High performance and energy-efficient instruction cache design and optimisation for ultra-low-power multi-core clusters

High Energy efficiency and high performance are the key regiments for Internet of Things (IoT) end-nodes. Exploiting cluster of multiple programmable processors has recently emerged as a suitable solution to address this challenge. However, one of the main bottlenecks for multi-core architectures is the instruction cache. While private caches fall into data replication and wasting area, fully shared caches lack scalability and form a bottleneck for the operating frequency. Hence we propose a hybrid solution where a larger shared cache (L1.5) is shared by multiple cores connected through a low-latency interconnect to small private caches (L1). However, it is still limited by large capacity miss with a small L1. Thus, we propose a sequential prefetch from L1 to L1.5 to improve the performance with little area overhead. Moreover, to cut the critical path for better timing, we optimized the core instruction fetch stage with non-blocking transfer by adopting a 4 x 32-bit ring buffer FIFO and adding a pipeline for the conditional branch. We present a detailed comparison of different instruction cache architectures' performance and energy efficiency recently proposed for Parallel Ultra-Low-Power clusters. On average, when executing a set of real-life IoT applications, our two-level cache improves the performance by up to 20% and loses 7% energy efficiency with respect to the private cache. Compared to a shared cache system, it improves performance by up to 17% and keeps the same energy efficiency. In the end, up to 20% timing (maximum frequency) improvement and software control enable the two-level instruction cache with prefetch adapt to various battery-powered usage cases to balance high performance and energy efficiency.

Sustainable exploitation of offshore renewable energy sources

Energy transition is the response of humankind to the concerning effects of fossil fuels depletion, climate change and energy insecurity, and calls for a deep penetration of renewable energy sources (RESs) in power systems and industrial processes. Despite the high potentials, low impacts and long-term availability, RESs present some limits which need to be overcome, such as the strong variability and difficult predictability, which result in scarce reliability and difficult applicability in steady-state processes. Some technological solutions relate to energy storage systems, equipment electrification and hybrid systems deployment, thus accomplishing distributed generation even in remote sites as offshore. However, all of these actions cannot disregard sustainability, which represents a founding principle for any project, bringing together economics, reliability and environmental protection. To entail sustainability in RESs-based innovative projects, previous knowledge and tools are often not tailored or miss the novel objectives. This research proposes three methodological approaches, bridging the gaps. The first contribute adapts literature-based indicators of inherent safety and energy efficiency to capture the specificities of novel process plants and hybrid systems. Minor case studies dealing with novel P2X processes exemplify the application of these novel indicators. The second method guides the conceptual design of hybrid systems for the valorisation of a RES in a site, by considering the sustainability performances of alternative design options. Its application is demonstrated through the comparison of two offshore sites where wave energy can be valorised. Finally, “OHRES”, a comprehensive tool for the sustainable optimisation of hybrid renewable energy systems is proposed. “OHRES” hinges on the exploitation of multiple RESs, by converting ex-post sustainability indicators into discrimination markers screening a large number of possible system configurations, according to the location features. Five case studies demonstrate “OHRES” versatility in the sustainable valorisation of multiple RESs.

L'edilizia residenziale nell'era dell'economia circolare. Modelli e paradigmi per la rigenerazione delle periferie urbane

Il patrimonio residenziale italiano ammonta a 12,2 milioni di edifici, di cui il 57,5% ha più di 50 anni ed è stato costruito in assenza di normative specifiche, in termini di sicurezza sismica, resistenza al fuoco, efficienza energetica e accessibilità, e manifesta un’avanzata obsolescenza. Agire su questo patrimonio significa operare tramite le due macro categorie di intervento: demolizione/ricostruzione o riqualificazione energetica. Questa ricerca dottorale vuole indagare la demolizione/ricostruzione di comparti urbani periferici, costruiti tra 1945-1965, quale strategia di rigenerazione urbana, integrandola in un modello edilizio basato sui criteri dell’economia circolare. Vengono definite le caratteristiche costruttive e i principi di questo modello di progettazione ecosistemica, denominato Integrho, che coniuga i criteri di ecodesign nel ciclo di vita (Building in Layers, Design for Disassembly e il Design out Waste) con quelli di bioclimaticità e di adattabilità funzionale. Il lavoro è stato improntato secondo due livelli gerarchici, scala urbana e scala edilizia, tra loro correlate mediante quella intermedia dell’isolato, al fine di ottenere un obiettivo di natura metodologica: definire uno strumento di supporto decisionale, capace di indirizzare tra le categorie di intervento attraverso parametri oggettivi, valutati con analisi comparative speditive. Tale metodologia viene applicata al contesto di Bologna, e si fonda sulla creazione di un’approfondita base conoscitiva attraverso la catalogazione delle 8.209 pratiche edilizie di nuova costruzione presentate tra 1945 e il 1965. Tale strumento georeferenziato, contenente informazioni tipologiche, costruttive ecc., è impiegato per valutare in modo quantitativo e speditivo i consumi energetici, i materiali incorporati, gli impatti ambientali e i costi economici dei differenti scenari di intervento nel ciclo di vita. Infine, l’applicazione del modello edilizio Integrho e del paradigma Ri-Costruire per Ri-Generare ad uno degli isolati periferici selezionati, è impiegata come esemplificazione dell’intero processo, dalla fase conoscitiva a quella strumentale, al fine di verificarne l’attendibilità e l’applicabilità su larga scala.

