Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν τόσο το κρυπτογραφικό σχήμα του RSA όσο και τα διαφορά σχήματα κρυπτογραφίας ελλειπτικών καμπύλων με στόχο την πρόταση μιας αποδοτικής, σε ταχύτητα και απαιτούμενους πόρους υλικού, μεθοδολογία σχεδιασμού τους. Σε αυτή τη μεθοδολογία σχεδιασμού δίνεται μεγάλο βάρος στη βελτιστοποίηση των πράξεων στα πεπερασμένα σώματα που χρησιμοποιούνται στην κρυπτογραφία δημοσίου κλειδιού. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα σε κρυπτογραφία πεπερασμένα σώματα είναι τα GF(p) (πρώτα σώματα) και τα GF(2^k) (πεπερασμένα σώματα δυαδικής επέκτασης). Σε σχέση με την αριθμητική των GF(p), προτείνεται η χρήση του αλγόριθμου του Montgomery για modulo πολλαπλασιασμό, τροποποιημένου έτσι ώστε να χρησιμοποιεί Carry-Save πλεονάζουσα λογική καθώς και προεπεξεργασία τιμών. Η προκύπτουσα προτεινόμενη αρχιτεκτονική χρησιμοποιείται σε μονάδα ύψωσης σε δύναμη (που αποτελεί και την βασική αριθμητική πράξη του RSA). Η προτεινόμενη μονάδα επιτυγχάνει πολύ καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με άλλες αρχιτεκτονικές τόσο ως προς την ταχύτητα λειτουργίας αλλά και ως προς τους χρησιμοποιούμενους πόρους υλικού. Σε σχέση με την αριθμητική των GF(2^k), προτείνονται αλγόριθμοι και αρχιτεκτονικές για ευέλικτο πολλαπλασιασμό και για αντιστροφή, όταν χρησιμοποιείται πολυωνυμική βάση αναπαράστασης και μια μεθοδολογία πολλαπλασιασμού με αντίστοιχες σειριακές (SMPO) και παράλληλες αρχιτεκτονικές πολλαπλασιασμού όταν χρησιμοποιείται αναπαράσταση κανονικής βάσης. Τέλος, στα πλαίσια της αριθμητικής Ελλειπτικών Καμπύλων η οποία βασίζεται στα πεπερασμένα σώματα GF(p) ή GF(2^k) (στην κρυπτογραφία), χρησιμοποιήθηκαν προτεινόμενες αρχιτεκτονικές δομές για τα σώματα αυτά έτσι ώστε να προκύψει μια ανταγωνιστική αριθμητική μονάδα πράξεων για Ελλειπτικές Καμπύλες. Το πρόβλημα που εμφανίζεται σε μια τέτοια μονάδα έχει να κάνει με το μεγάλο κόστος της αντιστροφής σε πεπερασμένα σώματα σε πόρους υλικού αλλά και σε καθυστέρηση υπολογισμών. Χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική δομή που προτείνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή για αντιστροφή-πολλαπλασιασμό σε GF(2^k) (μονάδα πολλαπλασιασμού/αντιστροφής) το προαναφερθέν κόστος ελαχιστοποιείται. / In this PhD dissertation the cryptographic schemes of RSA and elliptic curve cryptography were studied extensively in order to propose design methodologies for those schemes that are efficient in terms of computation speed and employed hardware resources. In the proposed methodologies special attention is given in the optimization of finite field arithmetic operations employed in public key cryptography. The most widely used such fields are the prime fields or GF(p) and the binary extension fields or GF(2^k) Concerning GF(p) arithmetic, an optimized version of Montgomery modulo multiplication algorithm is proposed for performing modular multiplication that employs Carry - Save redundant logic and value precomputation. The resulting architecture is used in a modular exponentiation unit (which is the basic arithmetic operation of RSA. The proposed unit achieves much better results in terms of computation speed and utilized hardware resources when compared to other well known similar designs. Concerning arithmetic in GF(2^k), algorithms and architectures are proposed for versatile design and inversion when polynomial basis representation of the GF(2^k)is employed. Also, a multiplication design methodology is proposed along with resulting sequential (SMPO) and parallel hardware architectures when normal basis representation of the GF(2k) is chosen. Finally, on elliptic curve arithmetic defined over GF(p) or GF(2^k) the proposed architectures for those fields were used in order to propose a competitive elliptic curve point operation arithmetic unit. The major problem of such a unit is the extensive cost in hardware resources and computation delay of finite field inversion operation. Using the architectural structure proposed in the PhD dissertation for inversion/multiplication in GF(2^k) (multiplication/inversion unit) the design cost can be minimized.

