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Structural and Energetic Disorder
No full textOrganic solar cell (OSC) research has made remarkable strides in the past decade, reaching power conversion efficiencies (PCEs) near 20%. Just ten years ago, this milestone seemed unattainable, and a decade earlier, even 10% PCE was considered overly ambitious. Two key advancements have driven these leaps: first, the adoption of bulk heterojunction (BHJ) morphology, and later, the emergence of new generation of non-fullerene acceptors (NFAs). However, the goal of commercialization remains elusive. Should OSCs achieve commercial viability, they hold immense promise, offering significantly lower costs than silicon-based technologies, along with light-weight, flexible, and versatile design possibilities. Yet, the path to commercialization is filled with challenges. OSCs still lag behind perovskite and silicon counterparts in efficiency due to their lower fill factors (FFs) and open-circuit voltages (V_OC), both hampered by high charge recombination rates and the inherently higher energetic disorder in organic materials. Extensive research is required to intricately link and understand the intrinsic properties of organic semiconductors, such as charge generation, recombination dynamics, transport in relation to FF, and V_OC which influence the overall performance of OSCs. This thesis investigates several key strategies aimed at improving OSC performance, with a focus on V_OC, FF from structural and energetic disorder perspective.
One chapter compares the effect of the electron transport layers (ETLs), PDINN and PDINO, on the active layer PM6:Y6 blends. Electron paramagnetic resonance (EPR) and Hall effect measurements show that PDINN has higher doping levels compared to PDINO. Although both layers have ohmic contact with the active layer, PDINN, with its higher doping level, results in improved V_OC and FF. This improvement is linked to a charge spilling mechanism from the ETL to the active layer which is verified with Mott Schottky analysis. As a result, devices with PDINN ETL have reduced energetic disorder and subsequently suppressing the non-radiative charge recombination shown with the space charge limited current (SCLC), electroluminescence quantum yield (ELQY) and bias-assisted charge extraction (BACE) measurements.
Another focus of this thesis examines all-small moledule (ASM) solar cells, which show potential for OSC commercialization due to their high solubility and simpler synthesis. Despite their smaller energetic disorders, which could theoretically lead to higher V_OCs, ASM blends often underperform compared to polymer: small molecule blends. To explore this, the thesis compares an ASM blend, ZR1:Y6, with a polymer: small molecule blend, PM7:Y6, both sharing the same non-fullerene acceptor (Y6) and similar energetic offsets measured with temperature dependent ELQY measurements. Morphological analysis shows that the ASM blend lacks the π-πstacking and intermixed morphology necessary for efficient charge generation and transport, limiting its performance. These observation was validated with time-delayed collection field (TDCF) and temperature dependent BACE measuremens.
The final aspect of this thesis investigates the revolutionary NFA Y6, demonstrating that neat Y6 can achieve a PCE of 4.5% without the need for donor-acceptor blends, thanks to its ability to generate free charges. Combinig drfit-diffusion simulations with various measurements reveals that the π-π stacking in Y6 enables high mobility and spontaneous charge generation. If the efficiency of single-component solar cells improves, it could address two critical issues in OSCs: V_OC losses from charge transfer state formation, and the morphological problems arising from donor-acceptor incompatibility.
