Στα σύγχρονα ψηφιακά συστήματα η ανάγκη για γρήγορους υπολογισμούς είναι πλέον από τους πιο καθοριστικούς παράγοντες. Άλλοι ιδιαίτερα κρίσιμοι παράγοντες είναι η απαιτούμενη επιφάνεια του κυκλώματος και η κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, ο χρόνος παραμένει ένας από τους πιο σημαντικούς για πλήθος εφαρμογές. Τα αριθμητικά κυκλώματα, όπως αθροιστές, πολλαπλασιαστές και κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο, είναι πλέον αναπόσπαστο κομμάτι των ψηφιακών κυκλωμάτων, γι’ αυτό η επιτάχυνση των λειτουργιών αυτών είναι ένας στόχος στην κατεύθυνση του οποίου πολλές διαφορετικές αρχιτεκτονικές έχουν προταθεί. Η μείωση της καθυστέρησης στις αριθμητικές μονάδες θα δώσει μεγάλη βελτίωση στη συνολική απόδοση των συστημάτων, μιας και οι περισσότερες εφαρμογές εμπεριέχουν πλήθος αριθμητικών πράξεων. Η πράξη της ύψωσης στο τετράγωνο αποτελεί ειδική περίπτωση της πράξης του πολλαπλασιασμού, στην οποία ο πολλαπλασιαστέος ισούται με τον πολλαπλασιαστή. Ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούμε εξειδικευμένα κυκλώματα για την πράξη αυτή είναι η εκμετάλλευση του γεγονότος ότι τα δύο έντελα είναι ίσα, κάτι που οδηγεί σε ελαχιστοποίηση του χρόνου που απαιτείται για την ολοκλήρωση της πράξης, αλλά και μείωση της απαιτούμενης επιφάνειας. Η πράξη της ύψωσης στο τετράγωνο χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές των υψηλής απόδοσης επεξεργαστών ψηφιακού σήματος (digital signal processors – DSP). Τέτοιες εφαρμογές συμπεριλαμβάνουν φιλτράρισμα σήματος (signal filtering), επεξεργασία εικόνας (image processing), και διαμόρφωση για τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Η πράξη της ύψωσης στο τετράγωνο μπορεί, επίσης, να χρησιμοποιηθεί αποδοτικά στην υλοποίηση κρυπτογραφικών αλγορίθμων για την αποφυγή της χρονοβόρας διαδικασίας της ύψωσης σε δύναμη. Το Σύστημα Αριθμητικής Υπολοίπων (RNS), είναι ένα αριθμητικό σύστημα το οποίο παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα στην ταχύτητα με την οποία μπορούν να γίνουν οι αριθμητικές πράξεις. Στο RNS οι αριθμοί αναπαρίστανται σαν ένα σύνολο από υπόλοιπα. Για να αναπαραστήσουμε έναν αριθμό ορίζουμε ένα σύνολο από πρώτους μεταξύ τους ακεραίους που ονομάζεται βάση του συστήματος P={p1,p2,…pk}. Η αναπαράσταση ενός αριθμού X στο RNS ορίζεται ως το σύνολο των υπολοίπων του Χ ως προς τα στοιχεία της βάσης Ρ. Προκύπτει, έτσι, ότι X={x1,x2,…,xk} όπου το xi είναι το υπόλοιπο της διαίρεσης του X με το στοιχείο της βάσης pi και συμβολίζεται με Xi=|X|pi. Κάθε ακέραιος Χ που ανήκει στο εύρος τιμών 0<=X<M, όπου Μ είναι το γινόμενο όλων των στοιχείων της βάσης P, έχει μοναδική αναπαράσταση στο RNS. Μια αριθμητική πράξη δύο εντέλων, η οποία μπορεί να είναι πρόσθεση, αφαίρεση ή πολλαπλασιασμός, ορίζεται ως εξής: {z1,z2,…,zk} = {x1,x2,…,xk}*{y1,y2,…,yk}, όπου zi = (xi*yi) modpi. Συνεπώς, κάθε αριθμητική πράξη εφαρμόζεται σε παράλληλες μονάδες (μία για κάθε στοιχείο της βάσης), καθεμία από τις οποίες διαχειρίζεται μικρούς αριθμούς (υπόλοιπα), αντί μιας μονάδας που θα χρειαζόταν να διαχειριστεί μεγάλους αριθμούς. Ένα από τα πιο δημοφιλή σύνολα βάσης είναι αυτά της μορφής {2^n, 2^n -1, 2^n+1}, λόγω του ότι προσφέρουν πολύ αποδοτικά κυκλώματα με κριτήριο το γινόμενο της επιφάνειας επί το τετράγωνο της καθυστέρησης (area * time^2), καθώς επίσης και αποδοτικούς μετατροπείς από και προς το δυαδικό σύστημα. Για το λόγο αυτό η υλοποίηση αποδοτικών modulo(2^n-1) και modulo(2n+1) κυκλωμάτων είναι σημαντική. Το πρόβλημα που παρουσιάζεται είναι ότι ενώ οι modulo(2^n) και modulo(2^n-1) αριθμητικές χρειάζονται το πολύ n δυαδικά ψηφία για την αναπαράσταση όλων των δυνατών υπολοίπων, στη modulo(2^n+1) αρχιτεκτονική χρειάζονται (n+1) ψηφία. Το πρόβλημα αυτό λύνεται με τη χρήση diminished-1 αναπαράστασης. Στη diminished-1 αναπαράσταση, κάθε αριθμός Χ αναπαρίσταται ως X-1=X-1. Έτσι, απαιτούνται n δυαδικά ψηφία για την αναπαράσταση, χρειάζονται, όμως, κυκλώματα μετατροπής από και προς την diminished-1 αναπαράσταση. Όταν χρησιμοποιείται η diminished-1 αναπαράσταση η τιμή εισόδου ίση με 0 χειρίζεται ξεχωριστά. Στα πλαίσια της εργασίας αναλύονται υπάρχουσες αρχιτεκτονικές και προτείνονται νέες για κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο στο Σύστημα Αριθμητικής Υπολοίπων (RNS). Οι προτεινόμενες αρχιτεκτονικές βελτιώνουν την καθυστέρηση και, ταυτόχρονα, μειώνουν τις απαιτήσεις σε επιφάνεια. / Fast computations are of major importance in modern digital systems. Other critical factors are the area and the energy consumption. However, delay is still one of the most important ones for a variety of applications. Due to the fact that arithmetic circuits, such as adders, multipliers and squarers, have been integral components of most digital systems, many schemes have been proposed in the direction of accelerating arithmetic