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.

Control hardware and Condition Monitoring System for Intersector Weld/Cut Robot

Työ sisältää ohjaislaitteiston vertailun ja valinnan rinnakkaisrakenteista robottia varten sekä kunnonvalvontajärjestelmän periaatteiden laadinnan kyseistä robottia varten. Ohjauslaitteisto sisältää teollisuustietokoneen sekä kenttäväylän. Sekä tietokoneesta että väylästä on teoriaosuus ja yksityiskohtaisempi valintaosuus. Teoriaosuudessa selitetään tarkemmin laitteiden toimintaperiaatteista. Valintaosuudessa kerrotaanmiksi jokin tietty laite on valittu käytettäväksi robotin ohjauksessa. Kunnonvalvontateoria ja rinnakkaisrakenteisen robotin kunnonvalvonnan keinot ovat työn toinen osa. Teoriaosa sisältää yleisluonteisen selvityksen vikaantumisesta ja valvonnasta. Erikoisrobotin kunnonvalvonnan keinot esitetään työssä tietyssä järjestyksessä. Ensin esitetään mahdolliset vikatilanteet. Toisessa kohdassa havainnollistetaan vikojen havaitseminen.

Strategic supply lead time management. Case Nokia Networks, Hardware Services

Teollisuuden palveluiden on huomattu olevan potentiaalinen lisätulojen lähde. Teollisuuden palveluiden dynaamisessa maailmassa räätälöinti ja kyky toimia nopeasti ovat kriittisiä asiakastyytyväisyyden ja kilpailuedun luomisprosessin osia. Toimitusketjussa käytetyn ajan lyhentämisellä voidaan saavuttaa sekä paremmat vasteajat, että alhaisemmat kokonaiskustannukset. Tutkielman tavoitteena on kuvata teollisuuden palveluiden dynaamista ympäristöä: asiakastarvetta, sekä mahdollisuuksia kaventaa pyydetyn ja saavutetun toimitusajan välistä eroa. Tämä toteutetaan pääosin strategisen toimitusajan hallinnan keinoin. Langattomien tietoliikenneverkkojen operaattorit haluavat vähentää ydinosaamiseensa kuulumatomiin toimintoihin, kuten ylläpitoon sitoutuneita pääomia. Tutkielman case osiossa varaosapalvelujen toimitusketjun kysyntä-, materiaali- ja informaatiovirtoja analysoidaan niin kvalitatiivisten haastatteluiden, sisäisten dokumenttien, kuin kvantitatiivisten tilastollisten menetelmienkin avulla. Löydöksiä peilataan vallitsevaa toimitusketjun ja ajanhallinnan paradigmaa vasten. Tulokset osoittavat, että vahvan palvelukulttuurin omaksuminen ja kokonaisvaltainen toimitusketjun tehokkuuden mittaaminen ovat ajanhallinnan lähtökohtia teollisuuden palveluissa.

Multilayer switch hardware support for Linux

VDSL on teknologia, joka mahdollistaa nopeat Internet-yhteydet tavallista puhelinlinjaa käyttäen. Tätä varten käyttäjä tarvitsee VDSL-modeemin ja Internet-operaattori reitittimen, johon VDSL-linjat kytketään. Reitittimen on oltava suorituskykyinen, jotta kaikki VDSL-liikenne voidaan reittittää eteenpäin. Tehokkuutta haetaan tekemällä suuri osa reitityksestä erityisillä reititinpiireillä. Tässä diplomityössä käsitellään reititinpiirien teoriaa ja niiden hallintaa. Lisäksi vertailtiin kolmen suuren valmistajan tuotteita. Tuotteiden tarjoamat ominaisuudet vaikuttivat hyvin yhteneväisiltä. Ominaisuuksien hallinta ja toteutus olivat erilaisia. Työn tavoitteena oli löytää ohjelmistoarkkitehtuuri piirien ohjaamiseen niin, että Linux-käyttöjärjestelmän ytimen palveluja voitaisiin käyttää mahdollisimman hyödyllisesti. Työssä havaittiin, että ohjelmistoarkkitehtuurin voi määritellä monella eri tavalla riippuen siitä, miten piiri on kytketty prosessoriin, mitä piirin ominaisuuksia halutaan käyttää ja miten arkkitehtuuria halutaan jatkossa laajentaa.

