Large scale multiphysics modeling of neurites

Situado en el límite entre Ingeniería, Informática y Biología, la mecánica computacional de las neuronas aparece como un nuevo campo interdisciplinar que potencialmente puede ser capaz de abordar problemas clínicos desde una perspectiva diferente. Este campo es multiescala por naturaleza, yendo desde la nanoescala (como, por ejemplo, los dímeros de tubulina) a la macroescala (como, por ejemplo, el tejido cerebral), y tiene como objetivo abordar problemas que son complejos, y algunas veces imposibles, de estudiar con medios experimentales. La modelización computacional ha sido ampliamente empleada en aplicaciones Neurocientíficas tan diversas como el crecimiento neuronal o la propagación de los potenciales de acción compuestos. Sin embargo, en la mayoría de los enfoques de modelización hechos hasta ahora, la interacción entre la célula y el medio/estímulo que la rodea ha sido muy poco explorada. A pesar de la tremenda importancia de esa relación en algunos desafíos médicos—como, por ejemplo, lesiones traumáticas en el cerebro, cáncer, la enfermedad del Alzheimer—un puente que relacione las propiedades electrofisiológicas-químicas y mecánicas desde la escala molecular al nivel celular todavía no existe. Con ese objetivo, esta investigación propone un marco computacional multiescala particularizado para dos escenarios respresentativos: el crecimiento del axón y el acomplamiento electrofisiológicomecánico de las neuritas. En el primer caso, se explora la relación entre los constituyentes moleculares del axón durante su crecimiento y sus propiedades mecánicas resultantes, mientras que en el último, un estímulo mecánico provoca deficiencias funcionales a nivel celular como consecuencia de sus alteraciones electrofisiológicas-químicas. La modelización computacional empleada en este trabajo es el método de las diferencias finitas, y es implementada en un nuevo programa llamado Neurite. Aunque el método de los elementos finitos es también explorado en parte de esta investigación, el método de las diferencias finitas tiene la flexibilidad y versatilidad necesaria para implementar mode los biológicos, así como la simplicidad matemática para extenderlos a simulaciones a gran escala con un coste computacional bajo. Centrándose primero en el efecto de las propiedades electrofisiológicas-químicas sobre las propiedades mecánicas, una versión adaptada de Neurite es desarrollada para simular la polimerización de los microtúbulos en el crecimiento del axón y proporcionar las propiedades mecánicas como función de la ocupación de los microtúbulos. Después de calibrar el modelo de crecimiento del axón frente a resultados experimentales disponibles en la literatura, las características mecánicas pueden ser evaluadas durante la simulación. Las propiedades mecánicas del axón muestran variaciones dramáticas en la punta de éste, donde el cono de crecimiento soporta las señales químicas y mecánicas. Bansándose en el conocimiento ganado con el modelo de diferencias finitas, y con el objetivo de ir de 1D a 3D, este esquema preliminar pero de una naturaleza innovadora allana el camino a futuros estudios con el método de los elementos finitos. Centrándose finalmente en el efecto de las propiedades mecánicas sobre las propiedades electrofisiológicas- químicas, Neurite es empleado para relacionar las cargas mecánicas macroscópicas con las deformaciones y velocidades de deformación a escala microscópica, y simular la propagación de la señal eléctrica en las neuritas bajo carga mecánica. Las simulaciones fueron calibradas con resultados experimentales publicados en la literatura, proporcionando, por tanto, un modelo capaz de predecir las alteraciones de las funciones electrofisiológicas neuronales bajo cargas externas dañinas, y uniendo lesiones mecánicas con las correspondientes deficiencias funcionales. Para abordar simulaciones a gran escala, aunque otras arquitecturas avanzadas basadas en muchos núcleos integrados (MICs) fueron consideradas, los solvers explícito e implícito se implementaron en unidades de procesamiento central (CPU) y unidades de procesamiento gráfico (GPUs). Estudios de escalabilidad fueron llevados acabo para ambas implementaciones mostrando resultados prometedores para casos de simulaciones extremadamente grandes con GPUs. Esta tesis abre la vía para futuros modelos mecánicos con el objetivo de unir las propiedades electrofisiológicas-químicas con las propiedades mecánicas. El objetivo