Η διατριβή αποσκοπεί στην ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας και των αντίστοιχων υπολογιστικών εργαλείων με σκοπό τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας κατασκευών από σύνθετα υλικά, όταν λαμβάνεται υπόψη όχι μόνο η στοχαστικότητα της φόρτισης και των ιδιοτήτων αντοχής του ορθότροπου υλικού, αλλά και η μεταβλητότητα των ελαστικών του ιδιοτήτων και των συντελεστών θερμικής διαστολής. Ταυτόχρονα, στόχος της εργασίας είναι η μέθοδος που θα αναπτυχθεί να είναι ευκολόχρηστη και αρκετά ακριβής, ώστε να καταστεί πρακτική για χρήση σε σχεδιασμό τέτοιων κατασκευών όπου μέχρι το τελικό αποτέλεσμα απαιτούνται πολλές επαναληπτικές δοκιμές. Στην εργασία διερευνάται η μεταβλητότητα των μηχανικών ιδιοτήτων συνθέτων υλικών, κυρίως αυτών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πτερυγίων Ανεμογεννητριών, η στατιστική μοντελοποίηση της, καθώς και μέθοδοι για τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας της κατασκευής. Επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον στον δομικό σχεδιασμό πτερυγίων ανεμογεννητριών αναπτύχθηκε κατάλληλο υπολογιστικό εργαλείο για την εκτίμηση της αξιοπιστίας του πτερυγίου υπό στατική φόρτιση, στο επίπεδο της στρώσης του υλικού λαμβάνοντας υπόψη την στοχαστικότητα των ελαστικών-θερμικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων αντοχής του υλικού, ενώ από την πλευρά της φόρτισης περιλαμβάνεται η μεταβλητότητα τόσο των ορθών τάσεων όσο και των διατμητικών τάσεων που αναπτύσσονται στο επίπεδο της στρώσης, ξεκινώντας από την στοχαστικότητα της εξωτερικής φόρτισης του πτερυγίου. Οι προτεινόμενες μέθοδοι εκτίμησης της πιθανότητας αστοχίας του πτερυγίου ανεμογεννήτριας αποδεικνύονται εφαρμόσιμες και σε άλλες κατασκευές από σύνθετα υλικά, με κύριο γνώρισμά τους την παραλαβή της φόρτισης σε μεγάλο βαθμό από το σύνθετο υλικό. / The dissertation aim was to develop a suitable methodology and the relevant numerical tools for the determination of the reliability of composite materials structures, when not only the variability of loading and the orthotropic material strength properties but also the variability of the material's elastic properties and thermal expansion coefficients. In parallel, scope of the work is to develop a method that is easily applicable and relative accurate, so as to be practical for use during the design of such structures, for which a large numbers of iterations is required up to the design final solution. In the current work the variability of the mechanical properties of composite materials, focusing on materials used for manufacturing wind turbine blades, is studied, the statistical modeling of the structure, as well as methods for the estimation of the structural reliability. Concentrating the interest in the structural design of wind turbine blades an adequate numerical tool was developed for the estimation of the wind turbine blade reliability under static loading, at the layer level, taking into account the stochastic material elastic properties, thermal expansion coefficients and strength properties, while on the loading side both the variability of normal and shear stresses which are developed at the layer level is taken into consideration, starting at the variability of the blade's external loading. The proposed methods developed for the failure probability estimation of the wind turbine blade are proved applicable to other composite material structures, as well, for cases where the structural load is undertaken in the largest extend by the composite material.

Η παρούσα ειδική ερευνητική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών στην “Ηλεκτρονική και Επεξεργασία της Πληροφορίας”, στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η “Υλοποίηση σε FPGA του περιγραφέα HOG για ανίχνευση ανθρώπων σε εικόνες και βίντεο”. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί μια εισαγωγή στις βασικότερες έννοιες που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία. Περιγράφεται επίσης η αναπτυξιακή πλακέτα που χρησιμοποιήθηκε καθώς και τα επί μέρους στοιχεία που τη συνθέτουν. Τέλος γίνεται μια συνοπτική αναφορά σε εργασίες με παρόμοιο αντικείμενο, οι οποίες με επηρέασαν στο σχεδιασμό και την υλοποίηση του συστήματός μου. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται ο περιγραφέας Ιστογραμμάτων Προσανατολισμού της Βάθμωσης ή όπως είναι ευρύτερα γνωστός Histograms of Oriented Gradient Descriptor. Παρουσιάζονται τα βήματα όπως περιγράφονται στην εργασία των Dalal&Triggs[4] και οι βέλτιστες τιμές των παραμέτρων του περιγραφέα. Στο τρίτο κεφάλαιο ακολουθώντας τα βήματα του δευτέρου κεφαλαίου, παρουσιάζεται η διαδικασία υλοποίησης του περιγραφέα στο Matlab. Εκτός της υλοποίησης έγινε και μια προεργασία για τη μεταφορά του σε γλώσσα περιγραφής υλικού. Η προεργασία αυτή περιλαμβάνει απλοποιήσεις και τροποποιήσεις με σκοπό να μειωθεί το υπολογιστικό κόστος. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα δοκιμών της απόδοσης του περιγραφέα για τις διάφορες απλοποιήσεις. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια μικρή αναφορά στους ταξινομητές. Περιγράφονται οι ταξινομητές που δοκιμάστηκαν στην παρούσα εργασία ως προς συγκεκριμένα χαρακτηριστικά τους καθώς και την υπολογιστική τους πολυπλοκότητα για την συγκεκριμένη εφαρμογή. Το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο περιλαμβάνει την περιγραφή της υλοποίησης σε VHDL. Αναλύονται τα επί μέρους κυκλώματα και όπου κρίθηκε αναγκαίο χρησιμοποιήθηκαν σχήματα ή πίνακες. Σε κάποιες περιπτώσεις δίνονται και οι κυματομορφές των κυκλωμάτων. / This thesis took place within the frame work of the Interdeparmental Master’s Program in “Electronics and Information Processing”, at the Department of Physics of University of Patras. The objective of this work is the implementation in FPGA of the HOG descriptor for the detection of people, images and videos. The first chapter is an introduction about the basic concepts, which are used across the manuscript. (Additional descriptions concern the development board which was used as well as the individual parts that compose it.) In the end, there is a brief reference to past projects focusing on similar objectives, which influenced the design and the implementation of my system. The second chapter concerns the presentation and discussion of the Histograms of Oriented Gradient descriptor. The steps of the procedure and the best parameter values of the descriptor are presented in a similar way as they are described in the paper of Dalal and Triggs. In the third chapter, following the steps of the previous one, the focus shifts to the descriptor’s implementation procedure in Matlab. Besides the implementation, there is a preparation for the transference of the descriptor in a Hardware Description Language. This preparation includes simplifications and modifications aiming at the reduction of the computational cost. Finally, we see the tests’ results of the descriptor’s performance concerning the various simplifications. The fourth chapter is a partial reference to the classifiers. The description is about the classifiers that were used in the present work with respect to their features and their computational complexity of this particular application. The fifth and final chapter refers to the description of the implementation in VHDL. There is an analysis of the partial circuits and, when necessary, shapes and tables were used. In some cases, the waveforms of the circuits are being presented.