Virtual Runtime Application Partitions for Resource Management in Massively Parallel Architectures

This thesis presents a novel design paradigm, called Virtual Runtime Application Partitions (VRAP), to judiciously utilize the on-chip resources. As the dark silicon era approaches, where the power considerations will allow only a fraction chip to be powered on, judicious resource management will become a key consideration in future designs. Most of the works on resource management treat only the physical components (i.e. computation, communication, and memory blocks) as resources and manipulate the component to application mapping to optimize various parameters (e.g. energy efficiency). To further enhance the optimization potential, in addition to the physical resources we propose to manipulate abstract resources (i.e. voltage/frequency operating point, the fault-tolerance strength, the degree of parallelism, and the configuration architecture). The proposed framework (i.e. VRAP) encapsulates methods, algorithms, and hardware blocks to provide each application with the abstract resources tailored to its needs. To test the efficacy of this concept, we have developed three distinct self adaptive environments: (i) Private Operating Environment (POE), (ii) Private Reliability Environment (PRE), and (iii) Private Configuration Environment (PCE) that collectively ensure that each application meets its deadlines using minimal platform resources. In this work several novel architectural enhancements, algorithms and policies are presented to realize the virtual runtime application partitions efficiently. Considering the future design trends, we have chosen Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) and Network on Chips (NoCs) to test the feasibility of our approach. Specifically, we have chosen Dynamically Reconfigurable Resource Array (DRRA) and McNoC as the representative CGRA and NoC platforms. The proposed techniques are compared and evaluated using a variety of quantitative experiments. Synthesis and simulation results demonstrate VRAP significantly enhances the energy and power efficiency compared to state of the art.

Hardware Accelarated Visual Tracking Algorithms. A Systematic Literature Review

Many industrial applications need object recognition and tracking capabilities. The algorithms developed for those purposes are computationally expensive. Yet ,real time performance, high accuracy and small power consumption are essential measures of the system. When all these requirements are combined, hardware acceleration of these algorithms becomes a feasible solution. The purpose of this study is to analyze the current state of these hardware acceleration solutions, which algorithms have been implemented in hardware and what modifications have been done in order to adapt these algorithms to hardware.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

Taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö

Tämä insinöörityö tehtiin ABB Oy, Drivesin Product AC -tulosyksikön tuotekehitysosastolle Helsingissä. Työssä kehitettiin taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö. ABB:n taajuusmuuttajien suorituskykytestejä ei ole aikaisemmin automatisoitu. Testit on tehty käsin ja niiden suorittamiseen ja tulosten käsittelyyn on kulunut paljon aikaa. Automaattisella testauksella pyrittiin testien suorittamiseen ja tulosten käsittelyyn kuluvan ajan huomattavaan pienentymiseen. Työssä ei ollut tarkoituksena tehdä suorituskykytestejä vaan kehittää automaattinen testausympäristö eli suorituskykytestipenkki, jossa suorituskykytestit on mahdollista suorittaa. Työssä keskityttiin taajuusmuuttajan nopeus- ja momenttisäätäjien suorituskykyyn. Työ toteutettiin suunnittelu- ja ohjelmointityönä. Testausympäristön laitteisto perustuu ABB:n tuotekehityslaboratorioiden olemassaoleviin testipaikkoihin. Testausympäristössä käytetään taajuusmuuttajien lisäksi pääasiassa kolmivaiheisia oikosulkumoottoreita. Lisäksi laitteistoon kuuluu ACS800-sarjan taajuusmuuttaja kuormakäyttönä, momenttianturi ja takometri eli kierrosnopeusmittari. Ohjelmointi tehtiin National Instrumentsin LabVIEW-ohjelmointiympäristön versiolla 8.0. Testausympäristön käyttöliittymänä toimii saman yrityksen TestStand-testausohjelmiston versio 3.5. Testattavien taajuusmuuttajien ohjausta ja momenttianturin lukemista varten ohjelmoitiin virtuaali-instrumentteja. Virtuaali-instrumentteja kutsutaan TestStand-testisekvensseistä. Testisekvenssit luodaan TestStandin sekvenssieditorilla ja suoritetaan sekvenssieditorissa tai operaattorin käyttöliittymässä. Työn tuloksena syntyi taajuusmuuttajien suorituskyvyn automaattinen testausympäristö. Testausympäristöä voidaan hyödyntää sekä nykyisen että seuraavan sukupolven taajuusmuuttajien testauksessa. Sillä on mahdollista suorittaa yleisimmät taajuusmuuttajien suorituskykytestit, kuten nopeus- ja momenttisäätöjen staattinen ja dynaaminen tarkkuus, hyvin kattavasti. Testit voidaan automaattisesti suorittaa koko testikäytön sallimalla pyörimisnopeus- ja kuormitusalueella. Näytteenottotaajuus voi olla enintään 1 kHz luettaessa pyörimisnopeutta ACS800-sarjan taajuusmuuttajan kautta ja momenttianturia samanaikaisesti. Virtuaali-instrumenteista koostuvia testisekvenssejä voidaan vapaasti muokata ja kehittää testejä edelleen tai luoda kokonaan uusia testejä. Testausympäristö perustuu teollisuudessa yleisesti käytettyihin ohjelmistoihin ja tarjoaa hyvät mahdollisuudet jatkokehitykselle.