operations. As most applications contain a big number of arithmetic operations, delay reduction in arithmetic units will lead to significant improvement in the total system’s performance. Squaring is a special case of multiplication, where the multiplier equals the multiplicand. The reason for using a special circuit for squaring is to benefit from the fact that the two operands are equal, which reduces the delay and the area needed for the calculation of the square. The squaring operation is used in many applications of high performance digital signal processors. Such applications include signal filtering, image processing and modulation of communication components. Squarers can also find applicability in several cryptographic algorithms for the implementation of modular exponentiations. The Residue Number System is an arithmetic system in which arithmetic operations can be calculated in high speed. In the RNS numbers are represented as a set of residues. In order to represent a number we define a set of pairwise relative prime integers P={p1,p2,…pk}, which is the system’s base. Every number X is represented with the set of the residues occurred after the division of X by each element of the base, P. Thus, X={x1,x2,…,xk}, where xi stands for the residue of the division of X by the ith element of the base, pi, which is denoted as Xi=|X|pi. In the RNS there is a unique representation for every integer X that 0<=X<M, where M is the product of all the elements of the base. A two-operant arithmetic operation, which can be an addition, a subtraction or a multiplication, is defined as {z1,z2,…,zk} = {x1,x2,…,xk}*{y1,y2,…,yk}, where zi = (xi*yi) modpi. Consequently, arithmetic operations are performed to parallel units (one unit for each element of the base) each one handling small residues, instead of a single unit that handles large numbers. One of the most popular base sets is those of the form {2^n, 2^n -1, 2^n+1}, due to the fact that they offer very efficient circuits when considering the area*time^2 criterion and efficient converters from/to the binary system. Thus, the design of efficient modulo (2^n-1) and modulo (2^n+1) circuits is of high importance. The problem that arises is that while in modulo(2^n) and modulo(2^n-1) arithmetic n bits are sufficient for the representation of all possible residues, in modulo(2^n+1) arithmetic (n+1) bits are needed. This can be solved by the use of the diminished-1 representation. In the diminished-1 representation every number X is represented as X-1=X-1. Therefore, n bits are sufficient for the representation, but converters from/to the diminished-1 representation are needed. In cases that the diminished-1 representation is used, operands with value 0 is treated separately. For the needs of this thesis, existing architectures of squaring circuits in the RNS are studied and new ones are proposed. The proposed architectures improve the system’s delay, while, in parallel, reduce the area needs.

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι ο κίνδυνος ρύπανσης των αντλητικών γεωτρήσεων της ΔΕΥΑ Πάτρας από ρύπους που μεταφέρονται μέσα στο υδροφόρο στρώμα, τόσο μέσω του νερού που εμπλουτίζει τον υδροφορέα, όσο και από τοπικές ρυπάνσεις που προέρχονται από ανθρώπινες δραστηριότητες. Σημειώνεται ότι ο υδροφορέας του Γλαύκου ποταμού είναι ένας σημαντικός ταμιευτήρας γλυκού νερού για την πόλη των Πατρών. Εξετάστηκε η εξάπλωση ρυπάνσεων που μπορούν να προέρχονται (i) από τον ποταμό Γλαύκο, (ii) από την περιοχή των χειμάρρων Διακονιάρη–Ελεκίστρας, (iii) από την περιοχή Σαραβαλίου–Κρήνης, όπου ο υδροφορέας του Γλαύκου εμπλουτίζεται πλευρικά με σημαντικές ποσότητες νερού που προέρχονται από τους ανάντη καρστικούς σχηματισμούς, (iv) από το νερό της βροχής που κατεισδύει στη μη αστικοποιημένη περιοχή του υδροφορέα και (v) από σημειακές ρυπάνσεις που μπορεί να προκύψουν σε περιοχές με έντονες ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Μια τέτοια περιοχή είναι η περιοχή της δημοτικής Λαχαναγοράς. Η διερεύνηση έγινε με το αριθμητικό μοντέλο MT3DMS (Zheng and Wang, 1999). Οι μηχανισμοί μεταφοράς που ελήφθησαν υπόψη είναι η μεταγωγή και η υδροδυναμική διασπορά. Θεωρήθηκε ότι οι ρύποι διαλύονται στο νερό χωρίς να επηρεάζουν την πυκνότητα και το ιξώδες του. Η διείσδυση του θαλασσινού νερού στην παράκτια ζώνη, η οποία επηρεάζει την ροή του γλυκού νερού προς τη θάλασσα, ελήφθη προσεγγιστικά υπόψη (βλέπε Κεφάλαιο 4). Τα υδραυλικά χαρακτηριστικά καθώς επίσης και τα μεγέθη του υδρολογικού ισοζυγίου του υδροφορέα ελήφθησαν από την διδακτορική διατριβή του Ζιώγα (2013). / In this Master’s Thesis, the numerical simulation of groundwater contaminant transport in the coastal aquifer of Glafkos river is studied. The study region is located southwest of the city of Patras in Greece.

