In this paper we describe a parallel algorithm for calculating nonequispaced fast Fourier transforms on massively parallel distributed memory architectures. These algorithms are implemented in an open source software library called PNFFT. Furthermore, we derive a parallel fast algorithm for the computation of the Coulomb potentials and forces in a charged particle system, which is based on the parallel nonequispaced fast Fourier transform. To prove the high scalability of our algorithms we provide performance results on a BlueGene/P system using up to 65536 cores.

Chemnitz, Techn. Univ., Diplomarb., 2006.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist ein nicht-invasives Bildgebungsverfahren, mit dem Veränderungen der neuronalen Aktivität im Gehirn mit hoher räumlicher Auflösung erfasst werden können. Mit der fMRT-Bildgebung bei neurowissenschaftlichen Experimenten wurden in den letzten beiden Jahrzehnten bedeutende Erkenntnisse für die Hirnforschung und Medizin gewonnen. Mit Hilfe dieser Methode werden neuronale Aktivitätsunterschiede bei der Durchführung einer bestimmten Aufgabe, z. B. dem Betrachten von Bildern mit emotionalen Inhalten, erfasst und die Daten unabhängig von der Messung zu einem späteren Zeitpunkt statistisch ausgewertet. Mit Hilfe des technischen Fortschritts im letzten Jahrzehnt ist es darüber hinaus möglich geworden, fMRT-Daten direkt zur Aufnahmezeit zu verarbeiten und auszuwerten. Dies wird als Echtzeit-fMRT bezeichnet, wenn die Datenverarbeitung schneller erfolgt als die Aufnahme eines Hirnvolumens (aktuell ca. zwei Sekunden). Die Ergebnisse der Echtzeitdatenverarbeitung können dann wiederum als Steuerbefehle für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Daher wird dies auch als Hirn-Computer-Schnittstelle (Brain Computer Interface, BCI) mittels fMRT bezeichnet. Die Echtzeitverarbeitung von fMRT-Daten ermöglicht mehrere neue Anwendungen. Dazu gehören unter anderem die Qualitätskontrolle zur Laufzeit von fMRT-Experimenten, die schnelle funktionelle Lokalisierung von Hirnarealen entweder für neurowissenschaftliche Experimente oder intraoperativ, die Kontrolle des Experimentes mittels des Probandenverhaltens und insbesondere die Möglichkeit, sogenannte fMRT-Neurofeedbackexperimente durchzuführen. Bei diesen Experimenten lernen Probanden, die Aktivität von definierten Hirnarealen willentlich zu beeinflussen. Das Ziel dabei ist, Veränderungen in ihrem Verhalten zu generieren. Die Umsetzung eines BCIs mittels Echtzeit-fMRT ist eine interdisziplinäre Aufgabenstellung von MR-Physik, Informatik und Neurowissenschaften um das Verständnis des menschlichen Gehirns zu verbessern und neue Therapieansätze zu gestalten. Für diese hard- und softwaretechnisch anspruchsvolle Aufgabe gibt es einen enormen Bedarf an neuen Algorithmen zur Datenverarbeitung und Ansätzen zur verbesserten Datenakquise. In diesem Zusammenhang präsentiert die vorliegende Arbeit ein neues Softwareframework, das einerseits eine integrierte Gesamtlösung für die Echtzeit-fMRT darstellt und in seinen Teilmodulen eine abstrakte Basis für eine universelle Methodenentwicklung anbietet. Diese Arbeit beschreibt die grundlegenden abstrakten Konzepte und die Implementierung in ein neues Softwarepaket namens ’Brain Analysis in Real-Time’ (BART). Der Fokus der Arbeit liegt auf zwei Kernmodulen, die für universelle Gestaltung von sogenannten adaptiven Paradigmen und die Einbindung von Echtzeit-fMRT-Datenverarbeitungsalgorithmen konzipiert sind. Bei adaptiven Paradigmen werden zur Laufzeit eines Experiments physiologische Parameter (z. B. Herzrate) oder Verhaltensdaten (z. B. Augenbewegungen) simultan zu den fMRT-Daten erfasst und analysiert, um die Stimulation eines Probanden entsprechend zu adaptieren. Damit kann die Zuverlässigkeit der Daten, die zur Auswertung zur Verfügung stehen, optimiert werden. Die vorliegende Arbeit präsentiert das dazu notwendige abstrakte Grundkonzept des neuen Softwareframeworks und die ersten konkreten Implementierungen für die