On Energy Efficient Computing Platforms

In accordance with the Moore's law, the increasing number of on-chip integrated transistors has enabled modern computing platforms with not only higher processing power but also more affordable prices. As a result, these platforms, including portable devices, work stations and data centres, are becoming an inevitable part of the human society. However, with the demand for portability and raising cost of power, energy efficiency has emerged to be a major concern for modern computing platforms. As the complexity of on-chip systems increases, Network-on-Chip (NoC) has been proved as an efficient communication architecture which can further improve system performances and scalability while reducing the design cost. Therefore, in this thesis, we study and propose energy optimization approaches based on NoC architecture, with special focuses on the following aspects. As the architectural trend of future computing platforms, 3D systems have many bene ts including higher integration density, smaller footprint, heterogeneous integration, etc. Moreover, 3D technology can signi cantly improve the network communication and effectively avoid long wirings, and therefore, provide higher system performance and energy efficiency. With the dynamic nature of on-chip communication in large scale NoC based systems, run-time system optimization is of crucial importance in order to achieve higher system reliability and essentially energy efficiency. In this thesis, we propose an agent based system design approach where agents are on-chip components which monitor and control system parameters such as supply voltage, operating frequency, etc. With this approach, we have analysed the implementation alternatives for dynamic voltage and frequency scaling and power gating techniques at different granularity, which reduce both dynamic and leakage energy consumption. Topologies, being one of the key factors for NoCs, are also explored for energy saving purpose. A Honeycomb NoC architecture is proposed in this thesis with turn-model based deadlock-free routing algorithms. Our analysis and simulation based evaluation show that Honeycomb NoCs outperform their Mesh based counterparts in terms of network cost, system performance as well as energy efficiency.

Experimental analysis of the flow between stay and guide vanes of a pump-turbine in pumping mode

An experimental study was conducted in a pump-turbine model in pumping mode, in order to characterize the flow field structure in the region between stay and guide vanes, using mainly the laser-Doppler anemometry in a two-color and back-scattered light-based system. The structure of the steady and unsteady flow was analyzed. The measurements were performed at three operation points. The obtained data provide appropriate boundary conditions and a good base of validation for numerical codes, and for the understanding of main loss mechanisms of this complex flow.

Kassavirtojen ennustaminen projektilähtöisessä liiketoiminnassa

Työn tavoitteena oli vastata ensisijaisesti kysymykseen, voidaanko projektiliiketoiminnan kassavirtoja ennustaa 3-15 kuukauden aikavälillä ja jos voidaan, niin miten ja millä tarkkuudella. Tutkimus toteutettiin teoriatutkimuksena aihepiiristä ja tutkimuksen pohjalta luotiin malli kassavirtojen ennustamiseen kohdeyritykselle 3-15 kuukauden aikavälille. Mallin laatimiseksi oli hyödynnettävissä viiden vuoden aineistot kohdeyrityksen kassavirroista, budjetista ja liiketoiminnan toteumatiedoista. Työn teoriaosiossa tutkittiin kirjallisuuden pohjalta projektiliiketoimintaa, budjetointia sekä kassavirtoja ja niiden ennustamista. Tämän jälkeen teorian pohjalta rakennettiin kohdeyritykselle historiatietoihin perustuva malli kassavirtojen ennustamiseksi. Mallia rakennettaessa määritettiin ensimmäiseksi merkittävimmät kassavirran komponentit, minkä jälkeen niille laadittiin ennustemenetelmät. Samalla arvioitiin millä tarkkuudella projektilähtöisen liiketoiminnan kassavirtoja pystytään ennustamaan. Tutkimuksen tuloksena oli historiatietoihin pohjautuva ennustemalli kohdeyritykselle. Mallilla tehtyjen testien pohjalta voitiin todeta, että projektilähtöisen liiketoiminnan kassavirtoja pystytään ennustamaan melko hyvällä tarkkuudella, ennustaminen ei kuitenkaan ole niin luotettavaa, kuin jos ennustettaisiin tasaisemmin kehittyvän liiketoiminnan kassavirtoja. Historiaan pohjautuvaa mallia käytettäessä pitää myös muistaa, että mikään ei takaa historian toistumista tulevaisuudessa.