general es mejorar el conocimiento de las comunidades médicas y de bioingeniería sobre la mecánica de las neuronas y las deficiencias funcionales que aparecen de los daños producidos por traumatismos mecánicos, como lesiones traumáticas en el cerebro, o enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad del Alzheimer. ABSTRACT Sitting at the interface between Engineering, Computer Science and Biology, Computational Neuron Mechanics appears as a new interdisciplinary field potentially able to tackle clinical problems from a new perspective. This field is multiscale by nature, ranging from the nanoscale (e.g., tubulin dimers) to the macroscale (e.g., brain tissue), and aims at tackling problems that are complex, and sometime impossible, to study through experimental means. Computational modeling has been widely used in different Neuroscience applications as diverse as neuronal growth or compound action potential propagation. However, in the majority of the modeling approaches done in this field to date, the interactions between the cell and its surrounding media/stimulus have been rarely explored. Despite of the tremendous importance of such relationship in several medical challenges—e.g., traumatic brain injury (TBI), cancer, Alzheimer’s disease (AD)—a bridge between electrophysiological-chemical and mechanical properties of neurons from the molecular scale to the cell level is still lacking. To this end, this research proposes a multiscale computational framework particularized for two representative scenarios: axon growth and electrophysiological-mechanical coupling of neurites. In the former case, the relation between the molecular constituents of the axon during its growth and its resulting mechanical properties is explored, whereas in the latter, a mechanical stimulus provokes functional deficits at cell level as a consequence of its electrophysiological-chemical alterations. The computational modeling approach chosen in this work is the finite difference method (FDM), and was implemented in a new program called Neurite. Although the finite element method (FEM) is also explored as part of this research, the FDM provides the necessary flexibility and versatility to implement biological models, as well as the mathematical simplicity to extend them to large scale simulations with a low computational cost. Focusing first on the effect of electrophysiological-chemical properties on the mechanical proper ties, an adaptation of Neurite was developed to simulate microtubule polymerization in axonal growth and provide the axon mechanical properties as a function of microtubule occupancy. After calibrating the axon growth model against experimental results available in the literature, the mechanical characteristics can be tracked during the simulation. The axon mechanical properties show dramatic variations at the tip of the axon, where the growth cone supports the chemical and mechanical signaling. Based on the knowledge gained from the FDM scheme, and in order to go from 1D to 3D, this preliminary yet novel scheme paves the road for future studies with FEM. Focusing then on the effect of mechanical properties on the electrophysiological-chemical properties, Neurite was used to relate macroscopic mechanical loading to microscopic strains and strain rates, and simulate the electrical signal propagation along neurites under mechanical loading. The simulations were calibrated against experimental results published in the literature, thus providing a model able to predict the alteration of neuronal electrophysiological function under external damaging load, and linking mechanical injuries to subsequent acute functional deficits. To undertake large scale simulations, although other state-of-the-art architectures based on many integrated cores (MICs) were considered, the explicit and implicit solvers were implemented for central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs). Scalability studies were done for both implementations showing promising results for extremely large scale simulations with GPUs. This thesis opens the avenue for future mechanical modeling approaches aimed at linking electrophysiological- chemical properties to mechanical properties. Its overarching goal is to enhance the bioengineering and medical communities knowledge on neuronal mechanics and functional deficits arising from damages produced by direct mechanical insults, such as TBI, or neurodegenerative evolving illness, such as AD.

