A cyber-physical approach to combined HW-SW monitoring for improving energy efficiency in data centers

High-Performance Computing, Cloud computing and next-generation applications such e-Health or Smart Cities have dramatically increased the computational demand of Data Centers. The huge energy consumption, increasing levels of CO2 and the economic costs of these facilities represent a challenge for industry and researchers alike. Recent research trends propose the usage of holistic optimization techniques to jointly minimize Data Center computational and cooling costs from a multilevel perspective. This paper presents an analysis on the parameters needed to integrate the Data Center in a holistic optimization framework and leverages the usage of Cyber-Physical systems to gather workload, server and environmental data via software techniques and by deploying a non-intrusive Wireless Sensor Net- work (WSN). This solution tackles data sampling, retrieval and storage from a reconfigurable perspective, reducing the amount of data generated for optimization by a 68% without information loss, doubling the lifetime of the WSN nodes and allowing runtime energy minimization techniques in a real scenario.

FPGA-Based Wireless Sensor Node Architecture for High Performance Applications

While for years traditional wireless sensor nodes have been based on ultra-low power microcontrollers with sufficient but limited computing power, the complexity and number of tasks of today’s applications are constantly increasing. Increasing the node duty cycle is not feasible in all cases, so in many cases more computing power is required. This extra computing power may be achieved by either more powerful microcontrollers, though more power consumption or, in general, any solution capable of accelerating task execution. At this point, the use of hardware based, and in particular FPGA solutions, might appear as a candidate technology, since though power use is higher compared with lower power devices, execution time is reduced, so energy could be reduced overall. In order to demonstrate this, an innovative WSN node architecture is proposed. This architecture is based on a high performance high capacity state-of-the-art FPGA, which combines the advantages of the intrinsic acceleration provided by the parallelism of hardware devices, the use of partial reconfiguration capabilities, as well as a careful power-aware management system, to show that energy savings for certain higher-end applications can be achieved. Finally, comprehensive tests have been done to validate the platform in terms of performance and power consumption, to proof that better energy efficiency compared to processor based solutions can be achieved, for instance, when encryption is imposed by the application requirements.

Energy-based Fair Queuing: Energy-centric Processor Scheduling Algorithm for Battery-limited Mobile Systems

Los dispositivos móviles modernos disponen cada vez de más funcionalidad debido al rápido avance de las tecnologías de las comunicaciones y computaciones móviles. Sin embargo, la capacidad de la batería no ha experimentado un aumento equivalente. Por ello, la experiencia de usuario en los sistemas móviles modernos se ve muy afectada por la vida de la batería, que es un factor inestable de difícil de control. Para abordar este problema, investigaciones anteriores han propuesto un esquema de gestion del consumo (PM) centrada en la energía y que proporciona una garantía sobre la vida operativa de la batería mediante la gestión de la energía como un recurso de primera clase en el sistema. Como el planificador juega un papel fundamental en la administración del consumo de energía y en la garantía del rendimiento de las aplicaciones, esta tesis explora la optimización de la experiencia de usuario para sistemas móviles con energía limitada desde la perspectiva de un planificador que tiene en cuenta el consumo de energía en un contexto en el que ésta es un recurso de primera clase. En esta tesis se analiza en primer lugar los factores que contribuyen de forma general a la experiencia de usuario en un sistema móvil. Después se determinan los requisitos esenciales que afectan a la experiencia de usuario en la planificación centrada en el consumo de energía, que son el reparto proporcional de la potencia, el cumplimiento de las restricciones temporales, y cuando sea necesario, el compromiso entre la cuota de potencia y las restricciones temporales. Para cumplir con los requisitos, el algoritmo clásico de fair queueing y su modelo de referencia se extienden desde los dominios de las comunicaciones y ancho de banda de CPU hacia el dominio de la energía, y en base a ésto, se propone el algoritmo energy-based fair queueing (EFQ) para proporcionar una planificación basada en la energía. El algoritmo EFQ está diseñado para compartir la potencia consumida entre las tareas mediante su planificación en función de la energía consumida y de la cuota reservada. La cuota de consumo de cada tarea con restricciones temporales está protegida frente a diversos cambios que puedan ocurrir en el sistema. Además, para dar mejor soporte a las tareas en tiempo real y multimedia, se propone un mecanismo para combinar con el algoritmo EFQ para dar preferencia en la planificación durante breves intervalos de tiempo a las tareas más urgentes con restricciones temporales.Las propiedades del algoritmo EFQ se evaluan a través del modelado de alto nivel y la simulación. Los resultados de las simulaciones