The 21st century is considered as the era of mass communication and electronic information exchange. There is a dramatic increase in electronic communications and e-transactions worldwide. However, this advancement results in the appearance of many security issues, especially when the exchanged information is sensitive and/or confidential. A significant aspect of security is authentication, which in most of the cases is provided through a cryptographic hash function. As happens for the majority of security primitives, software design and implementation of hash functions is becoming more prevalent today. However, hardware is the embodiment of choice for military and safety-critical commercial applications due to the physical protection and increased performance that they offer. Hence, similarly to general hardware designs, regarding cryptographic hash function ones, three crucial issues, among others, arise: performance, reliability, and flexibility. In this PhD dissertation, hardware solutions regarding cryptographic hash functions, addressing the aforementionted three crucial issues are proposed. Specifically, a design methodology for developing high-throughput and area-efficient sole hardware architectures of the most widely-used cryptographic hash families, i.e. the SHA-1 and SHA-2, is proposed. This methodology incorporates several algorithmic-, system-, and circuit-level techniques in an efficient, recursive way, exploiting the changes in the design’s graph dependencies that are resulted by a technique’s application. Additionally, high-throughput and area-efficient hardware designs for the above families as well as new ones (e.g. JH and Skein), are also proposed. These architectures outperform significantly all the similar ones existing in the literature. Furthermore, a design methodology for developing Totally Self-Checking (TSC) architectures of the most widely-used cryptographic hash families, namely the SHA-1 and SHA-2 ones is proposed for the first time. As any RTL architecture for the above hash families is composed by similar functional blocks, the proposed methodology is general and can be applied to any RTL architecture of the SHA-1 and SHA-2 families. Based on the above methodology, TSC architectures of the two representatice hash functions, i.e. SHA-1 and SHA-256, are provided, which are significantlty more efficient in terms of Throughput/Area, Area, and Power than the corresponding ones that are derived using only hardware redundancy. Moreover, a design methodology for developing hardware architectures that realize more than one cryptographic hash function (mutli-mode architectures) with reasonable throughput and area penalty is proposed. Due to the fact that any architecture for the above hash families is composed by similar functional blocks, the proposed methodology can be applied to any RTL architecture of the SHA-1 and SHA-2 families. The flow exploits specific features appeared in SHA-1 and SHA-2 families and for that reason it is tailored to produce optimized multi-mode architectures for them. Based on the above methodology, two multi-mode architectures, namely a SHA256/512 and a SHA1/256/512, are introduced. They achieve high throughput rates, outperforming all the existing similar ones in terms of throughput/area cost factor. At the same time, they are area-efficient. Specifically, they occupy less area compared to the corresponding architectures that are derived by simply designing the sole hash cores together and feeding them to a commercial FPGA synthesis/P&R/mapping tool. Finally, the extracted knowledge from the above research activities was exploited in three additional works that deal with: (a) a data locality methodology for matrix–matrix multiplication, (b) a methodology for Speeding-Up Fast Fourier Transform focusing on memory architecture utilization, and (c) a near-optimal microprocessor & accelerators co-design with latency & throughput constraints. / Ο 21ος αιώνας θεωρείται η εποχή της μαζικής επικοινωνίας και της ηλεκτρονικής πληροφορίας. Υπάρχει μία δραματική αύξηση των τηλεπικοινωνιών και των ηλεκτρονικών συναλλαγών σε όλο τον κόσμο. Αυτές οι ηλεκτρονικές επικοινωνίες και συναλλαγές ποικίλουν από αποστολή και λήψη πακέτων δεδομένων μέσω του Διαδικτύου ή αποθήκευση πολυμεσικών δεδομένων, έως και κρίσιμες οικονομικές ή/και στρατιωτικές υπηρεσίες. Όμως, αυτή η εξέλιξη αναδεικνύει την ανάγκη για περισσότερη ασφάλεια, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις όπου οι πληροφορίες που ανταλλάσονται αφορούν ευαίσθητα ή/και εμπιστευτικά δεδομένα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η ασφάλεια θεωρείται αναπόσπαστο χαρακτηριστικό των εμπλεκομένων εφαρμογών και συστημάτων. Οι συναρτήσεις κατακερματισμού παίζουν έναν πολύ σημαντικό ρόλο στον τομέα της ασφάλειας και, όπως συμβαίνει στην πλειοψηφία των βασικών αλγορίθμων ασφαλείας, οι υλοποιήσεις σε λογισμικό (software) επικρατούν στις μέρες μας. Παρόλα αυτά, οι υλοποιήσεις σε υλικό (hardware) είναι η κύρια επιλογή οσον αφορά στρατιωτικές εφαρμογές και εμπορικές εφαρμογές κρίσιμης ασφάλειας. Η NSA, για παράδειγμα, εξουσιοδοτεί μόνο υλοποιήσεις σε υλικό. Αυτό γιατί οι υλοποιήσεις σε υλικό είναι πολύ γρηγορότερες από τις αντίστοιχες σε λογισμικό, ενώ προσφέρουν και υψηλά επίπεδα «φυσικής» ασφάλειας λόγω κατασκευής. Έτσι, όσον αφορά τις κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού, όπως ίσχυει γενικά στις υλοποιήσεις υλικού, ανακύπτουν τρία (ανάμεσα σε άλλα) κύρια θέματα: Επιδόσεις, Αξιοπιστία, Ευελιξία. