Methoden und Werkzeuge zum Einsatz von rekonfigurierbaren Akzeleratoren in Mehrkernsystemen

Rechensysteme mit Mehrkernprozessoren werden häufig um einen rekonfigurierbaren Akzelerator wie einen FPGA erweitert. Die Verlagerung von Anwendungsteilen in Hardware wird meist von Spezialisten vorgenommen. Damit Anwender selbst rekonfigurierbare Hardware programmieren können, ist mein Beitrag die komponentenbasierte Programmierung und Verwendung mit automatischer Beachtung der Datenlokalität. So lässt sich auch bei datenintensiven Anwendungen Nutzen aus den Akzeleratoren erzielen

Proceedings of the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015

This volume contains the full papers accepted for presentation at the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015 held in the Barcelona School of Industrial Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya, on June 29 - July 2, 2015. The ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics is an international meeting held once every two years in a European country. Continuing the very successful series of past conferences that have been organized in Lisbon (2003), Madrid (2005), Milan (2007), Warsaw (2009), Brussels (2011) and Zagreb (2013); this edition will once again serve as a meeting point for the international researchers, scientists and experts from academia, research laboratories and industry working in the area of multibody dynamics. Applications are related to many fields of contemporary engineering, such as vehicle and railway systems, aeronautical and space vehicles, robotic manipulators, mechatronic and autonomous systems, smart structures, biomechanical systems and nanotechnologies. The topics of the conference include, but are not restricted to: ● Formulations and Numerical Methods ● Efficient Methods and Real-Time Applications ● Flexible Multibody Dynamics ● Contact Dynamics and Constraints ● Multiphysics and Coupled Problems ● Control and Optimization ● Software Development and Computer Technology ● Aerospace and Maritime Applications ● Biomechanics ● Railroad Vehicle Dynamics ● Road Vehicle Dynamics ● Robotics ● Benchmark ProblemsPostprint (published version

Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP 2019 : Stuttgart, 16. Mai 2019, Wissenschaftliche Konferenz

Mit dem Ziel, nationale und internationale Fachleute unterschiedlicher Disziplinen der Produktentwicklung aus Industrie und Wissenschaft in den Dialog zu bringen, organisiert der Verein zur Förderung produktionstechnischer Forschung e.V., das Fraunhofer IAO gemeinsam mit dem Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design IKTD, dem Institut für Maschinenelemente IMA und dem Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT der Universität Stuttgart das Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP. Am 15. und 16. Mai 2019 findet das SSP zum fünften Mal im Zentrum für Virtuelles Engineering des Fraunhofer IAO statt. Am Forumstag steht die industrielle Anwendung im Fokus, am zweiten Tag die wissenschaftliche Konferenz. Die Konferenz bietet Wissenschaftlern eine Plattform zur Präsentation und Diskussion ihrer neuesten Forschungsergebnisse im Bereich der Produktentwicklung und fördert so den interdisziplinären Wissenstransfer. Aufgerufen waren in der SSP 2019 Beiträge aus folgenden Kategorien: • Agile Produktentwicklung • Bionische Produktentwicklung / Biologisierung • Digital Engineering • Geschäftsmodelle moderner Produktentwicklung • Industrie 4.0 / Cyber-Physical Products • Innovations- und Technologiemanagement • Konstruktionsmethodiken • Leichtbau in der Produktentwicklung • Nachhaltige Produktentwicklung • Nutzerzentriertes Design • Wissensmanagement in der Produktentwicklung • Zuverlässige Produktentwicklung In den drei Tracks mit je drei Sessions werden 27 Beiträge präsentiert. Der Abstract der Keynote sowie die 27 Volltexte sind mit deutschen und englischen Abstracts sind in diesem Band zusammengefasst