indican que los requisitos esenciales de la planificación centrada en la energía pueden lograrse. El algoritmo EFQ se implementa más tarde en el kernel de Linux. Para evaluar las propiedades del planificador EFQ basado en Linux, se desarrolló un banco de pruebas experimental basado en una sitema empotrado, un programa de banco de pruebas multihilo, y un conjunto de pruebas de código abierto. A través de experimentos específicamente diseñados, esta tesis verifica primero las propiedades de EFQ en la gestión de la cuota de consumo de potencia y la planificación en tiempo real y, a continuación, explora los beneficios potenciales de emplear la planificación EFQ en la optimización de la experiencia de usuario para sistemas móviles con energía limitada. Los resultados experimentales sobre la gestión de la cuota de energía muestran que EFQ es más eficaz que el planificador de Linux-CFS en la gestión de energía, logrando un reparto proporcional de la energía del sistema independientemente de en qué dispositivo se consume la energía. Los resultados experimentales en la planificación en tiempo real demuestran que EFQ puede lograr de forma eficaz, flexible y robusta el cumplimiento de las restricciones temporales aunque se dé el caso de aumento del el número de tareas o del error en la estimación de energía. Por último, un análisis comparativo de los resultados experimentales sobre la optimización de la experiencia del usuario demuestra que, primero, EFQ es más eficaz y flexible que los algoritmos tradicionales de planificación del procesador, como el que se encuentra por defecto en el planificador de Linux y, segundo, que proporciona la posibilidad de optimizar y preservar la experiencia de usuario para los sistemas móviles con energía limitada. Abstract Modern mobiledevices have been becoming increasingly powerful in functionality and entertainment as the next-generation mobile computing and communication technologies are rapidly advanced. However, the battery capacity has not experienced anequivalent increase. The user experience of modern mobile systems is therefore greatly affected by the battery lifetime,which is an unstable factor that is hard to control. To address this problem, previous works proposed energy-centric power management (PM) schemes to provide strong guarantee on the battery lifetime by globally managing energy as the first-class resource in the system. As the processor scheduler plays a pivotal role in power management and application performance guarantee, this thesis explores the user experience optimization of energy-limited mobile systemsfrom the perspective of energy-centric processor scheduling in an energy-centric context. This thesis first analyzes the general contributing factors of the mobile system user experience.Then itdetermines the essential requirements on the energy-centric processor scheduling for user experience optimization, which are proportional power sharing, time-constraint compliance, and when necessary, a tradeoff between the power share and the time-constraint compliance. To meet the requirements, the classical fair queuing algorithm and its reference model are extended from the network and CPU bandwidth sharing domain to the energy sharing domain, and based on that, the energy-based fair queuing (EFQ) algorithm is proposed for performing energy-centric processor scheduling. The EFQ algorithm is designed to provide proportional power shares to tasks by scheduling the tasks based on their energy consumption and weights. The power share of each time-sensitive task is protected upon the change of the scheduling environment to guarantee a stable performance, and any instantaneous power share that is overly allocated to one time-sensitive task can be fairly re-allocated to the other tasks. In addition, to better support real-time and multimedia scheduling, certain real-time friendly mechanism is combined into the EFQ algorithm to give time-limited scheduling preference to the time-sensitive tasks. Through high-level modelling and simulation, the properties of the EFQ algorithm are evaluated. The simulation results indicate that the essential requirements of energy-centric processor scheduling can be achieved. The EFQ algorithm is later implemented in the Linux kernel. To assess the properties of the Linux-based EFQ scheduler, an experimental test-bench based on an embedded platform, a multithreading test-bench program, and an open-source benchmark suite is developed. Through specifically-designed experiments, this thesis first verifies the properties of EFQ in power share management and real-time scheduling, and then, explores the potential benefits of employing EFQ scheduling in the user experience optimization for energy-limited mobile systems. Experimental results on power share management show that EFQ is more effective than the Linux-CFS scheduler in managing power shares and it can achieve a proportional sharing of the system power regardless of on which device the energy is spent. Experimental results on real-time scheduling demonstrate that EFQ can achieve effective, flexible and robust time-constraint compliance upon the increase of energy estimation error and task number. Finally, a comparative analysis of the experimental results on user experience optimization demonstrates that EFQ is more effective and flexible than traditional processor scheduling algorithms, such as those of the default Linux scheduler, in optimizing and preserving the user experience of energy-limited mobile systems.