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της επίδοσης κωφών μαθητών σε διάφορα είδη αριθμητικών προβλημάτων. Συγκεκριμένα, η μελέτη των επιδόσεων κωφών μαθητών σε αριθμητικά προβλήματα προσθετικού τύπου σε σχέση με την τάξη που παρακολουθούν, το είδος του προβλήματος, καθώς και η επίδραση της χρήσης Ελληνικής Νοηματικής Γλώσσας στη κατανόηση των προβλημάτων. Τα ερωτήματα στα οποία γίνετε μια προσπάθεια να απαντηθούν είναι: (1) σε ποιό βαθμό η χρήση Ελληνικής Νοηματικής Γλώσσας κατά την εκφώνηση του αριθμητικού προβλήματος διευκολύνει την κατανόηση του και επομένως συμβάλει θετικά στην επίλυση του, (2) σε ποιο βαθμό η επίδοση των μαθητών στα ίδια αριθμητικά προβλήματα διαφοροποιείται ανάλογα με την τάξη, την οποία παρακολουθούν, και την ηλικία τους και (3) εάν το είδος του αριθμητικού προβλήματος σχετίζεται με τη φοίτηση των μαθητών π.χ. εάν κάποια προβλήματα γίνονται κατανοητά σε παιδιά μεγαλύτερης τάξης. Στην έρευνα πήραν μέρος επτά μαθητές (Ν=7) από τα Ειδικά Δημοτικά Σχολεία Κωφών και Βαρηκόων Αργυρούπολης και Πάτρας και 30 μαθητές (Ν=30) από το Δημοτικό Σχολείο Γαλατά Τροιζήνας, οι οποίοι αποτέλεσαν την ομάδα ελέγχου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι κωφοί και οι βαρήκοοι μαθητές παρουσιάζουν χαμηλότερες επιδόσεις στην επίλυση αριθμητικών προβλημάτων τύπου από αυτές των ακουόντων μαθητών ίδιας ηλικίας, ανεξαρτήτως τρόπου επικοινωνίας. Συγκεκριμένα, οι επιδόσεις τους στην περίπτωση που γίνετε χρήση Ε.Ν.Γ. κατά την εκφώνηση των παραπάνω προβλημάτων, παρουσιάζονται αρκετά βελτιωμένες από την περίπτωση της χρήσης γραπτού λόγου. Επιπλέον, οι επιδόσεις των κωφών και βαρήκοων μαθητών της έκτης τάξης, και με τους δύο τρόπους επικοινωνίας, είναι καλύτερες από αυτές των μαθητών της πέμπτης τάξης. Όσον αφορά τις επιδόσεις των κωφών μαθητών στα διάφορα είδη αριθμητικών προβλημάτων, φαίνεται να έχουν καλύτερη επίδοση από όλους στα προβλήματα αυτά, στα οποία δίνονται όλες οι αρχικές ποσότητες και ζητείται η τελική, όπως και σε αυτά που οι λέξεις που χρησιμοποιούνται είναι συνεπείς με τις πράξεις που απαιτούνται για την επίλυση τους. Οι μαθητές της έκτης τάξης παρουσιάζουν καλύτερη επίδοση σε όλα τα υπόλοιπα προβλήματα. Τέλος, τα παραπάνω αποτελέσματα πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη από τους δασκάλους και τους μαθηματικούς, ώστε να βελτιώσουν τη διδασκαλία τους με το να χρησιμοποιούν Ελληνική Νοηματική Γλώσσα για να κατανοούν οι μαθητές πλήρως τις διάφορες έννοιες και τη μαθηματική γλώσσα. Επίσης θα πρέπει να βελτιωθεί η αναγνωστική ικανότητα των κωφών γενικότερα ώστε να μπορούν να κατανοούν τα αριθμητικά προβλήματα και να δοθεί περισσότερος χρόνος στη διδασκαλία των μαθηματικών. / The purpose of this assignment was a first study of deaf students' performance in different types of arithmetic problems. Specifically, the study of deaf students' performance on arithmetic problems to comparison with the class monitor, the type of the problem, and the influence of Greek Sign Language use in understanding of these problems. To analyze this, there was an attempt to answer the following questions: (1) to what extent the use of Greek Sign Language in the pronunciation of arithmetic problem makes them easier for understanding and thus contribute positively to their being answered, (2) to what extent the performance of students at the same arithmetic problems varies according to the order, which follow, and their age and (3) whether the type of arithmetic problem associates with the attendance of students, e.g. if some types of problems are more understandable to older children. Seven students (N = 7) of the Special Primary Schools for Deaf and Hard of Hearing of Argyroupolis and Patras participated in this study as well as 30 students (N = 30) of the Elementary School of Galatas Trizoinias, which served as the control group. The results of the study showed that deaf and hard of hearing students are less efficient in solving arithmetic problems than their hearing piers, regardless of the method of communication. Specifically, their performance, when using G.S.L., are presented quite improved than the use of case writing. Moreover, the performance of sixth grade deaf and hard of hearing students, with both modes of communication are better than those of students of fifth grade. Regarding the performance of deaf students in different types of arithmetic problems they seem to have better performance when all the original amounts are given and the final is been asked. Also when the words used in the problems are consistent with the acts required to solve them. The students of sixth grade are better in the problems. Finally, these results should be taken seriously by teachers and mathematicians to improve their teaching, by using Greek Sign Language, so as their students to understand fully the various mathematical concepts and language. Also they should try to improve the reading ability of deaf students in general so that they can understand the arithmetic problems and also give more time to the teaching of mathematics.

