'ün gerçeklemesi FPGA'larda var olan ve günümüzde hala geliştirilmekte olan bir özelliğin ağ gerçeklemesine katkısı incelenerek yapılmıştır. Dinamik Kısmi Yeniden Yapılandırma (Dynamic Partial Reconfiguration, DPR) adlı bu özellik, ile sayısal devrenin bir kısmı çalışırken diğer bir kısmı değiştirilebilir. Bu özellik, Ağ 3'ün bazı hücrelerinin çalışma esnasında değiştirilmesi sağlanacak şekilde kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, FPGA alanından tasarruf sağlanmış fakat öte yandan yalnızca özelliğin aktif tutulmasını sağlayan ek alan tüketimi sorunu da tespit edilmiştir. Bu doktora çalışmasındaki elektronik gerçeklemelerin çoğunluğu zaman gecikmeli sistemler (Osilatör 4, 5) ve ağları (Ağ 4) için yapılmıştır. İki seviyeli doğrusal olmayan fonksiyonla önerilen yeni modelin en büyük avantajı gecikme hattının gerçeklenmesinde görülür. Sayısal devre elemanlarından DEĞİL kapısı (evirici tampon, inverting buffer) ve tutucular, özellikle D tipi tutucu (flip-flop) ile ikili işaretler geciktirilebilir. Senkron tutucular ile yapılan gerçeklemede örneklemeli (sampled-data) sistem modeli kullanılması uygun olur. Bu ana başlık altında anlatılan gerçeklemenin ilki hem DEĞİL kapısı gibi asenkron cevap verebilen (saat işaretsiz) hem de tutucu dizisi kadar uzun gecikme süresi sağlayabilen bir gecikme hattı yapı taşıdır. Tezde, Asenkron Gecikme Çiftleyici (Asynchronous Delay Doubler, ADD) adı verilen bu yeni devre ile iç içe kullanım sayesinde üstel artan gecikme süreleri elde edilebilmiş, bu sayede zaman sabiti büyük olan ayrık analog integrator devrenin ihtiyaç duyduğu uzun gecikme sağlanabilmiştir. Osilatör 4'ün analog integrator, D tipi tutucu gecikme hattı gerçeklemesi; analog integrator, ADD gecikme hattı gerçeklemesi; sayısal integrator, DEĞİL kapısı gecikme hattı gerçeklemesi aynı ana bölümde alt bölümler olarak sunulmaktadır. Bunları Osilatör 5'in analog integrator, D tipi tutucu gecikme hattı gerçeklemesi; Ağ 4'ün analog integrator, D tipi tutucu gecikme hattı geçeklemesi ve yine Ağ 4'ün sayısal integrator, D tipi tutucu gecikme hattı gerçeklemesi takip eder. Sonuçlardan önceki son bölüm olan 'Uygulamalar' ana bölümü, iki bölümden oluşur. İlkinde Ağ 1, kestirim yapılmaksızın geribeslemeli hareket planlama algoritmasında kullanılır. Ardından Doopler Etkisini ve onunla üretilen yeni özniteliği kullanan öngörülü geribeslemeli hareket planlama algoritması sunulmaktadır. Öngörülü planlama tezin içerdiği yeniliklerdendir. Geribeslemeli hareket planı, ayrıklaştırılmış uzayda uzayın her ayrık parçası için bir hareket vektörünün hesaplanmış olduğu plandır. Uzayın, ayrıklaştırılmış olması sebebiyle hücresel doğrusal olmayan ağlarla modellenmesi mümkün olur. Bu ağlar üzerinde dalga hedef noktadan doğar. Dalga yayıldıkça, çeperin ulaştığı hücreler geliş açısını tespit ve kayıt ederek geribeslemeli hareket planı oluşturur. Bu yöntemde geribesleme ifadesinden kasıt, planlama için yayılan dalganın tüm ağa dağılması dolayısıyla modellenen fiziksel dünyanın tüm noktaları için çözümün bulunmuş olması, bu sayede hedefe giden yolların tek seferde, tüm hücreler için aynı anda tespit edilmesidir. Üretilen sonucu kullanan sistem rota üzerinde hata yapsa da elde edilen çözüm sayesinde yeniden hesaplamaya gerek kalmaksızın hedefe doğru ilerlemesi mümkün olmaktadır. 