Proactive and reactive thermal aware optimization techniques to minimize the environmental impact of data centers

Data centers are easily found in every sector of the worldwide economy. They are composed of thousands of servers, serving millions of users globally and 24-7. In the last years, e-Science applications such e-Health or Smart Cities have experienced a significant development. The need to deal efficiently with the computational needs of next-generation applications together with the increasing demand for higher resources in traditional applications has facilitated the rapid proliferation and growing of Data Centers. A drawback to this capacity growth has been the rapid increase of the energy consumption of these facilities. In 2010, data center electricity represented 1.3% of all the electricity use in the world. In year 2012 alone, global data center power demand grep 63% to 38GW. A further rise of 17% to 43GW was estimated in 2013. Moreover, Data Centers are responsible for more than 2% of total carbon dioxide emissions.

A proposal for a modular and application-aware autonomic manager of private cloud infrastructures

Recientemente, el paradigma de la computación en la nube ha recibido mucho interés por parte tanto de la industria como del mundo académico. Las infraestructuras cloud públicas están posibilitando nuevos modelos de negocio y ayudando a reducir costes. Sin embargo, una compañía podría desear ubicar sus datos y servicios en sus propias instalaciones, o tener que atenerse a leyes de protección de datos. Estas circunstancias hacen a las infraestructuras cloud privadas ciertamente deseables, ya sea para complementar a las públicas o para sustituirlas por completo. Por desgracia, las carencias en materia de estándares han impedido que las soluciones para la gestión de infraestructuras privadas se hayan desarrollado adecuadamente. Además, la multitud de opciones disponibles ha creado en los clientes el miedo a depender de una tecnología concreta (technology lock-in). Una de las causas de este problema es la falta de alineación entre la investigación académica y los productos comerciales, ya que aquella está centrada en el estudio de escenarios idealizados sin correspondencia con el mundo real, mientras que éstos consisten en soluciones desarrolladas sin tener en cuenta cómo van a encajar con los estándares más comunes o sin preocuparse de hacer públicos sus resultados. Con objeto de resolver este problema, propongo un sistema de gestión modular para infraestructuras cloud privadas enfocado en tratar con las aplicaciones en lugar de centrarse únicamente en los recursos hardware. Este sistema de gestión sigue el paradigma de la computación autónoma y está diseñado en torno a un modelo de información sencillo, desarrollado para ser compatible con los estándares más comunes. Este modelo divide el entorno en dos vistas, que sirven para separar aquello que debe preocupar a cada actor involucrado del resto de información, pero al mismo tiempo permitiendo relacionar el entorno físico con las máquinas virtuales que se despliegan encima de él. En dicho modelo, las aplicaciones cloud están divididas en tres tipos genéricos (Servicios, Trabajos de Big Data y Reservas de Instancias), para que así el sistema de gestión pueda sacar partido de las características propias de cada tipo. El modelo de información está complementado por un conjunto de acciones de gestión atómicas, reversibles e independientes, que determinan las operaciones que se pueden llevar a cabo sobre el entorno y que es usado para hacer posible la escalabilidad en el entorno. También describo un motor de gestión encargado de, a partir del estado del entorno y usando el ya mencionado conjunto de acciones, la colocación de recursos. Está dividido en dos niveles: la capa de Gestores de Aplicación, encargada de tratar sólo con las aplicaciones; y la capa del Gestor de Infraestructura, responsable de los recursos físicos. Dicho motor de gestión obedece un ciclo de vida con dos fases, para así modelar mejor el comportamiento de una infraestructura real. El problema de la colocación de recursos es atacado durante una de las fases (la de consolidación) por un resolutor de programación entera, y durante la otra (la online) por un heurístico hecho ex-profeso. Varias pruebas han demostrado que este acercamiento combinado es superior a otras estrategias. Para terminar, el sistema de gestión está acoplado a arquitecturas de monitorización y de actuadores. Aquella estando encargada de recolectar información del entorno, y ésta siendo modular en su diseño y capaz de conectarse con varias tecnologías y ofrecer varios modos de acceso. ABSTRACT The cloud computing paradigm has raised in popularity within the industry and the academia. Public cloud infrastructures are enabling new business models and helping to reduce costs. However, the desire to host company’s data and services on premises, and the need to abide to data protection laws, make private cloud infrastructures desirable, either to complement or even fully substitute public oferings. Unfortunately, a lack of standardization has precluded private infrastructure management solutions to be developed to a certain level, and a myriad of diferent options have induced the fear of lock-in in customers. One of the causes of this problem is the misalignment between academic research and industry ofering, with the former focusing in studying idealized scenarios dissimilar from real-world situations, and the latter developing solutions without taking care about how they f t with common standards, or even not disseminating their results. With the aim to solve this problem I propose a modular management system for private cloud infrastructures that is focused on the applications instead of just the hardware resources. This management system follows the autonomic system paradigm, and is designed around a simple information model developed to be compatible with common standards. This model splits the environment in two views that serve to separate the concerns of the stakeholders while at the same time enabling the traceability between the physical environment and the virtual machines deployed onto it. In it, cloud applications are classifed in three broad types (Services, Big Data Jobs and Instance Reservations), in order for the management system to take advantage of each type’s features. The information model is paired with a set of atomic, reversible and independent management actions which determine the operations that can be performed over the environment and is used to realize the cloud environment’s scalability. From the environment’s state and using the aforementioned set of actions, I also describe a management engine tasked with the resource placement. It is divided in two tiers: the Application Managers layer, concerned just with applications; and the Infrastructure Manager layer, responsible of the actual physical resources. This management engine follows a lifecycle with two phases, to better model the behavior of a real infrastructure. The placement problem is tackled during one phase (consolidation) by using an integer programming solver, and during the other (online) with a custom heuristic. Tests have demonstrated that this combined approach is superior to other strategies. Finally, the management system is paired with monitoring and actuators architectures. The former able to collect the necessary information from the environment, and the later modular in design and capable of interfacing with several technologies and ofering several access interfaces.

Design and Simulation of Deep Nanometer SRAM Cells under Energy, Mismatch, and Radiation Constraints