Together, these findings highlight the importance of balancing doping, morphology, and energy offsets to optimize OSC performance, paving the way for further advancements and commercial viability in organic photovoltaics. One of the key takeaways from this thesis is that non-radiative recombination are closely tied to energetic disorder. However, as demonstrated in the PDINN study, these losses can be mitigated to a certain extent by the state-filling effect from the TL into the active layer, where higher doping levels reduce disorder. This leads to smaller recombination rates and FF, provided that an optimal morphology is maintained. However, ASM study highlights that in the absence of the π-π stacking, leads to suppressed charge generation and transport despite the lower energetic disorder, resulting in reduced FF. In the same cord, the ability of Y6 to generate bulk free charges, illustrates how morphology and quadrupole moments can play a decisive role in reducing performance losses typically associated with low-offset systems.Die Forschung im Bereich der organischen Solarzellen ( OSC ) hat in den letzten zehn Jahren bemerkenswerte Fortschritte gemacht und Wirkungsgrade (PCE) von nahezu 20 % erreicht. Noch vor zehn Jahren schien dieser Meilenstein unerreichbar, und ein Jahrzehnt zuvor galten selbst 10 % PCE als zu ehrgeizig. Zwei entscheidende Fortschritte haben diese Sprünge ermöglicht: zum einen die Einführung der Bulk-Heterojunction-Morphologie (BHJ) und zum anderen das Aufkommen einer neuen Generation von Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA). Das Ziel der Kommerzialisierung bleibt jedoch unerreichbar. Sollten OSCs die Marktreife erlangen, sind sie sehr vielversprechend, da sie deutlich kostengünstiger sind als siliziumbasierte Technologien und zudem leicht, flexibel und vielseitig konstruiert werden können. Doch der Weg zur Kommerzialisierung ist mit Herausforderungen verbunden. Die Effizienz von OSCs liegt immer noch hinter der von Perowskiten und Silizium zurück, was an ihren niedrigeren Füllfaktoren (FF) und Leerlaufspannungen (Voc) liegt, die beide durch hohe Rekombinationsraten und die inhärent höhere energetische Unordnung in organischen Materialien beeinträchtigt werden. Umfangreiche Forschungsarbeiten sind erforderlich, um die intrinsischen Eigenschaften der organischen Halbleiter zu verstehen, die das Zusammenspiel von Ladungserzeugung, Rekombinationsdynamik, Ladungsträgermobilität, FF und Voc bestimmen, da diese Faktoren grundlegend miteinander verbunden sind und die Gesamtleistung von OSCs entscheidend beeinflussen. In dieser Arbeit werden mehrere Schlüsselstrategien zur Verbesserung der OSC-Leistung untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Voc, FF und dem Potenzial der OSC-Technologie liegt, auf einem von Silizium dominierten Solarmarkt wettbewerbsfähig zu sein.
Eine wichtige Studie vergleicht die Auswirkungen der Elektronentransportschichten (ETLs) PDINN und PDINO auf die aktive Schicht von PM6:Y6-Mischungen. Messungen der paramagnetischen Elektronenresonanz (EPR) und des Hall-Effekts zeigen, dass PDINN im Vergleich zu PDINO eine höhere Dotierung aufweist. Obwohl beide Schichten einen ohmschen Kontakt mit der aktiven Schicht haben, führt PDINN mit seinem höheren Dotierungsgrad zu einer besseren Voc und FF. Diese Verbesserung ist auf einen Mechanismus zurückzuführen, bei dem Ladung aus dem ETL in die aktive Schicht übergeht, was mit der Mott-Schottky-Analyse nachgewiesen wurde. Infolgedessen weisen Bauelemente mit PDINN-ETL eine geringere energetische Unordnung auf und unterdrücken in der Folge die nicht-radiative Ladungsrekombination, was anhand von Messungen des raumladungsbegrenzten Stroms (SCLC), der Elektrolumineszenz-Quantenausbeute (ELQY) und der vorspannungsunterstützten Ladungsextraktion (BACE) nachgewiesen wurde.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung von ASM-Solarzellen (all-small moledule), die aufgrund ihrer hohen Löslichkeit und einfacheren Synthese ein Potenzial für die Vermarktung von OSC aufweisen. Trotz ihrer geringeren energetischen Störungen, die theoretisch zu höheren Vocs führen könnten, schneiden ASM-Mischungen im Vergleich zu Polymer-Kleinmolekül-Mischungen oft schlechter ab. Um dies zu untersuchen, wird in dieser Arbeit eine ASM-Mischung, ZR1:Y6, mit einer Polymer:Small Molecule-Mischung, PM7:Y6, verglichen, die beide denselben Nicht-Fulleren-Akzeptor (Y6) und ähnliche energetische Störungen aufweisen, die mit temperaturabhängigen ELQY-Messungen gemessen wurden. Die morphologische Analyse zeigt, dass die ASM-Mischung nicht die -Stapelung und durchmischte Morphologie fehlt, die für eine effiziente Ladungserzeugung und einen effizienten Ladungstransport erforderlich sind, was die Leistung einschränkt. Diese Beobachtungen wurden mit zeitverzögerten Sammelfeld- (TDCF) und temperaturabhängigen BACE-Messungen validiert.
