The Fifth NASA Symposium on VLSI Design

The fifth annual NASA Symposium on VLSI Design had 13 sessions including Radiation Effects, Architectures, Mixed Signal, Design Techniques, Fault Testing, Synthesis, Signal Processing, and other Featured Presentations. The symposium provides insights into developments in VLSI and digital systems which can be used to increase data systems performance. The presentations share insights into next generation advances that will serve as a basis for future VLSI design

Byzantine fault-tolerant vote collection for D-DEMOS, a distributed e-voting system

Τα συστήματα διαχείρισης εκλογών είναι μια δυναμική τεχνολογία που επιτρέπει την βελτίωση της δημοκρατικής διαδικασίας μέσω της μείωσης του κόστους υλοποίησης εκλογών, της αύξησης της συμμετοχής των ψηφοφόρων και της αμεσότητας παραγωγής αποτελεσμάτων. Επίσης, δίνουν την δυνατότητα στους ψηφοφόρους να επιβεβαιώσουν άμεσα την ορθή λειτουργία ολόκληρης της εκλογικής διαδικασίας. Δυστυχώς, τα υπάρχοντα τέτοια συστήματα είναι σχεδιασμένα με κεντρικά συστατικά, τα οποία και αποτελούν μοναδικά σημεία αποτυχίας. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στην απώλεια διαθεσιμότητας, εμπιστευτικότητας, καθώς και της ακεραιότητας του εκλογικού αποτελέσματος. Σε αυτή τη διατριβή εξετάζουμε την εισαγωγή ανοχής λαθών στα εκλογικά συστήματα, μέσω της εισαγωγής κατανεμημένων συστατικών. Αυτό είναι περίπλοκο γιατί, εκτός από την ακεραιότητα και διαθεσιμότητα, σε ένα εκλογικό σύστημα είναι σημαντικό να διαφυλαχθεί και η εμπιστευτικότητα, απέναντι σε έναν κακόβουλο αντίπαλο. Εστιάζουμε στην φάση συλλογής ψήφων του εκλογικού συστήματος, η οποία είναι ένα κρίσιμο τμήμα της εκλογικής διαδικασίας. Χρησιμοποιούμε το σύγχρονο αλλά κεντρικοποιημένο σύστημα διαχείρισης εκλογών DEMOS σαν βάση για την μελέτη μας. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιεί κωδικούς που αντιστοιχούν στις δυνατές επιλογές των ψηφοφόρων, μια Αρχή Εκλογών η οποία αρχικοποιεί τις εκλογές, συλλέγει τις ψήφους και παράγει το αποτέλεσμα, και έναν Πίνακα Ανακοινώσεων για την διατήρηση των στοιχείων των εκλογών μακροπρόθεσμα. Εξάγουμε τον μηχανισμό συλλογής ψήφων από την κεντρικοποιημένη Αρχή Εκλογών του αρχικού συστήματος DEMOS, και τον αντικαθιστούμε με ένα κατανεμημένο σύστημα που χειρίζεται την συλλογή ψήφων με ανοχή σε λάθη Βυζαντινού τύπου. Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζουμε τον σχεδιασμό, ανάλυση ασφάλειας, την ανάπτυξη και αξιολόγηση της πρωτότυπης υλοποίησης αυτού του κατανεμημένου συστατικού συλλογής ψήφων. Παρουσιάζουμε δύο εκδόσεις αυτού του συστατικού: μία πλήρως ασύγχρονη και μία με ελάχιστες υποθέσεις συγχρονισμού αλλά καλύτερη απόδοση. Και οι δύο εκδόσεις παρέχουν άμεση επιβεβαίωση στην ψηφοφόρο ότι η ψήφος της καταχωρήθηκε όπως υποβλήθηκε, χωρίς να απαιτούνται κρυπτογραφικές λειτουργίες από την πλευρά της ψηφοφόρου. Με αυτόν τον τρόπο, η ψηφοφόρος μπορεί να στείλει την ψήφο της χρησιμοποιώντας έναν μη ασφαλή υπολογιστή ή δίκτυο, και να συνεχίσει να είναι εξασφαλισμένη ότι η ψήφος της καταχωρήθηκε σωστά. Για παράδειγμα, μπορεί να ψηφίσει χρησιμοποιώντας έναν δημόσιο υπολογιστή, ή στέλνοντας ένα σύντομο μήνυμα μέσω κινητού τηλεφώνου. Ακόμη και σε αυτές τις περιπτώσεις, η εμπιστευτικότητα της ψήφου διατηρείται στο ακέραιο. Δίνουμε ένα μοντέλο και μια ανάλυση ασφάλειας για τα συστήματα που παρουσιάζουμε. Υλοποιούμε πρωτότυπα από τα πλήρη συστήματα, μετράμε την απόδοσή τους πειραματικά, και επιδεικνύουμε την ικανότητά τους να χειρίζονται εκλογές μεγάλου μεγέθους. Τέλος, παρουσιάζουμε τις διαφορές απόδοσης ανάμεσα στις δύο εκδόσεις του συστήματος. Θεωρούμε ότι τα συστατικά συλλογής ψήφων που παρουσιάζουμε σε αυτή τη διατριβή μπορούν να βρουν εφαρμογή σε οποιοδήποτε σύστημα διαχείρισης εκλογών που στηρίζεται στην τεχνική της εκπροσώπησης των επιλογών στα ψηφοδέλτια με κωδικούς.E-voting systems are a powerful technology for improving democracy by reducing election cost, increasing voter participation, and even allowing voters to directly verify the entire election procedure. Unfortunately, prior internet voting systems have single points of failure, which may result in the compromise of availability, voter secrecy, or integrity of the election results. In this thesis, we consider increasing the fault-tolerance of voting systems by introducing distributed components. This is non-trivial as, besides integrity and availability, voting requires safeguarding confidentiality as well, against a malicious adversary. We focus on the vote collection phase of the voting system, which is a crucial part of the election process. We use the DEMOS state-of-the-art but centralized voting system as the basis for our study. This system uses vote codes to represent voters' choices, an Election Authority to setup the election and handle vote collection and result production, and a Bulletin Board for storing the election transcript for the long-term. We extract the vote collection mechanism from the centralized Election Authority component of the original DEMOS system, and replace it with a distributed system that handles vote collection in a Byzantine fault-tolerant manner. In this thesis, we present the design, security analysis, prototype implementation and experimental evaluation of this vote collection component. We present two versions of this component: one completely asynchronous and one with minimal timing assumptions but better performance. Both versions provide immediate assurance to the voter her vote was recorded as cast, without requiring cryptographic operations on behalf of the voter. This way, a voter may cast her vote using an untrusted computer or network, and still be assured her vote was recorded as cast. For example, she may vote via a public web terminal, or by sending an SMS from a mobile phone. Even in these cases, voter's privacy is still preserved. We provide a model and security analysis of the systems we present. We implement prototypes of the complete systems, we measure their performance experimentally, and we demonstrate their ability to handle large-scale elections. Finally, we demonstrate the performance trade-offs between the two versions of the system. We consider the vote collection components we introduce are applicable to any voting system that uses the code-voting technique