La fiabilidad está pasando a ser el principal problema de los circuitos integrados según la tecnología desciende por debajo de los 22nm. Pequeñas imperfecciones en la fabricación de los dispositivos dan lugar ahora a importantes diferencias aleatorias en sus características eléctricas, que han de ser tenidas en cuenta durante la fase de diseño. Los nuevos procesos y materiales requeridos para la fabricación de dispositivos de dimensiones tan reducidas están dando lugar a diferentes efectos que resultan finalmente en un incremento del consumo estático, o una mayor vulnerabilidad frente a radiación. Las memorias SRAM son ya la parte más vulnerable de un sistema electrónico, no solo por representar más de la mitad del área de los SoCs y microprocesadores actuales, sino también porque las variaciones de proceso les afectan de forma crítica, donde el fallo de una única célula afecta a la memoria entera. Esta tesis aborda los diferentes retos que presenta el diseño de memorias SRAM en las tecnologías más pequeñas. En un escenario de aumento de la variabilidad, se consideran problemas como el consumo de energía, el diseño teniendo en cuenta efectos de la tecnología a bajo nivel o el endurecimiento frente a radiación. En primer lugar, dado el aumento de la variabilidad de los dispositivos pertenecientes a los nodos tecnológicos más pequeños, así como a la aparición de nuevas fuentes de variabilidad por la inclusión de nuevos dispositivos y la reducción de sus dimensiones, la precisión del modelado de dicha variabilidad es crucial. Se propone en la tesis extender el método de inyectores, que modela la variabilidad a nivel de circuito, abstrayendo sus causas físicas, añadiendo dos nuevas fuentes para modelar la pendiente sub-umbral y el DIBL, de creciente importancia en la tecnología FinFET. Los dos nuevos inyectores propuestos incrementan la exactitud de figuras de mérito a diferentes niveles de abstracción del diseño electrónico: a nivel de transistor, de puerta y de circuito. El error cuadrático medio al simular métricas de estabilidad y prestaciones de células SRAM se reduce un mínimo de 1,5 veces y hasta un máximo de 7,5 a la vez que la estimación de la probabilidad de fallo se mejora en varios ordenes de magnitud. El diseño para bajo consumo es una de las principales aplicaciones actuales dada la creciente importancia de los dispositivos móviles dependientes de baterías. Es igualmente necesario debido a las importantes densidades de potencia en los sistemas actuales, con el fin de reducir su disipación térmica y sus consecuencias en cuanto al envejecimiento. El método tradicional de reducir la tensión de alimentación para reducir el consumo es problemático en el caso de las memorias SRAM dado el creciente impacto de la variabilidad a bajas tensiones. Se propone el diseño de una célula que usa valores negativos en la bit-line para reducir los fallos de escritura según se reduce la tensión de alimentación principal. A pesar de usar una segunda fuente de alimentación para la tensión negativa en la bit-line, el diseño propuesto consigue reducir el consumo hasta en un 20 % comparado con una célula convencional. Una nueva métrica, el hold trip point se ha propuesto para prevenir nuevos tipos de fallo debidos al uso de tensiones negativas, así como un método alternativo para estimar la velocidad de lectura, reduciendo el número de simulaciones necesarias. Según continúa la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos, se incluyen nuevos mecanismos que permiten facilitar el proceso de fabricación, o alcanzar las prestaciones requeridas para cada nueva generación tecnológica. Se puede citar como ejemplo el estrés compresivo o extensivo aplicado a los fins en tecnologías FinFET, que altera la movilidad de los transistores fabricados a partir de dichos fins. Los efectos de estos mecanismos dependen mucho del layout, la posición de unos transistores afecta a los transistores colindantes y pudiendo ser el efecto diferente en diferentes tipos de transistores. Se propone el uso de una célula SRAM complementaria que utiliza dispositivos pMOS en los transistores de paso, así reduciendo la longitud de los fins de los transistores nMOS y alargando los de los pMOS, extendiéndolos a las células vecinas y hasta los límites de la matriz de células. Considerando los efectos del STI y estresores de SiGe, el diseño propuesto mejora los dos tipos de transistores, mejorando las prestaciones de la célula SRAM complementaria en más de un 10% para una misma probabilidad de fallo y un mismo consumo estático, sin que se requiera aumentar el área. Finalmente, la radiación ha sido un problema recurrente en la electrónica para aplicaciones espaciales, pero la reducción de las corrientes y tensiones de los dispositivos actuales los está volviendo vulnerables al ruido generado por radiación, incluso a nivel de suelo. Pese a que tecnologías como SOI o FinFET reducen la cantidad de energía colectada por el circuito durante el impacto de una partícula, las importantes variaciones de proceso en los nodos más pequeños va a afectar su inmunidad frente a la radiación. Se demuestra que los errores inducidos por radiación pueden aumentar hasta en un 40 % en el nodo de 7nm cuando se consideran las variaciones de proceso, comparado con el caso nominal. Este incremento es de una magnitud mayor que la mejora obtenida mediante el diseño de células de memoria específicamente endurecidas frente a radiación, sugiriendo que la reducción de la variabilidad representaría una mayor mejora. ABSTRACT Reliability is becoming the main concern on integrated circuit as the technology goes beyond 22nm. Small imperfections in the device manufacturing result now in important random differences of the devices at electrical level which must be dealt with during the design. New processes and materials, required to allow the fabrication of the extremely short devices, are making new effects appear resulting ultimately on increased static power consumption, or higher vulnerability to radiation SRAMs have become the most vulnerable part of electronic systems, not only they account for more than half of the chip area of nowadays SoCs and microprocessors, but they are critical as soon as different variation sources are regarded, with failures in a single cell making the whole memory fail. This thesis addresses the different challenges that SRAM design has in the smallest technologies. In a common scenario of increasing variability, issues like energy consumption, design aware of the technology and radiation hardening are considered. First, given the increasing magnitude of device variability in the smallest nodes, as well as new sources of variability appearing as a consequence of new devices and shortened lengths, an accurate modeling of the variability is crucial. We propose to extend the injectors method that models variability at circuit level, abstracting its physical sources, to better model sub-threshold slope and drain induced barrier lowering that are gaining importance in FinFET technology. The two new proposed injectors bring an increased accuracy of figures of merit at different abstraction levels of electronic design, at transistor, gate and circuit levels. The mean square error estimating performance and stability metrics of SRAM cells is reduced by at least 1.5 and up to 7.5 while the yield estimation is improved by orders of magnitude. Low power design is a major constraint given the high-growing market of mobile devices that run on battery. It is also relevant because of the increased power densities of nowadays systems, in order to reduce the thermal dissipation and its impact on aging. The traditional approach of reducing the voltage to lower the energy consumption if challenging in the case of SRAMs given the increased impact of process variations at low voltage supplies. We propose a cell design that makes use of negative bit-line write-assist to overcome write failures as the main supply voltage is lowered. Despite using a second power source for the negative bit-line, the design achieves an energy reduction up to 20% compared to a conventional cell. A new metric, the hold trip point has been introduced to deal with new sources of failures to cells using a negative bit-line voltage, as well as an alternative method to estimate cell speed, requiring less simulations. With the continuous reduction of device sizes, new mechanisms need to be included to ease the fabrication process and to meet the performance targets of the successive nodes. As example we can consider the compressive or tensile strains included in FinFET technology, that alter the mobility of the transistors made out of the concerned fins. The effects of these mechanisms are very dependent on the layout, with transistor being affected by their neighbors, and different types of transistors being affected in a different way. We propose to use complementary SRAM cells with pMOS pass-gates in order to reduce the fin length of nMOS devices and achieve long uncut fins for the pMOS devices when the cell is included in its corresponding array. Once Shallow Trench isolation and SiGe stressors are considered the proposed design improves both kinds of transistor, boosting the performance of complementary SRAM cells by more than 10% for a same failure probability and static power consumption, with no area overhead. While radiation has been a traditional concern in space electronics, the small currents and voltages used in the latest nodes are making them more vulnerable to radiation-induced transient noise, even at ground level. Even if SOI or FinFET technologies reduce the amount of energy transferred from the striking particle to the circuit, the important process variation that the smallest nodes will present will affect their radiation hardening capabilities. We demonstrate that process variations can increase the radiation-induced error rate by up to 40% in the 7nm node compared to the nominal case. This increase is higher than the improvement achieved by radiation-hardened cells suggesting that the reduction of process variations would bring a higher improvement.