Sistema de control de tracción y salida para un monoplaza de la Fórmula SAE

En este proyecto de final de carrera se detalla el proceso de diseño, fabricación, montaje y ajuste de un dispositivo electrónico que sirva como sistema de control de tracción de un vehículo y que acoplaremos sobre un monoplaza de carreras que participa en la competición Formula SAE. La Formula SAE (Society of Automotive Engineers - Sociedad de Ingenieros de Automoción), es una competición de coches de carreras monoplaza a nivel universitario que promueve el desarrollo de la ingeniera aplicada a la automoción. Se pretende que este libro sirva de guía para el correcto manejo y desempeño del sistema fabricado. Además se ha pretendido que su lectura resulte fácil y comprensible para que la persona que lea este libro sea capaz de entender el sistema realizado para así poderlo mejorar. Gracias a la colaboración entre la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación (ETSIST) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), la Escuela de Ingenieros Industriales de esta misma Universidad (ETSII) y el Instituto Universitario de Investigación del Automóvil (INSIA), se sientan las bases de una plataforma docente en la cual se posibilita la formación y desarrollo de un vehículo tipo formula que participa en la ya mencionada competición Formula SAE. Para ello, se formo en el 2003 el equipo UPMRacing, primer representante español en el evento. El equipo se compone de más de 50 alumnos de la UPM y del Máster de Ingeniería en Automoción del INSIA. Es por tanto, en el vehículo fabricado por el equipo UPMRacing, en el que se pretende instalar este sistema de control de tracción. El control de tracción es un sistema de seguridad del automóvil diseñado para prevenir la perdida de adherencia cuando alguna rueda presenta deslizamiento, bien porque el conductor se excede en la aceleración o bien porque el firme este resbaladizo. La unidad de procesamiento del sistema de control de tracción fabricado lee la velocidad de cada rueda del vehículo mediante unos sensores y determina si existe deslizamiento, en tal caso, manda una señal a la centralita para disminuir la potencia hasta que el deslizamiento disminuya a unos valores controlados. El sistema cuenta con un control remoto que sirve como interfaz para que el piloto pueda manejarlo. Por ultimo, el dispositivo es capaz de conectarse a un bus de comunicaciones CAN para configurar ciertos parámetros. El objetivo del sistema es, básicamente, hacer que el coche no derrape en aceleraciones fuertes; concretamente en las salidas desde parado y al tomar una curva, aumentando así la velocidad en circuito y la seguridad del piloto. ABSTRACT. The purpose of this project is to describe the design, manufacture, assembly and adjustment processes of an electronic device acting as the traction control system (TCS) of a vehicle, that we will attach to a single-seater competition formula SAE car. The Formula SAE (Society of Automotive Engineers) is a graduate-level singleseater racing car competition promoting the development of automotive applied engineering. We also intend this work to serve as a technical user guide of the manufactured system. It is drafted clearly and concisely so that it will be easy for all those to whom it is addressed to understand and subject to further improvements. The close partnership among the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación (ETSIST), Escuela de Ingenieros Industriales (ETSII) of Universidad Politécnica de Madrid (UPM), and the Instituto Universitario de Investigación del Automóvil (INSIA), lays the foundation of a teaching platform enabling the training and development of a single-seater racing car taking part in the already mentioned Formula SAE competition. In this respect, UPMRacing team was created back in 2003, first spanish representative in this event. The team consists of more than 50 students of the UPM and of INSIA Master in Automotive Engineering. It is precisely the vehicle manufactured by UPMRacing team where we intend to install our TCS. TCS is an automotive safety system designed to prevent loss of traction when one wheel has slip, either because the driver exceeds the acceleration or because the firm is slippery. The device’s central processing unit is able to detect the speed of each wheel of the vehicle via special sensors and to determine wheel slip. If this is the case, the system sends a signal to the ECU of the vehicle to reduce the power until the slip is also diminished to controlled values. The device has a remote control that serves as an interface for the pilot to handle it. Lastly, the device is able to connect to a communication bus system CAN to set up certain parameters. The system objective is to prevent skidding under strong acceleration conditions: standing-start from the starting grid or driving into a curve, increasing the speed in circuit and pilot’s safety.

Estructuras óptimas de detección y corrección de errores dirigidas a computadores construidos con lógica de alto nivel de Integración: aplicación industrial

Este trabajo trata de la aplicación de los códigos detectores y correctores de error al diseño de los Computadores Tolerantes a Fallos, planteando varias estrategias óptimas de detección y corrección para algunos subsistemas. En primer lugar,"se justifica la necesidad de aplicar técnicas de Tolerancia a Fallos. A continuación se hacen previsiones de evolución de la tecnología de Integración, así como una tipificación de los fallos en circuitos Integrados. Partiendo de una recopilación y revisión de la teoría de códigos, se hace un desarrollo teórico cuya aplicación permite obligar a que algunos de estos códigos sean cerrados respecto de las operaciones elementales que se ejecutan en un computador. Se plantean estrategias óptimas de detección y corrección de error para sus subsistemas mas Importantes, culminando en el diseño, realización y prueba de una unidad de memoria y una unidad de proceso de datos con amplias posibilidades de detección y corrección de errores.---ABSTRACT---The present work deals with the application of error detecting and correctíng codes to the désign of Fault Tolerant Computers. Several óptimo» detection and correction strategies are presented to be applied in some subsystems. First of all, the necessity of applying Fault Tolerant techniques is explained. Later, a study on íntegration technology evolution and typification of Integrated circuit faults 1s developed. Based on a compilation and revisión of Coding Theory, a theoretical study is carried out. It allows us to force some of these codes to be closed over elementary operations. Optimum detection and correction techniques are presented for the raost important subsystems. Flnally, the design, building and testing of a memory unit and a processing unit provided with wlde error detection and correction posibilities 1s shown.

