Connected-Component-Labeling (CCL) für 2D-Bilddaten ist ein bekanntes Problem im Bereich der Bildverarbeitung. Ziel ist es, zusammenhängende Pixelgruppen mit gleichen Eigenschaften zu erkennen und mit einem eindeutigen Label zu versehen. Zur Lösung von CCL-Problemen für 2D-Bilddaten werden sowohl sequentielle als auch parallele Algorithmen untersucht. Unter den bekannten Algorithmen gibt es solche, die asymptotisch optimale Eigenschaften besitzen. Speziell für den Bereich der Bildverarbeitung interessant sind außerdem auf Konturierung basierende Algorithmen. Die zusätzlich extrahierten Konturen können z.B. für die Buchstabenerkennung genutzt werden. Seit der jüngeren Vergangenheit werden Grafikprozessoren (GPUs) mit großem Erfolg für allgemeines Computing eingesetzt. So existieren auch mehrere Implementationen von Connected-Component-Labeling-Algorithmen für GPUs, welche im Vergleich mit Varianten für CPUs oft deutlich schneller sind. Diese GPU-basierten Ansätze verarbeiten typischerweise das Pixelgitter direkt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden mehrere neue parallele CCL-Algorithmen vorgeschlagen, welche auf Konturen basieren und sowohl für GPUs als auch für Multicore-CPUs geeignet sind. Diese werden experimentell mit Implementationen aus der Literatur unter Verwendung aktueller GPUs und CPUs verglichen. Dabei erreichen in vielen Fällen die vorgeschlagenen Techniken ein besseres Laufzeitverhalten. Das ist auf GPUs insbesondere dann besonders deutlich, wenn sich die evaluierten Datensätze durch einen geringen Anteil von Konturen im Vergleich zur Fläche der Connected-Components auszeichnen.

An der TU Chemnitz haben sich seit über zwei Jahrzehnten die Gebiete der rechnergestützten Wissenschaften (Computational Science) sowie des parallelen und verteilten Hochleistungsrechnens mit zunehmender Verzahnung entwickelt. Die Koordinierung und Bündelung entsprechender Forschungsarbeiten in der Profillinie 6 “Modellierung, Simulation, Hochleistungsrechnen” wird es ermöglichen, im internationalen Wettbewerb des Wissens mitzuhalten.

This thesis explores the possibility of using parallel algorithms to calculate the dynamics of driven quantum systems prevalent in atomic physics. In this process, new as well as existing algorithms are considered. The thesis is split into three parts. In the first part an attempt is made to develop a new formalism of the time dependent Schroedinger equation (TDSE) in the hope that the new formalism could lead to a parallel algorithm. The TDSE is written as an eigenvalue problem, the ground state of which represents the solution to the original TDSE. Even though mathematically sound and correct, it turns out the ground state of this eigenvalue problem cannot be easily found numerically, rendering the original hope a false one. In the second part we borrow a Bayesian global optimisation method from the machine learning community in an effort to find the optimum conditions in different systems quicker than textbook optimisation algorithms. This algorithm is specifically designed to find the optimum of expensive functions, and is used in this thesis to 1. maximise the electron yield of hydrogen, 2. maximise the asymmetry in the photo-electron angular distribution of hydrogen, 3. maximise the higher harmonic generation yield within a certain frequency range, 4. generate short pulses via combining higher harmonics generated by hydrogen. In the last part, the phenomenon of dynamic interference (temporal equivalent of the double-slit experiment) is discussed. The necessary conditions are derived from first principles and it is shown where some of the previous analytical and numerical studies have gone wrong; it turns out the choice of gauge plays a crucial role. Furthermore, a number of different scenarios are presented where interference in the photo-electron spectrum is expected to occur.

This thesis explores the possibility of using parallel algorithms to calculate the dynamics of driven quantum systems prevalent in atomic physics. In this process, new as well as existing algorithms are considered. The thesis is split into three parts. In the first part an attempt is made to develop a new formalism of the time dependent Schroedinger equation (TDSE) in the hope that the new formalism could lead to a parallel algorithm. The TDSE is written as an eigenvalue problem, the ground state of which represents the solution to the original TDSE. Even though mathematically sound and correct, it turns out the ground state of this eigenvalue problem cannot be easily found numerically, rendering the original hope a false one. In the second part we borrow a Bayesian global optimisation method from the machine learning community in an effort to find the optimum conditions in different systems quicker than textbook optimisation algorithms. This algorithm is specifically designed to find the optimum of expensive functions, and is used in this thesis to 1. maximise the electron yield of hydrogen, 2. maximise the asymmetry in the photo-electron angular distribution of hydrogen, 3. maximise the higher harmonic generation yield within a certain frequency range, 4. generate short pulses via combining higher harmonics generated by hydrogen. In the last part, the phenomenon of dynamic interference (temporal equivalent of the double-slit experiment) is discussed. The necessary conditions are derived from first principles and it is shown where some of the previous analytical and numerical studies have gone wrong; it turns out the choice of gauge plays a crucial role. Furthermore, a number of different scenarios are presented where interference in the photo-electron spectrum is expected to occur.