Η υλοποίηση αποδοτικών αριθμητικών κυκλωμάτων αποτελεί ένα ανοικτό πεδίο έρευνας καθώς η συνεχής εξέλιξη της τεχνολογίας απαιτεί την επανεκτίμηση των μεθόδων σχεδίασής τους, ενώ παράλληλα δημιουργεί νέους τομείς εφαρμογής τους. Ο τεράστιος όγκος πληροφορίας και η ανάγκη γρήγορης επεξεργασίας της έχει οδηγήσει στην ανάγκη αύξησης της συχνότητας λειτουργίας των αντίστοιχων κυκλωμάτων. Μεγάλης σημασίας παραμένει επίσης η ανάγκη για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος των συστημάτων αυτών, αλλά και του κόστους τους, που συνδέονται άμεσα με την επιφάνεια ολοκλήρωσής τους. Η ικανοποίηση των παραμέτρων αυτών επιτάσσει σε διάφορες περιπτώσεις την υιοθέτηση αριθμητικών συστημάτων, πέραν του συμβατικού δυαδικού συστήματος. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων (Residue Number System – RNS) όπως επίσης και τα αριθμητικά συστήματα πλεοναζουσών αναπαραστάσεων (redundant number systems). Η διδακτορική αυτή διατριβή ασχολείται με την υλοποίηση αποδοτικών κυκλωμάτων για το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων, με την έρευνα να επικεντρώνεται στην υιοθέτηση τόσο πλεοναζουσών όσο και μη-πλεοναζουσών αναπαραστάσεων στα διάφορα κανάλια επεξεργασίας του. Το πρώτο μέρος της διατριβής έχει ως στόχο τη σχεδίαση αποδοτικών κυκλωμάτων υπολοίπων με χρήση μη-πλεοναζουσών αναπαραστάσεων τόσο για τις κύριες-βασικές αριθμητικές πράξεις (πρόσθεση, πολλαπλασιασμός) όσο και για τις δευτερεύουσες-βοηθητικές (αφαίρεση, ύψωση σε δύναμη) πράξεις. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται κυκλώματα αφαίρεσης και πρόσθεσης/αφαίρεσης για κανάλια υπολοίπου της μορφής 2^n+-1, κυκλώματα πολλαπλασιασμού με σταθερά για το σύνολο διαιρετών {2^n-1, 2^n, 2^n+1} καθώς και κυκλώματα Booth πολλαπλασιασμού προγραμματιζόμενης λογικής για τα κανάλια υπολοίπου 2^n+-1. Επιπλέον, παρουσιάζονται κυκλώματα ύψωσης στον κύβο για το κανάλι υπολοίπου 2^n-1. Προτείνεται επίσης μια οικογένεια αριθμητικών κυκλωμάτων (αθροιστές, αφαιρέτες, πολλαπλασιαστές, κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο) υπολοίπου 2^n+1 για την αναπαράσταση ελάττωσης κατά 1, που ενσωματώνουν τη μετατροπή του αποτελέσματος στην κανονική αναπαράσταση μέσα στην αρχιτεκτονική τους, ενώ παρουσιάζεται και μία ενιαία μεθοδολογία σχεδίασης κυκλωμάτων ανάστροφης μετατροπής για σύνολα διαιρετών με κανάλια της μορφής 2^n+1 που υιοθετούν την αναπαράσταση ελάττωσης κατά 1. Τέλος, διερευνούνται και οι διαιρέτες της μορφής 2^n-2 και προτείνονται για αυτούς αποδοτικές αρχιτεκτονικές κυκλωμάτων πρόσθεσης, πολλαπλασιασμού, ύψωσης στο τετράγωνο και ευθείας μετατροπής. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής το ενδιαφέρον εστιάζεται σε μία διαφορετική κατηγορία αναπαραστάσεων, οι οποίες παρέχουν περισσότερους από ένα δυνατούς τρόπους κωδικοποίησης των εντέλων τους. Οι πλεονάζουσες αυτές αναπαραστάσεις παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως η δυνατότητα εξισορρόπησης ταχύτητας και επιφάνειας υλοποίησης. Στη διατριβή εξετάζονται τρεις πλεονάζουσες αναπαραστάσεις για το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων με κανάλια διαιρετών της μορφής 2^n+-1 και παρουσιάζεται μία γενικευμένη μεθοδολογία διαχείρισης των ψηφίων τους, η οποία εφαρμόζεται στη σχεδίαση κυκλωμάτων μετατροπής. Στο τελευταίο μέρος περιγράφονται δύο εφαρμογές συστημάτων που βασίζονται στο Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων. Αναλυτικότερα, σχεδιάζεται και υλοποιείται ένα σύστημα ανίχνευσης ακμών σε εικόνα με ένα στάδιο προ-επεξεργασίας για μείωση του θορύβου καθώς και τρία φίλτρα πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης. / The implementation of efficient arithmetic circuits has always been an open field for research, since the technology evolves rapidly, demanding the reevaluation of their design methods. At the same time this continuous evolution opens new research areas for these circuits. The need for fast processing of a vast amount of information demands an increase of the operational frequency of the corresponding circuits, while at the same time low power consumption, low cost and therefore low area remain of crucial importance. Meeting these needs in arithmetic circuits usually implies the employment of alternative, non-binary number systems. Such examples are the Residue Number System (RNS) and number systems with redundant representations. The subject of this PhD dissertation is the implementation of efficient arithmetic circuits for the RNS emphasizing both in redundant and not redundant representations. The first part