Computing hardware is changing from systems with homogeneous CPUs to systems with heterogeneous computing units like GPUs, Many Integrated Cores, or FPGAs. This trend is caused by scaling problems of homogeneous systems, where heat dissipation and energy consumption is limiting further growths in compute-performance. Heterogeneous systems provide differently optimized computing hardware, which allows different operations to be computed on the most appropriate computing unit, resulting in faster execution and less energy consumption. For database systems, this is a new opportunity to accelerate query processing, allowing faster and more interactive querying of large amounts of data. However, the current hardware trend is also a challenge as most database systems do not support heterogeneous computing resources and it is not clear how to support these systems best. In the past, mainly single operators were ported to different computing units showing great results, while missing a system wide application. To efficiently support heterogeneous systems, a systems approach for query processing and query optimization is needed. In this thesis, we tackle the optimization challenge in detail. As a starting point, we evaluate three different approaches on isolated use-cases to assess their advantages and limitations. First, we evaluate a fork-join approach of intra-operator parallelism, where the same operator is executed on multiple computing units at the same time, each execution with different data partitions. Second, we evaluate using one computing unit statically to accelerate one operator, which provides high code-optimization potential, due to this static and pre-known usage of hardware and software. Third, we evaluate dynamically placing operators onto computing units, depending on the operator, the available computing hardware, and the given data sizes. We argue that the first and second approach suffer from multiple overheads or high implementation costs. The third approach, dynamic placement, shows good performance, while being highly extensible to different computing units and different operator implementations. To automate this dynamic approach, we first propose general placement optimization for query processing. This general approach includes runtime estimation of operators on different computing units as well as two approaches for defining the actual operator placement according to the estimated runtimes. The two placement approaches are local optimization, which decides the placement locally at run-time, and global optimization, where the placement is decided at compile-time, while allowing a global view for enhanced data sharing. The main limitation of the latter is the high dependency on cardinality estimation of intermediate results, as estimation errors for the cardinalities propagate to the operator runtime estimation and placement optimization. Therefore, we propose adaptive placement optimization, allowing the placement optimization to become fully independent of cardinalities estimation, effectively eliminating the main source of inaccuracy for runtime estimation and placement optimization. Finally, we define an adaptive placement sequence, incorporating all our proposed techniques of placement optimization. We implement this sequence as a virtualization layer between the database system and the heterogeneous hardware. Our implementation approach bases on preexisting interfaces to the database system and the hardware, allowing non-intrusive integration into existing database systems. We evaluate our techniques using two different database systems and two different OLAP benchmarks, accelerating the query processing through heterogeneous execution.

Kernpunkt der Dissertationen ist aufbauend auf langjährigen Arbeiten zur Silicumchemie die Untersuchung analoger Hochtemperaturreaktionen in dem quaternären System Ge-Cl-H-Metall. Als Metalle wurden die germanidbildenden Metalle Ni, Cu und Fe und die primär chloridbildenden Metalle La, Mg und Ca in die Untersuchungen einbezogen. Zunächst werden die Eigenschaften der binären, folgend der ternären und schließlich der quaternären Systeme untersucht. Die Experimente beinhalten Umsetzungen im Strömungsreaktor, isotherme und anisotherme DSC-Messungen mit kinetischer und thermodynamischer Zielstellung teilweise in Kopplung mit FT-IR und MS sowie die entsprechenden Charakterisierungsmethoden (XRD, REM-EDX, chemische Analyse, NMR, FT-IR). Versuchsplanung und Interpretation der Messergebnisse werden begleitet durch umfangreiche thermodynamische Berechnungen. Es resultieren neuartige Ergebnisse zur Reaktivität in den stofflichen Systemen.