Cognitive strategies for reducing energy consumption in wireless sensor networks

El consumo energético de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSNs por sus siglas en inglés) es un problema histórico que ha sido abordado desde diferentes niveles y visiones, ya que no solo afecta a la propia supervivencia de la red sino que el creciente uso de dispositivos inteligentes y el nuevo paradigma del Internet de las Cosas hace que las WSNs tengan cada vez una mayor influencia en la huella energética. Debido a la tendencia al alza en el uso de estas redes se añade un nuevo problema, la saturación espectral. Las WSNs operan habitualmente en bandas sin licencia como son las bandas Industrial, Científica y Médica (ISM por sus siglas en inglés). Estas bandas se comparten con otro tipo de redes como Wi-Fi o Bluetooth cuyo uso ha crecido exponencialmente en los últimos años. Para abordar este problema aparece el paradigma de la Radio Cognitiva (CR), una tecnología que permite el acceso oportunista al espectro. La introducción de capacidades cognitivas en las WSNs no solo permite optimizar su eficiencia espectral sino que también tiene un impacto positivo en parámetros como la calidad de servicio, la seguridad o el consumo energético. Sin embargo, por otra parte, este nuevo paradigma plantea algunos retos relacionados con el consumo energético. Concretamente, el sensado del espectro, la colaboración entre los nodos (que requiere comunicación adicional) y el cambio en los parámetros de transmisión aumentan el consumo respecto a las WSN clásicas. Teniendo en cuenta que la investigación en el campo del consumo energético ha sido ampliamente abordada puesto que se trata de una de sus principales limitaciones, asumimos que las nuevas estrategias deben surgir de las nuevas capacidades añadidas por las redes cognitivas. Por otro lado, a la hora de diseñar estrategias de optimización para CWSN hay que tener muy presentes las limitaciones de recursos de estas redes en cuanto a memoria, computación y consumo energético de los nodos. En esta tesis doctoral proponemos dos estrategias de reducción de consumo energético en CWSNs basadas en tres pilares fundamentales. El primero son las capacidades cognitivas añadidas a las WSNs que proporcionan la posibilidad de adaptar los parámetros de transmisión en función del espectro disponible. La segunda es la colaboración, como característica intrínseca de las CWSNs. Finalmente, el tercer pilar de este trabajo es teoría de juegos como algoritmo de soporte a la decisión, ampliamente utilizado en WSNs debido a su simplicidad. Como primer aporte de la tesis se presenta un análisis completo de las posibilidades introducidas por la radio cognitiva en materia de reducción de consumo para WSNs. Gracias a las conclusiones extraídas de este análisis, se han planteado las hipótesis de esta tesis relacionadas con la validez de usar capacidades cognitivas como herramienta para la reducción de consumo en CWSNs. Una vez presentada las hipótesis, pasamos a desarrollar las principales contribuciones de la tesis: las dos estrategias diseñadas para reducción de consumo basadas en teoría de juegos y CR. La primera de ellas hace uso de un juego no cooperativo que se juega mediante pares de jugadores. En la segunda estrategia, aunque el juego continúa siendo no cooperativo, se añade el concepto de colaboración. Para cada una de las estrategias se presenta el modelo del juego, el análisis formal de equilibrios y óptimos y la descripción de la estrategia completa donde se incluye la interacción entre nodos. Con el propósito de probar las estrategias mediante simulación e implementación en dispositivos reales hemos desarrollado un marco de pruebas compuesto por un simulador cognitivo y un banco de pruebas formado por nodos cognitivos capaces de comunicarse en tres bandas ISM desarrollados en el B105 Lab. Este marco de pruebas constituye otra de las aportaciones de la tesis que permitirá el avance en la investigación en el área de las CWSNs. Finalmente, se presentan y discuten los resultados derivados de la prueba de las estrategias desarrolladas. La primera estrategia proporciona ahorros de energía mayores al 65% comparados con una WSN sin capacidades cognitivas y alrededor del 25% si la comparamos con una estrategia cognitiva basada en el sensado periódico del espectro para el cambio de canal de acuerdo a un nivel de ruido fijado. Este algoritmo se comporta de forma similar independientemente del nivel de ruido siempre que éste sea espacialmente uniformemente. Esta estrategia, a pesar de su sencillez, nos asegura el comportamiento óptimo en cuanto a consumo energético debido a la utilización de teoría de juegos en la fase de diseño del comportamiento de los nodos. La estrategia colaborativa presenta mejoras respecto a la anterior en términos de protección frente al ruido en escenarios de ruido más complejos donde aporta una mejora del 50% comparada con la estrategia anterior. ABSTRACT Energy consumption in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a known historical problem that has been addressed from different areas and on many levels. But this problem should not only be approached from the point of view of their own efficiency for survival. A major portion of communication traffic has migrated to mobile networks and systems. The increased use of smart devices and the introduction of the Internet of Things (IoT) give WSNs a great influence on the carbon footprint. Thus, optimizing the energy consumption of wireless networks could reduce their environmental impact considerably. In recent years, another problem has been added to the equation: spectrum saturation. Wireless Sensor Networks usually operate in unlicensed spectrum bands such as Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands shared with other networks (mainly Wi-Fi and Bluetooth). To address the efficient spectrum utilization problem, Cognitive Radio (CR) has emerged as the key technology that enables opportunistic access to the spectrum. Therefore, the introduction of cognitive capabilities to WSNs allows optimizing their spectral occupation. Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs) do not only increase the reliability of communications, but they also have a positive impact on parameters such as the Quality of Service (QoS), network security, or energy consumption. These new opportunities introduced by CWSNs unveil a wide field in the energy consumption research area. However, this also implies some challenges. Specifically, the spectrum sensing stage, collaboration among devices (which requires extra communication), and changes in the transmission parameters increase the total energy consumption of the network. When designing CWSN optimization strategies, the fact that WSN nodes are very limited in terms of memory, computational power, or energy consumption has to be considered. Thus, light strategies that require a low computing capacity must be found. Since the field of energy conservation in WSNs has been widely explored, we assume that new strategies could emerge from the new opportunities presented by cognitive networks. In this PhD Thesis, we present two strategies for energy consumption reduction in CWSNs supported by three main pillars. The first pillar is that cognitive capabilities added to the WSN provide the ability to change the transmission parameters according to the spectrum. The second pillar is that the ability to collaborate is a basic characteristic of CWSNs. Finally, the third pillar for this work is the game theory as a decision-making algorithm, which has been widely used in WSNs due to its lightness and simplicity that make it valid to operate in CWSNs. For the development of these strategies, a complete analysis of the possibilities is first carried out by incorporating the cognitive abilities into the network. Once this analysis has been performed, we expose the hypotheses of this thesis related to the use of cognitive capabilities as a useful tool to reduce energy consumption in CWSNs. Once the analyses are exposed, we present the main contribution of this thesis: the two designed strategies for energy consumption reduction based on game theory and cognitive capabilities. The first one is based on a non-cooperative game played between two players in a simple and selfish way. In the second strategy, the concept of collaboration is introduced. Despite the fact that the game used is also a non-cooperative game, the decisions are taken through collaboration. For each strategy, we present the modeled game, the formal analysis of equilibrium and optimum, and the complete strategy describing the interaction between nodes. In order to test the strategies through simulation and implementation in real devices, we have developed a CWSN framework composed by a CWSN simulator based on Castalia and a testbed based on CWSN nodes able to communicate in three different ISM bands. We present and discuss the results derived by the energy optimization strategies. The first strategy brings energy improvement rates of over 65% compared to WSN without cognitive techniques. It also brings energy improvement rates of over 25% compared with sensing strategies for changing channels based on a decision threshold. We have also seen that the algorithm behaves similarly even with significant variations in the level of noise while working in a uniform noise scenario. The collaborative strategy presents improvements respecting the previous strategy in terms of noise protection when the noise scheme is more complex where this strategy shows improvement rates of over 50%.