Energy-Efficient Interconnection Networks for High-Performance Computing

In recent years, energy has become one of the most important factors for de- signing and operating large scale computing systems. This is particularly true in high-performance computing, where systems often consist of thousands of nodes. Especially after the end of Dennard’s scaling, the demand for energy- proportionality in components, where energy is depending linearly on utilization, increases continuously. As the main contributor to the overall power consumption, processors have received the main attention so far. The increasing energy proportionality of processors, however, shifts the focus to other components such as interconnection networks. Their share of the overall power consumption is expected to increase to 20% or more while other components further increase their efficiency in the near future. Hence, it is crucial to improve energy proportionality in interconnection networks likewise to reduce overall power and energy consumption. To facilitate these attempts, this work provides comprehensive studies about energy saving in interconnection networks at different levels. First, interconnection networks differ fundamentally from other components in their underlying technology. To gain a deeper understanding of these differences and to identify targets for energy savings, this work provides a detailed power analysis of current network hardware. Furthermore, various applications at different scales are analyzed regarding their communication patterns and locality properties. The findings show that communication makes up only a small fraction of the execution time and networks are actually idling most of the time. Another observation is that point-to-point communication often only occurs within various small subsets of all participants, which indicates that a coordinated mapping could further decrease network traffic. Based on these studies, three different energy-saving policies are designed, which all differ in their implementation and focus. Then, these policies are evaluated in an event-based, power-aware network simulator. While two policies that operate completely local at link level, enable significant energy savings of more than 90% in most analyses, the hybrid one does not provide further benefits despite significant additional design effort. Additionally, these studies include network design parameters, such as transition time between different link configurations, as well as the three most common topologies in supercomputing systems. The final part of this work addresses the interactions of congestion management and energy-saving policies. Although both network management strategies aim for different goals and use opposite approaches, they complement each other and can increase energy efficiency in all studies as well as improve the performance overhead as opposed to plain energy saving

Proceedings of the 18th Irish Conference on Artificial Intelligence and Cognitive Science

These proceedings contain the papers that were accepted for publication at AICS-2007, the 18th Annual Conference on Artificial Intelligence and Cognitive Science, which was held in the Technological University Dublin; Dublin, Ireland; on the 29th to the 31st August 2007. AICS is the annual conference of the Artificial Intelligence Association of Ireland (AIAI)

Energy analysis and optimisation techniques for automatically synthesised coprocessors

The primary outcome of this research project is the development of a methodology enabling fast automated early-stage power and energy analysis of configurable processors for system-on-chip platforms. Such capability is essential to the process of selecting energy efficient processors during design-space exploration, when potential savings are highest. This has been achieved by developing dynamic and static energy consumption models for the constituent blocks within the processors. Several optimisations have been identified, specifically targeting the most significant blocks in terms of energy consumption. Instruction encoding mechanism reduces both the energy and area requirements of the instruction cache; modifications to the multiplier unit reduce energy consumption during inactive cycles. Both techniques are demonstrated to offer substantial energy savings. The aforementioned techniques have undergone detailed evaluation and, based on the positive outcomes obtained, have been incorporated into Cascade, a system-on-chip coprocessor synthesis tool developed by Critical Blue, to provide automated analysis and optimisation of processor energy requirements. This thesis details the process of identifying and examining each method, along with the results obtained. Finally, a case study demonstrates the benefits of the developed functionality, from the perspective of someone using Cascade to automate the creation of an energy-efficient configurable processor for system-on-chip platforms