Envia – a repository for environmental information access and discovery

Poster at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Learning from projects: a qualitative metasummary

The objective of this thesis was to form an understanding about the common gaps in learning from projects, as well as possible approaches to bridging them. In the research focus were the questions on how project teams create knowledge, which fac- tors affect the capture and re-use of this knowledge and how organizations can best capture and utilize this project-based knowledge. The method used was qualitative metasummary, a literature-based research method that has previously been mainly applied in the domains of nursing and health care research. The focus was laid on firms conducting knowledge-intensive business in some form of matrix organization. The research produced a theoretical model of knowledge creation in projects as well as a typology of factors affecting transfer of project-based knowledge. These include experience, culture and leadership, planning and controlling, relationships, project review and documentation. From these factors, suggestions could be derived as to how organizations should conduct projects in order not to lose what has been learned.

Rigorous development of safety-critical systems

Nowadays, computer-based systems tend to become more complex and control increasingly critical functions affecting different areas of human activities. Failures of such systems might result in loss of human lives as well as significant damage to the environment. Therefore, their safety needs to be ensured. However, the development of safety-critical systems is not a trivial exercise. Hence, to preclude design faults and guarantee the desired behaviour, different industrial standards prescribe the use of rigorous techniques for development and verification of such systems. The more critical the system is, the more rigorous approach should be undertaken. To ensure safety of a critical computer-based system, satisfaction of the safety requirements imposed on this system should be demonstrated. This task involves a number of activities. In particular, a set of the safety requirements is usually derived by conducting various safety analysis techniques. Strong assurance that the system satisfies the safety requirements can be provided by formal methods, i.e., mathematically-based techniques. At the same time, the evidence that the system under consideration meets the imposed safety requirements might be demonstrated by constructing safety cases. However, the overall safety assurance process of critical computerbased systems remains insufficiently defined due to the following reasons. Firstly, there are semantic differences between safety requirements and formal models. Informally represented safety requirements should be translated into the underlying formal language to enable further veri cation. Secondly, the development of formal models of complex systems can be labour-intensive and time consuming. Thirdly, there are only a few well-defined methods for integration of formal verification results into safety cases. This thesis proposes an integrated approach to the rigorous development and verification of safety-critical systems that (1) facilitates elicitation of safety requirements and their incorporation into formal models, (2) simplifies formal modelling and verification by proposing specification and refinement patterns, and (3) assists in the construction of safety cases from the artefacts generated by formal reasoning. Our chosen formal framework is Event-B. It allows us to tackle the complexity of safety-critical systems as well as to structure safety requirements by applying abstraction and stepwise refinement. The Rodin platform, a tool supporting Event-B, assists in automatic model transformations and proof-based verification of the desired system properties. The proposed approach has been validated by several case studies from different application domains.

Semantic and fuzzy modelling for human behaviour recognition in smart spaces : a case study on ambient assisted living.

Human activity recognition in everyday environments is a critical, but challenging task in Ambient Intelligence applications to achieve proper Ambient Assisted Living, and key challenges still remain to be dealt with to realize robust methods. One of the major limitations of the Ambient Intelligence systems today is the lack of semantic models of those activities on the environment, so that the system can recognize the speci c activity being performed by the user(s) and act accordingly. In this context, this thesis addresses the general problem of knowledge representation in Smart Spaces. The main objective is to develop knowledge-based models, equipped with semantics to learn, infer and monitor human behaviours in Smart Spaces. Moreover, it is easy to recognize that some aspects of this problem have a high degree of uncertainty, and therefore, the developed models must be equipped with mechanisms to manage this type of information. A fuzzy ontology and a semantic hybrid system are presented to allow modelling and recognition of a set of complex real-life scenarios where vagueness and uncertainty are inherent to the human nature of the users that perform it. The handling of uncertain, incomplete and vague data (i.e., missing sensor readings and activity execution variations, since human behaviour is non-deterministic) is approached for the rst time through a fuzzy ontology validated on real-time settings within a hybrid data-driven and knowledgebased architecture. The semantics of activities, sub-activities and real-time object interaction are taken into consideration. The proposed framework consists of two main modules: the low-level sub-activity recognizer and the high-level activity recognizer. The rst module detects sub-activities (i.e., actions or basic activities) that take input data directly from a depth sensor (Kinect). The main contribution of this thesis tackles the second component of the hybrid system, which lays on top of the previous one, in a superior level of abstraction, and acquires the input data from the rst module's output, and executes ontological inference to provide users, activities and their in uence in the environment, with semantics. This component is thus knowledge-based, and a fuzzy ontology was designed to model the high-level activities. Since activity recognition requires context-awareness and the ability to discriminate among activities in di erent environments, the semantic framework allows for modelling common-sense knowledge in the form of a rule-based system that supports expressions close to natural language in the form of fuzzy linguistic labels. The framework advantages have been evaluated with a challenging and new public dataset, CAD-120, achieving an accuracy of 90.1% and 91.1% respectively for low and high-level activities. This entails an improvement over both, entirely data-driven approaches, and merely ontology-based approaches. As an added value, for the system to be su ciently simple and exible to be managed by non-expert users, and thus, facilitate the transfer of research to industry, a development framework composed by a programming toolbox, a hybrid crisp and fuzzy architecture, and graphical models to represent and con gure human behaviour in Smart Spaces, were developed in order to provide the framework with more usability in the nal application. As a result, human behaviour recognition can help assisting people with special needs such as in healthcare, independent elderly living, in remote rehabilitation monitoring, industrial process guideline control, and many other cases. This thesis shows use cases in these areas.