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να παράσχει λύσεις υλοποίησης σε υλικό για κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού, στοχεύοντας στα τρία κύρια ζητήματα που αφορούν υλοποιήσεις σε υλικό, τα οποία και προαναφέρθηκαν (Επιδόσεις, Αξιοπιστία, Ευελιξία). Συγκεκριμένα, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθαυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης. Επίσης, προτείνονται αρχιτεκτονικές οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης για νέες κρυπτογραφικές συναρτήσεις, δηλαδή για τις JH και Skein. Ακόμα, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθαυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να ανιχνέυουν πιθανά λάθη κατά τη λειτουργία τους ενώ επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης. Τέλος, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού πολύ-τροπων αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθ’αυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να υποστηρίξουν παραπάνω από μία συνάρτηση ενώ επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης.

Το αντικείμενο που πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή σχετίζεται με την ανάπτυξη βελτιστοποιητικών τεχνικών μεταγλώττισης για επαναπροσδιοριζόμενα ολοκληρωμένα συστήματα γενικού και ειδικού σκοπού. Στόχος είναι η βελτιστοποίηση της εκτέλεσης των εφαρμογών ως προς την ταχύτητα, την επιφάνεια ολοκλήρωσης και την κατανάλωση ισχύος. Αυτό επιτυγχάνεται με την εισαγωγή πρωτότυπων τεχνικών μεταγλώττισης αλλά και από την ανεύρεση βέλτιστων αρχιτεκτονικών. Η αυτοματοποίηση των μεθοδολογιών επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη εργαλείων βελτιστοποίησης που υλοποιούν την μεθοδολογία μεταγλώττισης. Τα πειράματα έδειξαν γρήγορο προσδιορισμό βέλτιστων λύσεων και σημαντικές βελτιώσεις στην ταχύτητα, επιφάνεια ολοκλήρωσης και κατανάλωση ισχύος για μια σειρά από εφαρμογές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. / The research material that is presented in this PhD Phesis is related with developement of compilation techniques for reconfigurable systems and application specific integrated circuits. The objective is the optimization of the execution of the applications in terms of speed area and power consumption in these architectures. This is achieved by developing original compiling techniques and efficient architecture instances. Moreover, one of the fundamental objectives of this thesis is the automation of these techniques for fast solution determination. Experiments showed that applications are executed faster while keeping the area and power overhead low. The experiments are based on a set of Digital Signal Processing applications.

O σχεδιασμός και η ανάπτυξη οικονομικών προϊόντων, με ταυτόχρονη ικανοποίηση των αναγκών για υψηλές επιδόσεις και ασφάλεια αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις για τους ερευνητές μηχανικούς και τη βιομηχανία. Ειδικότερα στους τομείς της κατασκευαστικής βιομηχανίας (αεροναυπηγική, ναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, διαστημική) των οποίων τα προϊόντα παράγονται σύμφωνα με τις τεχνολογίες αιχμής, επιζητείται από το μηχανικό να σχεδιάζει νέα προϊόντα με υψηλότερες επιδόσεις, χωρίς να αγνοεί την απαίτηση για μείωση του κόστους και του χρόνου ανάπτυξης αυτών. Η τάση αυτή βρίσκει εφαρμογή κατά κύριο λόγο στην αεροναυπηγική, όπου η μείωση του αξιοσημείωτου κόστους ανάπτυξης νέων αεροσκαφών, χωρίς υποβάθμιση της ασφαλούς και υψηλής ποιότητας τους, αποτελεί βασικό και μόνιμο στόχο. Ο κυριότερος παράγοντας που επιβαρύνει σημαντικά την ανάπτυξη νέων αεροσκαφών, τόσο από πλευράς κόστους, όσο και χρονικά, είναι οι πειραματικές δοκιμές πλήρους κλίμακας η μεγάλης κλίμακας σε συνθήκες λειτουργίας, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το κόστος και το χρόνο ανάπτυξης. Οι συγκεκριμένες δοκιμές συμπεριλαμβάνονται στη διαδικασία του σχεδιασμού, με σκοπό να επαληθεύσουν τα αποτελέσματα των αντίστοιχων δομικών αναλύσεων. Η σημασία των πειραματικών δοκιμών και συγκεκριμένα εκείνων της πλήρους κλίμακας ενισχύεται από το γεγονός ότι επιβάλλονται κατά την πιστοποίηση από τις αρχές Αδειοδότησης, με δεδομένο ότι οι δομικές αναλύσεις της αντίστοιχης κλίμακας (πολύ μεγάλης η πλήρους) δεν παρέχουν ικανοποιητική αξιοπιστία. Η παραπάνω αδυναμία να εξαχθούν ικανοποιητικά αποτελέσματα από τις δομικές αναλύσεις οφείλεται σε δύο βασικά χαρακτηριστικά της ανάλυσης των κατασκευών μεγάλης κλίμακας. Η πρόβλεψη της αστοχίας στις αεροναυπηγικές και άλλες κατασκευές απαιτεί μη-γραμμική ανάλυση, λόγω αιτιών που σχετίζονται με τη συμπεριφορά υλικού (μη-γραμμική συμπεριφορά λόγω ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς μεταλλικών υλικών η λόγω αστοχίας συνθέτων υλικών) ή με τη συμπεριφορά της δομής (γεωμετρική μη-γραμμικότητα, προβλήματα επαφής, κλπ/). Επιπρόσθετα, στις κατασκευές αυτές υπάρχει μεγάλη διαφορά κλίμακας μεταξύ των διαστάσεων της περιοχής έναρξης και αρχικής διάδοσης της τοπικής βλάβης με τις συνολικές διαστάσεις της δομής, οι οποίες σχετίζονται με την τελική αστοχία της κατασκευής. Η προσομοίωση με αριθμητικές μεθόδους, με έμφαση στη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων, της