'Uygulamalar'daki bir diğer alt bölümde de zaman gecikmeli Osilatör 4'ün rasgele bit dizisi üretiminde kullanımı konusunda elde edilen araştırma sonuçları verilmiştir. Önerilen kaotik sistemlerin gecikme hattından çıkan bit dizisi rasgele sayı olarak kabul edilir ve NIST'in istatistiksel test ortamıyla dizi sınanır. Uygun düşük hızda yapılan örnekleme sonucunda testi başarıyla geçen bit dizileri elde edilebilektedir. Ayrıca sezgisel senkronizasyon sağlayan ağ ile Osilatör 4 tabanlı rastgele bit üreticisinin gelecekte üretteceği değerlerin önceden tespit edilebildiği gösterilmiştir. Tez boyunca yürütülen çalışmalarda, yeni modeller, yenilikçi gerçeklemeler ve yeni uygulamalara ulaşılmıştır. Her ne kadar tez organizasyonu, hücreler, ağlar, gerçeklemeler ve uygulamalar bölümleriyle yapılmış olsa da içeriği oluşturan çalışmalar, farklı alt bölümlerin bir arada ele alındığı şekilde yürütülmüştür. Bu sebeple, tez çalışması boyunca yayınlanmış olan veya hakem değerlendirmesinde bulunan bildiri ve makaleler farklı alt bölümlerden parçalar ihtiva etmektedir. Çalışma süresince 8 uluslararası konferans bildirisi sunulmuş, 5 dergi makalesi ve 1 kitap bölümü yayınlanmıştır. Ayrıca henüz hakemlik süreci tamamlanmayan 1 dergi makalesi mevcuttur.This thesis is a consistent and coherent reorganization of studies on two topics of nonlinear systems. First topic includes Relaxation Oscillators and logic oscillators with similar behavior which are locally coupled and the resulting Cellular Nonlinear Networks (CNN) are utilized for a predictive motion planning algorithm. Nonlinear waves, especially autowave and traveling wave, have been studied and their system model, coupling schemes, parameters, and inputs generating both types of nonlinear waves are explained. The research covers two implementations of selected CNN and compares their digital circuit (FPGA prototyping), CPU simulation and GPU simulation performances. The research is focused on the Doppler Effect occurrence of the propagated nonlinear waves. A novel nonlinear wave propagation based feedback motion planning algorithm which utilizes the Doppler Effect and generates a prediction for the future state of target object has been proposed. The comparisons which reveals the effect of Doppler Effect are reported. The results prove that a tracker even slower than the target may catch it using the proposed algorithm. This new method of motion planning needs two layers of oscillator based CNNs. Two types of relaxation oscillators (one of them is a new model) and the logic oscillator have been tested for the algorithm. Novel models of chaotic time-delay systems are introduced in the thesis as the second topic. The proposed binary output nonlinearity makes the oscillator generate a mono-scroll chaotic attractor. This thesis also proposes a generalization of the binary output nonlinear function, which is a quantized output nonlinearity. The generalized nonlinearity yields a multi-scroll attractor. Both systems are modelled as sampled-data models, because the binary delay lines are constructed by digital components (D-type flip-flops). The research on implementations of these oscillators has been expanded with binary inverting buffers (NOT gates) and asynchronous digital state machines. These systems successfully generate true random bit sequences without the need for post-processing. Up-to-date NIST's statistical test suite is used for the tests of bit sequences and successful throughput rates are reported. The jitter on the NOT gate based delay line is utilized as physical noise and all-digital implementation supported by the jitter also passed the statistical tests. The thesis merges research parts and reorganize the outputs under four titles: cells, networks, implementations and applications.DoktoraPh