Evaluation of performance analysis software for Linux computing cluster

Tietokonejärjestelmän osien ja ohjelmistojen suorituskykymittauksista saadaan tietoa,jota voidaan käyttää suorituskyvyn parantamiseen ja laitteistohankintojen päätöksen tukena. Tässä työssä tutustutaan suorituskyvyn mittaamiseen ja mittausohjelmiin eli ns. benchmark-ohjelmistoihin. Työssä etsittiin ja arvioitiin eri tyyppisiä vapaasti saatavilla olevia benchmark-ohjelmia, jotka soveltuvat Linux-laskentaklusterin suorituskyvynanalysointiin. Benchmarkit ryhmiteltiin ja arvioitiin testaamalla niiden ominaisuuksia Linux-klusterissa. Työssä käsitellään myös mittausten tekemisen ja rinnakkaislaskennan haasteita. Benchmarkkeja löytyi moneen tarkoitukseen ja ne osoittautuivat laadultaan ja laajuudeltaan vaihteleviksi. Niitä on myös koottu ohjelmistopaketeiksi, jotta laitteiston suorituskyvystä saisi laajemman kuvan kuin mitä yhdellä ohjelmalla on mahdollista saada. Olennaista on ymmärtää nopeus, jolla dataa saadaan siirretyä prosessorille keskusmuistista, levyjärjestelmistä ja toisista laskentasolmuista. Tyypillinen benchmark-ohjelma sisältää paljon laskentaa tarvitsevan matemaattisen algoritmin, jota käytetään tieteellisissä ohjelmistoissa. Benchmarkista riippuen tulosten ymmärtäminen ja hyödyntäminen voi olla haasteellista.

Audiosignaalin digitaalinen käsittely aktiivisessa meluntorjunnassa

Meluntorjuntaan on perinteisesti käytetty passiivisia menetelmiä. Monissa sovelluksissa melua voidaan vaimentaa myös aktiivisella meluntorjunnalla. Tässä työssä tutkitaan aktiivisen meluntorjunnan signaalinkäsittelyä sekä signaalinkäsittelyyn soveltuvia laitteistoja. Lisäksi selvitetään ANC-järjestelmien (Active Noise Control) toimintaanja signaalinkäsittelyyn vaikuttavia tekijöitä. Tutkinnassa rajoitutaan yksikanavaisiin järjestelmiin. Esimerkkisovelluksena käytetään ulkotilan melunvaimennukseen soveltuvaa järjestelmää. Esimerkkijärjestelmään suunniteltiin signaalinkäsittelylaitteisto, jonka soveltuvuutta järjestelmän signaalinkäsittelyyn selvitettiin suorituskykymittauksin ja kokeellisin mittauksin.Lisäksi pohditaan signaalinkäsittelyn toteuttamista tutkittavassa järjestelmässä ja sovelluskohteessa.

Real-time Imaging and Mosaicking of Planar Surfaces

Laajojen pintojen kuvaaminen rajoitetussa työskentelytilassa riittävällä kuvatarkkuudella voi olla vaikeaa. Kuvaaminen on suoritettava osissa ja osat koottava saumattomaksi kokonaisnäkymäksi eli mosaiikkikuvaksi. Kuvauslaitetta käsin siirtelevän käyttäjän on saatava välitöntä palautetta, jotta mosaiikkiin ei jäisi aukkoja ja työ olisi nopeaa. Työn tarkoituksena oli rakentaa pieni, kannettava ja tarkka kuvauslaite paperi- ja painoteollisuuden tarpeisiin sekä kehittää palautteen antamiseen menetelmä, joka koostaaja esittää karkeaa mosaiikkikuvaa tosiajassa. Työssä rakennettiin kaksi kuvauslaitetta: ensimmäinen kuluttajille ja toinen teollisuuteen tarkoitetuista osista. Kuvamateriaali käsiteltiin tavallisella pöytätietokoneella. Videokuvien välinen liike laskettiin yksinkertaisella seurantamenetelmällä ja mosaiikkikuvaa koottiin kameroiden kuvanopeudella. Laskennallista valaistuksenkorjausta tutkittiin ja kehitetty menetelmä otettiin käyttöön. Ensimmäisessä kuvauslaitteessa on ongelmia valaistuksen ja linssivääristymien kanssa tuottaen huonolaatuisia mosaiikkikuvia. Toisessa kuvauslaitteessa nämä ongelmat on korjattu. Seurantamenetelmä toimii hyvin ottaen huomioon sen yksinkertaisuuden ja siihen ehdotetaan monia parannuksia. Työn tulokset osoittavat, että tosiaikainen mosaiikkikuvan koostaminen megapikselin kuvamateriaalista on mahdollista kuluttajille tarkoitetulla tietokonelaitteistolla.