δομικής συμπεριφοράς μεγάλης κλίμακας κατασκευών με τα παραπάνω χαρακτηριστικά, οδηγεί σε αριθμητικά πρότυπα εκατομμυρίων βαθμών ελευθερίας, τα οποία απαιτείται να επιλυθούν με μη-γραμμικές μεθόδους. Ο συνδυασμός του μεγέθους των προτύπων αυτών με το μη-γραμμικό χαρακτήρα τους, καθιστά το πρόβλημα δυσεπίλυτο έως σήμερα με χρήση συμβατικών μεθόδων και ουσιαστικά αποτελεί την αιτία μη-αξιοποίησης των εικονικών δοκιμών (αριθμητικών αναλύσεων), στην ελαχιστοποίηση ή και την ολοκληρωτική αποφυγή των εκτενών και δαπανηρών πειραματικών δοκιμών. Βάσει των ανωτέρω, σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων, αξιόπιστων και ολοκληρωμένων μεθοδολογιών για τη μη-γραμμική ανάλυση κατασκευών μεγάλης κλίμακας, με κύριο στόχο την ικανοποιητική πρόβλεψη τοπικών φαινομένων που συνδέονται με την έναρξη της βλάβης, αλλά και την ικανότητα να εκτείνονται έως την κατάλληλη κλίμακα (ίσως και την πλήρη), ώστε να καθίσταται δυνατός ο υπολογισμός της δομικής συμπεριφοράς της κατασκευής μέχρι την τελική αστοχία. Στη βάση αυτή, γίνεται ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών δομικής μη-γραμμικής ανάλυσης και προτείνονται κατάλληλες τροποποιήσεις σε ήδη καθιερωμένες μεθόδους, με σκοπό την εφαρμογή τους σε κατασκευές μεγάλης κλίμακας. Λόγω των πλεονεκτημάτων που παρέχονται από την ταχεία και συνεχόμενη εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών (ταχύτητα, μνήμη, λογισμικό) και την ευρεία χρήση εμπορικών πακέτων που βασίζονται στη θεωρία των πινάκων (Πεπερασμένα Στοιχεία, Συνοριακά Στοιχεία, κλπ.), οι παραπάνω μεθοδολογίες χρησιμοποιούνται ευρέως στην πρόβλεψη της δομικής συμπεριφοράς των κατασκευών στη βάση της φιλοσοφίας της ‘εικονικής δοκιμής’. Με δεδομένο ότι οι αριθμητικές μέθοδοι επίλυσης μη-γραμμικών προβλημάτων σε κατασκευές μεγάλης κλίμακας δεν παρέχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα, όπως προαναφέρθηκε, στην παρούσα εργασία αναζητήθηκαν εναλλακτικές μεθοδολογίες και τεχνικές, για την προσέγγιση του τεχνολογικού προβλήματος από τη σκοπιά του μηχανικού και προτάθηκαν αξιόπιστες λύσεις με δυνατότητα εφαρμογής σε βιομηχανικό περιβάλλον. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε αποτελείται από τέσσερις βασικούς άξονες, την γραμμική αριθμητική ανάλυση των τάσεων ολόκληρης της δομής μεγάλης κλίμακας, τον έλεγχο για πιθανή εμφάνιση τοπικής μη-γραμμικής συμπεριφοράς, την τοπική ανάλυση αστοχίας (μη-γραμμική ανάλυση) και μια σειρά κατάλληλων τεχνικών για τον προσδιορισμό της συνεισφοράς των περιοχών με τοπική μη-γραμμικότητα στη δομική συμπεριφορά ολόκληρης της δομής. Όλα τα βήματα της διαδικασίας πραγματοποιήθηκαν στη βάση της μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων. Η γραμμική αριθμητική ανάλυση τάσεων της κατασκευής έγινε με χρήση αριθμητικών προτύπων που προσομοιώνουν ολόκληρη την κατασκευή, χωρισμένων σε τμήματα, ανάλογα με την γεωμετρική επαναληψιμότητα που πιθανώς εμφανίζει η γεωμετρία. Οι τάσεις που υπολογίστηκαν χρησιμοποιήθηκαν στην πρόβλεψη τα εμφάνισης τοπικής μη-γραμμικότητας με τη βοήθεια κατάλληλα ανεπτυγμένων κριτηρίων, ανάλογα με το είδος της μη-γραμμικότητας που μπορεί να εμφανιστεί. Οι περιοχές μη-γραμμικότητας που ανιχνεύονται, ταξινομούνται σε σειρά κρισιμότητας και ανάλογα με το κρίσιμο επίπεδο φορτίου καθεμιάς από αυτές, επεξεργάζονται τοπικά με μη-γραμμικές αναλύσεις για την προσομοίωση της έναρξης και εξέλιξης της τοπικής μη-γραμμικότητας. Για τον υπολογισμό της συνεισφοράς των μη-γραμμικών υποπεριοχών στη δομική συμπεριφορά ολόκληρης της κατασκευής, αναπτύχθηκαν κατάλληλες τεχνικές περιγραφής της τοπικής μη-γραμμικότητας και εισαγωγής τους στα δομικά χαρακτηριστικά του αριθμητικού προτύπου της ολικής κατασκευής. Για την προσομοίωση της εξέλιξης της τοπικής μη-γραμμικότητας, από την πρώτη ανίχνευση μέχρι την τελική εξέλιξη, η διαδικασία εκτελείται βηματικά και επαναληπτικά. Αποδεικνύεται ότι κάτω από συγκεκριμένες παραδοχές, οι μεθοδολογίες για τη δομική μη-γραμμική ανάλυση κατασκευών μεγάλης κλίμακας είναι εφικτό να παρέχουν αξιόπιστα αποτελέσματα αντίστοιχα με εκείνα των πειραματικών δοκιμών πλήρους κλίμακας. Ταυτόχρονα είναι και αποτελεσματικές, δεδομένου ότι έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα, ώστε να εστιάζουν τους διαθέσιμους υπολογιστικούς πόρους μόνο στις κρίσιμες περιοχές, μέσω της κατά απαίτησης εφαρμογής τοπικών μη-γραμμικών αναλύσεων. / The design and development of low-cost products, with simultaneous fulfilment of the requirements for higher performance and safety, is one of the biggest challenges for the research engineers and the industry. Especially in the sectors of the structural industry (aeronautics, shipbuilding, automotive, space industry) where the products are being produced according to the latest achievements of the technology, the engineer is obliged to design new products with higher proficiency, without neglecting the need for lower cost and development time. This trend has great application mainly in the aeronautical industry, where the reduction of the remarkable cost for the development of a new aircraft, without downgrading the level of safety and the quality of service comprises the main target of the current research effort. The main factor that weighs down the development of new aircrafts, as far as the cost and the time is concerned, is the required experimental tests of the