Frequent-itemset mining is an essential part of the association rule mining process, which has many application areas. It is a computation and memory intensive task with many opportunities for optimization. Many efficient sequential and parallel algorithms were proposed in the recent years. Most of the parallel algorithms, however, cannot cope with the huge number of threads that are provided by large multiprocessor or many-core systems. In this paper, we provide a highly parallel version of the well-known Eclat algorithm. It runs on both, multiprocessor systems and many-core coprocessors, and scales well up to a very large number of threads---244 in our experiments. To evaluate mcEclat's performance, we conducted many experiments on realistic datasets. mcEclat achieves high speedups of up to 11.5x and 100x on a 12-core multiprocessor system and a 61-core Xeon Phi many-core coprocessor, respectively. Furthermore, mcEclat is competitive with highly optimized existing frequent-itemset mining implementations taken from the FIMI repository.

An der TU Chemnitz haben sich seit über zwei Jahrzehnten die Gebiete der rechnergestützten Wissenschaften (Computational Science) sowie des parallelen und verteilten Hochleistungsrechnens mit zunehmender Verzahnung entwickelt. Die Koordinierung und Bündelung entsprechender Forschungsarbeiten in der Profillinie 6 “Modellierung, Simulation, Hochleistungsrechnen” wird es ermöglichen, im internationalen Wettbewerb des Wissens mitzuhalten.

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Die Hauptthemen dieser Arbeit sind einerseits eine tiefgehende Analyse von nichtlinearen differential-algebraischen Gleichungen (DAEs) vom Index 2, die aus der modifizierten Knotenanalyse (MNA) von elektrischen Schaltkreisen hervorgehen, und andererseits die Entwicklung von Konvergenzkriterien für Waveform Relaxationsmethoden zum Lösen gekoppelter Probleme. Ein Schwerpunkt in beiden genannten Themen ist die Beziehung zwischen der Topologie eines Schaltkreises und mathematischen Eigenschaften der zugehörigen DAE. Der Analyse-Teil umfasst eine detaillierte Beschreibung einer Normalform für Schaltkreis DAEs vom Index 2 und Abschätzungen, die für die Sensitivität des Schaltkreises bezüglich seiner Input-Quellen folgen. Es wird gezeigt, wie diese Abschätzungen wesentlich von der topologischen Position der Input-Quellen im Schaltkreis abhängen. Die zunehmend komplexen Schaltkreise in technologischen Geräten erfordern oftmals eine Modellierung als gekoppeltes System. Waveform relaxation (WR) empfiehlt sich zur Lösung solch gekoppelter Probleme, da sie auf die Subprobleme angepasste Lösungsmethoden und Schrittweiten ermöglicht. Es ist bekannt, dass WR zwar bei Anwendung auf gewöhnliche Differentialgleichungen konvergiert, falls diese eine Lipschitz-Bedingung erfüllen, selbiges jedoch bei DAEs nicht ohne Hinzunahme eines Kontraktivitätskriteriums sichergestellt werden kann. Wir beschreiben allgemeine Konvergenzkriterien für WR auf DAEs vom Index 2. Für den Fall von Schaltkreisen, die entweder mit anderen Schaltkreisen oder mit elektromagnetischen Feldern verkoppelt sind, leiten wir außerdem hinreichende topologische Konvergenzkriterien her, die anhand von Beispielen veranschaulicht werden. Weiterhin werden die Konvergenzraten des Jacobi WR Verfahrens und des Gauss-Seidel WR Verfahrens verglichen. Simulationen von einfachen Beispielsystemen zeigen drastische Unterschiede des WR-Konvergenzverhaltens, abhängig davon, ob die Konvergenzbedingungen erfüllt sind oder nicht. / The main topics of this thesis are firstly a thorough analysis of nonlinear differential-algebraic equations (DAEs) of index 2 which arise from the modified nodal analysis (MNA) for electrical circuits and secondly the derivation of convergence criteria for waveform relaxation (WR) methods on coupled problems. In both topics, a particular focus is put on the relations between a circuit's topology and the mathematical properties of the corresponding DAE. The analysis encompasses a detailed description of a normal form for circuit DAEs of index 2 and consequences for the sensitivity of the circuit with respect to its input source terms. More precisely, we provide bounds which describe how strongly changes in the input sources of the circuit affect its behaviour. Crucial constants in these bounds are determined in terms of the topological position of the input sources in the circuit. The increasingly complex electrical circuits in technological devices often call for coupled systems modelling. Allowing for each subsystem to be solved by dedicated numerical solvers and time scales, WR is an adequate method in this setting. It is well-known that while WR converges on ordinary differential equations if a Lipschitz condition is satisfied, an additional convergence criterion is required to guarantee convergence on DAEs. We present general convergence criteria for WR on higher index DAEs. Furthermore, based on our results of the analysis part, we derive topological convergence criteria for coupled circuit/circuit problems and field/circuit problems. Examples illustrate how to practically check if the criteria are satisfied. If a sufficient convergence criterion holds, we specify at which rate of convergence the Jacobi and Gauss-Seidel WR methods converge. Simulations of simple benchmark systems illustrate the drastically different convergence behaviour of WR depending on whether or not the circuit topological convergence conditions are satisfied.