of the dissertation deals with the design of efficient non-redundant arithmetic circuits for main arithmetic operations such as addition and multiplication that are met in every processing system, as well as for auxiliary operations like subtraction, squaring and cubing. Specifically, the circuits presented include subtractors and adders/subtractors for the moduli channels of the 2^n+-1 form, single-constant multipliers for the {2^n-1, 2^n, 2^n+1} moduli set, configurable modulo 2^n +-1 Booth-encoded multipliers as well as modulo 2^n-1 cubing units. Furthermore, a family of diminished-1 modulo 2^n+1 arithmetic circuits (adders, subtractors, multipliers and squarers) is also presented, that produces the respective result directly to weighted (normal) representation, embedding that way the conversion process between these two representations. The design of efficient Residue-to-Binary converters is also considered and a novel generic methodology is proposed for the systematic design of those circuits. The modulo 2^n-2 channel is also investigated and an arithmetic processing framework is proposed including adders, multipliers, squarers and Binary-to-Residue converters. In the second part, we focus on a different category of representations, where operands can be encoded in more than one ways. Such representations offer certain characteristics such as a tradeoff between area and speed. In particular, we consider three redundant representations for the RNS processing channels of the 2^n+-1 form, which are the most common choice. A generic methodology is presented for treating their digits in order to design efficient converters for them. The last part of the dissertation presents two applications that are implemented entirely in the RNS domain. Their architectures rely on the proposed arithmetic circuits. The first application is an image edge detector with a pre-processing noise filtering stage. The second application involves the design of three Finite Impulse Response (FIR) filters.

Στην παρούσα διατριβή υπολογίζονται σχετικιστικά πολυτροπικά μοντέλα περιστρεφομένων αστέρων νετρονίων, καθώς και μοντέλα που περιγράφονται από ρεαλιστικές καταστατικές εξισώσεις. Σκοπός αυτής της μελέτης είναι να υπολογιστούν σημαντικές φυσικές ποσότητες ενός αστέρα νετρονίων, στην περίπτωση της υδροστατικής ισορροπίας, της ομοιόμορφης αλλά και της διαφορικής περιστροφής, καθώς και στην περίπτωση που ο αστέρας έχει μαγνητικό πεδίο με πολοειδή και τοροειδή συνιστώσα. Μία σύντομη περιγραφή της αριθμητικής διαπραγμάτευσης έχει ως εξής. Καταρχάς, επιλύεται το σύστημα διαφορικών εξισώσεων Oppenheimer-Volkov (OV). Το σύστημα αυτό περιγράφει την υδροστατική ισορροπία μη περιστρεφομένων πολυτροπικών μοντέλων. Στη συνέχεια, θεωρείται η ομοιόμορφη περιστροφή ως διαταραχή, σύμφωνα με την «μέθοδο διαταραχής Hartle» και υπολογίζονται διορθώσεις στην μάζα και την ακτίνα, διορθώσεις που οφείλονται σε σφαιρικές και τετραπολικές παραμορφώσεις. Ακολούθως, εφαρμόζεται μία διαταρακτική προσέγγιση με όρους τρίτης τάξης στην γωνιακή ταχύτητα, Ω. Η στροφορμή, J, η ροπή αδράνειας, I, η περιστροφική κινητική ενέργεια, T, και η βαρυτική δυναμική ενέργεια, W, είναι ποσότητες που υφίστανται σημαντικές διορθώσεις από την προσέγγιση τρίτης τάξης. Η διαφορική περιστροφή ϑεωρείται ότι (i) υπακούει σε έναν συγκεκριμένο νόμο, ή (ii) επάγεται από το συνδυασμό ομοιόμορφης περιστροφής και ακτινικών ταλαντώσεων του αστέρα· ο στόχος είναι να υπολογισθεί η μεταβολή σημαντικών φυσικών ποσοτήτων που οφείλεται στη διαφορική περιστροφή. Στο δεύτερο μέρος, μελετάται η επίδραση του μαγνητικού πεδίου, το οποίο αποτελείται από πολοειδή και τοροειδή συνιστώσα, με τη «μέθοδο διαταραχής κατά Ioka-Sasaki» (IS). Στην παρούσα διαπραγμάτευση, το πρόβλημα περιγράφεται από μία «γενικευμένη διαφορική εξίσωση Grad-Shafranov» (GS),η επίλυση της οποίας δίνει τη συνάρτηση ροής (flux function), ψ. Μέσω αυτής της συνάρτησης υπολογίζονται οι συνιστώσες του μαγνητικού πεδίου και η γεωμετρική παραμόρφωση που υφίσταται ο αστέρας λόγω του μαγνητικού πεδίου. Η αντιμετώπιση του προβλήματος γίνεται και σε αυτήν την περίπτωση με τη ϑεωρία διαταραχών. ΄Εχοντας υπολογίσει μοντέλα περιστρεφομένων αστέρων νετρονίων και διάφορα μοντέλα με μαγνητικό πεδίο, μπορούμε να συνθέσουμε τα αποτελέσματά μας και να προσδιορίσουμε μοντέλα αστέρων νετρονίων μηδενικής φαινόμενης παραμόρφωσης (equalizers), δηλαδή αστέρων νετρονίων που η περιστροφή και το μαγνητικό πεδίο προκαλούν ίσες και αντίθετες γεωμετρικές παραμορφώσεις στο σχήμα του αστέρα. / We compute