Cloudlet computing : recent advances, taxonomy, and challenges

A cloudlet is an emerging computing paradigm that is designed to meet the requirements and expectations of the Internet of things (IoT) and tackle the conventional limitations of a cloud (e.g., high latency). The idea is to bring computing resources (i.e., storage and processing) to the edge of a network. This article presents a taxonomy of cloudlet applications, outlines cloudlet utilities, and describes recent advances, challenges, and future research directions. Based on the literature, a unique taxonomy of cloudlet applications is designed. Moreover, a cloudlet computation offloading application for augmenting resource-constrained IoT devices, handling compute-intensive tasks, and minimizing the energy consumption of related devices is explored. This study also highlights the viability of cloudlets to support smart systems and applications, such as augmented reality, virtual reality, and applications that require high-quality service. Finally, the role of cloudlets in emergency situations, hostile conditions, and in the technological integration of future applications and services is elaborated in detail. © 2013 IEEE

Intelligent systems for efficiency and security

As computing becomes ubiquitous and personalized, resources like energy, storage and time are becoming increasingly scarce and, at the same time, computing systems must deliver in multiple dimensions, such as high performance, quality of service, reliability, security and low power. Building such computers is hard, particularly when the operating environment is becoming more dynamic, and systems are becoming heterogeneous and distributed. Unfortunately, computers today manage resources with many ad hoc heuristics that are suboptimal, unsafe, and cannot be composed across the computer’s subsystems. Continuing this approach has severe consequences: underperforming systems, resource waste, information loss, and even life endangerment. This dissertation research develops computing systems which, through intelligent adaptation, deliver efficiency along multiple dimensions. The key idea is to manage computers with principled methods from formal control. It is with these methods that the multiple subsystems of a computer sense their environment and configure themselves to meet system-wide goals. To achieve the goal of intelligent systems, this dissertation makes a series of contributions, each building on the previous. First, it introduces the use of formal MIMO (Multiple Input Multiple Output) control for processors, to simultaneously optimize many goals like performance, power, and temperature. Second, it develops the Yukta control system, which uses coordinated formal controllers in different layers of the stack (hardware and operating system). Third, it uses robust control to develop a fast, globally coordinated and decentralized control framework called Tangram, for heterogeneous computers. Finally, it presents Maya, a defense against power side-channel attacks that uses formal control to reshape the power dissipated by a computer, confusing the attacker. The ideas in the dissertation have been demonstrated successfully with several prototypes, including one built along with AMD (Advanced Micro Devices, Inc.) engineers. These designs significantly outperformed the state of the art. The research in this dissertation brought formal control closer to computer architecture and has been well-received in both domains. It has the first application of full-fledged MIMO control for processors, the first use of robust control in computer systems, and the first application of formal control for side-channel defense. It makes a significant stride towards intelligent systems that are efficient, secure and reliable

Data-Driven Distributed Modeling, Operation, and Control of Electric Power Distribution Systems

The power distribution system is disorderly in design and implementation, chaotic in operation, large in scale, and complex in every way possible. Therefore, modeling, operating, and controlling the distribution system is incredibly challenging. It is required to find solutions to the multitude of challenges facing the distribution grid to transition towards a just and sustainable energy future for our society. The key to addressing distribution system challenges lies in unlocking the full potential of the distribution grid. The work in this dissertation is focused on finding methods to operate the distribution system in a reliable, cost-effective, and just manner. In this PhD dissertation, a new data-driven distributed ($D^3M$) framework using cellular computational networks has been developed to model power distribution systems. Its performance is validated on an IEEE test case. The results indicate a significant enhancement in accuracy and performance compared to the state-of-the-art centralized modeling approach. This dissertation also presents a new distributed and data-driven optimization method for volt-var control in power distribution systems. The framework is validated for voltage control on an IEEE test feeder. The results indicate that the system has improved performance compared to the state-of-the-art approach. The PhD dissertation also presents a design for a real-time power distribution system testbed. A new data-in-the-loop (DIL) simulation method has been developed and integrated into the testbed. The DIL method has been used to enhance the quality of the real-time simulations. The assets combined with the testbed include data, control, and hardware-in-the-loop infrastructure. The testbed is used to validate the performance of a distribution system with significant penetration of distributed energy resources

