A type-based prototype compiler for telescoping languages

Scientists want to encode their applications in domain languages with high-level operators that reflect the way they conceptualize computations in their domains. Telescoping languages calls for automatically generating optimizing compilers for these languages by pre-compiling the underlying libraries that define them to generate multiple variants optimized for use in different possible contexts, including different argument types. The resulting compiler replaces calls to the high-level constructs with calls to the optimized variants. This approach aims to automatically derive high-performance executables from programs written in high-level domain-specific languages. TeleGen is a prototype telescoping-languages compiler that performs type-based specializations. For the purposes of this dissertation, types include any set of variable properties such as intrinsic type, size and array sparsity pattern. Type inference and specialization are cornerstones of the telescoping-languages strategy. Because optimization of library routines must occur before their full calling contexts are available, type inference gives critical information needed to determine which specialized variants to generate as well as how to best optimize each variant to achieve the highest performance. To build the prototype compiler, we developed a precise type-inference algorithm that infers all legal type tuples, or type configurations, for the program variables, including routine arguments, for all legal calling contexts. We use the type information inferred by our algorithm to drive specialization and optimization. We demonstrate the practical value of our type-inference algorithm and the type-based specialization strategy in TeleGen

Prototyping parallel functional intermediate languages

Non-strict higher-order functional programming languages are elegant, concise, mathematically sound and contain few environment-specific features, making them obvious candidates for harnessing high-performance architectures. The validity of this approach has been established by a number of experimental compilers. However, while there have been a number of important theoretical developments in the field of parallel functional programming, implementations have been slow to materialise. The myriad design choices and demands of specific architectures lead to protracted development times. Furthermore, the resulting systems tend to be monolithic entities, and are difficult to extend and test, ultimatly discouraging experimentation. The traditional solution to this problem is the use of a rapid prototyping framework. However, as each existing systems tends to prefer one specific platform and a particular way of expressing parallelism (including implicit specification) it is difficult to envisage a general purpose framework. Fortunately, most of these systems have at least one point of commonality: the use of an intermediate form. Typically, these abstract representations explicitly identify all parallel components but without the background noise of syntactic and (potentially arbitrary) implementation details. To this end, this thesis outlines a framework for rapidly prototyping such intermediate languages. Based on the traditional three-phase compiler model, the design process is driven by the development of various semantic descriptions of the language. Executable versions of the specifications help to both debug and informally validate these models. A number of case studies, covering the spectrum of modern implementations, demonstrate the utility of the framework

Cheap deforestation for non-strict functional languages

In functional languages intermediate data structures are often used as glue to connect separate parts of a program together. Deforestation is the process of automatically removing intermediate data structures. In this thesis we present and analyse a new approach to deforestation. This new approach is both practical and general. We analyse in detail the problem of list removal rather than the more general problem of arbitrary data structure removal. This more limited scope allows a complete evaluation of the pragmatic aspects of using our deforestation technology. We have implemented our list deforestation algorithm in the Glasgow Haskell compiler. Our implementation has allowed practical feedback. One important conclusion is that a new analysis is required to infer function arities and the linearity of lambda abstractions. This analysis renders the basic deforestation algorithm far more effective. We give a detailed assessment of our implementation of deforestation. We measure the effectiveness of our deforestation on a suite of real application programs. We also observe the costs of our deforestation algorithm

Commodity Currencies and Currency Commodities

There is a large literature on the influence of commodity prices on the currencies of countries with a large commodity-based export sector such as Australia, New Zealand and Canada (“commodity currencies”). There is also the idea that because of pricing power, the value of currencies of certain commodity-producing countries affects commodity prices, such as metals, energy, and agricultural-based products (“currency commodities”). This paper merges these two strands of the literature to analyse the simultaneous workings of commodity and currency markets. We implement the approach by using the Kalman filter to jointly estimate the determinants of the prices of these currencies and commodities. Included in the specification is an allowance for spillovers between the two asset types. The methodology is able to determine the extent that currencies are indeed driven by commodities, or that commodities are driven by currencies, over the period 1975 to 2005.