Analyse von IT-Anwendungen mittels Zeitvariation

Performanzprobleme treten in der Praxis von IT-Anwendungen häufig auf, trotz steigender Hardwareleistung und verschiedenster Ansätze zur Entwicklung performanter Software im Softwarelebenszyklus. Modellbasierte Performanzanalysen ermöglichen auf Basis von Entwurfsartefakten eine Prävention von Performanzproblemen. Bei bestehenden oder teilweise implementierten IT-Anwendungen wird versucht, durch Hardwareskalierung oder Optimierung des Codes Performanzprobleme zu beheben. Beide Ansätze haben Nachteile: modellbasierte Ansätze werden durch die benötigte hohe Expertise nicht generell genutzt, die nachträgliche Optimierung ist ein unsystematischer und unkoordinierter Prozess. Diese Dissertation schlägt einen neuen Ansatz zur Performanzanalyse für eine nachfolgende Optimierung vor. Mittels eines Experiments werden Performanzwechselwirkungen in der IT-Anwendung identifiziert. Basis des Experiments, das Analyseinstrumentarium, ist eine zielgerichtete, zeitliche Variation von Start-, Endzeitpunkt oder Laufzeitdauer von Abläufen der IT-Anwendung. Diese Herangehensweise ist automatisierbar und kann strukturiert und ohne hohen Lernaufwand im Softwareentwicklungsprozess angewandt werden. Mittels der Turingmaschine wird bewiesen, dass durch die zeitliche Variation des Analyseinstrumentariums die Korrektheit von sequentiellen Berechnung beibehalten wird. Dies wird auf nebenläufige Systeme mittels der parallelen Registermaschine erweitert und diskutiert. Mit diesem praxisnahen Maschinenmodell wird dargelegt, dass die entdeckten Wirkzusammenhänge des Analyseinstrumentariums Optimierungskandidaten identifizieren. Eine spezielle Experimentierumgebung, in der die Abläufe eines Systems, bestehend aus Software und Hardware, programmierbar variiert werden können, wird mittels einer Virtualisierungslösung realisiert. Techniken zur Nutzung des Analyseinstrumentariums durch eine Instrumentierung werden angegeben. Eine Methode zur Ermittlung von Mindestanforderungen von IT-Anwendungen an die Hardware wird präsentiert und mittels der Experimentierumgebung anhand von zwei Szenarios und dem Android Betriebssystem exemplifiziert. Verschiedene Verfahren, um aus den Beobachtungen des Experiments die Optimierungskandidaten des Systems zu eruieren, werden vorgestellt, klassifiziert und evaluiert. Die Identifikation von Optimierungskandidaten und -potenzial wird an Illustrationsszenarios und mehreren großen IT-Anwendungen mittels dieser Methoden praktisch demonstriert. Als konsequente Erweiterung wird auf Basis des Analyseinstrumentariums eine Testmethode zum Validieren eines Systems gegenüber nicht deterministisch reproduzierbaren Fehlern, die auf Grund mangelnder Synchronisationsmechanismen (z.B. Races) oder zeitlicher Abläufe entstehen (z.B. Heisenbugs, alterungsbedingte Fehler), angegeben.Performance problems are very common in IT-Application, even though hardware performance is consistently increasing and there are several different software performance engineering methodologies during the software life cycle. The early model based performance predictions are offering a prevention of performance problems based on software engineering artifacts. Existing or partially implemented IT-Applications are optimized with hardware scaling or code tuning. There are disadvantages with both approaches: the model based performance predictions are not generally used due to the needed high expertise, the ex post optimization is an unsystematic and unstructured process. This thesis proposes a novel approach to a performance analysis for a subsequent optimization of the IT-Application. Via an experiment in the IT-Application performance interdependencies are identified. The core of the analysis is a specific variation of start-, end time or runtime of events or processes in the IT-Application. This approach is automatic and can easily be used in a structured way in the software development process. With a Turingmachine the correctness of this experimental approach was proved. With these temporal variations the correctness of a sequential calculation is held. This is extended and discussed on concurrent systems with a parallel Registermachine. With this very practical machine model the effect of the experiment and the subsequent identification of optimization potential and candidates are demonstrated. A special experimental environment to vary temporal processes and events of the hardware and the software of a system was developed with a virtual machine. Techniques for this experimental approach via instrumenting are stated. A method to determine minimum hardware requirements with this experimental approach is presented and exemplified with two scenarios based on the Android Framework. Different techniques to determine candidates and potential for an optimization are presented, classified and evaluated. The process to analyze and identify optimization candidates and potential is demonstrated on scenarios for illustration purposes and real IT-Applications. As a consistent extension a test methodology enabling a test of non-deterministic reproducible errors is given. Such non-deterministic reproducible errors are faults in the system caused by insufficient synchronization mechanisms (for example Races or Heisenbugs) or aging-related faults

Realisierung der Steuerungs-/Regelungsalgorithmen mittels FPGA für ein hochauflösendes und schnelles Rasterkraftmikroskop mit aktivem Cantilever