Design and Code Optimization for Systems with Next-generation Racetrack Memories

With the rise of computationally expensive application domains such as machine learning, genomics, and fluids simulation, the quest for performance and energy-efficient computing has gained unprecedented momentum. The significant increase in computing and memory devices in modern systems has resulted in an unsustainable surge in energy consumption, a substantial portion of which is attributed to the memory system. The scaling of conventional memory technologies and their suitability for the next-generation system is also questionable. This has led to the emergence and rise of nonvolatile memory ( NVM ) technologies. Today, in different development stages, several NVM technologies are competing for their rapid access to the market. Racetrack memory ( RTM ) is one such nonvolatile memory technology that promises SRAM -comparable latency, reduced energy consumption, and unprecedented density compared to other technologies. However, racetrack memory ( RTM ) is sequential in nature, i.e., data in an RTM cell needs to be shifted to an access port before it can be accessed. These shift operations incur performance and energy penalties. An ideal RTM , requiring at most one shift per access, can easily outperform SRAM . However, in the worst-cast shifting scenario, RTM can be an order of magnitude slower than SRAM . This thesis presents an overview of the RTM device physics, its evolution, strengths and challenges, and its application in the memory subsystem. We develop tools that allow the programmability and modeling of RTM -based systems. For shifts minimization, we propose a set of techniques including optimal, near-optimal, and evolutionary algorithms for efficient scalar and instruction placement in RTMs . For array accesses, we explore schedule and layout transformations that eliminate the longer overhead shifts in RTMs . We present an automatic compilation framework that analyzes static control flow programs and transforms the loop traversal order and memory layout to maximize accesses to consecutive RTM locations and minimize shifts. We develop a simulation framework called RTSim that models various RTM parameters and enables accurate architectural level simulation. Finally, to demonstrate the RTM potential in non-Von-Neumann in-memory computing paradigms, we exploit its device attributes to implement logic and arithmetic operations. As a concrete use-case, we implement an entire hyperdimensional computing framework in RTM to accelerate the language recognition problem. Our evaluation shows considerable performance and energy improvements compared to conventional Von-Neumann models and state-of-the-art accelerators

my Human Brain Project (mHBP)