Special Topics in Information Technology

This open access book presents outstanding doctoral dissertations in Information Technology from the Department of Electronics, Information and Bioengineering, Politecnico di Milano, Italy. Information Technology has always been highly interdisciplinary, as many aspects have to be considered in IT systems. The doctoral studies program in IT at Politecnico di Milano emphasizes this interdisciplinary nature, which is becoming more and more important in recent technological advances, in collaborative projects, and in the education of young researchers. Accordingly, the focus of advanced research is on pursuing a rigorous approach to specific research topics starting from a broad background in various areas of Information Technology, especially Computer Science and Engineering, Electronics, Systems and Control, and Telecommunications. Each year, more than 50 PhDs graduate from the program. This book gathers the outcomes of the best theses defended in 2021-22 and selected for the IT PhD Award. Each of the authors provides a chapter summarizing his/her findings, including an introduction, description of methods, main achievements and future work on the topic. Hence, the book provides a cutting-edge overview of the latest research trends in Information Technology at Politecnico di Milano, presented in an easy-to-read format that will also appeal to non-specialists

Sublinear Computation Paradigm

This open access book gives an overview of cutting-edge work on a new paradigm called the “sublinear computation paradigm,” which was proposed in the large multiyear academic research project “Foundations of Innovative Algorithms for Big Data.” That project ran from October 2014 to March 2020, in Japan. To handle the unprecedented explosion of big data sets in research, industry, and other areas of society, there is an urgent need to develop novel methods and approaches for big data analysis. To meet this need, innovative changes in algorithm theory for big data are being pursued. For example, polynomial-time algorithms have thus far been regarded as “fast,” but if a quadratic-time algorithm is applied to a petabyte-scale or larger big data set, problems are encountered in terms of computational resources or running time. To deal with this critical computational and algorithmic bottleneck, linear, sublinear, and constant time algorithms are required. The sublinear computation paradigm is proposed here in order to support innovation in the big data era. A foundation of innovative algorithms has been created by developing computational procedures, data structures, and modelling techniques for big data. The project is organized into three teams that focus on sublinear algorithms, sublinear data structures, and sublinear modelling. The work has provided high-level academic research results of strong computational and algorithmic interest, which are presented in this book. The book consists of five parts: Part I, which consists of a single chapter on the concept of the sublinear computation paradigm; Parts II, III, and IV review results on sublinear algorithms, sublinear data structures, and sublinear modelling, respectively; Part V presents application results. The information presented here will inspire the researchers who work in the field of modern algorithms

Special Topics in Information Technology

This open access book presents outstanding doctoral dissertations in Information Technology from the Department of Electronics, Information and Bioengineering, Politecnico di Milano, Italy. Information Technology has always been highly interdisciplinary, as many aspects have to be considered in IT systems. The doctoral studies program in IT at Politecnico di Milano emphasizes this interdisciplinary nature, which is becoming more and more important in recent technological advances, in collaborative projects, and in the education of young researchers. Accordingly, the focus of advanced research is on pursuing a rigorous approach to specific research topics starting from a broad background in various areas of Information Technology, especially Computer Science and Engineering, Electronics, Systems and Control, and Telecommunications. Each year, more than 50 PhDs graduate from the program. This book gathers the outcomes of the best theses defended in 2021-22 and selected for the IT PhD Award. Each of the authors provides a chapter summarizing his/her findings, including an introduction, description of methods, main achievements and future work on the topic. Hence, the book provides a cutting-edge overview of the latest research trends in Information Technology at Politecnico di Milano, presented in an easy-to-read format that will also appeal to non-specialists

Cellular Automata

Modelling and simulation are disciplines of major importance for science and engineering. There is no science without models, and simulation has nowadays become a very useful tool, sometimes unavoidable, for development of both science and engineering. The main attractive feature of cellular automata is that, in spite of their conceptual simplicity which allows an easiness of implementation for computer simulation, as a detailed and complete mathematical analysis in principle, they are able to exhibit a wide variety of amazingly complex behaviour. This feature of cellular automata has attracted the researchers' attention from a wide variety of divergent fields of the exact disciplines of science and engineering, but also of the social sciences, and sometimes beyond. The collective complex behaviour of numerous systems, which emerge from the interaction of a multitude of simple individuals, is being conveniently modelled and simulated with cellular automata for very different purposes. In this book, a number of innovative applications of cellular automata models in the fields of Quantum Computing, Materials Science, Cryptography and Coding, and Robotics and Image Processing are presented