A Novel Approach to Context-Aware Content-Based Middleware

La computación ubicua está extendiendo su aplicación desde entornos específicos hacia el uso cotidiano; el Internet de las cosas (IoT, en inglés) es el ejemplo más brillante de su aplicación y de la complejidad intrínseca que tiene, en comparación con el clásico desarrollo de aplicaciones. La principal característica que diferencia la computación ubicua de los otros tipos está en como se emplea la información de contexto. Las aplicaciones clásicas no usan en absoluto la información de contexto o usan sólo una pequeña parte de ella, integrándola de una forma ad hoc con una implementación específica para la aplicación. La motivación de este tratamiento particular se tiene que buscar en la dificultad de compartir el contexto con otras aplicaciones. En realidad lo que es información de contexto depende del tipo de aplicación: por poner un ejemplo, para un editor de imágenes, la imagen es la información y sus metadatos, tales como la hora de grabación o los ajustes de la cámara, son el contexto, mientras que para el sistema de ficheros la imagen junto con los ajustes de cámara son la información, y el contexto es representado por los metadatos externos al fichero como la fecha de modificación o la de último acceso. Esto significa que es difícil compartir la información de contexto, y la presencia de un middleware de comunicación que soporte el contexto de forma explícita simplifica el desarrollo de aplicaciones para computación ubicua. Al mismo tiempo el uso del contexto no tiene que ser obligatorio, porque si no se perdería la compatibilidad con las aplicaciones que no lo usan, convirtiendo así dicho middleware en un middleware de contexto. SilboPS, que es nuestra implementación de un sistema publicador/subscriptor basado en contenido e inspirado en SIENA [11, 9], resuelve dicho problema extendiendo el paradigma con dos elementos: el Contexto y la Función de Contexto. El contexto representa la información contextual propiamente dicha del mensaje por enviar o aquella requerida por el subscriptor para recibir notificaciones, mientras la función de contexto se evalúa usando el contexto del publicador y del subscriptor. Esto permite desacoplar la lógica de gestión del contexto de aquella de la función de contexto, incrementando de esta forma la flexibilidad de la comunicación entre varias aplicaciones. De hecho, al utilizar por defecto un contexto vacío, las aplicaciones clásicas y las que manejan el contexto pueden usar el mismo SilboPS, resolviendo de esta forma la incompatibilidad entre las dos categorías. En cualquier caso la posible incompatibilidad semántica sigue existiendo ya que depende de la interpretación que cada aplicación hace de los datos y no puede ser solucionada por una tercera parte agnóstica. El entorno IoT conlleva retos no sólo de contexto, sino también de escalabilidad. La cantidad de sensores, el volumen de datos que producen y la cantidad de aplicaciones que podrían estar interesadas en manipular esos datos está en continuo aumento. Hoy en día la respuesta a esa necesidad es la computación en la nube, pero requiere que las aplicaciones sean no sólo capaces de escalar, sino de hacerlo de forma elástica [22]. Desgraciadamente no hay ninguna primitiva de sistema distribuido de slicing que soporte un particionamiento del estado interno [33] junto con un cambio en caliente, además de que los sistemas cloud actuales como OpenStack u OpenNebula no ofrecen directamente una monitorización elástica. Esto implica que hay un problema bilateral: cómo puede una aplicación escalar de forma elástica y cómo monitorizar esa aplicación para saber cuándo escalarla horizontalmente. E-SilboPS es la versión elástica de SilboPS y se adapta perfectamente como solución para el problema de monitorización, gracias al paradigma publicador/subscriptor basado en contenido y, a diferencia de otras soluciones [5], permite escalar eficientemente, para cumplir con la carga de trabajo sin sobre-provisionar o sub-provisionar recursos. Además está basado en un algoritmo recientemente diseñado que muestra como añadir elasticidad a una aplicación con distintas restricciones sobre el estado: sin estado, estado aislado con coordinación externa y estado compartido con coordinación general. Su evaluación enseña como se pueden conseguir notables speedups, siendo el nivel de red el principal factor limitante: de hecho la eficiencia calculada (ver Figura 5.8) demuestra cómo se comporta cada configuración en comparación con las adyacentes. Esto permite conocer la tendencia actual de todo el sistema, para saber si la siguiente configuración compensará el coste que tiene con la ganancia que lleva en el throughput de notificaciones. Se tiene que prestar especial atención en la evaluación de los despliegues con igual coste, para ver cuál es la mejor solución en relación a una carga de trabajo dada. Como último análisis se ha estimado el overhead introducido por las distintas configuraciones a fin de identificar el principal factor limitante del throughput. Esto ayuda a determinar la parte secuencial y el overhead de base [26] en un despliegue óptimo en comparación con uno subóptimo. Efectivamente, según el tipo de carga de trabajo, la estimación puede ser tan baja como el 10 % para un óptimo local o tan alta como el 60 %: esto ocurre cuando se despliega una configuración sobredimensionada para la carga de