In parallelen Anwendungen, die auf Grundlage des Programmiermodells der gemischten Parallelität implementiert wurden, lassen sich meist unabhängige Programmteile (Tasks) identifizieren, die sowohl parallel zueinander als auch selbst parallel ausgeführt werden können. Zur Reduzierung der Ausführungszeit solcher Anwendungen auf einem parallelen System wird eine zeitliche und räumliche Zuordnung dieser parallelen Tasks zu den Prozessoren benötigt, welche mithilfe von Schedulingverfahren ermittelt werden kann. Jedoch ist bereits das Scheduling voneinander abhängiger Single-Prozessor-Tasks auf ein paralleles System mit zwei Prozessoren NP-schwer, weshalb zur Lösung von Schedulingproblemen häufig List-Scheduling-Heuristiken verwendet werden. Das Scheduling unabhängiger paralleler Tasks ist aufgrund der vielen zusätzlichen Zuordnungsmöglichkeiten deutlich komplexer und erfordert daher dedizierte Lösungsverfahren. Einen vielversprechenden Ansatz zur Lösung komplexer Schedulingprobleme bilden suchbasierte Verfahren, die lokale oder globale Suchstrategien zur Lösungsfindung nutzen. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit sich derartige Verfahren für das Scheduling unabhängiger paralleler Tasks auf heterogene Systeme bestehend aus Multicore- Rechnern mit unterschiedlichen Eigenschaften eignen. Zu diesem Zweck werden vier suchbasierte Schedulingverfahren entwickelt und untersucht. Konkret werden zwei modifizierende und zwei inkrementelle Verfahren vorgestellt, die von Suchverfahren wie der A*-Suche und Metaheuristiken wie der Tabu-Suche und des Simulated Annealing inspiriert sind. Zusätzlich wird eine Kostenmodellierung in Form von parametrisierten Laufzeitformeln präsentiert, mit der die Ausführungszeiten der parallelen Tasks auf heterogenen Systemen modelliert werden können. Die Verfahren werden in Laufzeitmessungen auf heterogenen Rechnerplattformen untereinander und mit existierenden List-Scheduling-Heuristiken verglichen. Als Anwendungen für die Messungen werden sowohl Programme der SPLASH-3-Benchmark-Suite als auch eine praxisnahe Simulationsanwendung zur Bauteilbelastung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass alle vier Verfahren im Vergleich zu existierenden List-Scheduling-Heuristiken eine signifikante Reduktion der Ausführungszeit erreichen können.

Jugendliche, die eine Berufsausbildung beginnen, unterscheiden sich zum Teil stark hinsichtlich des Alters, schulischer und motivationaler Voraussetzungen (Lerneinstellung und -verhalten, Lernpotentiale, Sozialverhalten, Vorbildung) sowie hinsichtlich ihrer Berufs-, Arbeits- und Lebenserfahrung. Diese Heterogenität der Lernenden in der (dualen) Berufsausbildung, sowohl in der Berufsschule als auch im Betrieb, ist kein neues Phänomen . Aufgrund von Umbrüchen auf dem Ausbildungsmarkt gelingt es jedoch immer weniger, durch Selektionsmechanismen „eine Strategie der Homogenisierung [von Lern- und Auszubildendengruppen] umzusetzen“. Dies gilt besonders für Ausbildungsbetriebe. Zudem führt eine gestiegene „Sensibilität für Besonderheiten aufgrund gesellschaftlich-kultureller Veränderungen“ dazu, dass solche Homogenisierungsbestrebungen zunehmend weniger gewollt sind. Daher wird Heterogenität von Lernenden und ein adäquater Umgang mit heterogenen Lerngruppen in der beruflichen Bildung seit circa 2010 vermehrt von berufsbildungspolitischer und wissenschaftlicher Seite diskutiert. Dies gilt insbesondere für die Berufsschule, in deutlichem geringerem Maße für ausbildende Betriebe. Dabei sind Ausbildungsbetriebe gleichermaßen mit heterogenen Lerngruppen konfrontiert, wenn auch anders geartet als Berufsschulen. Besonders Betriebe, die in weniger attraktiven Ausbildungsberufen ausbilden oder in Regionen mit schwierigen Ausbildungsstellen-Nachfrage-Relationen (z. B. Regionen mit hoher Abwanderung oder in einigen Ballungsräumen mit hohem Fachkräftebedarf) ansässig sind, können ihre Ausbildungsplätze oftmals nicht mit ihren Wunschkandidaten1 oder generell sehr schwer besetzen. Sie sind folglich zunehmend gefordert, auch bisher weniger beachtete Bewerbergruppen bei der Entscheidung über die Besetzung betrieblicher Ausbildungsplätze zu berücksichtigen. Ferner gibt es seit 2014 mit dem Programm „JOBSTARTER plus“ verstärkt staatliche Bemühungen um eine bessere Integration von Studienabbrechern und Jugendlichen mit Migrationshintergrund in die duale Berufsausbildung. Daher ist davon auszugehen, dass Auszubildende hinsichtlich ihrer Lernvoraussetzungen sowie hinsichtlich sozialer, kultureller und sprachlicher Gesichtspunkte zunehmend heterogener werden bzw. Unternehmen eine zunehmende Heterogenität ihrer Auszubildenden wahrnehmen.