Neurite, a finite difference large scale parallel program for the simulation of the electrical signal propagation in neurites under mechanical loading

With the growing body of research on traumatic brain injury and spinal cord injury, computational neuroscience has recently focused its modeling efforts on neuronal functional deficits following mechanical loading. However, in most of these efforts, cell damage is generally only characterized by purely mechanistic criteria, function of quantities such as stress, strain or their corresponding rates. The modeling of functional deficits in neurites as a consequence of macroscopic mechanical insults has been rarely explored. In particular, a quantitative mechanically based model of electrophysiological impairment in neuronal cells has only very recently been proposed (Jerusalem et al., 2013). In this paper, we present the implementation details of Neurite: the finite difference parallel program used in this reference. Following the application of a macroscopic strain at a given strain rate produced by a mechanical insult, Neurite is able to simulate the resulting neuronal electrical signal propagation, and thus the corresponding functional deficits. The simulation of the coupled mechanical and electrophysiological behaviors requires computational expensive calculations that increase in complexity as the network of the simulated cells grows. The solvers implemented in Neurite-explicit and implicit-were therefore parallelized using graphics processing units in order to reduce the burden of the simulation costs of large scale scenarios. Cable Theory and Hodgkin-Huxley models were implemented to account for the electrophysiological passive and active regions of a neurite, respectively, whereas a coupled mechanical model accounting for the neurite mechanical behavior within its surrounding medium was adopted as a link between lectrophysiology and mechanics (Jerusalem et al., 2013). This paper provides the details of the parallel implementation of Neurite, along with three different application examples: a long myelinated axon, a segmented dendritic tree, and a damaged axon. The capabilities of the program to deal with large scale scenarios, segmented neuronal structures, and functional deficits under mechanical loading are specifically highlighted.

Scalable UWB photonic generator based on the combination of doublet pulses

We propose and experimentally demonstrate a scalable and reconfigurable optical scheme to generate high order UWB pulses. Firstly, various ultra wideband doublets are created through a process of phase-tointensity conversion by means of a phase modulation and a dispersive media. In a second stage, doublets are combined in an optical processing unit that allows the reconfiguration of UWB high order pulses. Experimental results both in time and frequency domains are presented showing good performance related to the fractional bandwidth and spectral efficiency parameters.

UWB Monocycle Generator based on the non-linear effects of an SOA-integrated structure

In this letter, we propose and experimentally demonstrate a novel and single structure to generate ultra-wideband (UWB) pulses by means of the cross-phase modulation present in a semiconductor optical amplifier unified structure. The key components of this system is an integrated Mach-Zehnder interferometer with two semiconductor optical amplifiers and an optical processing unit. The fusion of these two components permits the generation and customization of UWB monocycle pulses. The polarity of the output pulses is easily modified through the single selection of a specific input port. Moreover, the capacity of transmitting several data sequences is demonstrated and the potentiality to adapt the system to different modulation formats is analyzed.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

OSIRIS – The scientific camera system onboard Rosetta

The Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System OSIRIS is the scientific camera system onboard the Rosetta spacecraft (Figure 1). The advanced high performance imaging system will be pivotal for the success of the Rosetta mission. OSIRIS will detect 67P/Churyumov-Gerasimenko from a distance of more than 106 km, characterise the comet shape and volume, its rotational state and find a suitable landing spot for Philae, the Rosetta lander. OSIRIS will observe the nucleus, its activity and surroundings down to a scale of ~2 cm px−1. The observations will begin well before the onset of cometary activity and will extend over months until the comet reaches perihelion. During the rendezvous episode of the Rosetta mission, OSIRIS will provide key information about the nature of cometary nuclei and reveal the physics of cometary activity that leads to the gas and dust coma. OSIRIS comprises a high resolution Narrow Angle Camera (NAC) unit and a Wide Angle Camera (WAC) unit accompanied by three electronics boxes. The NAC is designed to obtain high resolution images of the surface of comet 7P/Churyumov-Gerasimenko through 12 discrete filters over the wavelength range 250–1000 nm at an angular resolution of 18.6 μrad px−1. The WAC is optimised to provide images of the near-nucleus environment in 14 discrete filters at an angular resolution of 101 μrad px−1. The two units use identical shutter, filter wheel, front door, and detector systems. They are operated by a common Data Processing Unit. The OSIRIS instrument has a total mass of 35 kg and is provided by institutes from six European countries