Tagungsband zum 21. Kolloquium Programmiersprachen und Grundlagen der Programmierung

Das 21. Kolloquium Programmiersprachen und Grundlagen der Programmierung (KPS 2021) setzt eine traditionelle Reihe von Arbeitstagungen fort, die 1980 von den Forschungsgruppen der Professoren Friedrich L. Bauer (TU München), Klaus Indermark (RWTH Aachen) und Hans Langmaack(CAU Kiel) ins Leben gerufen wurde.Die Veranstaltung ist ein offenes Forum für alle interessierten deutschsprachigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zum zwanglosen Austausch neuer Ideen und Ergebnisse aus den Forschungsbereichen Entwurf und Implementierung von Programmiersprachen sowie Grundlagen und Methodik des Programmierens. Dieser Tagungsband enthält die wissenschaftlichen Beiträge,die bei dem 21. Kolloquium dieser Tagungsreihe präsentiert wurden, welches vom 27. bis 29. September 2021 in Kiel stattfand und von der Arbeitsgruppe Programmiersprachen und Übersetzerkonstruktion der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel organisiert wurde

On the performance and programming of reversible molecular computers

If the 20th century was known for the computational revolution, what will the 21st be known for? Perhaps the recent strides in the nascent fields of molecular programming and biological computation will help bring about the ‘Coming Era of Nanotechnology’ promised in Drexler’s ‘Engines of Creation’. Though there is still far to go, there is much reason for optimism. This thesis examines the underlying principles needed to realise the computational aspects of such ‘engines’ in a performant way. Its main body focusses on the ways in which thermodynamics constrains the operation and design of such systems, and it ends with the proposal of a model of computation appropriate for exploiting these constraints. These thermodynamic constraints are approached from three different directions. The first considers the maximum possible aggregate performance of a system of computers of given volume, V, with a given supply of free energy. From this perspective, reversible computing is imperative in order to circumvent the Landauer limit. A result of Frank is refined and strengthened, showing that the adiabatic regime reversible computer performance is the best possible for any computer—quantum or classical. This therefore shows a universal scaling law governing the performance of compact computers of ~V^(5/6), compared to ~V^(2/3) for conventional computers. For the case of molecular computers, it is shown how to attain this bound. The second direction extends this performance analysis to the case where individual computational particles or sub-units can interact with one another. The third extends it to interactions with shared, non-computational parts of the system. It is found that accommodating these interactions in molecular computers imposes a performance penalty that undermines the earlier scaling result. Nonetheless, scaling superior to that of irreversible computers can be preserved, and appropriate mitigations and considerations are discussed. These analyses are framed in a context of molecular computation, but where possible more general computational systems are considered. The proposed model, the א-calculus, is appropriate for programming reversible molecular computers taking into account these constraints. A variety of examples and mathematical analyses accompany it. Moreover, abstract sketches of potential molecular implementations are provided. Developing these into viable schemes suitable for experimental validation will be a focus of future work