Readout architectures for hybrid pixel detector readout chips

The original contribution of this thesis to knowledge are novel digital readout architectures for hybrid pixel readout chips. The thesis presents asynchronous bus-based architecture, a data-node based column architecture and a network-based pixel matrix architecture for data transportation. It is shown that the data-node architecture achieves readout efficiency 99% with half the output rate as a bus-based system. The network-based solution avoids “broken” columns due to some manufacturing errors, and it distributes internal data traffic more evenly across the pixel matrix than column-based architectures. An improvement of > 10% to the efficiency is achieved with uniform and non-uniform hit occupancies. Architectural design has been done using transaction level modeling (TLM) and sequential high-level design techniques for reducing the design and simulation time. It has been possible to simulate tens of column and full chip architectures using the high-level techniques. A decrease of > 10 in run-time is observed using these techniques compared to register transfer level (RTL) design technique. Reduction of 50% for lines-of-code (LoC) for the high-level models compared to the RTL description has been achieved. Two architectures are then demonstrated in two hybrid pixel readout chips. The first chip, Timepix3 has been designed for the Medipix3 collaboration. According to the measurements, it consumes < 1 W/cm^2. It also delivers up to 40 Mhits/s/cm^2 with 10-bit time-over-threshold (ToT) and 18-bit time-of-arrival (ToA) of 1.5625 ns. The chip uses a token-arbitrated, asynchronous two-phase handshake column bus for internal data transfer. It has also been successfully used in a multi-chip particle tracking telescope. The second chip, VeloPix, is a readout chip being designed for the upgrade of Vertex Locator (VELO) of the LHCb experiment at CERN. Based on the simulations, it consumes < 1.5 W/cm^2 while delivering up to 320 Mpackets/s/cm^2, each packet containing up to 8 pixels. VeloPix uses a node-based data fabric for achieving throughput of 13.3 Mpackets/s from the column to the EoC. By combining Monte Carlo physics data with high-level simulations, it has been demonstrated that the architecture meets requirements of the VELO (260 Mpackets/s/cm^2 with efficiency of 99%).

Yritysvalmennuksen onnistumiset ja kehittämiskohteet Case: Start-up & Spin-off Factory -projekti

Tässä työssä tarkastellaan Start-up & Spin-off Factory -projektissa, pääsääntöisesti Kymenlaaksossa toimiville, yrittäjille suunnattua ja toteutettua yritysvalmennusohjelmaa. Työssä selvitetään ja käsitellään Start-up & Spin-off -projektin yritysvalmennuksen onnistumisia ja kehittämiskohteita sähköisen kyselyn sekä teemahaastatteluiden pohjalta. Start-up & Spin-off Factory -projektissa tuettiin innovatiivisten yritysten (21 yritystä) kasvua kiihdytysohjelmalla, jossa kokeneet sarjayrittäjät valmensivat uutta yritystä perustavia tai jo yritystoiminnan aloittaneita yrittäjiä, joiden tuotteille/palveluille haluttiin saada kasvua. Projektin tavoitteena oli edistää erityisesti kiihdytettävien yritysten nopeaa kansainvälistymistä auttamalla yrittäjiä pilottien, asiakkaiden, partnerien ja rahoituksen hankinnassa. Valmennettavat kokivat saaneensa lisäarvoa valmennuksesta omaksumalla uusia näkökulmia. He kokivat koulutuksen tuoneen yrityksen toimintaan lisää nöyrää asennetta ja lujaa uskoa tulevaisuuteen. Vertaistuen osuutta sekä verkostojen lisääntymisen mukana tullutta uusien kontaktien määrää pidettiin myönteisenä asiana. Vastausten perusteella valmennus selkeytti valmennettavien ymmärrystä liiketoiminnan kehittämisestä. Hissipuheen teko ja harjoittelu koettiin tärkeäksi ja jännittäväksi. Valmennus vahvisti luottamusta omaan tuotteeseen ja palveluun. Valmennuksen painottuminen ICT-alan firmoihin merkitsi valmennuksessa sitä, että teoriat ja esimerkit tulivat useasti tältä alalta. Toimialojen eroavaisuus tulisi huomioida valmennuksessa opetussisältöjen ja esimerkkien osalta. Kyselyn ja haastatteluiden mukaan valmentajien asiantuntemukseen oltiin tyytyväisiä. Lisäksi onnistuneena osa-alueena koettiin valmennuksen käytännön järjestelyjä. Kehitettävää puolestaan oli opetusmateriaalien, opetusmenetelmien ja koulutuksen keston suhteen. Kysyttäessä valmennuksen hyvistä ja huonoista puolista olivat vastaajat sitä mieltä, että valmennuksessa oli hyvä ilmapiiri ja valmennus oli käytännönläheistä. Pienryhmävalmennusta pidettiin hyvänä asiana, samoin kuin henkilökohtaistamista.