Datenverarbeitung und adaptive Paradigmen. Das Framework kann zukünftig mit neuen methodischen Ideen erweitert werden. Dazu gehören die Einbindung neuer Datenverarbeitungsalgorithmen, wie z. B. Konnektivitätsanalysen und die Adaption von Paradigmen durch weitere physiologische Parameter. Dabei ist insbesondere die Kombination mit EEG-Signalen von großem Interesse. Außerdem bietet das System eine universelle Grundlage für die zukünftige Arbeit an Neurofeedbackexperimenten. Das in dieser Arbeit entwickelte Framework bietet im Vergleich zu bisher vorgestellten Lösungsansätzen ein Ein-Computer-Setup mit einem erweiterbaren Methodenspektrum. Damit wird die Komplexität des notwendigen technischen Setups reduziert und ist nicht auf einzelne Anwendungsfälle beschränkt. Es können flexibel neue Datenverarbeitungsalgorithmen für ein fMRT-BCI eingebunden und vielgestaltige Anwendungsfälle von adaptiven Paradigmen konzipiert werden. Eine Abstraktion der Stimulation und die Kombination mit der Echtzeitauswertung ist bisher einzigartig für neurowissenschaftliche Experimente. Zusätzlich zu den theoretischen und technischen Erläuterungen werden im empirischen Teil der vorliegenden Arbeit neurowissenschaftliche Experimente, die mit dem Softwarepaket BART durchgeführt wurden, vorgestellt und deren Ergebnisse erläutert. Dabei wird die Zuverlässigkeit und Funktionsweise der Implementierung in allen Teilschritten der Datenerfassung und -verarbeitung validiert. Die Ergebnisse verifizieren die Implementierung einer parallelisierten fMRT-Analyse.Weiterhin wird eine erste konkrete Umsetzung für ein adaptives Paradigma vorgestellt, bei dem zur Laufzeit die Blickrichtung der Probanden berücksichtigt wird. Die Ergebnisse zeigen die signifikanten Verbesserungen der Reliabilität der fMRT-Ergebnisse aufgrund der optimierten Datenqualität durch die Adaption des Paradigmas. Zusammengefasst umfasst die vorliegende Arbeit eine interdisziplinäre Aufgabe, die sich aus der Verarbeitung von MR-Daten in Echtzeit, einem neuen abstraktes Softwarekonzept für Entwicklung neuer methodischer Ansätze und der Durchführung von neurowissenschaftlichen Experimenten zusammensetzt.

The MPI_Barrier-collective operation, as a part of the MPI-1.1 standard, is extremely important for all parallel applications using it. The latency of this operation increases the application run time and can not be overlaid. Thus, the whole MPI performance can be decreased by unsatisfactory barrier latency. The main goals of this work are to lower the barrier latency for InfiniBand networks by analyzing well known barrier algorithms with regards to their suitability within InfiniBand networks, to enhance the barrier operation by utilizing standard InfiniBand operations as much as possible, and to design a constant time barrier for InfiniBand with special hardware support. This partition into three main steps is retained throughout the whole thesis. The first part evaluates publicly known models and proposes a new more accurate model (LoP) for InfiniBand. All barrier algorithms are evaluated within the well known LogP and this new model. Two new algorithms which promise a better performance have been developed. A constant time barrier integrated into InfiniBand as well as a cheap separate barrier network is proposed in the hardware section. All results have been implemented inside the Open MPI framework. This work led to three new Open MPI collective modules. The first one implements different barrier algorithms which are dynamically benchmarked and selected during the startup phase to maximize the performance. The second one offers a special barrier implementation for InfiniBand with RDMA and performs up to 40% better than the best solution that has been published so far. The third implementation offers a constant time barrier in a separate network, leveraging commodity components, with a latency of only 2.5 microseconds. All components have their specialty and can be used to enhance the barrier performance significantly.