How can we make an agent that thinks like us humans? An agent that can have proprioception, intrinsic motivation, identify deception, use small amounts of energy, transfer knowledge between tasks and evolve? This is the problem that this thesis is focusing on. Being able to create a piece of software that can perform tasks like a human being, is a goal that, if achieved, will allow us to extend our own capabilities to a very high level, and have more tasks performed in a predictable fashion. This is one of the motivations for this thesis. To address this problem, we have proposed a modular architecture for Reinforcement Learning computation and developed an implementation to have this architecture exercised. This software, that we call mHBP, is created in Python using Webots as an environment for the agent, and Neo4J, a graph database, as memory. mHBP takes the sensory data or other inputs, and produces, based on the body parts / tools that the agent has available, an output consisting of actions to perform. This thesis involves experimental design with several iterations, exploring a theoretical approach to RL based on graph databases. We conclude, with our work in this thesis, that it is possible to represent episodic data in a graph, and is also possible to interconnect Webots, Python and Neo4J to support a stable architecture for Reinforcement Learning. In this work we also find a way to search for policies using the Neo4J querying language: Cypher. Another key conclusion of this work is that state representation needs to have further research to find a state definition that enables policy search to produce more useful policies. The article “REINFORCEMENT LEARNING: A LITERATURE REVIEW (2020)” at Research Gate with doi 10.13140/RG.2.2.30323.76327 is an outcome of this thesis.Como podemos criar um agente que pense como nós humanos? Um agente que tenha propriocepção, motivação intrínseca, seja capaz de identificar ilusão, usar pequenas quantidades de energia, transferir conhecimento entre tarefas e evoluir? Este é o problema em que se foca esta tese. Ser capaz de criar uma peça de software que desempenhe tarefas como um ser humano é um objectivo que, se conseguido, nos permitirá estender as nossas capacidades a um nível muito alto, e conseguir realizar mais tarefas de uma forma previsível. Esta é uma das motivações desta tese. Para endereçar este problema, propomos uma arquitectura modular para computação de aprendizagem por reforço e desenvolvemos uma implementação para exercitar esta arquitetura. Este software, ao qual chamamos mHBP, foi criado em Python usando o Webots como um ambiente para o agente, e o Neo4J, uma base de dados de grafos, como memória. O mHBP recebe dados sensoriais ou outros inputs, e produz, baseado nas partes do corpo / ferramentas que o agente tem disponíveis, um output que consiste em ações a desempenhar. Uma boa parte desta tese envolve desenho experimental com diversas iterações, explorando uma abordagem teórica assente em bases de dados de grafos. Concluímos, com o trabalho nesta tese, que é possível representar episódios em um grafo, e que é, também, possível interligar o Webots, com o Python e o Neo4J para suportar uma arquitetura estável para a aprendizagem por reforço. Neste trabalho, também, encontramos uma forma de procurar políticas usando a linguagem de pesquisa do Neo4J: Cypher. Outra conclusão chave deste trabalho é que a representação de estados necessita de mais investigação para encontrar uma definição de estado que permita à pesquisa de políticas produzir políticas que sejam mais úteis. O artigo “REINFORCEMENT LEARNING: A LITERATURE REVIEW (2020)” no Research Gate com o doi 10.13140/RG.2.2.30323.76327 é um sub-produto desta tese

Bayesian Learning in the Counterfactual World

Recent years have witnessed a surging interest towards the use of machine learning tools for causal inference. In contrast to the usual large data settings where the primary goal is prediction, many disciplines, such as health, economic and social sciences, are instead interested in causal questions. Learning individualized responses to an intervention is a crucial task in many applied fields (e.g., precision medicine, targeted advertising, precision agriculture, etc.) where the ultimate goal is to design optimal and highly-personalized policies based on individual features. In this work, I thus tackle the problem of estimating causal effects of an intervention that are heterogeneous across a population of interest and depend on an individual set of characteristics (e.g., a patient's clinical record, user's browsing history, etc..) in high-dimensional observational data settings. This is done by utilizing Bayesian Nonparametric or Probabilistic Machine Learning tools that are specifically adjusted for the causal setting and have desirable uncertainty quantification properties, with a focus on the issues of interpretability/explainability and inclusion of domain experts' prior knowledge. I begin by introducing terminology and concepts from causality and causal reasoning in the first chapter. Then I include a literature review of some of the state-of-the-art regression-based methods for heterogeneous treatment effects estimation, with an attempt to build a unifying taxonomy and lay down the finite-sample empirical properties of these models. The chapters forming the core of the dissertation instead present some novel methods addressing existing issues in individualized causal effects estimation: Chapter 3 develops both a Bayesian tree ensemble method and a deep learning architecture to tackle interpretability, uncertainty coverage and targeted regularization; Chapter 4 instead introduces a novel multi-task Deep Kernel Learning method particularly suited for multi-outcome | multi-action scenarios. The last chapter concludes with a discussion

Urban Safety: An Image-Processing and Deep-Learning-Based Intelligent Traffic Management and Control System