relativistic polytropic models as well as models obeying realistic equations of state, of rotating neutron stars. The purpose of this study is to calculate significant physical quantities of a neutron star, in the case of hydrostatic equilibrium, rigid and differential rotation, as well as in the case of a magnetic neutron star with both poloidal and toroidal components. A short description of the numerical treatment has as follows. First, we solve the Oppenheimer-Volkov system of differential equations. This system refers to hydrostatic equilibrium of non rotating polytropic models. Then, solid rotation is added as a perturbation, according to "Hartle’s perturbation method" and corrections to mass and radius are calculated, as also corrections due to spherical and quadrupole deformations. In addition a third order perturbation in angular velocity, Ω, is implemented. Angular momentum, J, moment of inertia, I, rotational kinetical energy, T, and gravitational potential energy, W, are quantites that are significally corrected by the third order approximation. Differential rotation is assumed that (i) obeys a specific law, or (ii) follows as a result of the solid rotation and radial oscillations combination; our purpose is the calculation of the main physical quantities that are altered by differential rotation. In the second part the effect of magnetic field is studied, which consists of a poloidal and a toroidal component. The "Ioka-Sasaki perturbation method" (IS) is implemented. This problem is described by the quantification of the flux function ψ, which comes as a solution of the "Grad-Shafranov" (GS) differential equation. Then the components of the magnetic field and the quadrupole deformation of the star are calculated. This method is also a perturbative method similar to "Hartle’s perturbation method". Having calculated models of rotating neutron stars, as also various models of magnetic fields, we can compose our results and determine models of neutron stars with zero deformation, the equalizers, these are neutron stars that are rotating and also have a magnetic field in a way that they, rotation and magnetic field, produce equal but opposite geometrical deformations in the shape of the star.

Η άθροιση μεγάλων αριθμών είναι μια χρονοβόρα και ενεργοβόρα διαδικασία. Πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για να μειωθεί η καθυστέρηση υπολογισμού του αθροίσματος λόγω της μετάδοσης κρατουμένου. Τέτοιες είναι η πρόβλεψη κρατουμένου (carry look ahead) και η επιλογή κρατουμένου (carry select). Αυτές οι αρχιτεκτονικές δεν είναι επαρκώς επεκτάσιμες για μεγάλους αριθμούς (με πολλά bits) ή πολλούς αριθμούς, διότι παράγονται μεγάλα και ενεργοβόρα κυκλώματα. Στην παρούσα εργασία μελετάται η μέθοδος υπολοίπου (RNS), η οποία χρησιμοποιεί συστήματα αριθμών μεγαλύτερα από το δυαδικό. Ορίζεται μια βάση τριών αριθμών και οι αριθμοί αναπαρίστανται στα εκάστοτε τρία συστήματα της βάσης. Η άθροιση γίνεται παράλληλα σε κάθε σύστημα και τέλος οι αριθμοί μετατρέπονται πάλι στο δυαδικό. Τα πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης είναι η παραλληλία και η απουσία μεγάλων κυκλωμάτων διάδοσης κρατουμένου. Το μειονέκτημα είναι ότι χρειάζονται κυκλώματα μετατροπής από και προς το δυαδικό σύστημα. Αυτού του είδους οι αθροιστές συγκρίνονται για κατανάλωση ενέργειας με τους γνωστούς carry look ahead και carry select. Διαπιστώθηκε ότι οι RNS αθροιστές καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια. / The addition of many-bits numbers is a time and power consuming task. Many methods are developed to reduce the sum calculation delay due to carry propagation. Such techniques are Carry Look Ahead and Carry Select, Those techniques are not scalable to many bits numbers or a set of many numbers: the circuits needed are big and power consuming. In this thesis, the the RNS technique is investigated. This technique uses radix bigger than binary. A 3-numbers base is defined and the numbers that participate in the sum are represented uniquely in each element radix. The addition is performed in parallel in each radix. Finally the result is transformed back to the binary numbers system. The advantages of this technique are the parallelization of the process and the lack of carry propagation circuits. The disadvantage is that transformation circuits are need from/to binary system. The RNS adders are compared to CLA and CS for power. Such adders are compared to CLA and CS for power consumption. It is found that RNS adders consume less energy.