An Extensible Theorem Proving Frontend

Interaktive Theorembeweiser sind Softwarewerkzeuge zum computergestützten Beweisen, d.h. sie können entsprechend kodierte Beweise von logischen Aussagen sowohl verifizieren als auch beim Erstellen dieser unterstützen. In den letzten Jahren wurden weitreichende Formalisierungsprojekte über Mathematik sowie Programmverifikation mit solchen Theorembeweisern bewältigt. Der Theorembeweiser Lean insbesondere wurde nicht nur erfolgreich zum Verifizieren lange bekannter mathematischer Theoreme verwendet, sondern auch zur Unterstützung von aktueller mathematischer Forschung. Das Ziel des Lean-Projekts ist nichts weniger als die Arbeitsweise von Mathematikern grundlegend zu verändern, indem mit dem Computer formalisierte Beweise eine praktible Alternative zu solchen mit Stift und Papier werden sollen. Aufwändige manuelle Gutachten zur Korrektheit von Beweisen wären damit hinfällig und gleichzeitig wäre garantiert, dass alle nötigen Beweisschritte exakt erfasst sind, statt der Interpretation und dem Hintergrundwissen des Lesers überlassen zu sein. Um dieses Ziel zu erreichen, sind jedoch noch weitere Fortschritte hinsichtlich Effizienz und Nutzbarkeit von Theorembeweisern nötig. Als Schritt in Richtung dieses Ziels beschreibt diese Dissertation eine neue, vollständig erweiterbare Theorembeweiser-Benutzerschnittstelle ("frontend") im Rahmen von Lean 4, der nächsten Version von Lean. Aufgabe dieser Benutzerschnittstelle ist die textuelle Beschreibung und Entgegennahme der Beweiseingabe in einer Syntax, die mehrere teils widersprüchliche Ziele optimieren sollte: Kompaktheit, Lesbarkeit für menschliche Benutzer und Eindeutigkeit in der Interpretation durch den Theorembeweiser. Da in der geschriebenen Mathematik eine umfangreiche Menge an verschiedenen Notationen existiert, die von Jahr zu Jahr weiter wächst und sich gleichzeitig zwischen verschiedenen Feldern, Autoren oder sogar einzelnen Arbeiten unterscheiden kann, muss solch eine Schnittstelle es Benutzern erlauben, sie jederzeit mit neuen, ausdrucksfähigen Notationen zu erweitern und ihnen mit flexiblen Regeln Bedeutung zuzuschreiben. Dieser Wunsch nach Flexibilität der Eingabesprache lässt sich weiterhin auch auf der Ebene der einzelnen Beweisschritte ("Taktiken") sowie höheren Ebenen der Beweis- und Programmorganisation wiederfinden. Den Kernteil dieser gewünschten Erweiterbarkeit habe ich mit einem ausdrucksstarken Makrosystem für Lean realisiert, mit dem sich sowohl einfach Syntaxtransformationen ("syntaktischer Zucker") also auch komplexe, typgesteuerte Übersetzung in die Kernsprache des Beweisers ausdrücken lassen. Das Makrosystem basiert auf einem neuartigen Algorithmus für Makrohygiene, basierend auf dem der Lisp-Sprache Racket und von mir an die spezifischen Anforderungen von Theorembeweisern angepasst, dessen Aufgabe es ist zu gewährleisten, dass lexikalische Geltungsbereiche von Bezeichnern selbst für komplexe Makros wie intuitiv erwartet funktionieren. Besonders habe ich beim Entwurf des Makrosystems darauf geachtet, das System einfach zugänglich zu gestalten, indem mehrere Abstraktionsebenen bereitgestellt werden, die sich in ihrer Ausdrucksstärke unterscheiden, aber auf den gleichen fundamentalen Prinzipien wie der erwähnten Makrohygiene beruhen. Als ein Anwendungsbeispiel des Makrosystems beschreibe ich eine Erweiterung der aus Haskell bekannten "do"-Notation um weitere imperative Sprachfeatures. Die erweiterte Syntax ist in Lean 4 eingeflossen und hat grundsätzlich die Art und Weise verändert, wie sowohl Entwickler als auch Benutzer monadischen, aber auch puren Code schreiben. Das Makrosystem stellt das "Herz" des erweiterbaren Frontends dar, ist gleichzeitig aber auch eng mit anderen Softwarekomponenten innerhalb der Benutzerschnittstelle verknüpft oder von ihnen abhängig. Ich stelle das gesamte Frontend und das umgebende Lean-System vor mit Fokus auf Teilen, an denen ich maßgeblich mitgewirkt habe. Schließlich beschreibe ich noch ein effizientes Referenzzählungsschema für funktionale Programmierung, welches eine Neuimplementierung von Lean in Lean selbst und damit das erweiterbare Frontend erst ermöglicht hat. Spezifische Optimierungen darin zur Wiederverwendung von Allokationen vereinen, ähnlich wie die erweiterte do-Notation, die Vorteile von imperativer und pur funktionaler Programmierung in einem neuen Paradigma, das ich "pure imperative Programmierung" nenne