Die Forschungsprofillinie 5 “Kommunikation, Medien, Technik” entstand im Jahr 2005 aus der ursprünglichen Profillinie “Medien, Kommunikation und Informationstechnologien”. Sie zeigt heute eine deutlich stärkere Vernetzung über die verschiedenen Fakultäten hinweg, als das die bisherige Ausrichtung des Profils leisten konnte. Der wesentliche Unterschied zu den anderen Forschungsprofillinien der Technischen Universität Chemnitz besteht darin, dass hier der Mensch als der Nutzer technischer Systeme im Zentrum steht. Dies bedeutet jedoch nicht, dass vor allem sozial-, verhaltens- und kulturwissenschaftlich orientierte Professuren die Forschungsprofillinie tragen. Ganz im Gegenteil ist gerade in diesem Themenbereich eine enge Kooperation von naturwissenschaftlichen und technischen Disziplinen auf der einen Seite und sozialwissenschaftlichen Fächern auf der anderen Seite gefordert.

This work covers the implementation of a raw Ethernet communication module for the Open MPI message passing library. Thereby it focuses on both the reduction of the communication latency for small messages and maximum possible compatibility. Especially the need for particular network devices, adapted network device drivers or kernel patches is avoided. The work is divided into three major parts: First, the networking subsystem of the version 2.6 Linux kernel is analyzed. Second, an Ethernet protocol family is implemented as a loadable kernel module, consisting of a basic datagram protocol (EDP), providing connection-less and unreliable datagram transport, and a streaming protocol (ESP), providing connection-oriented, sequenced and reliable byte streams. The protocols use the standard device driver interface of the Linux kernel for data transmission and reception. Their services are made available to user-space applications through the standard socket interface. Last, the existing Open MPI TCP communication module is ported atop the ESP. With bare EDP/ESP sockets a message latency of about 30 us could be achieved for small messages, which compared to the TCP latency of about 40 us is a reduction of 25 %.

The broadcast function MPI_Bcast() from the MPI-1.1 standard is one of the most heavily used collective operations for the message passing programming paradigm. This diploma thesis makes use of a feature called "Multicast", which is supported by several network technologies (like Ethernet or InfiniBand), to create an efficient MPI_Bcast() implementation, especially for large communicators and small-sized messages. A preceding analysis of existing real-world applications leads to an algorithm which does not only perform well for synthetical benchmarks but also even better for a wide class of parallel applications. The finally derived broadcast has been implemented for the open source MPI library "Open MPI" using IP multicast. The achieved results prove that the new broadcast is usually always better than existing point-to-point implementations, as soon as the number of MPI processes exceeds the 8 node boundary. The performance gain reaches a factor of 4.9 on 342 nodes, because the new algorithm scales practically independently of the number of involved processes. / Die Broadcastfunktion MPI_Bcast() aus dem MPI-1.1 Standard ist eine der meistgenutzten kollektiven Kommunikationsoperationen des nachrichtenbasierten Programmierparadigmas. Diese Diplomarbeit nutzt die Multicastfähigkeit, die von mehreren Netzwerktechnologien (wie Ethernet oder InfiniBand) bereitgestellt wird, um eine effiziente MPI_Bcast() Implementation zu erschaffen, insbesondere für große Kommunikatoren und kleinere Nachrichtengrößen. Eine vorhergehende Analyse von existierenden parallelen Anwendungen führte dazu, dass der neue Algorithmus nicht nur bei synthetischen Benchmarks gut abschneidet, sondern sein Potential bei echten Anwendungen noch besser entfalten kann. Der letztendlich daraus entstandene Broadcast wurde für die Open-Source MPI Bibliothek "Open MPI" entwickelt und basiert auf IP Multicast. Die erreichten Ergebnisse belegen, dass der neue Broadcast üblicherweise immer besser als jegliche Punkt-zu-Punkt Implementierungen ist, sobald die Anzahl von MPI Prozessen die Grenze von 8 Knoten überschreitet. Der Geschwindigkeitszuwachs erreicht einen Faktor von 4,9 bei 342 Knoten, da der neue Algorithmus praktisch unabhängig von der Knotenzahl skaliert.