Accuracy and optimal sampling in Monte Carlo solution of population balance equations

Implementation of a Monte Carlo simulation for the solution of population balance equations (PBEs) requires choice of initial sample number (N0), number of replicates (M), and number of bins for probability distribution reconstruction (n). It is found that Squared Hellinger Distance, H2, is a useful measurement of the accuracy of Monte Carlo (MC) simulation, and can be related directly to N0, M, and n. Asymptotic approximations of H2 are deduced and tested for both one-dimensional (1-D) and 2-D PBEs with coalescence. The central processing unit (CPU) cost, C, is found in a power-law relationship, C= aMNb0, with the CPU cost index, b, indicating the weighting of N0 in the total CPU cost. n must be chosen to balance accuracy and resolution. For fixed n, M × N0 determines the accuracy of MC prediction; if b > 1, then the optimal solution strategy uses multiple replications and small sample size. Conversely, if 0 < b < 1, one replicate and a large initial sample size is preferred. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 2394–2402, 2015

Estudo da absorção das espécies pesadas do gás natural em octanol: efeitos da temperatura e vazão

In the oil industry, natural gas is a vital component of the world energy supply and an important source of hydrocarbons. It is one of the cleanest, safest and most relevant of all energy sources, and helps to meet the world's growing demand for clean energy in the future. With the growing share of natural gas in the Brazil energy matrix, the main purpose of its use has been the supply of electricity by thermal power generation. In the current production process, as in a Natural Gas Processing Unit (NGPU), natural gas undergoes various separation units aimed at producing liquefied natural gas and fuel gas. The latter should be specified to meet the thermal machines specifications. In the case of remote wells, the process of absorption of heavy components aims the match of fuel gas application and thereby is an alternative to increase the energy matrix. Currently, due to the high demand for this raw gas, research and development techniques aimed at adjusting natural gas are studied. Conventional methods employed today, such as physical absorption, show good results. The objective of this dissertation is to evaluate the removal of heavy components of natural gas by absorption. In this research it was used as the absorbent octyl alcohol (1-octanol). The influence of temperature (5 and 40 °C) and flowrate (25 and 50 ml/min) on the absorption process was studied. Absorption capacity expressed by the amount absorbed and kinetic parameters, expressed by the mass transfer coefficient, were evaluated. As expected from the literature, it was observed that the absorption of heavy hydrocarbon fraction is favored by lowering the temperature. Moreover, both temperature and flowrate favors mass transfer (kinetic effect). The absorption kinetics for removal of heavy components was monitored by chromatographic analysis and the experimental results demonstrated a high percentage of recovery of heavy components. Furthermore, it was observed that the use of octyl alcohol as absorbent was feasible for the requested separation process.

Estudo da absorção das espécies pesadas do gás natural em octanol: efeitos da temperatura e vazão

In the oil industry, natural gas is a vital component of the world energy supply and an important source of hydrocarbons. It is one of the cleanest, safest and most relevant of all energy sources, and helps to meet the world's growing demand for clean energy in the future. With the growing share of natural gas in the Brazil energy matrix, the main purpose of its use has been the supply of electricity by thermal power generation. In the current production process, as in a Natural Gas Processing Unit (NGPU), natural gas undergoes various separation units aimed at producing liquefied natural gas and fuel gas. The latter should be specified to meet the thermal machines specifications. In the case of remote wells, the process of absorption of heavy components aims the match of fuel gas application and thereby is an alternative to increase the energy matrix. Currently, due to the high demand for this raw gas, research and development techniques aimed at adjusting natural gas are studied. Conventional methods employed today, such as physical absorption, show good results. The objective of this dissertation is to evaluate the removal of heavy components of natural gas by absorption. In this research it was used as the absorbent octyl alcohol (1-octanol). The influence of temperature (5 and 40 °C) and flowrate (25 and 50 ml/min) on the absorption process was studied. Absorption capacity expressed by the amount absorbed and kinetic parameters, expressed by the mass transfer coefficient, were evaluated. As expected from the literature, it was observed that the absorption of heavy hydrocarbon fraction is favored by lowering the temperature. Moreover, both temperature and flowrate favors mass transfer (kinetic effect). The absorption kinetics for removal of heavy components was monitored by chromatographic analysis and the experimental results demonstrated a high percentage of recovery of heavy components. Furthermore, it was observed that the use of octyl alcohol as absorbent was feasible for the requested separation process.