Introduction to engineering : a case study of an interdisciplinary course in Mathematics, Science and Technology

This thesis research was a qualitative case study of a single class of Interdisciplinary Studies: Introduction to Engineering taught in a secondary school. The study endeavoured to explore students' experiences in and perceptions of the course, and to investigate the viability of engineering as an interdisciplinary theme at the secondary school level. Data were collected in the form of student questionnaires, the researcher's observations and reflections, and artefacts representative of students' work. Data analysis was performed by coding textual data and classifying text segments into common themes. The themes that emerged from the data were aligned with facets of interdisciplinary study, including making connections, project-based learning, and student engagement and affective outcomes. The findings of the study showed that students were positive about their experiences in the course, and enjoyed its project-driven nature. Content from mathematics, physics, and technological design was easily integrated under the umbrella of engineering. Students felt that the opportunity to develop problem solving and teamwork skills were two of the most important aspects of the course and could be relevant not only for engineering, but for other disciplines or their day-to-day lives after secondary school. The study concluded that engineering education in secondary school can be a worthwhile experience for a variety of students and not just those intending postsecondary study in engineering. This has implications for the inclusion of engineering in the secondary school curriculum and can inform the practice of curriculum planners at the school, school board, and provincial levels. Suggested directions for further research include classroom-based action research in the areas of technological education, engineering education in secondary school, and interdisciplinary education.

Moranapho : apprentissage non supervisé de la morphologie d'une langue par généralisation de relations analogiques

Récemment, nous avons pu observer un intérêt grandissant pour l'application de l'analogie formelle à l'analyse morphologique. L'intérêt premier de ce concept repose sur ses parallèles avec le processus mental impliqué dans la création de nouveaux termes basée sur les relations morphologiques préexistantes de la langue. Toutefois, l'utilisation de ce concept reste tout de même marginale due notamment à son coût de calcul élevé.Dans ce document, nous présenterons le système à base de graphe Moranapho fondé sur l'analogie formelle. Nous démontrerons par notre participation au Morpho Challenge 2009 (Kurimo:10) et nos expériences subséquentes, que la qualité des analyses obtenues par ce système rivalise avec l'état de l'art. Nous analyserons aussi l'influence de certaines de ses composantes sur la qualité des analyses morphologiques produites. Nous appuierons les conclusions tirées de nos analyses sur des théories bien établies dans le domaine de la linguistique. Ceci nous permet donc de fournir certaines prédictions sur les succès et les échecs de notre système, lorsqu'appliqué à d'autres langues que celles testées au cours de nos expériences.

Le repérage automatique des entités nommées dans la langue arabe : vers la création d'un système à base de règles

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Pédagogie par projet et intégration des TIC : quel impact sur la motivation scolaire ?

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Traduction statistique vers une langue à morphologie riche : combinaison d’algorithmes de segmentation morphologique et de modèles statistiques de traduction automatique