The prediction of fracture is of utmost importance regarding the design of modern, specifically tailored engineering materials. These materials are often heterogeneous, \ie their properties vary in space. This can either be achieved purposefully by combining two or more constituents to profit from a more resilient composite material, or happen due to unavoidable imperfections. In any case, purely experimental assessment of failure is tedious and circuitous as soon as the structure of interest gets more complex, and the involvement of numerical models is inevitable. In this work, the phase-field approach to fracture is applied which is able to capture manifold crack phenomena inherently and sidesteps the need for remeshing by describing the crack as a continuous field. The phase-field model is extended to a fully diffuse incorporation of heterogeneities: A static order parameter smoothly transitions from one to the other bulk material constituent, while the weak, brittle interface is incorporated via a continuous fracture toughness distribution. The sharp interface jump conditions still hold for the diffuse representation since a partial rank-1 relaxation is employed in accordance with the unilateral contact condition of the phase-field model. Moreover, a compensation procedure ensures the independence of the interface fracture toughness from interface and phase-field length scales. The model is validated by a comparison to analytical results and the predictive power is demonstrated by the deduction of direction-dependent, effective fracture properties of heterogeneous microstructures. / Die Vorhersage des Bruchverhaltens ist für die Entwicklung moderner, speziell zugeschnittener technischer Werkstoffe von größter Bedeutung. Diese Materialien sind oft heterogen, d.h. ihre Eigenschaften variieren im Raum. Dies kann entweder absichtlich durch die Kombination zweier oder mehrerer Bestandteile erreicht werden, um von einem widerstandsfähigeren Verbundwerkstoff zu profitieren, oder durch unvermeidbare Imperfektionen geschehen. In jedem Fall ist eine rein experimentelle Versagensbewertung komplexer Strukturen mühsam und umständlich, und die Nutzung numerischer Modelle unvermeidlich. In dieser Arbeit werden Brüche mittels Phasenfeldmethode modelliert, wodurch vielfältige Rissphänomene erfasst werden können und die Notwendigkeit einer Neuvernetzung durch die Beschreibung des Risses als kontinuierliches Feld entfällt. Das Phasenfeldmodell wird um eine vollständig diffuse Einbindung von Heterogenitäten erweitert: Ein statischer Orderparameter beschreibt den glatten Übergang zwischen zwei Bestandteilen des Materials, während die geschwächte, spröde Grenzfläche durch eine kontinuierliche Bruchzähigkeitsverteilung eingebunden wird. Die scharfen Grenzflächensprungbedingungen gelten auch für die diffuse Darstellung, da eine partielle Rang-1 Relaxation in Übereinstimmung mit der unilateralen Rissflächenkontaktbedingung genutzt wird. Darüber hinaus gewährleistet ein Kompensationsverfahren die Unabhängigkeit der Grenzflächenbruchzähigkeit von inhärenten Längenskalen der Grenzfläche und des Rissphasenfelds. Das Modell wird durch einen Vergleich mit analytischen Ergebnissen validiert und die Vorhersagekraft wird durch die Ableitung richtungsabhängiger, effektiver Brucheigenschaften heterogener Mikrostrukturen demonstriert.

A modular approach for the synthesis of highly ordered porous and chiral auxiliary (Evans auxiliary) decorated metal–organic frameworks is developed. Our synthesis strategy, which uses known porous structures as model materials for incorporation of chirality via linker modification, can provide access to a wide range of porous materials suitable for enantioselective separation and catalysis. Chiral analogues of UMCM-1 have been synthesized and investigated for the enantioseparation of chiral compounds in the liquid phase and first promising results are reported. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung des genetischen Starrkörper-Algorithmus (rigid body genetic algorithm, RGBA), und seine Anwendung zur Untersuchung der Kohlenwasserstoff-Adsorption auf der MgO (001) Oberfläche. Die RBGA Methode ist ein modifizierter hybrid-genetischer Algorithmus mit Starrkörper-Optimierung im lokalen Optimierungsschritt. Diese Modifikation führt zu einer großen Vereinfachung des Optimierungsproblems und ermöglicht damit, eine große Anzahl von möglichen Konfigurationen zu analysieren. Die zentrale Annahme der Methode ist, dass die einzelnen Teile des Systems (starrer Körper) während der gesamten globalen Optimierung nicht ihre interne Konfiguration ändern. Daher ist diese Methode ein geeignetes Werkzeug, um Phänomene wie Adsorption zu studieren, in dem alle Teilsysteme - Oberfläche und einzelne Moleküle - ihre interne Struktur bewahren. Der Algorithmus ermöglicht das Auffinden der globalen Minima für die Starrkörper, die dann im nächsten Schritt vollständig optimiert („relaxiert“) werden, um Verformungen aufgrund der Entspannung der Oberfläche und des Adsorbats auszumachen. / The present work was concentrated on developing the Rigid Body Genetic Algorithm (RBGA), and applying it to investigate the hydrocarbon adsorption on the MgO(001) surface. The RBGA method is a modified hybrid genetic algorithm with rigid body optimization at the local optimization step. The modification allows for a vast simplification of the optimization problem, and, in turn, to search a large number of possible configuration. The key assumption of the method is that individual parts of the system (rigid bodies) do not change their internal configuration throughout the global optimization. Therefore, this method is a perfect tool to study phenomena like adsorption, where all the subsystems – surface and individual molecules – preserve their internal structure. The algorithm allows to obtain global minima, which then can be fully optimized and to account for deformations due to the relaxation of the surface and adsorbate molecules.