Atomic Transfer for Distributed Systems

Building applications and information systems increasingly means dealing with concurrency and faults stemming from distribution of system components. Atomic transactions are a well-known method for transferring the responsibility for handling concurrency and faults from developers to the software\u27s execution environment, but incur considerable execution overhead. This dissertation investigates methods that shift some of the burden of concurrency control into the network layer, to reduce response times and increase throughput. It anticipates future programmable network devices, enabling customized high-performance network protocols. We propose Atomic Transfer (AT), a distributed algorithm to prevent race conditions due to messages crossing on a path of network switches. Switches check request messages for conflicts with response messages traveling in the opposite direction. Conflicting requests are dropped, obviating the request\u27s receiving host from detecting and handling the conflict. AT is designed to perform well under high data contention, as concurrency control effort is balanced across a network instead of being handled by the contended endpoint hosts themselves. We use AT as the basis for a new optimistic transactional cache consistency algorithm, supporting execution of atomic applications caching shared data. We then present a scalable refinement, allowing hierarchical consistent caches with predictable performance despite high data update rates. We give detailed I/O Automata models of our algorithms along with correctness proofs. We begin with a simplified model, assuming static network paths and no message loss, and then refine it to support dynamic network paths and safe handling of message loss. We present a trie-based data structure for accelerating conflict-checking on switches, with benchmarks suggesting the feasibility of our approach from a performance stand-point

A hardware-software codesign framework for cellular computing

Until recently, the ever-increasing demand of computing power has been met on one hand by increasing the operating frequency of processors and on the other hand by designing architectures capable of exploiting parallelism at the instruction level through hardware mechanisms such as super-scalar execution. However, both these approaches seem to have reached a plateau, mainly due to issues related to design complexity and cost-effectiveness. To face the stabilization of performance of single-threaded processors, the current trend in processor design seems to favor a switch to coarser-grain parallelization, typically at the thread level. In other words, high computational power is achieved not only by a single, very fast and very complex processor, but through the parallel operation of several processors, each executing a different thread. Extrapolating this trend to take into account the vast amount of on-chip hardware resources that will be available in the next few decades (either through further shrinkage of silicon fabrication processes or by the introduction of molecular-scale devices), together with the predicted features of such devices (e.g., the impossibility of global synchronization or higher failure rates), it seems reasonable to foretell that current design techniques will not be able to cope with the requirements of next-generation electronic devices and that novel design tools and programming methods will have to be devised. A tempting source of inspiration to solve the problems implied by a massively parallel organization and inherently error-prone substrates is biology. In fact, living beings possess characteristics, such as robustness to damage and self-organization, which were shown in previous research as interesting to be implemented in hardware. For instance, it was possible to realize relatively simple systems, such as a self-repairing watch. Overall, these bio-inspired approaches seem very promising but their interest for a wider audience is problematic because their heavily hardware-oriented designs lack some of the flexibility achievable with a general purpose processor. In the context of this thesis, we will introduce a processor-grade processing element at the heart of a bio-inspired hardware system. This processor, based on a single-instruction, features some key properties that allow it to maintain the versatility required by the implementation of bio-inspired mechanisms and to realize general computation. We will also demonstrate that the flexibility of such a processor enables it to be evolved so it can be tailored to different types of applications. In the second half of this thesis, we will analyze how the implementation of a large number of these processors can be used on a hardware platform to explore various bio-inspired mechanisms. Based on an extensible platform of many FPGAs, configured as a networked structure of processors, the hardware part of this computing framework is backed by an open library of software components that provides primitives for efficient inter-processor communication and distributed computation. We will show that this dual software–hardware approach allows a very quick exploration of different ways to solve computational problems using bio-inspired techniques. In addition, we also show that the flexibility of our approach allows it to exploit replication as a solution to issues that concern standard embedded applications