Der letzte Aspekt dieser Arbeit untersucht das revolutionäre NFA Y6 und zeigt, dass reines Y6 dank seiner Fähigkeit, freie Ladungen zu erzeugen, einen PCE von 4,5 % erreichen kann, ohne dass Donor-AkzeptorMischungen erforderlich sind. Die Kombination von Drfit-Diffusionssimulationen mit verschiedenen Messungen zeigt, dass die - Stapelung in Y6 eine hohe Mobilität und spontane Ladungserzeugung ermöglicht. Wenn sich der Wirkungsgrad von Einkomponenten-Solarzellen verbessert, könnten damit zwei kritische Probleme bei OSCs gelöst werden: Voc-Verluste durch die Bildung von Ladungstransferzuständen und die morphologischen Probleme, die sich aus der Inkompatibilität von Donor und Akzeptor ergeben.
Zusammengenommen unterstreichen diese Ergebnisse die Bedeutung eines ausgewogenen Verhältnisses zwischen Dotierung, Morphologie und Energieverschiebung für die Optimierung der OSC-Leistung und ebnen den Weg für weitere Fortschritte und die kommerzielle Nutzung der organischen Photovoltaik. Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus dieser Arbeit ist, dass nicht-strahlende Rekombinationen eng mit energetischer. Wie in der PDINN-Studie gezeigt wurde, können diese Verluste jedoch bis zu einem gewissen Grad durch den Zustandsauffüllungseffekt von der TL in die aktive Schicht gemildert werden, wo höhere Dotierungsniveaus die Unordnung verringern. Dies führt zu geringeren Rekombinationsraten und FF, sofern eine optimale Morphologie beibehalten wird. Die ASM-Studie zeigt jedoch, dass bei Fehlen des - Stapelung trotz der geringeren energetischen Unordnung zu einer unterdrückten Ladungserzeugung und einem unterdrückten Ladungstransport führt, was eine geringere FF zur Folge hat. Die Fähigkeit von Y6, freie Massenladungen zu erzeugen, veranschaulicht, wie Morphologie und Quadrupolmomente eine entscheidende Rolle bei der Verringerung von Leistungsverlusten spielen können, die typischerweise mit Systemen mit geringem Offset verbunden sind
Die kommunale Planungshoheit im System der Raumplanung
No full textDie kommunale Planungshoheit ist eine tragende Säule der durch Art. 28 Abs. 2 Satz 1 GG garantierten Selbstverwaltungsgarantie. Zugleich wirkt sie im mehrstufigen Raumplanungssystem, das durch wechselseitige Bindungen und normative Steuerungsmechanismen geprägt ist. Dieses Gefüge aus Raumordnung, Fachplanung und kommunaler Bauleitplanung ist durch das Spannungsverhältnis zwischen örtlicher Autonomie und überörtlicher Lenkung bestimmt.
Die Arbeit widmet sich der grundlegenden Frage, in welchem Umfang dieses komplexe Planungssystem noch hinreichend Raum für eine eigenverantwortliche kommunale Steuerung der städtebaulichen Entwicklung eröffnet. Neben der Darstellung der verfassungsrechtlichen Grundlagen – der kommunalen Selbstverwaltungsgarantie und der kommunalen Planungshoheit – sowie der Architektur des Raumplanungssystems wird die Rechtsstellung der Gemeinden analysiert.
Dabei zeigt sich, dass raumplanerische Steuerungsinstrumente in ihrer heutigen Ausprägung nicht nur faktisch, sondern auch strukturell das Gewicht der kommunalen Planungshoheit zu relativieren drohen. Insbesondere die Bindungswirkungen der überörtlichen und fachlichen Planungen, die Ausgestaltung der Beteiligungsrechte und die Rechtsschutzmöglichkeiten der Gemeinden werden dabei näher untersucht und Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt, um die planerische Gestaltungsverantwortung der Gemeinden strukturell zu stärken und ihnen im raumplanerischen Gefüge zu größerem Gewicht zu verhelfen.
Die Arbeit plädiert für eine systematische Fortentwicklung der kommunalen Rechtsstellung im Planungsgefüge. Vorgeschlagen werden unter anderem eine stärkere, frühzeitigere und verbindlichere Einbindung der Gemeinden auf der Ebene der Regionalplanung und allgemein eine prozedurale Sicherung der gemeindlichen Beteiligung als substanzielle Mitwirkung sowie eine verfassungsrechtlich fundierte Korrektur der dogmatischen Voraussetzungen gemeindlichen Rechtsschutzes. Neben rechtsstaatlichen Erwägungen wird dabei auch ein ganzheitlicher planungssystematischer Ansatz verfolgt, der sowohl die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems als auch die kommunale Planungshoheit vereint.Municipal planning authority constitutes a cornerstone of the guarantee of local self-government under Article 28 (2), Clause 1 of the Basic Law (Grundgesetz). Concurrently, it operates within the multi-level system of spatial planning, which is shaped by reciprocal constraints and normative steering mechanisms. This constellation – comprising spatial planning (Raumordnung), sectoral planning (Fachplanung), and municipal land-use planning (Bauleitplanung) – is characterized by a tension between local autonomy and supra-local direction.