Die Entwicklungen des Rasterkraftmikroskops (AFM: atomic force microscope) betrafen alle seine Komponenten, angefangen von Kraftsensoren, Regelungstechniken, Materialien, und Ausrüstung bis zu den Betriebsmoden. Die meisten dieser Entwicklungen haben das Ziel, die Auflösung des AFM zu verbessern und seine Geschwindigkeit zu erhöhen. Meine Doktorarbeit versucht, zur Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie dadurch beizutragen, dass neue Steuerungs- und Regelungsmethoden für das AFM-System mit dem selbstaktuierten piezoresistiven Cantilever (Aktiver Cantilever) als Kraftsensor entworfen und auf Basis der "Field Programmable Gate Array" (FPGA) implementiert werden. In dieser Arbeit wird die Performanz des AFM-Systems mit aktivem Cantilever in der "Geschwindigkeit-Auflösung-Ebene" verbessert. Dafür werden digitale Regelungs- und Steuerungsalgorithmen mit hohem Durchsatz für das AFM-System entworfen und auf FPGA implementiert. Eine Methode wird im Rahmen dieser Arbeit für die automatische Annäherung der Sonde in Richtung der Oberfläche der Probe in einer sehr schnellen und sicheren Art und Weise entwickelt. Die schnelle Annäherung führt zu Verbesserung der AFM-Produktivität besonders bei den Anwendungen, die eine Wiederholung des Annäherungsprozesses während der gleichen Sitzung erfordern (step and image). Rückkoppelungsregelung und Vorwärtsregelung auf Basis eines FPGA werden untersucht, entworfen und implementiert, um die Auswirkungen der Hysterese und Vibrationen des Scanners (Positioniersystem) zu kompensieren. Es wird gezeigt, dass sich durch die Normierung der Hysterese-Kurven die Komplexität des Hysterese-Modells und dadurch des inversen Modells der Hysterese stark reduzieren lässt. Ein neues alternatives Verfahren zur Charakterisierung der Hysterese mittels des AFM-Amplitudenbilds wird erläutert. Der Scanner wird als lineares System höherer Ordnung betrachtet und identifiziert. Ein digitaler Kompensator wird zum Unterdrücken der Scanner-Vibration entwickelt und im FPGA implementiert. Die Scan-Trajektorie in den XY-Richtungen hat einen signifikanten Einfluss auf die Wahl der Steuerungsarchitektur und die erreichbare Scan-Geschwindigkeit. Dafür werden verschiedene Methoden ("Input-Shaper", sinusförmiges und spirales Scannen) in dieser Arbeit implementiert. Zusätzlich werden eine nichtlineare Erfassungsmethode des AFM-Bildes und eine Phasenkorrektur verwendet, um die Verzerrung des AFM-Bildes aufgrund der nicht-linearen Scansignale zu vermeiden. In dieser Arbeit wird eine neue Struktur des digitalen Lock-In entwickelt, der die Amplitude und Phase der Cantilever-Schwingung sehr schnell ermitteln kann. Die Detektionszeit ist kleiner als eine Schwingungsperiode. Die Regelung für ein "Z-Scanner-lose-AFM" wird entworfen und auf FPGA implementiert. In diesem System wird der TMA (Thermomechanischer Aktuator) des aktiven Cantilevers anstatt des Z-Piezoaktuator verwendet, um die Topographie der gescannten Oberfläche zu verfolgen. Dieses Prinzip wird ausgenutzt, um ein AFM-System mit einem aktiven Cantilever-Array (4 Cantilever) zum parallelen Scannen einer großen Oberfläche (0.5mm x 0.2mm) zu entwickeln. Als effektive Scan-Geschwindigkeit werden 5,6 mm/s erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige adaptive Variante zur Erhöhung der Scangeschwindigkeit entwickelt. Diese Methode verhindert ebenfalls effektiv das Sättigungsproblem, das beim Scannen der Oberflächen-Topographien mit hohem Aspekt-Verhältnis entsteht. Verglichen mit einem Standard-Regler ermöglicht der adaptive Regler eine deutlich höhere Stufenauflösung bei vergleichbaren Scanraten. Daher wird das Scannen vier- bis sechsmal schneller bei gleicher Abbildungsqualität. Beim Scannen mit einer kleinen Kraft gibt es sogar eine bis zu 17-fache Verbesserung.The developments relating to the atomic force microscope (AFM) involved all its components, from the force sensors, control techniques, materials and equipment to its operating modes. The majority of these developments have the aim of improving the resolution of the AFM and enhancing its speed. My doctoral thesis endeavours to contribute to the development of atomic force microscopy by designing new control methods for the AFM system with the self-actuating piezoresistive cantilever (active cantilever) as a force sensor and implementing them based on the “Field Programmable Gate Array” (FPGA). In this thesis, the performance of the AFM system with active cantilever is improved in the “speed-resolution plane”. Digital open-loop and closed-loop control algorithms with high throughput are designed for the AFM system and implemented on the FPGA. During the course of this doctoral thesis, a method is designed for the automatic approach of the probe towards the surface of the sample in a very fast and safe manner. A rapid approach leads to improved AFM productivity particularly with applications that the approach process to be repeated within the same session (step and image). The thesis studies, develops and implements open-loop and closed-loop control based on an FPGA to compensate for the effects of the hysteresis and vibrations of the scanner (positioning system). It shows that normalisation of the hysteresis curves allows the complexity of the hysteresis model and thus the inverse model of the hysteresis to be significantly reduced. A new alternative method for characterization of the hysteresis by means of the AFM amplitude image is explained. The scanner is viewed and identified as a higher-order linear system. A digital compensator is developed to suppress scanner vibration and is implemented in the FPGA. The scan trajectory in the XY direction has a significant influence on the choice of the control architecture and the achievable scan speed. Various methods (“Input Shaper“, sinusoidal and spiral scanning) are implemented in this thesis to achieve this. In addition, a non-linear method for recording the AFM image and phase correction are used to avoid the distortion of the AFM image due to the non-linear scan signals. This thesis develops a new digital lock-In structure, which can very rapidly detect the amplitude and phase of the cantilever oscillation. The detection time is less than one oscillation period. The control for a “Z scanner-less AFM” are developed and implemented on the FPGA. This system uses the TMA (Thermomechanical Actuator) of the active cantilever instead of the Z-piezo actuator to track the topography of the scanned surface. This principle is used to develop an AFM system with an active cantilever array (4 cantilevers) for the parallel scanning of a large surface (0.5 mm x 0.2 mm). 5.6 mm/s are arrived at as the effective scanning speed. This thesis also develops an innovative adaptive version for increasing scanning speed. This method also effectively prevents the saturation problem, which occurs when scanning the surface topographies with a high aspect ratio. Compared to a standard controller, the adaptive controller allows a much higher step resolution of at comparable scan rates. Therefore, the scanning becomes four to six times faster with the same image quality. When scanning with a small force, there is even an up to 17-fold improvement