trabajo. Esta estimación de la métrica de Karp-Flatt es importante para el sistema de gestión porque le permite conocer en que dirección (ampliar o reducir) es necesario cambiar el despliegue para mejorar sus prestaciones, en lugar que usar simplemente una política de ampliación. ABSTRACT The application of pervasive computing is extending from field-specific to everyday use. The Internet of Things (IoT) is the shiniest example of its application and of its intrinsic complexity compared with classical application development. The main characteristic that differentiates pervasive from other forms of computing lies in the use of contextual information. Some classical applications do not use any contextual information whatsoever. Others, on the other hand, use only part of the contextual information, which is integrated in an ad hoc fashion using an application-specific implementation. This information is handled in a one-off manner because of the difficulty of sharing context across applications. As a matter of fact, the application type determines what the contextual information is. For instance, for an imaging editor, the image is the information and its meta-data, like the time of the shot or camera settings, are the context, whereas, for a file-system application, the image, including its camera settings, is the information and the meta-data external to the file, like the modification date or the last accessed timestamps, constitute the context. This means that contextual information is hard to share. A communication middleware that supports context decidedly eases application development in pervasive computing. However, the use of context should not be mandatory; otherwise, the communication middleware would be reduced to a context middleware and no longer be compatible with non-context-aware applications. SilboPS, our implementation of content-based publish/subscribe inspired by SIENA [11, 9], solves this problem by adding two new elements to the paradigm: the context and the context function. Context represents the actual contextual information specific to the message to be sent or that needs to be notified to the subscriber, whereas the context function is evaluated using the publisher’s context and the subscriber’s context to decide whether the current message and context are useful for the subscriber. In this manner, context logic management is decoupled from context management, increasing the flexibility of communication and usage across different applications. Since the default context is empty, context-aware and classical applications can use the same SilboPS, resolving the syntactic mismatch that there is between the two categories. In any case, the possible semantic mismatch is still present because it depends on how each application interprets the data, and it cannot be resolved by an agnostic third party. The IoT environment introduces not only context but scaling challenges too. The number of sensors, the volume of the data that they produce and the number of applications that could be interested in harvesting such data are growing all the time. Today’s response to the above need is cloud computing. However, cloud computing applications need to be able to scale elastically [22]. Unfortunately there is no slicing, as distributed system primitives that support internal state partitioning [33] and hot swapping and current cloud systems like OpenStack or OpenNebula do not provide elastic monitoring out of the box. This means there is a two-sided problem: 1) how to scale an application elastically and 2) how to monitor the application and know when it should scale in or out. E-SilboPS is the elastic version of SilboPS. I t is the solution for the monitoring problem thanks to its content-based publish/subscribe nature and, unlike other solutions [5], it scales efficiently so as to meet workload demand without overprovisioning or underprovisioning. Additionally, it is based on a newly designed algorithm that shows how to add elasticity in an application with different state constraints: stateless, isolated stateful with external coordination and shared stateful with general coordination. Its evaluation shows that it is able to achieve remarkable speedups where the network layer is the main limiting factor: the calculated efficiency (see Figure 5.8) shows how each configuration performs with respect to adjacent configurations. This provides insight into the actual trending of the whole system in order to predict if the next configuration would offset its cost against the resulting gain in notification throughput. Particular attention has been paid to the evaluation of same-cost deployments in order to find out which one is the best for the given workload demand. Finally, the overhead introduced by the different configurations has been estimated to identify the primary limiting factor for throughput. This helps to determine the intrinsic sequential part and base overhead [26] of an optimal versus a suboptimal deployment. Depending on the type of workload, this can be as low as 10% in a local optimum or as high as 60% when an overprovisioned configuration is deployed for a given workload demand. This Karp-Flatt metric estimation is important for system management because it indicates the direction (scale in or out) in which the deployment has to be changed in order to improve its performance instead of simply using a scale-out policy.

