Potential and Challenges of Analog Reconfigurable Computation in Modern and Future CMOS

In this work, the feasibility of the floating-gate technology in analog computing platforms in a scaled down general-purpose CMOS technology is considered. When the technology is scaled down the performance of analog circuits tends to get worse because the process parameters are optimized for digital transistors and the scaling involves the reduction of supply voltages. Generally, the challenge in analog circuit design is that all salient design metrics such as power, area, bandwidth and accuracy are interrelated. Furthermore, poor flexibility, i.e. lack of reconfigurability, the reuse of IP etc., can be considered the most severe weakness of analog hardware. On this account, digital calibration schemes are often required for improved performance or yield enhancement, whereas high flexibility/reconfigurability can not be easily achieved. Here, it is discussed whether it is possible to work around these obstacles by using floating-gate transistors (FGTs), and analyze problems associated with the practical implementation. FGT technology is attractive because it is electrically programmable and also features a charge-based built-in non-volatile memory. Apart from being ideal for canceling the circuit non-idealities due to process variations, the FGTs can also be used as computational or adaptive elements in analog circuits. The nominal gate oxide thickness in the deep sub-micron (DSM) processes is too thin to support robust charge retention and consequently the FGT becomes leaky. In principle, non-leaky FGTs can be implemented in a scaled down process without any special masks by using “double”-oxide transistors intended for providing devices that operate with higher supply voltages than general purpose devices. However, in practice the technology scaling poses several challenges which are addressed in this thesis. To provide a sufficiently wide-ranging survey, six prototype chips with varying complexity were implemented in four different DSM process nodes and investigated from this perspective. The focus is on non-leaky FGTs, but the presented autozeroing floating-gate amplifier (AFGA) demonstrates that leaky FGTs may also find a use. The simplest test structures contain only a few transistors, whereas the most complex experimental chip is an implementation of a spiking neural network (SNN) which comprises thousands of active and passive devices. More precisely, it is a fully connected (256 FGT synapses) two-layer spiking neural network (SNN), where the adaptive properties of FGT are taken advantage of. A compact realization of Spike Timing Dependent Plasticity (STDP) within the SNN is one of the key contributions of this thesis. Finally, the considerations in this thesis extend beyond CMOS to emerging nanodevices. To this end, one promising emerging nanoscale circuit element - memristor - is reviewed and its applicability for analog processing is considered. Furthermore, it is discussed how the FGT technology can be used to prototype computation paradigms compatible with these emerging two-terminal nanoscale devices in a mature and widely available CMOS technology.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

The Design of Forest Taxation: A Synthesis with New Directions

Summary

Lomborg, Vanhanen ja Intelligent Design - kommentti Matti Kamppiselle

Kommentti Matti Kamppisen kirjoitukseen TT -lehdessä 1/2005

DFMA- Analysis and Aspects of Applying Internet Based Collaborative Design for Axial Eccentric Oil-Pump Design

The integrated system of design for manufacturing and assembly (DFMA) and internet based collaborative design are presented to support product design, manufacturing process, and assembly planning for axial eccentric oil-pump design. The presented system manages and schedules group oriented collaborative activities. The design guidelines of internet based collaborative design & DFMA are expressed. The components and the manufacturing stages of axial eccentric oil-pump are expressed in detail. The file formats of the presented system include the data types of collaborative design of the product, assembly design, assembly planning and assembly system design. Product design and assembly planning can be operated synchronously and intelligently and they are integrated under the condition of internet based collaborative design and DFMA. The technologies of collaborative modelling, collaborative manufacturing, and internet based collaborative assembly for the specific pump construction are developed. A seven-security level is presented to ensure the security of the internet based collaborative design system.