With the rapid growth and development of cities, Intelligent Traffic Management and Control (ITMC) is becoming a fundamental component to address the challenges of modern urban traffic management, where a wide range of daily problems need to be addressed in a prompt and expedited manner. Issues such as unpredictable traffic dynamics, resource constraints, and abnormal events pose difficulties to city managers. ITMC aims to increase the efficiency of traffic management by minimizing the odds of traffic problems, by providing real-time traffic state forecasts to better schedule the intersection signal controls. Reliable implementations of ITMC improve the safety of inhabitants and the quality of life, leading to economic growth. In recent years, researchers have proposed different solutions to address specific problems concerning traffic management, ranging from image-processing and deep-learning techniques to forecasting the traffic state and deriving policies to control intersection signals. This review article studies the primary public datasets helpful in developing models to address the identified problems, complemented with a deep analysis of the works related to traffic state forecast and intersection-signal-control models. Our analysis found that deep-learning-based approaches for short-term traffic state forecast and multi-intersection signal control showed reasonable results, but lacked robustness for unusual scenarios, particularly during oversaturated situations, which can be resolved by explicitly addressing these cases, potentially leading to significant improvements of the systems overall. However, there is arguably a long path until these models can be used safely and effectively in real-world scenarios

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

Higher-order Losses and Optimization for Low-level and Deep Segmentation

Regularized objectives are common in low-level and deep segmentation. Regularization incorporates prior knowledge into objectives or losses. It represents constraints necessary to address ill-posedness, data noise, outliers, lack of supervision, etc. However, such constraints come at significant costs. First, regularization priors may lead to unintended biases, known or unknown. Since these can adversely affect specific applications, it is important to understand the causes & effects of these biases and to develop their solutions. Second, common regularized objectives are highly non-convex and present challenges for optimization. As known in low-level vision, first-order approaches like gradient descent are significantly weaker than more advanced algorithms. Yet, variants of the gradient descent dominate optimization of the loss functions for deep neural networks due to their size and complexity. Hence, standard segmentation networks still require an overwhelming amount of precise pixel-level supervision for training. This thesis addresses three related problems concerning higher-order objectives and higher-order optimizers. First, we focus on a challenging application—unsupervised vascular tree extraction in large 3D volumes containing complex ``entanglements" of near-capillary vessels. In the context of vasculature with unrestricted topology, we propose a new general curvature-regularizing model for arbitrarily complex one-dimensional curvilinear structures. In contrast, the standard surface regularization methods are impractical for thin vessels due to strong shrinking bias or the complexity of Gaussian/min curvature modeling for two-dimensional manifolds. In general, the shrinking bias is one well-known example of bias in the standard regularization methods. The second contribution of this thesis is a characterization of other new forms of biases in classical segmentation models that were not understood in the past. We develop new theories establishing data density biases in common pair-wise or graph-based clustering objectives, such as kernel K-means and normalized cut. This theoretical understanding inspires our new segmentation algorithms avoiding such biases. The third contribution of the thesis is a new optimization algorithm addressing the limitations of gradient descent in the context of regularized losses for deep learning. Our general trust-region algorithm can be seen as a high-order chain rule for network training. It can use many standard low-level regularizers and their powerful solvers. We improve the state-of-the-art in weakly-supervised semantic segmentation using a well-motivated low-level regularization model and its graph-cut solver

xxAI - Beyond Explainable AI

This is an open access book. Statistical machine learning (ML) has triggered a renaissance of artificial intelligence (AI). While the most successful ML models, including Deep Neural Networks (DNN), have developed better predictivity, they have become increasingly complex, at the expense of human interpretability (correlation vs. causality). The field of explainable AI (xAI) has emerged with the goal of creating tools and models that are both predictive and interpretable and understandable for humans. Explainable AI is receiving huge interest in the machine learning and AI research communities, across academia, industry, and government, and there is now an excellent opportunity to push towards successful explainable AI applications. This volume will help the research community to accelerate this process, to promote a more systematic use of explainable AI to improve models in diverse applications, and ultimately to better understand how current explainable AI methods need to be improved and what kind of theory of explainable AI is needed. After overviews of current methods and challenges, the editors include chapters that describe new developments in explainable AI. The contributions are from leading researchers in the field, drawn from both academia and industry, and many of the chapters take a clear interdisciplinary approach to problem-solving. The concepts discussed include explainability, causability, and AI interfaces with humans, and the applications include image processing, natural language, law, fairness, and climate science.https://digitalcommons.unomaha.edu/isqafacbooks/1000/thumbnail.jp