Die effiziente Nutzung der begrenzten Ressourcen auf der Erde ist ein entscheidender Faktor für ein nachhaltiges Leben. Die Entwicklung besserer Katalysatoren kann dabei einen wesentlichen Beitrag leisten. Ein umfassendes Verständnis der katalytischen Reaktivität würde es ermöglichen, spezifische katalytische Eigenschaften zu konzipieren und zu kontrollieren. In diese Arbeit wurde die Korrelation der Katalysatoroberfläche mit den Adsorptionswärmen von Molekülen aus der Gasphase untersucht. Insbesondere wurde die Adsorptionwärme von CO auf Pd-Partikeln als Funktion der Partikelgröße mittels gut charakterisierte Modelkatalysatorsysteme, eisenoxidgeträgerte Pd-Partikel, und UHV-Einkristalladsorptionskalorimetrie bestimmt. Es konnte die langjährige Kontroverse, wie sich die Adsorptionswärme von CO auf Pd mit der Partikelgröße ändert, aufgelöst werden. Die Adsorptionswärmen wurden für CO auf geträgerten Pd-Partikeln mit mittleren Größen zwischen 1.8 und 8 nm, sowie Pd(111) untersucht. Es zeigte sich dabei, dass die Anfangsadsorptionsenergie mit abnehmender Partikelgröße kleiner wird. Das Mikrokalorimeterexperiment besteht aus einer Präparationskammer und einer Kalorimetriekammer, die sowohl die Präparation und Charakterisierung von geträgerten metallischen Nanopartikeln, als auch Adsorptionsenergiemessungen ermöglichen. Das Kalorimeter basiert auf dem Design von Campbell et al. und nutzt eine pyroelektrische Folie als Detektor. Es wurden Verbesserungen in Bezug auf Ausrichtung, Temperaturstabilität und Vibrationsisolation implementiert. Ein gepulster Molekularstrahl wird eingesetzt, um die Oberfläche einem stabilen und homogenen Fluss von Gasphasenmolekülen auszusetzten. Desweiteren erlaubt ein In situ Reflektivitätsmessaufbau die Bestimmung der optischer Eigenschaften von Modelkatalysatoroberflächen, was entscheidend für eine akkurate Energiekalibration des Kalorimeters ist. / The efficient use of the limited resources on earth is a critical factor to sustainable life. The development of better catalysts can make a significant contribution. Complete understanding of the catalytic activity would facilitate the design and control of specific catalytic processes. In this work, the correlation of the catalyst structure and the heats of adsorption of gas-phase particles were investigated. In particular, the heat of adsorption for CO on Pd particles was determined as a function of particle size, using a well-characterized model catalyst system, Pd particles supported on an iron oxide film, and UHV single crystal adsorption microcalorimetry. It was possible to resolve the longstanding controversy, how the heat of adsorption of CO on Pd particles changes with particle size. The heat of adsorption for CO on Pd particles was studied on supported Pd particles with a mean diameter of 1.8 to 8 nm and Pd(111). The initial heat of adsorption was found to decrease with decreasing particle size. The completed microcalorimeter experiment comprises a preparation chamber and a calorimetry chamber, providing all means to prepare and characterize oxide supported metal nanoparticles and to perform adsorption energy measurements. The calorimeter is based on the design of Campbell et al., using a pyroelectric ribbon as a detector. Improvements with respect to alignment, temperature stability, and vibration isolation were implemented. A pulsed molecular beam is used to expose the surface to a stable and homogeneous flux of gas-phase molecules. Further, a dedicated in situ reflectivity measurement setup allows optical characterization of the model catalyst surfaces, which is crucial for an accurate energy calibration of the calorimeter.