Machine vision measurement system for paper printability assessments

This work had two primary objectives: 1) to produce a working prototype for automated printability assessment and 2) to perform a study of available machine vision and other necessary hardware solutions. The three printability testing methods, IGT Picking,He¬liotest, and mottling, considered in this work have several different requirements and the task was to produce a single automated testing system suitable for all methods. A system was designed and built and its performance was tested using the Heliotest. Working proto¬types are important tools for implementing theoretical methods into practical systems and testing and demonstrating the methodsin real life conditions. The system was found to be sufficient for the Heliotest method. Further testing and possible modifications related to other two test methods were left for future works. A short study of available systems and solutions concerning image acquisition of machine vision was performed. The theoretical part of this study includes lighting systems, optical systems and image acquisition tools, mainly cameras and the underlying physical aspects for each portion.

Unlicensed Mobile Access Concept from Testing Point of View

Viime vuosikymmenien aikana kommunikaatioteknologiat ovat kehittyneet erittäin paljon. Uusia verkkoja, liityntätekniikoita, protokollia ja päätelaitteita on luotu alati kehittyvällä vauhdilla, eikä hidastumisen merkkejä ole näkyvissä. Varsinkin mobiilisovellukset ovat kasvattaneet markkinaosuuksiaan viime aikoina. Unlicensed MobileAccess (UMA) on uusi liityntätekniikka mobiilipäätelaitteille, joka mahdollistaa liitynnän GSM- runkoverkkoon WLAN- tai Bluetooth - tekniikoiden avulla. Tämä diplomityö keskittyy UMAan liittyviin teknologioihin, joita tarkastellaan lähemmin ensimmäisissä kappaleissa. Tavoitteena on esitellä, mitä UMA merkitsee, ja kuinka eri tekniikoita voidaan soveltaa sen toteutuksissa. Ennenkuin uusia teknologioita voidaan soveltaa kaupallisesti, täytyy niiden olla kokonaisvaltaisesti testattuja. Erilaisia testausmenetelmiä sovelletaan laitteistonja ohjelmiston testaukseen, mutta tavoite on kuitenkin sama, eli vähentää testattavan tuotteen epäluotettavuutta ja lisätä sen laatua. Vaikka UMA käsittääkin pääasiassa jo olemassa olevia tekniikoita, tuo se silti mukanaan uuden verkkoelementin ja kaksi uutta kommunikaatioprotokollaa. Ennen kuin mitään UMAa tukevia ratkaisuja voidaan tuoda markkinoille, monia erilaisia testausmenetelmiä on suoritettava, jotta varmistutaan uuden tuotteen oikeasta toiminnallisuudesta. Koska tämä diplomityö käsittelee uutta tekniikkaa, on myös testausmenetelmien yleisen testausteorian käsittelemiselle varattu oma kappale. Kappale esittelee erilaisia testauksen näkökulmia ja niihin perustuen rakennetaan myös testausohjelmisto. Tavoitteena on luoda ohjelmisto, jota voidaan käyttää UMA-RR protokollan toiminnan varmentamiseen kohdeympäristössä.

Kuvausmenetelmänvalinta ja käyttöönotto ohjelmistotuoteorganisaatiossa

Useiden pitkän kehityskaaren ohjelmistojen ylläpitäminen ja kehittäminen on vaikeaa, sillä niiden dokumentaatio on vajaata tai vanhentunutta. Tässä diplomityössä etsitään ratkaisua tällaisen ohjelmiston ja sen taustalla olevan järjestelmän kuvaukseen. Tavoitteina on tukea nykyisen ohjelmiston ylläpitoa ja uuden työvoiman perehdyttämistä. Tavoitteena on myös pohjustaa uuden korvaavan ohjelmiston suunnittelua kuvaamalla nykyiseen järjestelmään sitoutunutta sovellusalueosaamista. Työssä kehitetään kuvausmenetelmä järjestelmän kuvaamiseen hierarkkisesti laitteistotason yleiskuvauksesta ohjelmiston luokkarakenteeseen sekä toiminnallisuuteen asti. Laite- ja luokkarakennekuvaukset ovat rakenteellisia kuvauksia, joiden tehtävänä on selittää järjestelmän ja sen osien kokoonpano. Toiminnallisuudesta kertovat kuvaukset on toteutettu käyttötapauskuvauksina. Työssä keskityttiin erityisesti kohdejärjestelmän keskeisen ohjelmiston ja tietokannan kuvaamiseen. Ohjelmistosta valittiin tärkeimmät ja eniten sovellusalueen tietotaitoa sisältävät osat, joista työssä luotiin esimerkkikuvaukset. Kuvauksia on kehitettyä menetelmää hyödyntäen helppo laajentaa tarpeiden mukaan paitsi ohjelmiston muihin osiin, myös laitteiston ja järjestelmän kuvaamiseen kokonaisuudessaan syvemmin.