Die Qualität der Schnittstelle eines Videospiels kann wesentlich zu dessen kommerziellen Erfolg beitragen. Dennoch beschränkt sich die entsprechende Evaluation primär auf die Auswertung qualitativer Daten, die etwa in Nutzertests erhoben werden. Inferenzstatistische Verfahren kommen bisher mangels theoretischer Grundlagen kaum zum Einsatz. Die vorliegende Arbeit stellt daher ein theoretisches Framework zur quantitativen Analyse verschiedener Dimensionen der Schnittstellengestaltung in Videospielen zur Verfügung. Dabei wird ausgehend von spielwissenschaftlichen Überlegungen und einer Erweiterung von Huizingas Konzept des „magic circle“ ein Bogen von perzeptiven, psychologischen und soziologischen bis hin zu kulturellen Aspekten gespannt. Methodisch handhabbar wird dieses Konstrukt durch eine Ausrichtung am Genre-Begriff, der für den Bereich der Videospiele diskutiert wird. So entsteht ein ganzheitliches Modell, das den Grundstein zu einem zielgruppenspezifischen und quantitativen Messinstrument für Interfaces in Videospielen legt. / The quality of a videogame’s interface is a decisive factor to its commercial success. However, the current evaluation methods focus primarily on qualitative research data like those generated in usability tests. Methods of inferential statistics are not common yet because of a lack of theoretical fundamentals. To address this issue, this paper provides a theoretical framework for quantitative analysis on different dimensions of interface design in videogames. Aspects of perception, psychology, sociology as well as culture are dealt with in this context and the associated scientific concepts are conflated by a theoretical extension of Huizinga’s “magic circle”. The technical term “genre” in regard to videogames is also discussed in this paper and it proves to be a basis for connecting the various concepts methodically. As a result, this paper presents a holistic model, which can be applied in future audience-specific and quantitative measuring instruments for interfaces in videogames.

We present a MPI based software library for computing the fast Fourier transforms on massively parallel, distributed memory architectures. Similar to established transpose FFT algorithms, we propose a parallel FFT framework that is based on a combination of local FFTs, local data permutations and global data transpositions. This framework can be generalized to arbitrary multi-dimensional data and process meshes. All performance relevant building blocks can be implemented with the help of the FFTW software library. Therefore, our library offers great flexibility and portable performance. Likewise FFTW, we are able to compute FFTs of complex data, real data and even- or odd-symmetric real data. All the transforms can be performed completely in place. Furthermore, we propose an algorithm to calculate pruned FFTs more efficiently on distributed memory architectures. For example, we provide performance measurements of FFTs of size 512^3 and 1024^3 up to 262144 cores on a BlueGene/P architecture.

Das automatisierte Fahren hat bereits den Weg auf den kommerziellen Markt geschafft und weiterer Fortschritt kann in naher Zukunft erwartet werden. Das Level 3 des automatisierten Fahrens verspricht steigende Sicherheit, Komfort und Verkehrseffizienz. Für den menschlichen Fahrer sind diese Funktionen und damit einhergehende Nutzerschnittstellen eine neuartige Technologie. Im Bereich Human Factors stehen Forschung und Entwicklung vor zwei Herausforderungen, welche (1) der Entwurf von intuitiven und einfach bedienbaren Nutzerschnittstellen und (2) die Entwicklung von Methoden zur Bewertung ebendieser sind. Bei der Bewertung von Technologie wurde bereits häufig auf die sogenannte Preference-Performance Dissoziation aufmerksam gemacht. Diese beschreibt das Ergebnis von Nutzerstudien, in denen die Präferenz (Selbstbericht) der Nutzer nicht mit deren Leistung (beobachtbares Verhalten) übereinstimmt. Dieses Phänomen stellt eine Gefährdung für die Bewertung von Nutzerschnittstellen beim automatisierten Fahren dar. Aufgrund dessen berichtet die vorliegende Dissertation zunächst Untersuchungen zur Messbarmachung von Präferenz und Leistung. Zudem wurde das Verständnis von automatisierten Systemen (mentales Modell) als ein wichtiger Einflussfaktor zur Entstehung des beobachtbaren Verhaltens angenommen und mit in die Arbeiten eingeschlossen. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse der Messbarmachung widmete sich der zweite Teil der Dissertation den Faktoren, die einen Einfluss auf das Entstehen von Präferenz und/oder Leistung ausüben. Untersuchte Faktoren waren die Anzahl an Wiederholungen von Anwendungsfällen, Rückmeldung zur Bedienleistung, Nutzerschulung und eine statistische post-hoc Analyse. Um die Ziele der Messbarmachung und Einflussnahme zu erreichen wurden drei Fahrsimulatorstudien mit insgesamt N=225 Probanden durchgeführt. Die Haupterkenntnisse waren (1) die Entwicklung einer differenzierten Empfehlung von Fragebögen zur Erfassung der Nutzerpräferenz. Außerdem (2) wurden Erkenntnisse der Entwicklung von Verhaltensmaßen über die Zeit sowie deren Zusammenhang zu Präferenzmaßen gewonnen. Betreffend der mentalen Modelle (3) zeigte die vorliegende Arbeit, dass es wiederholter Interaktion bedarf, damit diese sich korrekt entwickeln. Außerdem kann das Verständnis durch Blickverhaltensmaße erfasst werden. Zusätzlich (4) zeigte sich, dass Leistungsrückmeldung Präferenz, nicht aber Leistung selbst beeinflussen kann. Im Gegensatz dazu (5) wirkt sich Nutzerschulung positiv auf die Korrektheit mentaler Modelle und nachfolgend der Nutzerleistung selbst aus, lässt aber Präferenzmaße unbeeinflusst. Abschließend zeigte sich, dass (6) Nutzer verschiedener Leistungsstufen ähnliche Präferenzurteile fällen. Der theoretische Beitrag der vorliegenden Arbeit liegt in den Einblicken in die Entstehung der beiden Datenquellen der Preference-Performance Dissoziation wodurch diese erklärt und vorhergesagt werden kann. Der praktische Beitrag liegt in der Anwendung der Arbeit zur Messbarmachung von Variablen und Empfehlung zum Studiendesign hinsichtlich Anzahl an Messwiederholungen und Nutzerschulung. Abschließend betreffen die hier gewonnenen Erkenntnisse nicht nur die Bewertung von Nutzerschnittstellen beim automatisierten Fahren, sondern können auch auf andere Automationsbereiche der Mensch-Maschine Interaktion wie beispielsweise Luftfahrt, Robotik oder Medizintechnik übertragen werden. / Driving automation systems have already entered the commercial market and further advancements will be introduced in the near future. Level 3 automated driving systems are expected to increase safety, comfort and traffic efficiency. For the human driver, these functions and according human-machine interfaces are a novel technology. In the human factors domain, research and development faces two challenges which are (1) the conceptualization of intuitive and easy to use interfaces and (2) the development of a methodological framework to evaluate these interfaces. In technology evaluation, a methodological phenomenon has frequently been reported which is called the preference-performance dissociation. It describes the outcome of studies where users' preference (i.e., self-report) does not match their performance (i.e., interaction behavior). This phenomenon poses a threat to the evaluation of automated vehicle HMIs. Therefore, the present thesis first reports investigations on how to operationalize both performance and preference. Moreover, the understanding (i.e., mental model) of automated vehicle HMIs was hypothesized as an influential precursor of performance and included in the present work. Using the insights of the operationalization part, the second part of the thesis aimed at finding out about factors that exert influence on preference and/or performance. Investigated factors were the number of use case repetitions, feedback on operator performance, user education and a post-hoc statistical analysis. To reach the operationalization and variation aims, three driving simulator studies with a total of N=225 participants were conducted. The main outcomes were that (1) a sophisticated recommendation regarding preference questionnaire application could be given. Furthermore, (2) insights into the development of behavioral measures over time and their relation to a satisfaction measure could be given. Concerning mental models, (3) the present work showed that it takes repeated interaction to evolve accurately and gaze measures could also be used for capturing these processes. In addition, (4) feedback on operator performance was found to influence preference but not performance while (5) user education increased understanding and subsequent performance but did not affect preference. Eventually it showed that (6) users of different performance levels report similar preference. The theoretical contribution of this work lies in insights into the formation of the two sources of data and its potential to both explain and predict the preference-performance dissociation. The practical contribution lies in the recommendation for research methodology regarding how to operationalize measures and how to design user studies concerning the number of use cases and user education approaches. Finally, the results gained herein do not only apply to automated vehicle HMIs but might also be generalized to related domains such as aviation, robotics or health care.