The thesis addresses the fundamental question of the extent to which this complex planning system still leaves sufficient scope for municipalities to steer urban development on their own responsibility. In addition to setting out the constitutional foundations – the guarantee of local self-government and municipal planning authority – and the architecture of the spatial planning system, it analyses the legal status of municipalities within that framework.
It becomes apparent that, in their current design, spatial planning control instruments threaten to relativize the weight of municipal planning authority not only in practice but also structurally. In particular, the binding effects of supra-local and sectoral plans, the arrangement of participatory rights, and legal (judicial) protection options available to the municipalities are examined in detail, and options for further development are identified with a view to strengthening – at a structural level – municipal responsibility for shaping planning and enhancing their weight within the spatial planning constellation.
The thesis argues for a systematic further development of the municipal legal status within the planning framework. Among other measures, it proposes stronger, earlier, and more binding involvement of municipalities at the level of regional planning; general procedural safeguards that translate municipal participation into substantive co-determination; and a constitutionally grounded recalibration of the doctrinal preconditions for municipal judicial protection. Beyond constitutional and legal considerations, it adopts a holistic, system-oriented planning approach that reconciles the functioning of the overall system with the preservation of municipal planning authority
Entstehung, Wandel und Obsoleszenz von Konzepten und Methoden in Wissenschaft und Forschung
No full textTechnisches Lernen handwerklich und digital erleben
No full textDie Omnipräsenz der Technik in unserer Lebenswelt legitimiert eine bildungswirksame Thematisierung bereits im Sachunterricht der Primarstufe, um Handlungs- und Evaluationsfähigkeit in zukünftigen Lebenskontexten sicherzustellen. Der technischen Bildung konnten bereits diff erenzierte Potenziale für die Förderung von technisch-praktischem Lernen wie unter anderem dem Problemlösen nachgewiesen werden (u. a. Tenberge, 2002). Unbestimmt bleiben jedoch theoretisch sowie empirisch fundierte, bildungsstufenübergreifende Konzepte für ein technisches Lernen im inklusiven Sachunterricht. Ausgehend von diesem Desiderat und der steigenden Zukunftsbedeutung erörtert der Beitrag, wie ein bildungsstufenübergreifendes technisches Lernen anschlussfähig gestaltet sowie unter Berücksichtigung handwerklicher und digital gestützter Denk-, Arbeits- und Handlungsweisen, mit besonderem Blick auf Computational Thinking, gefördert werden kann
Making und technische Bildung
No full textDie Einrichtung von Makerspaces an Schulen, Universitäten und Museen nimmt weiter zu, und parallel dazu entstehen Aufgabenformate im pädagogischen Making, die Aktivitäten wie Konstruieren, Programmieren und handwerkliche Tätigkeiten betonen. Daraus ergibt sich eine Schnittmenge zwischen technischer Bildung und pädagogischem Making. In diesem Beitrag werden die charakteristischen Merkmale, die Potenziale und Herausforderungen des pädagogischen Making und dessen Beitrag zur technischen Bildung ausgehend von einem exemplarischen Fallbeispiel theoretisch-konzeptionell erörtert. Als Potenziale des pädagogischen Makings können unter anderem der Einsatz eines iterativen Konstruktionsprozesses und die Förderung der Kommunikationskompetenz hervorgehoben werden. Auch motivationale Aspekte und die Förderung von Selbstreflexion gelten als Potenziale des Makings. Herausforderungen scheinen in der fehlenden Technikfolgenabschätzung und in der Tendenz zu liegen, dass Kinder und Jugendliche technische Probleme zum Teil umgehen. Eine Verschränkung des pädagogischen Makings mit der technischen Bildung könnte dazu beitragen, konstruktiv mit den Limitationen umzugehen und die Potenziale für schulische Bildungsprozesse zu heben.The establishment of makerspaces in schools, universities, and museums continues to grow, and in parallel, maker education lessons are emerging that emphasize activities such as constructing, programming, and crafting. This suggests a potential overlap between technology literacy and maker education. This article theoretically and conceptually discusses the characteristic features, potentials and challenges of maker education and its contribution to technology education, based on an exemplary case study. The potentials of maker education include, among other things, the use of an iterative construction process and the promotion of communication skills. Motivational aspects and the encouragement of self-reflection are also considered potentials of making. Challenges seem to lie in the lack of technology impact assessment and the tendency of children and adolescents to bypass technical problems to some extent. Integrating maker education with technology education could help constructively address these limitations and harness its potentials for educational processes in schools