Die feste nichtkristalline Lewis-Säure Aluminiumchlorofluorid (ACF, AlCl(x)F(3-x), x = 0.05 .. 0.3) hat die höchste bisher bekannte Lewis-Acidität aller heterogenen Katalysatoren. Sie erreicht die Stärke von Antimonpentafluorid SbF5 und übertrifft sie in manchen Fällen sogar. In dieser Arbeit wurden die Bulk-Struktur des ACF und der sehr ähnlichen Verbindung Aluminiumbromofluorid (ABF) mittels IR-, ESR-, NMR- und Röntgenabsorptionsspektroskopie studiert. Die Oberfläche der Verbindungen wurde durch die Adsorption von Gasen bei niedrigen Temperaturen untersucht, sowie durch IR- und ESR-Spektroskopie adsorbierter Sondenmoleküle. Das thermische Verhalten dieser nichtkristallinen Verbindungen wurde mittels DTA verfolgt. Die Lewis-Acidität kleiner Modellverbindungen wurde NMR-spektroskopisch und mit ab initio Methoden untersucht. Alle Daten wurden mit denen der gut charakterisierten und bekannten Modifikationen des Aluminiumfluorids (AlF3) verglichen. Die kombinierten Ergebnisse der Messungen an beiden festen Phasen erlauben die Entwicklung eines Strukturmodells für diese Verbindungen, das die meisten spektroskopischen Daten und die außergewöhnlich hohe Lewis-Acidität erklären kann. Beide Phasen sind sehr ähnlich zueinander. Das Vorhandensein des schwereren Halogens (Cl, Br) erzeugt eine Störung des Netzwerkes und verhindert die Ausbildung geordneter Strukturen. Der Grad der Unordnung in diesen Phasen ist höher als bei allen anderen Verbindungen des Aluminiumfluorids. Daraus resultiert eine gestörte Oberfläche, was wiederum zu koordinativ ungesättigtem Aluminium an der Oberfläche führt. Die sauren Zentren in ACF und ABF sind stärker als in anderen aluminiumhaltigen Lewis-Säuren. / The solid non-crystalline Lewis acid aluminum chlorofluoride (ACF, AlCl(x)F(3-x), x = 0.05 .. 0.3) has the highest Lewis acidity of any heterogeneous catalyst known so far. It reaches the acidity of antimony pentafluoride (SbF5) and in some cases even exceeds it. In this work the bulk structure of ACF and of the very similar compound aluminium bromofluoride (ABF) was studied by IR, ESR, NMR, and X-ray absorption spectroscopy. The surface of the compounds was investigated by adsorption of gases at low temperatures, as well as by IR and ESR spectroscopy of adsorbed probe molecules. The thermal behavior of these non-crystalline compounds was followed by DTA. The Lewis acidity of small model compounds was studied by NMR spectroscopy and ab initio calculations. All data were compared to those of well characterized known samples of the different modifications of aluminum fluoride (AlF3). The combined results of the measurements of both solid phases allow to set up a structure model for these compounds which can explain most of the spectrocopic data and the extraordinary high Lewis acidity. Both phases are very similar to each other. The occurrence of the heavier halogen (Cl, Br) causes a perturbation of the network and prevents it from forming ordered structures. The degree of disorder of these phases is higher than for any other known compounds of aluminum fluoride. This results in an disordered surface which leads to coordinatively unsaturated aluminum at the surface. The acidic centers of ACF and ABF are stronger than in any other aluminum containing Lewis acid.

Le travail effectué au cours de cette thèse porte sur l'inversion de données ultrasonores. Le contexte industriel en est le contrôle non destructif des cuves de réacteurs à eau pressurisée. Ces contrôles visent à détecter et caractériser des fissures. Les données ultrasonores se présentent sous la forme d'échographies obtenues à l'aide d'un capteur fonctionnant en émission-réception. Les fissures sont détectées par diffraction de leurs arêtes. L'analyse des données obtenues est rendue difficile du fait de l'existence d'un revêtement dont la surface est irrégulière et dont le matériau diffère du matériau constitutif de la cuve. Une méthode est ici proposée pour localiser avec précision les arêtes diffractantes et donc permettre un dimensionnement des fissures à partir des échographies ultrasonores obtenues. Cette méthode s'appuie sur l'application d'outils de modélisation de la propagation et de la diffraction des ultrasons prenant en compte à la fois le caractère irrégulier de la surface et la nature hétérogène du composant. La méthode développée a fait l'objet d'une implémentation informatique et a pu être testée sur un ensemble de cas représentatifs. En particulier, ses performances ont été évaluées à partir de l'analyse de résultats expérimentaux. La précision obtenue en laboratoire sur les cas expérimentaux traités est conforme à la demande industrielle qui a motivé cette étude.