QUAL : A Provenance-Aware Quality Model

The research described here is supported by the award made by the RCUK Digital Economy program to the dot.rural Digital Economy Hub; award reference: EP/G066051/1.

Comment on “Effects of Arsenite during Fetal Development on Energy Metabolism and Susceptibility to Diet-Induced Fatty Liver Diseases in Male Mice” and “Mechanisms Underlying Latent Disease Risk Associated with Early-Life Arsenic Exposure: Current Trends and Scientific Gaps”

Peer reviewed

TRAAC: Trust and Risk Aware Access Control

Postprint

Tethered Monte Carlo: computing the effective potential without critical slowing down

We present Tethered Monte Carlo, a simple, general purpose method of computing the effective potential of the order parameter (Helmholtz free energy). This formalism is based on a new statistical ensemble, closely related to the micromagnetic one, but with an extended configuration space (through Creutz-like demons). Canonical averages for arbitrary values of the external magnetic field are computed without additional simulations. The method is put to work in the two-dimensional Ising model, where the existence of exact results enables us to perform high precision checks. A rather peculiar feature of our implementation, which employs a local Metropolis algorithm, is the total absence, within errors, of critical slowing down for magnetic observables. Indeed, high accuracy results are presented for lattices as large as L = 1024.

Tethered Monte Carlo: computing the effective potential without critical slowing down

We present Tethered Monte Carlo, a simple, general purpose method of computing the effective potential of the order parameter (Helmholtz free energy). This formalism is based on a new statistical ensemble, closely related to the micromagnetic one, but with an extended configuration space (through Creutz-like demons). Canonical averages for arbitrary values of the external magnetic field are computed without additional simulations. The method is put to work in the two-dimensional Ising model, where the existence of exact results enables us to perform high precision checks. A rather peculiar feature of our implementation, which employs a local Metropolis algorithm, is the total absence, within errors, of critical slowing down for magnetic observables. Indeed, high accuracy results are presented for lattices as large as L = 1024.

Orquestração de migração massiva de máquinas virtuais baseada em análise cíclica para ambientes de computação na nuvem.

Um das principais características da tecnologia de virtualização é a Live Migration, que permite que máquinas virtuais sejam movimentadas entre máquinas físicas sem a interrupção da execução. Esta característica habilita a implementação de políticas mais sofisticadas dentro de um ambiente de computação na nuvem, como a otimização de uso de energia elétrica e recursos computacionais. Entretanto, a Live Migration pode impor severa degradação de desempenho nas aplicações das máquinas virtuais e causar diversos impactos na infraestrutura dos provedores de serviço, como congestionamento de rede e máquinas virtuais co-existentes nas máquinas físicas. Diferente de diversos estudos, este estudo considera a carga de trabalho da máquina virtual um importante fator e argumenta que escolhendo o momento adequado para a migração da máquina virtual pode-se reduzir as penalidades impostas pela Live Migration. Este trabalho introduz a Application-aware Live Migration (ALMA), que intercepta as submissões de Live Migration e, baseado na carga de trabalho da aplicação, adia a migração para um momento mais favorável. Os experimentos conduzidos neste trabalho mostraram que a arquitetura reduziu em até 74% o tempo das migrações para os experimentos com benchmarks e em até 67% os experimentos com carga de trabalho real. A transferência de dados causada pela Live Migration foi reduzida em até 62%. Além disso, o presente introduz um modelo que faz a predição do custo da Live Migration para a carga de trabalho e também um algoritmo de migração que não é sensível à utilização de memória da máquina virtual.

Um método de otimização da relação desempenho/consumo de energia para arquiteturas multi-cores heterogêneas em FPGA

Devido às tendências de crescimento da quantidade de dados processados e a crescente necessidade por computação de alto desempenho, mudanças significativas estão acontecendo no projeto de arquiteturas de computadores. Com isso, tem-se migrado do paradigma sequencial para o paralelo, com centenas ou milhares de núcleos de processamento em um mesmo chip. Dentro desse contexto, o gerenciamento de energia torna-se cada vez mais importante, principalmente em sistemas embarcados, que geralmente são alimentados por baterias. De acordo com a Lei de Moore, o desempenho de um processador dobra a cada 18 meses, porém a capacidade das baterias dobra somente a cada 10 anos. Esta situação provoca uma enorme lacuna, que pode ser amenizada com a utilização de arquiteturas multi-cores heterogêneas. Um desafio fundamental que permanece em aberto para estas arquiteturas é realizar a integração entre desenvolvimento de código embarcado, escalonamento e hardware para gerenciamento de energia. O objetivo geral deste trabalho de doutorado é investigar técnicas para otimização da relação desempenho/consumo de energia em arquiteturas multi-cores heterogêneas single-ISA implementadas em FPGA. Nesse sentido, buscou-se por soluções que obtivessem o melhor desempenho possível a um consumo de energia ótimo. Isto foi feito por meio da combinação de mineração de dados para a análise de softwares baseados em threads aliadas às técnicas tradicionais para gerenciamento de energia, como way-shutdown dinâmico, e uma nova política de escalonamento heterogeneity-aware. Como principais contribuições pode-se citar a combinação de técnicas de gerenciamento de energia em diversos níveis como o nível do hardware, do escalonamento e da compilação; e uma política de escalonamento integrada com uma arquitetura multi-core heterogênea em relação ao tamanho da memória cache L1.