Multibody dynamics 2015

This volume contains the full papers accepted for presentation at the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015 held in the Barcelona School of Industrial Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya, on June 29 - July 2, 2015. The ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics is an international meeting held once every two years in a European country. Continuing the very successful series of past conferences that have been organized in Lisbon (2003), Madrid (2005), Milan (2007), Warsaw (2009), Brussels (2011) and Zagreb (2013); this edition will once again serve as a meeting point for the international researchers, scientists and experts from academia, research laboratories and industry working in the area of multibody dynamics. Applications are related to many fields of contemporary engineering, such as vehicle and railway systems, aeronautical and space vehicles, robotic manipulators, mechatronic and autonomous systems, smart structures, biomechanical systems and nanotechnologies. The topics of the conference include, but are not restricted to: Formulations and Numerical Methods, Efficient Methods and Real-Time Applications, Flexible Multibody Dynamics, Contact Dynamics and Constraints, Multiphysics and Coupled Problems, Control and Optimization, Software Development and Computer Technology, Aerospace and Maritime Applications, Biomechanics, Railroad Vehicle Dynamics, Road Vehicle Dynamics, Robotics, Benchmark Problems. The conference is organized by the Department of Mechanical Engineering of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) in Barcelona. The organizers would like to thank the authors for submitting their contributions, the keynote lecturers for accepting the invitation and for the quality of their talks, the awards and scientific committees for their support to the organization of the conference, and finally the topic organizers for reviewing all extended abstracts and selecting the awards nominees.Postprint (published version

Die Entwicklung von Lösungsstrategien zu den additiven Grundaufgaben im Laufe des ersten Schuljahres