Multi-Tenant Virtual GPUs for Optimising Performance of a Financial Risk Application

Graphics Processing Units (GPUs) are becoming popular accelerators in modern High-Performance Computing (HPC) clusters. Installing GPUs on each node of the cluster is not efficient resulting in high costs and power consumption as well as underutilisation of the accelerator. The research reported in this paper is motivated towards the use of few physical GPUs by providing cluster nodes access to remote GPUs on-demand for a financial risk application. We hypothesise that sharing GPUs between several nodes, referred to as multi-tenancy, reduces the execution time and energy consumed by an application. Two data transfer modes between the CPU and the GPUs, namely concurrent and sequential, are explored. The key result from the experiments is that multi-tenancy with few physical GPUs using sequential data transfers lowers the execution time and the energy consumed, thereby improving the overall performance of the application.

A framework for experimental determination of localised vertical pedestrian forces on full-scale structures using wireless attitude and heading reference systems

A major weakness among loading models for pedestrians walking on flexible structures proposed in recent years is the various uncorroborated assumptions made in their development. This applies to spatio-temporal characteristics of pedestrian loading and the nature of multi-object interactions. To alleviate this problem, a framework for the determination of localised pedestrian forces on full-scale structures is presented using a wireless attitude and heading reference systems (AHRS). An AHRS comprises a triad of tri-axial accelerometers, gyroscopes and magnetometers managed by a dedicated data processing unit, allowing motion in three-dimensional space to be reconstructed. A pedestrian loading model based on a single point inertial measurement from an AHRS is derived and shown to perform well against benchmark data collected on an instrumented treadmill. Unlike other models, the current model does not take any predefined form nor does it require any extrapolations as to the timing and amplitude of pedestrian loading. In order to assess correctly the influence of the moving pedestrian on behaviour of a structure, an algorithm for tracking the point of application of pedestrian force is developed based on data from a single AHRS attached to a foot. A set of controlled walking tests with a single pedestrian is conducted on a real footbridge for validation purposes. A remarkably good match between the measured and simulated bridge response is found, indeed confirming applicability of the proposed framework.

Exact Probability Distribution versus Entropy

The problem addressed concerns the determination of the average numberof successive attempts of guessing a word of a certain length consisting of letters withgiven probabilities of occurrence. Both first- and second-order approximations to a naturallanguage are considered. The guessing strategy used is guessing words in decreasing orderof probability. When word and alphabet sizes are large, approximations are necessary inorder to estimate the number of guesses. Several kinds of approximations are discusseddemonstrating moderate requirements regarding both memory and central processing unit(CPU) time. When considering realistic sizes of alphabets and words (100), the numberof guesses can be estimated within minutes with reasonable accuracy (a few percent) andmay therefore constitute an alternative to, e.g., various entropy expressions. For manyprobability distributions, the density of the logarithm of probability products is close to anormal distribution. For those cases, it is possible to derive an analytical expression for theaverage number of guesses. The proportion of guesses needed on average compared to thetotal number decreases almost exponentially with the word length. The leading term in anasymptotic expansion can be used to estimate the number of guesses for large word lengths.Comparisons with analytical lower bounds and entropy expressions are also provided.

A fast parallel hyperspectral coded aperture algorithm for compressive sensing using OpenCL

In this paper, we develop a fast implementation of an hyperspectral coded aperture (HYCA) algorithm on different platforms using OpenCL, an open standard for parallel programing on heterogeneous systems, which includes a wide variety of devices, from dense multicore systems from major manufactures such as Intel or ARM to new accelerators such as graphics processing units (GPUs), field programmable gate arrays (FPGAs), the Intel Xeon Phi and other custom devices. Our proposed implementation of HYCA significantly reduces its computational cost. Our experiments have been conducted using simulated data and reveal considerable acceleration factors. This kind of implementations with the same descriptive language on different architectures are very important in order to really calibrate the possibility of using heterogeneous platforms for efficient hyperspectral imaging processing in real remote sensing missions.