full / large scale under service loads, which affect significantly the development cost and the time to market. These tests are included in the design process, in order to verify the results of the corresponding structural analyses. The importance of the experimental tests and specifically these of the full scale level is amplified by the fact that they are being imposed during the certification process by the Airworthiness Authorities, since the structural analyses of the corresponding scale (full scale) do not provide adequate results. The above mentioned inability of the structural analyses of providing adequate results is based on two main characteristics of the large scale structures. Firstly, the failure prediction in aeronautical (among others) structures requires non-linear analysis, for reasons related to the material behaviour (non-linear behaviour due to composite material damage, elastoplastic behaviour of metallic materials) and the structural behaviour (geometrical non-linearity, contact problems). Secondly, in these structures there is great difference between the dimensions of the local damage initiation region and the dimensions of the whole structure, with the latter being related with the total collapse. The simulation with numerical methods, especially with the use of Finite Elements, of the structural behaviour of large scale structures with the above characteristics, leads to million DOFs (Degrees Of Freedom), whose solution requires non-linear numerical methods. The combination of the size of these models with their non-linear nature renders the problem non-solvable using conventional methodologies and is in fact the reason for the, up to now, not thoroughly utilization of virtual testing (numerical simulations), that would lead to the minimization of the number or even to the complete avoidance of the extensive and costly experimental tests. Based on the above, main objective of this Thesis is the development of new, reliable and integrated methodologies for the non-linear analysis of large scale structures, targeting mainly in the satisfactory prediction of phenomena related to the initiation of local damage, but also being able to evolute up to the appropriate scale (maybe full scale), in order to account the structural behaviour of the whole structure up to the total collapse. On this basis, innovative methodologies are being developed for the structural non-linear analysis and appropriate modifications are proposed for already well-established techniques, in order to be applied on large scale structures. Due to the advantages offered from the rapid and constant progress of computers (speed, memory, software) and the wide usage of commercial tools that are based on the matrix theory (Finite Elements, Boundary Elements), the above mentioned methodologies were developed based on the philosophy of ‘virtual testing’. Due to the fact that the numerical solution methods for non-linear problems in large scale structures are not able to provide adequate results, as mentioned previously, in the present work alternative methodologies and techniques were investigated, approaching the technological problem from the engineer’s view and reliable solutions applicable to an industrial environment were proposed. The procedure that was followed consists of four basic keystones: the linear numerical stress analysis of the whole structure, the check for possible local non-linear behaviour, the local damage analysis (non-linear analysis) and a series of appropriately configured sub-routines, able to redefine the contribution of the regions exhibiting local damage in the structural behaviour of the whole structure. All the routines of the proposed methodologies were accomplished using the commercial Finite Element code ANSYS. The linear numerical stress analysis of the structure was carried out with the use of numerical models simulating the whole structure, divided into suitable parts, based on the geometrical repeatability. The calculated stresses were utilized for the prediction of the local damage, using properly developed damage criteria, depending on the type of non-linearity. The corresponding regions detected, were classified according to the criticality level (critical load) and were elaborated with local analyses of non-linear nature for the simulation of local damage initiation. For the accumulation of the contribution of the local damage in the structural behaviour of the whole structure, appropriate techniques were developed for the description of the local damage and its incorporation in the structural features of the numerical model of the structure. For the determination of the damage evolution, from the first detection up to the final failure, the procedure was performed in an incremental and iterative way. It was proved, that under specific assumptions, the proposed methodologies simulating the non-linear phenomena of large scale structures are capable of providing accurate results, in accordance with those of the experimental tests of full scale level. Simultaneously, the proposed methodologies become also efficient, providing that they have been developed appropriately, in order to focus the available computer resources on the non-linearly behaving regions by the ‘on demand’ application of the non-linear analyses.