In einer Längsschnittstudie mit 139 niederösterreichischen Kindern aus 20 verschiedenen Volksschulen (Zufallsauswahl) wurde untersucht, mit welchen Rechenstrategien Kinder zu Beginn ihres ersten Schuljahres Additionen und Subtraktionen im Zahlenraum bis 10 zu lösen versuchen und auf welche Weise sie diese Strategien (dann auch im Zahlenraum bis 20) bis Mitte und schließlich bis zum Ende des ersten Schuljahres weiterentwickeln. Die in qualitativen Interviews erfassten Strategien wurden in Beziehung gesetzt einerseits zur Didaktik und Methodik des arithmetischen Erstunterrichts, den diese Kinder im Laufe dieses Schuljahres erfahren haben, andererseits zum zahlbezogenen Wissen zu Schulbeginn, zur Geschlechtszu-gehörigkeit der Kinder und zum Bildungsgrad ihrer Eltern. Die qualitative Inhaltsanalyse der im Unterricht der Kinder verwendeten Mathematik-Schulbücher wie auch die Angaben der Lehrkräfte dieser Kinder zur didaktisch-methodischen Gestaltung ihres Mathematikunterrichts lieferten starke Hinweise dafür, dass im Unterricht aller erfassten Klassen gegen zentrale Empfehlungen der aktuellen Fachdidaktik zur Gestaltung des arithmetischen Erstunterrichts verstoßen wurde. Auf dieser Grundlage waren am Ende des ersten Schuljahres etwa 27 Prozent der Kinder auch noch im Zahlenraum bis 10 vorwiegend zählende Rechner. Nur etwa 35 Prozent der Kinder lösten mehr als zwei Drittel dieser Aufgaben durch Faktennutzung (Faktenabruf oder Ableitung). Die Detailanalyse kindlicher Strategieentwicklungen mündet in der empirisch begründeten Bildung von sechs Typen von Strategie-Präferenzen am Ende des ersten Schuljahres. Im quantitativen Teil der Arbeit werden signifikante Effekte des zu Beginn des ersten Schuljahres vorhandenen Zahlwissens und der Geschlechtszugehörigkeit auf den Anteil Fakten nutzender Strategien statistisch abgesichert (Vorteile von Kindern mit höherem Zahlwissen sowie von Buben gegenüber Mädchen). Zudem zeigt sich, dass Kinder, die eine bestimmte Aufgabe Mitte des ersten Schuljahres durch eine Ableitungsstrategie gelöst haben, dieselbe Aufgabe am Ende des Schuljahres signifikant öfter durch Faktenabruf lösen als Kinder, die diese Aufgabe Mitte des Schuljahres durch eine Zählstrategie gelöst haben. Aus den qualitativen und quantitativen Ergebnissen werden schließlich Konsequenzen für die Aus- und Fortbildung von Lehrkräften, die Früherkennung von "Rechenschwächen" und die Gestaltung des arithmetischen Erstunterrichts abgeleitet.A longitudinal section study encompassing 139 children from 20 elementary schools (random sample) was conducted to determine the strategies underlying children's attempts at solving addition and subtraction through 10 at school entry, and to examine in which ways children develop these strategies (then involving numbers up to 20) until the middle and, finally, the end of the first school-year. The strategies, which were ascertained through qualitative interviews, were related to the didactics and methodology of primary arithmetic education provided to these children during the school-year, on the one hand, and their numerical knowledge at school entry, their gender and their parents’ educational attainment, on the other. A qualitative content analysis of both mathematics textbooks in use and the didactic-methodical conception of mathematics classes as described by those children’s teachers strongly suggested that the way mathematics is being taught in all classes covered indeed contravenes central recommendations of modern didactics regarding primary arithmetic education. As a result, by the end of the first school year about 27 per cent of children were still mainly resorting to calculation by counting even within the number range up to 10, and the percentage of children who solved more than two thirds of tasks by way of fact utilisation (recall of facts or derivation) was only about 35 per cent. A detailed analysis of children’s strategy developments yielded an empirically-based typology of six types of strategy preferences employed by children at the end of the first school-year. The quantitative part of the study provides for a statistical backup as to significant effects of children’s numerical knowledge at school entry and their gender on the share of fact-utilising strategies (advantage of children with a better numerical knowledge, as well as of boys over girls). Moreover, it could be shown that children who, by the middle of the first school year, have solved a particular task through a derivation strategy, solve the same task significantly more frequently through fact retrieval at year-end than do children who, by the middle of the first school year, have solved this exercise through counting on, or by finger counting or counting everything, respectively. Finally, both the qualitative and quantitative findings are drawn upon to formulate recommendations regarding the initial and continuing training of teachers, the early recognition of “mathematical disabilities” as well as the teaching of primary arithmetic