Maker Education – Kompetenzen, Frameworks und Technische Bildung
No full textDer Artikel untersucht die Versuche des Maker Movements, sich als Teil der schulischen Bildungslandschaft zu positionieren, und berücksichtigt hierbei besonders die aus dieser Bewegung heraus formulierten Kompetenzen, Kerngedanken und Frameworks. Neben der kritischen Betrachtung des aus dieser Bewegung hervorgegangenen Jargons, der Wortmarken wie Maker, Making, und Maker Education enthält, werden auch existierende Kompetenzraster auf deren Potenzial zur Förderung von Kreativität, Problemlösefähigkeit und digitaler Kompetenzen analysiert. Abschließend werden Forschungsperspektiven aufgezeigt, die notwendige Ausgangspunkte sein könnten, um die Begriffe, Ideen und Ansätze der Maker Education in einen bildungswissenschaftlichen Dienst der Technischen Bildung stellen zu können.The article examines the endeavours of the Maker Movement to establish itself as a component of the educational landscape, with a particular focus on the competencies, fundamental principles and frameworks that have been articulated by this movement. In addition to a critical examination of the jargon that has emerged from this movement, the word marks such as Maker, Making and Maker Education, existing competence grids are also analysed for their potential to promote creativity, problem-solving skills and digital competences. Finally, research perspectives are presented that could serve as a starting point for placing the terms, ideas and approaches of maker education at the service of technical education in educational
Regulation of centrosomal dynamics by mitotic kinases in Dictyostelium discoideum
No full textDie Amöbe Dictyostelium discoideum zählt zu den sogenannten Schleimpilzen. Einige komplexe Strukturen sind in Dictyostelium-Zellen wesentlich einfacher aufgebaut als in Säugetierzellen. Aus diesem Grund wird Dictyostelium gerne als Modellorganismus verwendet, um Rückschlüsse auf komplexere Strukturen ziehen zu können. Eine dieser Strukturen ist das Centrosom, welches auch als Mikrotubuli organisierendes Zentrum fungiert. Das Centrosom ist an diversen Aufgaben wie dem Aufbau der Zellarchitektur, Mobilität, Positionierung von anderen Organellen und Stofftransport beteiligt. Während der Mitose ist es für die Ausbildung des Spindelapparats verantwortlich. In Dictyostelium besteht das Centrosom aus einer zylindrischen mehrschichtigen Corestruktur, die von einer Corona umgeben ist. Während der Mitose löst sich dabei die mittlere Schicht auf und die beiden äußeren Schichten der Corestruktur bilden die Spindel aus. Die Proteine der mittleren Schicht, welche CP39, CP75 und CP91 sind, verschwinden während der Prophase und kehren zur Telophase zurück an das Centrosom, ein Prozess, der wahrscheinlich durch Phosphorylierung gesteuert wird. Das Ziel dieser Arbeit war es, diese Regulierung und die Rolle Centrosom-assoziierter Kinasen dabei zu untersuchen. Dafür wurden potentielle Phosphorylierungsstellen des Core-Proteins CP39 mutiert und Änderung in Lokalisation und Dynamik mittels Immunfluoreszenz-mikroskopie analysiert. Dabei zeigte sich, dass Mutationen an den Aminosäure-Positionen S184 und S57 einen Einfluss auf das Verhalten des Proteins hatten. Zeitgleich wurde die Dynamik von Centrosom-assoziierten Kinasen mit Live-Cell-Imaging beobachtet. Dabei konnte erstmals für Plk, Nek2, CDK1 und Cyclin B auf endogenem Expressionslevel gezeigt werden, wann und wo sich diese Proteine am Centrosom in Dictyostelium befinden. Aus den Ergebnissen ging hervor, dass sich Plk, Nek2, CDK1 und Cyclin B zu entscheidenden Momenten der Mitose am Centrosom befinden, was für eine wichtige regulative Funktion spricht. Aurora K indes schien eher eine Funktion bei der Cytokinese zu spielen und zeigte erstmals eine ungleiche Verteilung auf beide Tochterzellen. Zum Aufzeigen von Protein-Protein-Interaktionen zwischen centrosomalen Proteinen und Plk, Nek2, CDK1 und Cyclin B wurden Yeast-Two-Hybrid und Bimolekulare-Fluoreszenz-Komplementations-Experimente durchgeführt. Dabei konnte eine direkte Interaktion zwischen CP39 und CDK1 gezeigt werden. Zusammen genommen weisen die Ergebnisse in dieser Arbeit stark daraufhin, dass CP39 in der Prophase von CDK1 an der Position S184 phosphoryliert wird.The amoeba Dictyostelium discoideum is a member of the so-called