First-Come-First-Served for Online Slot Allocation and Huffman Coding

Can one choose a good Huffman code on the fly, without knowing the underlying distribution? Online Slot Allocation (OSA) models this and similar problems: There are n slots, each with a known cost. There are n items. Requests for items are drawn i.i.d. from a fixed but hidden probability distribution p. After each request, if the item, i, was not previously requested, then the algorithm (knowing the slot costs and the requests so far, but not p) must place the item in some vacant slot j(i). The goal is to minimize the sum, over the items, of the probability of the item times the cost of its assigned slot. The optimal offline algorithm is trivial: put the most probable item in the cheapest slot, the second most probable item in the second cheapest slot, etc. The optimal online algorithm is First Come First Served (FCFS): put the first requested item in the cheapest slot, the second (distinct) requested item in the second cheapest slot, etc. The optimal competitive ratios for any online algorithm are 1+H(n-1) ~ ln n for general costs and 2 for concave costs. For logarithmic costs, the ratio is, asymptotically, 1: FCFS gives cost opt + O(log opt). For Huffman coding, FCFS yields an online algorithm (one that allocates codewords on demand, without knowing the underlying probability distribution) that guarantees asymptotically optimal cost: at most opt + 2 log(1+opt) + 2.Comment: ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms (SODA) 201

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Data Structures & Algorithm Analysis in C++

This is the textbook for CSIS 215 at Liberty University.https://digitalcommons.liberty.edu/textbooks/1005/thumbnail.jp

Lossy and Lossless Compression Techniques to Improve the Utilization of Memory Bandwidth and Capacity

Main memory is a critical resource in modern computer systems and is in increasing demand. An increasing number of on-chip cores and specialized accelerators improves the potential processing throughput but also calls for higher data rates and greater memory capacity. In addition, new emerging data-intensive applications further increase memory traffic and footprint. On the other hand, memory bandwidth is pin limited and power constrained and is therefore more difficult to scale. Memory capacity is limited by cost and energy considerations.This thesis proposes a variety of memory compression techniques as a means to reduce the memory bottleneck. These techniques target two separate problems in the memory hierarchy: memory bandwidth and memory capacity. In order to reduce transferred data volumes, lossy compression is applied which is able to reach more aggressive compression ratios. A reduction of off-chip memory traffic leads to reduced memory latency, which in turn improves the performance and energy efficiency of the system. To improve memory capacity, a novel approach to memory compaction is presented.The first part of this thesis introduces Approximate Value Reconstruction (AVR), which combines a low-complexity downsampling compressor with an LLC design able to co-locate compressed and uncompressed data. Two separate thresholds limit the error introduced by approximation. For applications that tolerate aggressive approximation in large fractions of their data, in a system with 1GB of 1600MHz DDR4 per core and 1MB of LLC space per core, AVR reduces memory traffic by up to 70%, execution time by up to 55%, and energy costs by up to 20% introducing at most 1.2% error in the application output.The second part of this thesis proposes Memory Squeeze (MemSZ), introducing a parallelized implementation of the more advanced Squeeze (SZ) compression method. Furthermore, MemSZ improves on the error limiting capability of AVR by keeping track of life-time accumulated error. An alternate memory compression architecture is also proposed, which utilizes 3D-stacked DRAM as a last-level cache. In a system with 1GB of 800MHz DDR4 per core and 1MB of LLC space per core, MemSZ improves execution time, energy and memory traffic over AVR by up to 15%, 9%, and 64%, respectively.The third part of the thesis describes L2C, a hybrid lossy and lossless memory compression scheme. L2C applies lossy compression to approximable data, and falls back to lossless if an error threshold is exceeded. In a system with 4GB of 800MHz DDR4 per core and 1MB of LLC space per core, L2C improves on the performance of MemSZ by 9%, and energy consumption by 3%.The fourth and final contribution is FlatPack, a novel memory compaction scheme. FlatPack is able to reduce the traffic overhead compared to other memory compaction systems, thus retaining the bandwidth benefits of compression. Furthermore, FlatPack is flexible to changes in block compressibility both over time and between adjacent blocks. When available memory corresponds to 50% of the application footprint, in a system with 4GB of 800MHz DDR4 per core and 1MB of LLC space per core, FlatPack increases system performance compared to current state-of-the-art designs by 36%, while reducing system energy consumption by 12%

