Aspects of Code Generation and Data Transfer Techniques for Modern Parallel Architectures

Im Bereich der Prozessorarchitekturen hat sich der Fokus neuer Entwicklungen von immer höheren Taktfrequenzen hin zu immer mehr Kernen auf einem Chip verschoben. Eine hohe Kernanzahl ermöglicht es unterschiedlich leistungsfähige Kerne anzubieten, und sogar dedizierte Kerne mit speziellen Befehlssätzen. Die Entwicklung für solch heterogene Plattformen ist herausfordernd und benötigt entsprechende Unterstützung von Entwicklungswerkzeugen, wie beispielsweise Übersetzern. Neben ihrer heterogenen Kernstruktur gibt es eine zweite Dimension, die die Entwicklung für solche Architekturen anspruchsvoll macht: ihre Speicherstruktur. Die Aufrechterhaltung von globaler Cache-Kohärenz erschwert das Erreichen hoher Kernzahlen. Hardwarebasierte Cache-Kohärenz-Protokolle skalieren entweder schlecht, oder sind kompliziert und führen zu Problemen bei Ausführungszeit und Energieeffizienz. Eine radikale Lösung dieses Problems stellt die Abschaffung der globalen Cache-Kohärenz dar. Jedoch ist es schwierig, bestehende Programmiermodelle effizient auf solch eine Hardware-Architektur mit schwachen Garantien abzubilden. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich Datentransfertechniken für nicht-cache-kohärente Architekturen mit gemeinsamem Speicher. Diese Architekturen bieten einen gemeinsamen physikalischen Adressraum, implementieren aber keine hardwarebasierte Kohärenz zwischen allen Caches des Systems. Die logische Partitionierung des gemeinsamen Speichers ermöglicht die sichere Programmierung einer solchen Plattform. Im Allgemeinen erzeugt dies die Notwendigkeit Daten zwischen Speicherpartitionen zu kopieren. Wir untersuchen die Übersetzung für invasive Architekturen, einer Familie von nicht-cache-kohärenten Vielkernarchitekturen. Wir betrachten die effiziente Implementierung von Datentransfers sowohl einfacher als auch komplexer Datenstrukturen auf invasiven Architekturen. Insbesondere schlagen wir eine neuartige Technik zum Kopieren komplexer verzeigerter Datenstrukturen vor, die ohne Serialisierung auskommt. Hierzu verallgemeinern wir den Objekt-Klon-Ansatz mit übersetzergesteuerter automatischer software-basierter Kohärenz, sodass er auch im Kontext nicht-kohärenter Caches funktioniert. Wir präsentieren Implementierungen mehrerer Datentransfertechniken im Rahmen eines existierenden Übersetzers und seines Laufzeitsystems. Wir führen eine ausführliche Auswertung dieser Implementierungen auf einem FPGA-basierten Prototypen einer invasiven Architektur durch. Schließlich schlagen wir vor, Hardwareunterstützung für bereichsbasierte Cache-Operationen hinzuzufügen und beschreiben und bewerten mögliche Implementierungen und deren Kosten. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Beschleunigung von Shuffle-Code, der bei der Registerzuteilung auftritt, durch die Verwendung von Permutationsbefehlen. Die Aufgabe der Registerzuteilung während der Programmübersetzung ist die Abbildung von Programmvariablen auf Maschinenregister. Während der Registerzuteilung erzeugt der Übersetzer Shuffle-Code, der aus Kopier- und Tauschbefehlen besteht, um Werte zwischen Registern zu transferieren. Abhängig von der Qualität der Registerzuteilung und der Zahl der verfügbaren Register kann eine große Menge an Shuffle-Code erzeugt werden. Wir schlagen vor, die Ausführung von Shuffle-Code mit Hilfe von neuartigen Permutationsbefehlen zu beschleunigen, die die Inhalte von einigen Registern in einem Taktzyklus beliebig permutieren. Um die Machbarkeit dieser Idee zu demonstrieren, erweitern wir zunächst ein bestehendes RISC-Befehlsformat um Permutationsbefehle. Anschließend beschreiben wir, wie die vorgeschlagenen Permutationsbefehle in einer bestehenden RISC-Architektur implementiert werden können. Dann entwickeln wir zwei Verfahren zur Codeerzeugung, die die Permutationsbefehle ausnutzen, um Shuffle-Code zu beschleunigen: eine schnelle Heuristik und einen auf dynamischer Programmierung basierenden optimalen Ansatz. Wir beweisen Qualitäts- und Korrektheitseingeschaften beider Ansätze und zeigen die Optimalität des zweiten Ansatzes. Im Folgenden implementieren wir beide Codeerzeugungsverfahren in einem Übersetzer und untersuchen sowie vergleichen deren Codequalität ausführlich mit Hilfe standardisierter Benchmarks. Zunächst messen wir die genaue Zahl der dynamisch ausgeführten Befehle, welche wir folgend validieren, indem wir Programmlaufzeiten auf einer FPGA-basierten Prototypimplementierung der um Permutationsbefehle erweiterten RISC-Architektur messen. Schließlich argumentieren wir, dass Permutationsbefehle auf modernen Out-Of-Order-Prozessorarchitekturen, die bereits Registerumbenennung unterstützen, mit wenig Aufwand implementierbar sind