slime molds. Some complex structures are much simpler in Dictyostelium cells than in mammalian cells. For this reason, Dictyostelium is often used as a model organism in order to draw conclusions about more complex structures. One of these structures is the centrosome, which also functions as a microtubule organizing center (MTOC). The centrosome is involved in various tasks such as the construction of cell architecture, mobility, positioning of other organelles and transport of substances. During mitosis, it is responsible for the formation of the spindle apparatus. In Dictyostelium, the centrosome consists of a cylindrical multi-layered core structure surrounded by a corona. During mitosis, the middle layer dissolves and the two outer layers of the core structure form the spindle. The proteins of the middle layer, which are CP39, CP75 and CP91, disappear during prophase and return to the centrosome at telophase, a process that is most likely regulated by phosphorylation. The aim of this study was to investigate this regulation and the role of centrosome-associated kinases in this process. To this end, potential phosphorylation sites of the core protein CP39 were mutated and changes in localization and dynamics were analyzed by immunofluorescence microscopy. This showed that mutations at the amino acid positions S184 and S57 had an influence on the behavior of the protein. In parallel, the dynamics of centrosome-associated kinases were observed using live cell imaging. For Plk, Nek2, CDK1 and Cyclin B, it was shown for the first time when and where these proteins localize to the centrosome at endogenous expression levels in Dictyostelium. The results showed that Plk, Nek2, CDK1 and Cyclin B localize to the centrosome at key moments of mitosis, suggesting an important regulatory function. Aurora K, however, appeared to play a larger role in cytokinesis and showed for the first time the unequal distribution to both daughter cells. To reveal protein-protein interactions between centrosomal proteins and Plk, Nek2, CDK1 and cyclin B, Yeast-Two-Hybrid and bimolecular fluorescence complementation experiments were performed. A direct interaction between CP39 and CDK1 was demonstrated. Taken together, the results in this work strongly suggest that CP39 is phosphorylated in prophase by CDK1 at position S184
FPGA-basierte netzwerk-gekoppelte Beschleuniger: Ein Ansatz für energieeffizientes Rechnen in Rechenzentren
No full textWorldwide, the demand for computing power is increasing, particularly due to Large Language Models (LLMs) such as ChatGPT. The computing power is mainly provided by large data centers, with data centers consuming almost 2% of global electricity consumption in 2022. New concepts, such as the introduction of accelerators in data centers, are needed to satisfy this increasing demand in an energy-efficient manner after the end of Dennard’s scaling. Primarily General Purpose GPUs (GPGPUs) are used as accelerators on a large scale, but tightly coupled Field Programmable Gate Array (FPGA) accelerators have also found their way into heterogeneous data centers to accelerate certain use cases.
To further improve the energy efficiency and additionally the resource efficiency of FPGA-based accelerators in heterogeneous data centers even further, the decoupling of FPGAs from their host machine as an additional compute architecture inside a data center is investigated. The FPGA accelerators are then connected directly to the high-speed data center network as standalone Network-attached Accelerators (NAAs) including Remote Direct Memory Access (RDMA) support, providing latency advantages over tightly coupled FPGAs in a host node. This enables all compute nodes across the data center to access the NAA, which improves the flexibility and the utilization of the NAAs. The loosely coupled NAAs have thus become first-class citizens in the data center.
The disintegration is particularly useful for the coarse-grained acceleration of complete applications, as the host then only provides the communication interface or, if the FPGA already uses its own network interfaces, only serves for power supply and management. In contrast, the host has a high idle power, which can be avoided by eliminating the host when using standalone NAAs.
Offloading tasks to an NAA is based on Remote Procedure Calls (RPCs). A host starts the RPC as client and an NAA as server processes the RPC and responds after completion. Using one-sided RDMA operations, communication can take place with high throughput, low latency, and without involving the host processor. The FPGA shell Accelerator Framework is used to virtualize the FPGA interfaces and define the interface for NAA accelerators, whereby the framework can be employed flexibly.