Βασικός άξονας της παρούσας διατριβής είναι οι σχετικιστικοί υπολογισμοί πολυτροπικών μοντέλων περιστρεϕόμενων αστέρων νετρονίων. Επειδή δεν υπάρχει ακριβής αναλυτική λύση των εξισώσεων του Einstein για το ϐαρυτικό πεδίο ενός περιστρεϕόμενου αστέρα νετρονίων, επιχειρούμε την αϱιθμητική επίλυση στο μιγαδικό επίπεδο όλων των διαϕορικών εξισώσεων, που εμπεριέχονται στην διαταρακτική μέθοδο του Hartle. Δίνουμε έμϕαση στον υπολογισμό φυσικών ποσοτήτων, που περιγράϕουν την γεωμετρία ταχέως περιστρεϕόμενων μοντέλων. Συγκρίνοντας τα αριθμητικά αποτελέσματα που ϐρίσκουμε με ορισμένες πολύπλοκες επαναληπτικές μεθόδους, ελέγχουμε την αξιόλογη ϐελτίωση των αποτελεσμάτων μας, έναντι εκείνων που δίνονται από το κλασσικό διαταρακτικό σχήμα του Hartle. Η παρούσα διατριβή χωρίζεται σε τέσσερα μέρη, που αναπτύσσονται στα κεϕάλαια 1, 2, 3 και 4. Στο πρώτο κεϕάλαιο, ϑα εστιάσουμε την προσοχή μας στο σύστημα διαφορικών εξισώσεων Oppenheimer − Volkov, που εξάγονται από τις εξισώσεις πεδίου του Einstein. Σε συνδυασμό με μια καταστατική εξίσωση περιγράφουμε σχετικιστικά πολυτροπικά μοντέλα μη περιστρεϕόμενων αστέρων νετρονίων σε υδροστατική ισορροπία. Ακολούθως, περιγράϕουμε ένα καθαϱά σχετικιστικό φαινόμενο, τον συρμό των αδρανειακών συστημάτων λόγω της περιστροϕής του αστέρα. Στην συνέχεια, χρησιμοποιούμε την μέθοδο διαταραχής του Hartle, σύμϕωνα με την οποία δεχόμαστε ότι ο στατικός αστέρας είναι το αδιατάρακτο σύστημα, πάνω στο οποίο εϕαρμόζουμε μικρές διαταραχές (ϑεωρώντας την ομοιόμορϕη περιστροϕή ως διαταραχή) και έτσι υπολογίζουμε τις διορθώσεις στην μάζα και την ακτίνα, λόγω των σϕαιρικών και τετραπολικών παραμορϕώσεων. Τέλος, εϕαρμόζουμε μία διαταρακτική προσέγγιση με όρους τρίτης τάξης στην γωνιακή ταχύτητα. Στο δεύτερο κεϕάλαιο, ϑα κάνουμε μια εκτενή περιγραϕή της στρατηγικής του μιγαδικού επιπέδου (Complex-Plane Strategy, εν συντομία CPS). Σύμϕωνα με αυτή την μέθοδο, η αριθμητική ολοκλήρωση των διαϕορικών εξισώσεων γίνεται στο μιγαδικό επίπεδο και όλες οι εμπλεκόμενες συναρτήσεις του προβλήματός μας είναι μιγαδικές, μιγαδικής μεταβλητής. Συνεπώς, για την αποϕυγή διαϕόρων ιδιομορϕιών ή και απροσδιόριστων μορϕών, που προκύπτουν από τις οριακές συνθήκες του προβλήματος, κυρίως στο κέντρο και στην επιϕάνεια του αστέρα, μας δίνεται η δυνατότητα να επιλέξουμε ένα κατάλληλο μιγαδικό μονοπάτι για την εκτέλεση πάνω σ΄ αυτό της αριθμητικής ολοκλήρωσης των διαϕορικών εξισώσεων. Επιπλέον, οι αριθμητικές ολοκληϱώσεις όλων των διαϕορικών εξισώσεων του προβλήματος συνεχίζονται πολύ πέραν της επιϕάνειας του αδιατάρακτου μοντέλου, με αποτέλεσμα η ακτίνα υπολογίζεται εύκολα ως η ϱίζα του πραγματικού μέρους της συνάρτησης της πυκνότητας (χωρίς να είμαστε αναγκασμένοι να εκτελέσουμε οποιεσδήποτε αριθμητικές προεκβολές, που είναι γνωστό ότι επιϕέρουν σημαντικά σϕάλματα). Στο τρίτο κεϕάλαιο, υπολογίζουμε σημαντικές φυσικές ποσότητες που αφορούν τον αστέρα νετρονίων, ολοκληρώνοντας αριθμητικά ένα σύστημα διαφορικών εξισώσεων πρώτης τάξης. Ιδιαίτερα, υπολογίζουμε το σύνορο της περιστρεϕόμενης αστρικής δομής με δύο τρόπους. Ο πρώτος είναι με ϐάση την κλασική διαπραγμάτευση της διαταρακτικής μεθόδου του Hartle και ο δεύτερος με τον αλγόριθμο λεπτής ϱύθμισης που αναπτύσσουμε με την ϐοήθεια του οποίου παίρνουμε αξιόλογα αριθμητικά αποτελέσματα. Στην συνέχεια περιγράϕουμε το λογισμικό πακέτο ATOMFT System. Ακολούθως, με την ϐοήθεια των λύσεων των διαϕορικών εξισώσεων τρίτης τάξης ως προς την γωνιακή ταχύτητα, υπολογίζουμε τις διορθώσεις στην στροϕορμή, την ϱοπή αδράνειας, την περιστροϕική κινητική ενέργεια και την ϐαρυτική δυναμική ενέργεια του αστέρα. Εϕαρμόζοντας τέλος μια κατάλληλη μέθοδο, υπολογίζουμε το όριο της μάζας διαϕυγής. Στο τέταρτο κεϕάλαιο, εκθέτουμε πίνακες αποτελεσμάτων και κάποιες σημαντικές γραϕικές παραστάσεις. Δίνουμε επίσης ορισμένες λεπτομέρειες της εϕαρμογής του προγράμματός μας. Επιπλέον, δίνουμε έμϕαση στο γνωστό «παράδοξο» που αϕορά την μέθοδο διαταραχών του Hartle,σύμϕωνα με την οποία αυτή η μέθοδος αν και αντιπροσωπεύει μια προσέγγιση αργής πεϱιστροϕής ενός αστέρα νετρονίων, δίνει αξιόλογα αποτελέσματα ακόμη και όταν εϕαρμόζεται σε ταχέως περιστρεϕόμενα μοντέλα. Στην παρούσα έρευνα αϕαιρέσαμε τον κρίσιμο περιορισμό του τερματισμού των αριθμητικών ολοκληρώσεων λίγο πριν από την επιϕάνεια του μη περιστρεϕόμενου αστέρα, συνεχίζοντας την ολοκλήρωση αρκετά πέραν του συνόρου του. Αυτό σημαίνει ότι η CPS ¨γνωρίζει¨ την παραμόρϕωση που προκαλείται από την περιστροϕή για ένα αρκετά εκτεταμένο διάστημα που περιβάλλει την αρχικά σϕαιρική μορϕή του αστέρα. Συνεπώς, για τους υπολογισμούς που απαιτούνται για τον περιστρεϕόμενο αστέρα, η CPS δεν προεκβάλλει ποτέ, με αποτέλεσμα τα σϕάλματα των υπολογισμών είναι πολύ μικρά. Τέλος, λαμβάνοντας υπόψη κατάλληλα στους υπολογισμούς μας ένα