This PhD dissertation proposes innovative methodologies to support the designing and the mapping process of embedded systems. Due to the increasing requirements, embedded systems have become quite complex, as they consist of several partially dependent heterogeneous components. Systematic Design Space Exploration (DSE) methodologies are required to support the near-optimal design of embedded systems within the available short time-to-market. In this target domain, the existing DSE approaches either require too much exploration time to find near-optimal designs due to the high number of parameters and the correlations between the parameters of the target domain, or they end up with a less efficient trade-off result in order to find a design within acceptable time. In this dissertation we present an alternative DSE methodology, which is based on systematic creation of scalable and near-optimal DSE frameworks. The frameworks describe all the available options of the exploration space in a finite set of classes. A set of principles is presented which is used in the reusable DSE methodology to create a scalable and near-optimal framework and to efficiently use it to derive scalable and near-optimal design solutions within a Pareto trade-off space. The DSE reusable methodology is applied to several stages of the embedded system design flow to derive scalable and near-optimal methodologies. The first part of the dissertation is dedicated to the development of mapping methodologies for storing large embedded system data arrays in the lower layers of the on-chip background data memory hierarchy, and the second part to the DSE methodologies for the processing part of SW/HW architectures in embedded systems including the foreground memory systems. Existing mapping approaches for the background memory part are either enumerative, symbolic/polyhedral and worst case (heuristics) approximations. The enumerative approaches require too much exploration time, the worst case approximation lead to overestimation of the storage requirements, whereas the symbolic/polytope approaches are scalable and near-optimal for solid and regular iteration spaces. By applying the new reusable DSE methodology, we have developed an intra-signal in-place optimization methodology which is scalable and near-optimal for highly irregular access schemes. Scalable and near-optimal solutions for the different cases of the proposed methodology have been developed for the cases of non-overlapping and overlapping store and load access schemes. To support the proposed methodology, a new representation of the array access schemes, which is appropriate to express the irregular shapes in a scalable and near-optimal way, is presented. A general pattern formulation has been proposed which describes the access scheme in a compact and repetitive way. Pattern operations were developed to combine the patterns in a scalable and near-optimal way under all the potential pattern combination cases, which may exist in the application under study. In the processing oriented part of the dissertation, a DSE methodology is developed for mapping instance of a predefined target application domain onto a partially fixed architecture platform template, which consists of one processor core and several custom hardware accelerators. The DSE methodology consists of uni-directional steps, which are implemented through parametric templates and are applied without costly design iterations. The proposed DSE methodology explores the space by instantiating the steps and propagating design constraints which prune design options following the steps ordering. The result is a final Pareto trade-off curve with the most relevant near-optimal designs. As the scheduling and the assignment are the major tasks of both the foreground and the datapath, near-optimal and scalable techniques are required to support the parametric templates of the proposed DSE methodology. A framework which describes the scheduling and assignment of the scalars into the registers and the scheduling and assignment of the operation into the function units of the data path is developed. Based on the framework, a systematic methodology to arrive at parametric templates for scheduling and assignment techniques which satisfy the