The energy efficiency is greatly enhanced by the elimination of the host computers, in addition to the improvement due to the adoption of FPGAs as demonstrated by the three use cases ML image classification, SIFT feature detection, and H.264/AVC video encoding. In the case of image classification, the energy efficiency was increased by 15.0× by using an NAA cluster with 8 NAAs compared to a process-based computation, for SIFT feature detection by 6.28×, and video coding by 27.2×.
By conducting a Life Cycle Assessment (LCA) of the NAA architecture, improvements of up to 22.3× for non-renewable resource consumption, up to 17.4× for energy consumption and up to 10.7× for greenhouse gas emissions could be determined compared to a homogeneous cluster, taking into account the entire cluster for the production and use phases. In addition, the introduction of NAAs not only leads to lower greenhouse gas emissions due to improved energy and resource efficiency, but also to decreased hardware costs, as fewer hardware components are required.
Due to the standardized network technologies, the NAA architecture is scalable and interoperable. Thanks to the advantages of standalone, RDMA-capable NAAs, NAAs are the perfect complement for heterogeneous data centers in order to improve sustainability.Weltweit steigt die Nachfrage nach Rechenleistung, insbesondere aufgrund von Large Language Models (LLMs) wie ChatGPT. Die Rechenleistung wird hauptsächlich von großen Rechenzentren bereitgestellt, die im Jahr 2022 fast 2% des weltweiten Stromverbrauchs verbraucht haben. Neue Konzepte, wie die Einführung von Rechenbeschleunigern in Rechenzentren, sind erforderlich, um diese steigende Nachfrage nach dem Ende der Dennard’schen Skalierung auf energieeffiziente Weise zu decken. Vor allem General Purpose GPUs (GPGPUs) werden in großem Umfang als Beschleuniger eingesetzt, aber auch eng gekoppelte Field Programmable Gate Array (FPGA)-Beschleuniger haben ihren Weg in heterogene Rechenzentren gefunden, um bestimmte Anwendungsfälle zu beschleunigen.
Um die Energieeffizienz und zusätzlich die Ressourceneffizienz von FPGA-basierten Beschleunigern in heterogenen Rechenzentren weiter zu verbessern, wird die Entkopplung der FPGAs von ihrer Host-Maschine als zusätzliche Rechenarchitektur innerhalb eines Rechenzentrums untersucht. Die FPGA-Beschleuniger werden dann als eigenständige Network-attached Accelerators (NAAs) mit Remote Direct Memory Access (RDMA)-Unterstützung direkt an das Hochgeschwindigkeitsnetzwerk des Rechenzentrums angeschlossen, was Latenzvorteile gegenüber eng gekoppelten FPGAs in einem Host-Knoten bietet. Dadurch können alle Rechenknoten im gesamten Rechenzentrum auf die NAAs zugreifen, was die Flexibilität und die Auslastung der NAAs verbessert. Die lose gekoppelten NAAs sind somit zu Knoten erster Klasse im Rechenzentrum geworden.
Die Desintegration ist vor allem für die Beschleunigung kompletter Anwendungen sinnvoll, da der Host dann nur noch die Kommunikationsschnittstelle zur Verfügung stellt oder, wenn das FPGA bereits eigene Netzwerkschnittstellen nutzt, nur noch der Stromversorgung und dem Management dient. Demgegenüber hat der Host eine hohe Leerlaufleistung, die bei der Verwendung von alleinstehenden NAAs durch den Wegfall des Hosts vermieden werden kann.
Die Auslagerung von Aufgaben an einen NAA basiert auf Remote Procedure Calls (RPCs). Ein Host startet den RPC als Client und ein NAA als Server verarbeitet den RPC und antwortet nach dessen Beendigung. Durch die Verwendung einseitiger RDMA-Operationen kann die Kommunikation mit hohem Durchsatz, geringer Latenz und ohne Beteiligung des Host-Prozessors erfolgen. Die FPGA Abstraktionsschicht Accelerator Framework dient der Virtualisierung der FPGA-Schnittstellen und der Definition der Schnittstelle für NAA-Beschleuniger, wobei das Framework flexibel eingesetzt werden kann.