Les systèmes statistiques de traduction automatique ont pour tâche la traduction d’une langue source vers une langue cible. Dans la plupart des systèmes de traduction de référence, l'unité de base considérée dans l'analyse textuelle est la forme telle qu’observée dans un texte. Une telle conception permet d’obtenir une bonne performance quand il s'agit de traduire entre deux langues morphologiquement pauvres. Toutefois, ceci n'est plus vrai lorsqu’il s’agit de traduire vers une langue morphologiquement riche (ou complexe). Le but de notre travail est de développer un système statistique de traduction automatique comme solution pour relever les défis soulevés par la complexité morphologique. Dans ce mémoire, nous examinons, dans un premier temps, un certain nombre de méthodes considérées comme des extensions aux systèmes de traduction traditionnels et nous évaluons leurs performances. Cette évaluation est faite par rapport aux systèmes à l’état de l’art (système de référence) et ceci dans des tâches de traduction anglais-inuktitut et anglais-finnois. Nous développons ensuite un nouvel algorithme de segmentation qui prend en compte les informations provenant de la paire de langues objet de la traduction. Cet algorithme de segmentation est ensuite intégré dans le modèle de traduction à base d’unités lexicales « Phrase-Based Models » pour former notre système de traduction à base de séquences de segments. Enfin, nous combinons le système obtenu avec des algorithmes de post-traitement pour obtenir un système de traduction complet. Les résultats des expériences réalisées dans ce mémoire montrent que le système de traduction à base de séquences de segments proposé permet d’obtenir des améliorations significatives au niveau de la qualité de la traduction en terme de le métrique d’évaluation BLEU (Papineni et al., 2002) et qui sert à évaluer. Plus particulièrement, notre approche de segmentation réussie à améliorer légèrement la qualité de la traduction par rapport au système de référence et une amélioration significative de la qualité de la traduction est observée par rapport aux techniques de prétraitement de base (baseline).

Développement d’un modèle centré sur l’individu des déplacements du caribou, du loup et de l’orignal, et de leurs interactions, en forêt boréale aménagée

Le caribou forestier est une espèce menacée au Canada, la principale hypothèse au déclin des populations étant l’intensification de la prédation provoquée par les perturbations anthropiques du paysage. Afin de faire face à cette situation, il est nécessaire d’étudier et comprendre l’impact de l’environnement sur les interactions prédateur-proies entre le caribou et le loup, ainsi qu’avec l’orignal, qui est sa principale proie alternative. Pour cela, cette thèse présente la conception d’un modèle centré sur l’individu des déplacements de ces trois espèces en fonction de leur environnement, dont résulteront les interactions prédateur-proies. Afin de permettre l’application de ce modèle sur de longues périodes, et donc pour un environnement changeant, une méthodologie a été développée, qui s’articule atour de deux aspects principaux. Tout d’abord, la notion de niveaux d’émergence est introduite, permettant d’ordonner les comportements observables du système selon leurs interdépendances, afin de choisir comme trait du modèle un com- portement correspondant au domaine d’applicabilité visé. Ordonner les comportements selon leurs niveaux d’émergence permet également d’identifier la redondance entre les patrons, qui peut être à l’origine d’un phénomène de sur-apprentissage lorsqu’ils sont utilisés lors de la calibration. Dans un second temps, un nouveau protocole pour la calibration et la validation du ou des traits choisis à l’aide des niveaux d’émergence, nommé réplication de système basé sur l’individu (Individual Based System Replication - IBSRtion) est également présenté. Ce protocole met l’emphase sur la modélisation directe, contrairement au principal protocole existant, la modélisation orientée patrons (Pattern Oriented Modelling - POM), et permet une approche empirique en générant artificiellement des données non disponibles ou ne pouvant être récoltées par des études de terrains. IBSRtion a également l’avantage de pouvoir être intégrée dans POM, afin de contribuer à la création d’une méthodologie universelle pour la conception de modèles centrés sur l’individu. Le processus de conception de ce modèle aura entre autre permis de faire une synthèse des connaissances et d’identifier certaines lacunes. Une étude visant à palier le manque de connaissances satisfaisantes sur les réponses comportementales à court-terme des proies face au risque de prédation a notamment permis d’observer que celles-ci sont une combinaison de comportements chroniques et éphémères, et que les mécanismes qui en sont à l’origine sont complexes et non-linéaires. Le résultat de ce travail est un modèle complexe utilisant de nombreux sous-modèles, et calibré de façon empirique, applicable à une grande variété d’environnements. Ce modèle a permis de tester l’impact de l’enfeuillement sur les relations prédateur-proies. Des simulations ont été effectuées pour différentes quantités d’enfeuillement, suivant deux configurations spatiales différentes. Les résultats de simulation suggèrent que des plans d’aménagement considérant également l’habitat de l’orignal pourraient être bénéfiques pour le caribou forestier, car ils permettraient d’améliorer la ségrégation spatiale entre les deux espèces, et donc entre le caribou et le loup. En le couplant avec un module de naissances et de morts naturelles ainsi qu’un modèle d’évolution du paysage, ce modèle permettra par la suite d’évaluer l’impact de plans d’aménagement forestier sur la viabilité des populations de caribou forestier.