ορισμένο αριθμό συνθηκών, συνδυάζοντας την κλασική διαπραγμάτευση του διαταρακτικού σχήματος του Hartle και τις σχέσεις που απορρέουν από την δομή της στρατηγικής του μιγαδικού επιπέδου, οδηγηθήκαμε τελικά στην επινόηση του αλγόριθμου λεπτής ϱύθμισης, αποτέλεσμα του οποίου είναι η σημαντική ϐελτίωση της ακρίβειας των αριθμητικών αποτελεσμάτων που αϕορούν την γεωμετρία του συνόρου του αστέρα νετρονίων. ΄Αμεση συνέπεια όλων αυτών είναι ο υπολογισμός με ικανοποιητική ακρίβεια του ορίου της μάζας διαϕυγής, εϕαρμόζοντας μια κατάλληλη μέθοδο. / In the present dissertation we solve numerically in the complex plane all the differential equations involved in Hartle’s perturbation method for computing general-relativistic polytropic models of rotating neutron stars. We give emphasis on computing quantities describing the geometry of models in rapid rotation. Compared to numerical results obtained by certain sophisticated iterative methods, we verify appreciable improvement of our results vs to those given by the classical Hartle’s perturbative scheme. The description of the present investigation is constituted by four parts and has as follows. In the first chapter, we start to describe the nonrotating neutron star model. Then, according to "Hartle’s perturbation method", the solid rotation is added as a perturbation. So, the equations of structure for uniformly rotating stars are given up to second order in the angular velocity and the distortions to mass and radius are calculated as corrections owing to spherical and quadrupole deformations. Subsequently, the equations are given up to third order in the angular velocity. In the second chapter, we describe extensively the numerical method called Complex-Plane Strategy (abbreviated CPS). According to this method, we solve numerically in the complex plane all the differential equations involved in Hartle’s perturbation method. Any function of our problem is interpreted as a complex-valued function of a complex variable. CPS offers an alternative for avoiding any singularities and/or indeterminate forms, especially near the center and the surface of the nonrotating star, by performing numerical integration along a proper complex path. Moreover, the numerical integrations of all the differential equations governing the problem are continued well beyond the surface of the nonrotating star, thus, the radius is readily calculated as root of the density function (without been forced to perform any numerical extrapolations). In the third chapter, we solve numerically in the complex plane the system of first-order differential equations resulting from Hartle’s perturbation method. We give emphasis on computing the boundary of the rotating configuration by the so-called fine tuning algorithm which gives appreciably improved results. Then, we describe the software systems that we use in our investigation, with emphasis on the ATOMFT System. Finally, we compute the third order corrections in the uniform angular velocity for the angular momentum, moment of inertia, rotational kinetical energy and gravitational potential energy. Furthermore, we describe a method for computing the mass-shedding limit. In the fourth chapter, we present several numerical results and some significant graphical representations. We also give certain details of our program implementation. Concluding, we emphasize on the well-known "paradox" concerning Hartle’s perturbation method, according to which this method, although representing a slow-rotation approximation, gives remarkably accurate results even when applied to rapidly rotating models. In the present work, we have removed the certain critical limitations of terminating integrations below the radius of the star. Instead, the numerical integration of our problem continues well beyond the boundary of the star. This means that CPS knows the distortion to be caused by rotation over a sufficiently extended space surrounding the initially spherical configuration. So, to the computation of a particular rotating configuration, CPS never extrapolates beyond the end of the function tables computed by such extended numerical integrations. It is exactly the avoidance of any extrapolation which keeps the error in the computations appreciably small. Finally, we have properly taken into account certain conditions matching Hartle’s perturbative scheme and the relations arising in the framework of the Complex-Plane Strategy. This treatment has led to the fine tuning algorithm which, in turn, has improved appreciably the accuracy of our numerical results related to the geometry of the star’s boundary. Consequently, the mass-shedding limit can be calculated using a proper procedure which gives remarkably accurate results.