Does the unemployment benefit institution affect the productivity of workers? Evidence from a field experiment

We investigate whether and how the type of unemployment benefit institution affects productivity. We designed a field experiment to compare workers' productivity under a welfare system, where the unemployed receive an unconditional monetary transfer, with their productivity under a workfare system, where the transfer is received conditional on the unemployed spending some time on ancillary activities. First, we find that having an unemployment benefit institution, regardless of whether it makes transfers conditional or unconditional, increases workers' productivity. Second, we find that productivity is higher under Welfare than under Workfare. Becoming unemployed under Welfare comes at the psychological cost of a drop in self-esteem, presumably due to the shame or stigma associated with receiving an unconditional unemployment benefit. We document the empirical relevance of precisely this channel. The differences we observe in productivity suggest that this psychological cost acts as an extra nonmonetary incentive for workers under Welfare to put a higher effort in their work

Beyond Transmitting Bits: Context, Semantics, and Task-Oriented Communications

Communication systems to date primarily aim at reliably communicating bit sequences. Such an approach provides efficient engineering designs that are agnostic to the meanings of the messages or to the goal that the message exchange aims to achieve. Next generation systems, however, can be potentially enriched by folding message semantics and goals of communication into their design. Further, these systems can be made cognizant of the context in which communication exchange takes place, providing avenues for novel design insights. This tutorial summarizes the efforts to date, starting from its early adaptations, semantic-aware and task-oriented communications, covering the foundations, algorithms and potential implementations. The focus is on approaches that utilize information theory to provide the foundations, as well as the significant role of learning in semantics and task-aware communications.Comment: 28 pages, 14 figure

High Performance Data Acquisition and Analysis Routines for the Nab Experiment

Probes of the Standard Model of particle physics are pushing further and further into the so-called “precision frontier”. In order to reach the precision goals of these experiments, a combination of elegant experimental design and robust data acquisition and analysis is required. Two experiments that embody this philosophy are the Nab and Calcium-45 experiments. These experiments are probing the understanding of the weak interaction by examining the beta decay of the free neutron and Calcium-45 respectively. They both aim to measure correlation parameters in the neutron beta decay alphabet, a and b. The parameter a, the electron-neutrino correlation coefficient, is sensitive to λ, the ratio of the axial-vector and vector coupling strengths in the decay of the free neutron. This parameter λ, in tandem with a precision measurement of the neutron lifetime τ , provides a measurement of the matrix element Vud from the CKM quark mixing matrix. The CKM matrix, as a rotation matrix, must be unitary. Probes of Vud and Vus in recent years have revealed tension in this unitarity at the 2.2σ level. The measurement of a via decay of free cold neutrons serves as an additional method of extraction for Vud that is sensitive to a different set of systematic effects and as such is an excellent probe into the source of the deviation from unitarity. The parameter b, the Fierz interference term, appears as a distortion in the mea- sured electron energy spectra from beta decay. This parameter, if non-zero, would indicate the existence of Scalar and/or Tensor couplings in the Weak interaction which according to the Standard Model is purely Vector minus Axial-Vector. This is therefore a search for physics beyond the standard model, BSM, physics search. The Nab and Calcium-45 experiments probe these parameters with a combination of elegant experimental design and brute force collection and analysis of large amounts of digitized detector data. These datasets, particularly in the case of the Nab experiment, are anticipated to span multiple petabytes of data and will require high performance online analysis and precision offline analysis routines in order to reach the experimental goals. Of particular note are the requirements for better than 3 keV energy resolution and an understanding of the uncertainty in the mean timing bias for the detected particles within 300 ps. Presented in this dissertation is an overview of the experiments and their design, a description of the data acquisition systems and analysis routines that have been developed to support the experiments, and a discussion of the data analysis performed for the Calcium-45 experiment