Design of adjustable packaging line

Diplomityön tavoite oli tutkia, mitä toimintoja ja tekniikoita uusi, joustava kartonkipakkauslinja sisältää ja mitkä suuntaukset pakkausteollisuudessa tulevat olemaan tärkeitä tulevaisuudessa. Pakkauslinjan päätoimintoja tarkasteltiin nykyisten jatulevaisuuden tekniikoiden pohjalta. Erityisesti tarkasteltiin laser-sovellusten käytön mahdollisuutta pakkauslinjan eri osatoiminnoissa. Katsaus pakkausteollisuuden tulevaisuuden näkymiin luotiin kirjallisuuden ja aikaisempien tutkimusten pohjalta, minkä perusteella työssä oletetaan, että yksilölliset ja monitoimipakkaukset tulevat lisääntymään tulevaisuudessa. Eri tuotantoerien välillä olevat asetusajat tulee saada minimoitua, mutta millä keinoin joustavuus on saavutettavissa? Yksi ratkaisu pakkausten valmistamisessa on käyttää robottisolua, mikä on mahdollista luultavasti ainakin kuppimuotoisten pakkausten kohdalla. Muutenkin robotiikka on lisääntymässä pakkausteollisuudessa. Digitaalisten painotekniikoiden kehitys on mahdollistanut yksilölliset painatukset. Tulevaisuudessa painatus on mahdollista tehdä pakkauslinjan loppupäässä, jopa vasta täytön ja suljennan jälkeen. Laserleikkaus on jo nyt käytössä, mutta tulevaisuudessa myös saumaus ja perinteinen nuuttaus on mahdollista tehdä lasersovelluksia käyttäen. Kehittynyt, väyläpohjainen ohjausjärjestelmä on tulevaisuudessa välttämätön joustavassa pakkauslinjassa. Internetin välityksellä toimiva etäohjattu virheenkorjausdiagnostiikka tulee myös olemaan itsestäänselvyys tulevaisuudessa. Kustannussäästöjä voidaan saavuttaa käyttämälläpakkauslinjassa modulaarista rakennetta. Standardiosien ja standardiosajärjestelmien käyttäminen pienentää myös käyttö- ja huoltokustannuksia. Tärkeää on kuitenkin muistaa, ettei joustavuutta voida saavuttaa pelkästään yhtä ominaisuutta tai tekniikkaa hyödyntäen vaan monia menetelmiä yhdistäen. Suunniteltavan pakkauslinjan toiminta on myös hyvä varmistaa käyttäen apuna mallinnusta ja simulointia.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Design of a Condition Monitoring System for a Glass Wool Production Line

Työn tarkoituksena oli suunnitella kunnonvalvontajärjestelmä kahdelle lasivillan tuotantolinjalle. Suunnitteluprosessin lisäksi työssä on esitelty erilaisia kunnonvalvontamenetelmiä. Työn alussa on kerrottu erilaisista kunnonvalvontamenetelmistä, joilla voidaan seurata erilaisten laitteiden ja koneiden toimintakuntoa.Erityisesti työssä on tarkasteltu teollisuudessa yleistyviä kunnonvalvonnan värähtelymittauksia. Työssä suunniteltu kunnonvalvontajärjestelmä perustuu viiteen eri menetelmään, jotka ovat värähtelymittaus, lämpötilanmittaus lämpökameralla, lämpötilanmittaus kannettavalla mittarilla, kuuntelu elektronisella stetoskoopilla ja pyörivien osien kunnontarkkailu stroboskoopilla. Kunnonvalvontajärjestelmän suunnittelu on tehty useassa eri vaiheessa. Ensin työssä on kartoitettu tuotannon kannalta tärkeimmät laitteet ja niiden mahdolliset vikaantumistavat. Seuraavaksi on valittu sopivat kunnonvalvontamenetelmät ja tehty mittaussuunnitelma, jossa on esitetty eri laitteille suoritettavat mittaukset ja mittausten aikavälit.Lopuksi työssä on esitelty muutama esimerkkitapaus kunnonvalvontamenetelmien käytöstä sekä kerrottu mahdollisista tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista.

Customer perspective on sales model design

ei

Finding the Fit Between Engineering Design and Cost Information

This paper analyzes the possibilities of integrating cost information and engineering design. Special emphasis is put on finding the potential of using the activity-based costing (ABC) method. Today, the problem of cost estimation in engineering design is that there are two separate extremes of knowledge. On the one extreme, the engineers model the technical parametres behindcosts in great detail but do not get appropriate cost information to their elegant models. On the other extreme, the accounting professionals are stuck with traditional cost accounting methods driven by the procedures and cycles of financial accounting. Therefore, in many cases, the cost information needs of various decision making groups, for example design engineers, are not served satisfactorily. This paper studies if the activity-based costing (ABC) method could offer a compromise between the two extremes. Recognizing activities and activity chains as well as activity and cost drivers could be specially beneficial for design engineers. Also, recognizing the accurate and reliable product costs of existing products helps when doing variant design. However, ABC is not at its best if the cost system becomes too complicated. This is why a comprehensive ABC-cost information system with detailed cost information for the use of design engineers should be examined critically. ABC is at its best when considering such issues as which activities drive costs, the cost of product complexity, allocating indirect costs on the products, the relationships between processes and costs, and the cost of excess capacity.

DFM(A)-Aspects of an Advanced Cable Gland Design

Nowadays typical motor junction boxes do not incorporate cable glands, which would provide good electrical performance interms of electromagnetic compatibility. In this paper, a manufacturability and assembly analysis for the new construction of a rigid body feeder cable junction of an electric motor is presented especially for converter drives (practical tests were carried out at LUT during 2007). Although the cable junction should also clamp the cable to provide enough tensile strength, the phase conductors should not get squashed by the groundingconnection. In order to ensure good performance in an electrical mean especially in converter drives, the grounding of the cable should be connected 360 degrees around the cable. In this paper, following manufacturing technologies are discussed: traditional turning, precision and centrifugal casting, and rotation moulding. DFM(A)-aspects are presented in detail.