target domain constraints is developed. In this way, a scalable parametric template for scheduling and assignment tasks is created, which guarantees near-optimality for the domain under study. The developed template can be used in the Foreground Memory Management step and Data-path mapping step of the overall design flow. For the DSE of the domain under study, near-optimal results are hence achieved through a truly scalable technique. / Η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει καινοτόμες μεθοδολογίες για τον σχεδιασμό και τη διαδικασία απεικόνισης σε ενσωματωμένα συστημάτα. Λόγω των αυξανόμενων απαιτήσεων, τα ενσωματωμένα συστήματα είναι αρκετά περίπλοκα, καθώς αποτελούνται από πολλά και εν μέρει εξαρτώμενα ετερογενή στοιχεία. Συστηματικές μεθοδολογίες για την εξερεύνηση του χώρου λύσεων (Design Space Exploration – DSE) απαιτούνται σχεδόν βέλτιστες σχεδιάσεις ενσωματωμένων συστημάτων εντός του διαθέσιμου χρονου. Οι υπάρχουσες DSE μεθοδολογίες απαιτούν είτε πάρα πολύ χρόνο εξερεύνησης για να βρουν τους σχεδόν βέλτιστους σχεδιασμούς, λόγω του μεγάλου αριθμού των παραμέτρων και τις συσχετίσεις μεταξύ των παραμέτρων, ή καταλήγουν με ένα λιγότερο βέλτιστο σχέδιο, προκειμένου να βρειθεί ένας σχεδιασμός εντός του διαθέσιμου χρόνου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε μια εναλλακτική DSE μεθοδολογία, η οποία βασίζεται στη συστηματική δημιουργία επεκτάσιμων και σχεδόν βέλτιστων DSE πλαισίων. Τα πλαίσια περιγράφουν όλες τις διαθέσιμες επιλογές στο χώρο εξερεύνησης με ένα πεπερασμένο σύνολο κατηγοριών. Ένα σύνολο αρχών χρησιμοποιείται στην επαναχρησιμοποιήούμενη DSE μεθοδολογία για να δημιουργήσει ένα επεκτάσιμο και σχεδόν βέλτιστο DSE πλαίσιο και να χρησιμοποιήθεί αποτελεσματικά για να δημιουργήσει επεκτάσιμες και σχεδόν βέλτιστες σχεδιαστικές λύσεις σε ένα Pareto Trade-off χώρο λύσεων. Η DSE μεθοδολογία εφαρμόζεται διάφορα στάδια της σχεδιαστικής ροής για ενσωματωμένα συστήματα και να δημιουργήσει επεκτάσιμες και σχεδόν βέλτιστες μεθοδολογίες. Το πρώτο μέρος της διατριβής είναι αφιερωμένο στην ανάπτυξη των μεθόδων απεικόνισης για την αποθήκευση μεγάλων πινάκων που χρησιμοποιούνται στα ενσωματωμένα συστήματα και αποθηκεύονται στα χαμηλότερα στρώματα της on-chip Background ιεραρχία μνήμης. Το δεύτερο μέρος είναι αφιερωμένο σε DSE μεθοδολογίες για το τμήμα επεξεργασίας σε αρχιτεκτονικές λογισμικού/υλικού σε ενσωματωμένα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων της προσκήνιας (foreground) μνήμης. Υπάρχουσες μεθοδολογίες απεικόνισης για την Background μνήμης είτε εξονυχιστικές, συμβολικές/πολυεδρικές και προσεγγίσεις με βάση τη χειρότερη περίπτωση. Οι εξονυχιστικές απαιτούν πάρα πολύ μεγάλο χρόνο εξερεύνησης, οι προσεγγίσεις οδηγούν σε υπερεκτίμηση των απαιτήσεων αποθήκευσης, ενώ οι συμβολικές είναι επεκτάσιμη και σχεδόν βέλτιστές μονο για τακτικούς χώρους επαναλήψεων. Με την εφαρμογή της προτεινόμενης DSE μεθοδολογίας αναπτύχθηκε μια επεκτάσιμη και σχεδόν βέλτιστη μεθοδολγοία για την εύρεση του αποθηκευτικού μεγέθους για τα δεδομένα ενός πίνακα για άτακτους και για τακτικούς χώρους επαναλήψεων. Προτάθηκε μια νέα αναπαράσταση των προσπελάσεων στη μνήμη, η οποία εκφράζει τα ακανόνιστα σχήματα στο χώρο επεναλήψεων με επακτάσιμο και σχεδόν βέλτιστο τρόπο. Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής, μια DSE μεθοδολογία αναπτύχθηκε για το σχεδιασμό ενός προκαθορισμένου τομέα από εφαρμογές σε μια μερικώς αποφασισμένη αρχιτεκτονική πλατφόρμα, η οποία αποτελείται από ένα πυρήνα επεξεργαστή και αρκετούς συνεπεξεργαστές. Η DSE μεθοδολογία αποτελείται από μονής κατεύθυνσης βήματα, τα οποία υλοποιούνται μέσω παραμετρικών πλαισίων και εφαρμόζονται αποφέυγοντας τις δαπανηρές επαναλήψεις κατά τον σχεδιασμό. Η προτεινόμενη DSE μεθοδολογία εξερευνά το χώρο βρίσκοντας στιγμιότυπα για καθε βήμα και διαδίδονατς τις αποφάσεις μεταξύ βημάτων. Με αυτό το τρόπο κλαδεύουν τις επιλογές σχεδιασμού στα επόμενα βήματα. Το αποτέλεσμα είναι μια Pareto καμπύλη. Ένα DSE πλαίσιο προτάθηκε που περιγράφει τις τεχνικές χρονοπρογραμματισμού και ανάθεσης πόρων των καταχωρητών και των μονάδων εκτέλεσης του συστήματος. Προτάθηκε μια μεθοδολογία για να δημιουργεί σχεδόν βέλτιστα και επεκτάσιμα παραμετρικά πρότυπα για τον χρονοπρογραμματισμό και την ανάθεση πόρων που ικανοποιεί τους περιορισμούς ενός τομέα εφαρμογών.