Die Energieeffizienz wird durch den Wegfall der Host-Computer erheblich gesteigert, zusätzlich zu den Verbesserungen durch die Verwendung von FPGAs, wie die drei Anwendungsfälle ML-Bildklassifizierung, SIFT-Merkmalserkennung und H.264/AVC-Videokodierung zeigen. Bei der Bildklassifizierung wurde die Energieeffizienz durch die Verwendung eines NAA-Clusters mit 8 NAAs im Vergleich zu einer prozessor-basierten Berechnung um das 15,0-fache, bei der SIFT-Merkmalserkennung um das 6,28-fache und bei der Videocodierung um das 27,2-fache gesteigert.
Durch die Durchführung einer Umweltanalyse der NAA-Architektur konnten im Vergleich zu einem homogenen Cluster Verbesserungen von bis zu 22,3× beim Verbrauch nicht erneuerbarer Ressourcen, bis zu 17,4× beim Energieverbrauch und bis zu 10,7× bei den Treibhausgasemissionen ermittelt werden, wobei für das gesamte Cluster die Produktions- und Nutzungsphase berücksichtigt wurden. Darüber hinaus führt die Verwendung von NAAs nicht nur zu geringeren Treibhausgasemissionen aufgrund der verbesserten Energie- und Ressourceneffizienz, sondern auch zu geringeren Hardwarekosten, da weniger Hardwarekomponenten benötigt werden.
Aufgrund der standardisierten Netzwerktechnologien ist die NAA-Architektur skalierbar und interoperabel. Dank der Vorteile von eigenständigen, RDMA-fähigen NAAs, sind NAAs die perfekte Ergänzung für heterogene Rechenzentren, um die Nachhaltigkeit zu verbessern
Verbesserung der Inanspruchnahme eines Peer-to-Peer-Unterstützungsangebotes zu einer Grundlagenvorlesung über Programmierung
No full textPeer-to-Peer-Angebote sind fester Bestandteil der Lehr-Lern-Kultur an deutschen Hochschulen. Sie unterstützen Studierende beim Studieneinstieg, aber auch beim Erwerb und der Erweiterung fachlicher Kompetenzen. Wir haben daher ein Peer-to-Peer-Angebot zu einer Grundlagenvorlesung in der Informatik untersucht, um dessen Beitrag beim Erwerb fachlicher Kompetenzen zu erfassen. Zentrales Ergebnis der Untersuchung ist, dass Informatikstudierende das Ausmaß ihrer fachlichen Kompetenzen am Ende des Semesters nicht immer präzise einschätzen können. Als Folge nehmen sie selten die auf ihren fachlichen Kompetenzerwerb zugeschnittenen Unterstützungsangebote, wie Peer-to-Peer-Angebote, in Anspruch. Damit mehr Erstsemesterstudierende Angebote zur Erhöhung von Studienerfolgen nutzen, sind zusätzliche Angebote erforderlich, die Studierende zu präziseren Selbsteinschätzungen ihrer fachlichen Kompetenzen befähigen
Beeinträchtigung der Fähigkeit zur Oralen Stereognose
No full textOrale Stereognose (OS) beschreibt die Fähigkeit, Formen im Mundraum erkennen zu können. Ziel der hier vorgestellten Bachelorarbeit ist es, die Ausprägungen von OS bei verschiedenen Krankheitsbildern zu beschreiben und die Relevanz der Beeinträchtigung in der OS basierend auf dem aktuellen Stand der Literatur zu beurteilen.
Signifikante Beeinträchtigungen der OS zeigten sich bei Patient:innen nach Schlaganfall, nach behandelten onkologischen Erkrankungen im Mundraum/Pharynx, bei Zerebralparese und bei Trisomie 21. Keine signifikanten Beeinträchtigungen der OS zeigten sich bei unbehandelten onkologischen Erkrankungen im Mundraum/Pharynx, bei Morbus Parkinson und bei gutartigen Veränderungen der Zungenstruktur. Uneinheitliche Ergebnisse stellten sich bei Patient:innen mit Aphasie und bei Lippen-Kiefer-Gaumenspalten heraus.
Basierend auf den Ergebnissen können begründete Hypothesen in Hinblick auf die OS-Leistung bei bestimmten Patient:innengruppen abgeleitet werden. Die Arbeit zeigt zudem auf, dass es viele verschiedene Arten der Durchführung und eine große Begriffsvielfalt im Bereich OS gibt, die in Zukunft vereinheitlicht werden müssen, damit Studienergebnisse besser vergleichbar werden