Severe thunderstorms with large hail across Germany in June 2019

From 10 to 12 June 2019, severe thunderstorms affected large parts of Germany. Hail larger than golf ball size caused considerable damage, especially in the Munich area where losses amount to EUR 1 billion. This event thus ranks among the ten most expensive hail events in Europe in the last 40 years. Atmospheric blocking in combination with a moist, unstably stratified air mass provided an excellent setting for the development of severe, hail‐producing thunderstorms across the country. imageGerman Research Foundation http://dx.doi.org/10.13039/50110000165

Capillary microfluidic platform for sulfite determination in wines

A microfluidic paper-based analytical device integrating a chromoreactand – a formylazo dye– has been fabri- cated and used for a colorimetric assay of sulfites. The chromoreactand was covalently linked to paper by vinyl sulfone chemistry. This work presents two robust capillary microfluidic devices to determine sulfite in wine without any pretreatment. One of them based on thread (µTPAD) useful to determine it in white wine and another based on paper (µPAD) to specifically determine sulfite in red wine as well as in white wine. Both are based on the selective recognition of sulfite by means of a chromoreactand that turns from orange to yellow in the presence of sulfite. The colour information acquired (H coordinate) using a digital camera readout allows for a range of appli- cation of the µTPAD from 7.8⋅10−5 M (8.1 mg L−1) to 2.7⋅10−3 M (279.3 mg L−1) with a limit of detection (LOD) of 78 µM. The strong interference caused by the dyes present in red wine is eliminated by including a laminated paper channel in the µPAD structure that allows for the separation of colorants from red wine before the recognition of the sulfite. This makes it possible to adjust the µPAD procedure to the usual sulfite concentration in wine, with an LOD of 2.2⋅10−4 M (22.7 mg L−1) and a CV of 2.6%.This work was founded by Spanish “Ministerio de Economía y Competitividad” (Projects PID2019-103938RB-I00) and Junta de Andalucía (Projects B-FQM-243-UGR18 and P18-RT-2961). The projects were partially supported by European Regional Development Funds (ERDF)

Transcatheter valve implantation for patients with aortic stenosis: a position statement from the European Association of Cardio-Thoracic Surgery (EACTS) and the European Society of Cardiology (ESC), in collaboration with the European Association of Percutaneous Cardiovascular Interventions (EAPCI)

Aims: To critically review the available transcatheter aortic valve implantation techniques and their results, as well as propose recommendations for their use and development. Methods and results: A committee of experts including European Association of Cardio-Thoracic Surgery and European Society of Cardiology representatives met to reach a consensus based on the analysis of the available data obtained with transcatheter aortic valve implantation and their own experience. The evidence suggests that this technique is feasible and provides haemodynamic and clinical improvement for up to 2 years in patients with severe symptomatic aortic stenosis at high risk or with contraindications for surgery. Questions remain mainly concerning safety and long-term durability, which have to be assessed. Surgeons and cardiologists working as a team should select candidates, perform the procedure, and assess the results. Today, the use of this technique should be restricted to high-risk patients or those with contraindications for surgery. However, this may be extended to lower risk patients if the initial promise holds to be true after careful evaluation. Conclusion: Transcatheter aortic valve implantation is a promising technique, which may offer an alternative to conventional surgery for high-risk patients with aortic stenosis. Today, careful evaluation is needed to avoid the risk of uncontrolled diffusio