Efeitos de dietas contendo Leucaena leucocephala e Saccharomyces cerevisiae sobre a fermentação ruminal e a emissão de gás metano em bovinos

Este trabalho foi realizado com o objetivo de avaliar os efeitos do uso de leucena e levedura em dietas para bovinos sobre o metabolismo ruminal, incluindo o pH e as produções de ácido graxos voláteis (AGV), amônia e gás metano. Quatro bovinos machos com 800 kg e fistulados no rúmen foram mantidos em quadrado latino 4 × 4, em arranjo fatorial 2 × 2, composto de dois níveis de leucena (20 e 50% MS) e feno de capim coast-cross na presença ou ausência de levedura. Não houve influência das dietas nos valores médios de pH (média 6,82) e nas concentrações de amônia no rúmen, que variaram de 18 a 21 mg/100 mL. Houve interação entre níveis de leucena e levedura na concentração total de AGV. As dietas não diferiram quanto à concentração de ácido acético, mas os animais alimentados com a dieta com 50% de leucena e contendo levedura apresentaram maiores concentrações médias de ácido propiônico (média 19,14 mM). A emissão de metano reduziu em12,3% em relação à mesma dieta sem levedura e em 17,2% quando os animais foram alimentados com 20% de leucena com levedura. Verificou-se efeito associativo de leucena, quando fornecida em alto nível na dieta (50% MS), e levedura na redução da emissão de metano e na melhoria no padrão de fermentação no rúmen, o que pode reduzir as perdas de energia e melhorar eficiência energética do animal.

Crise financeira, energia e sustentabilidade no Brasil

A recente crise financeira global traz consigo efeitos como a redução da atividade econômica e, consequentemente, do consumo de energia. Essa pode ser uma importante oportunidade para reorganizar o sistema energético em bases mais sólidas e sustentáveis: a eficiência, a maior participação das fontes renováveis e a descentralização da produção de energia. O Brasil e outros países em desenvolvimento podem aproveitar a experiência dos países desenvolvidos em eficiência energética, complementando com um programa vigoroso em energias renováveis, particularmente as "modernas" (eólica, solar, biomassa e pequenas hidrelétricas). Entretanto, preocupa o cenário inercial nacional, baseado num aumento da participação das fontes fósseis de energia na matriz, na priorização dos recursos à exploração de petróleo e gás natural e na manutenção de padrões insustentáveis de produção e consumo.

Quantification of the environmental impacts of road conditions in Brazil

This study evaluates the impacts of Brazilian highway conditions on fuel consumption and, consequently, on carbon dioxide (COO emissions. For the purpose of this study, highway conditions refer to the level of highway maintenance: the incidence of large potholes, large surface cracks, uneven sections, and debris. Primary computer collected data related to the fuel consumption of three types of trucks were analyzed. The data were derived from 88 trips taken over six routes, each route representative of one of two highway conditions: better or worse. Study results are initially presented for each type of truck being monitored. The results are then aggregated to approximate the entire Brazilian highway network. In all cases, results confirmed environmental benefits resulting from travel over the better routes. There was found to be an increase in energy efficiency from traveling better roads, which resulted in lower fuel consumption and lower CO(2) emissions. Statistical analysis of the results suggests that, in general, fuel consumption data were significant at *P < 0.05, rejecting the null hypothesis that average fuel consumption from traveling the better routes is statistically equal to average fuel consumption from traveling the worse routes. Improved Brazilian road conditions would generate economic benefits, reduce dependency on and consumption of fossil fuels (due to the increase in energy efficiency), and reduce CO(2) emissions. These findings may have additional relevancy if Brazil needs to reduce carbon dioxide emissions to reach future Kyoto Protocol`s emissions targets, which should take effect in January 2013. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Least-Cost Planning and electricity industry reform in Australia

Least-Cost Planning played a key role in the development of the energy efficiency and renewable energy industries in the USA, It has not been widely used elsewhere, largely due to differences in other nations' regulatory environments and the emergence of competitive markets as the dominant paradigm for electricity planning, Least-Cost Planning, however may over valuable insights for creating regulatory framework for competitive electricity markers. This paper examines some lessons which may be extracted from an analysis of the Least-Cost Planning experience in the USA and suggests how these lessons might prove beneficial in guiding Australia's electricity industry reform, This analysis demonstrates how market-based reforms may be flawed if they ignore the history of previous reform processes.

Consumo energético e eficiência da marcha com dois modelos de joelhos protésicos: estudo de caso

Introdução – Os componentes protésicos têm um papel fundamental na eficiência energética da marcha dos indivíduos amputados. Esta é uma área de conhecimento ainda em desenvolvimento, onde a investigação desempenha um papel central. Objectivos – Comparar e analisar o efeito de dois joelhos protésicos, 3R34, monocêntrico modular, de fricção constante, com auxiliar de extensão incorporado (A) e 3R92, monocêntrico modular, com travão de fricção e controlo pneumático da fase de balanço (B) no consumo energético e eficiência da marcha. Metodologia – Um indivíduo do sexo masculino de 27 anos, com amputação transfemural longa, foi sujeito a um protocolo submáximo de avaliação da resposta ao exercício em passadeira rolante (H/P/Cosmos(R) Mercury), através de um sistema de análise de gases breath‑by‑breath (Cosmed Quark PFT Ergo). Foi efetuado o mesmo protocolo com intervalo de dois dias, primeiro utilizando o joelho A e depois o B. As variáveis analisadas foram o consumo de O2 (VO2), o equivalente metabólico (MET) e a eficiência energética da marcha (Quociente de VO2 esperado de um individuo saudável e o VO2 do individuo em estudo). O esforço percecionado foi medido com a escala RPE de Borg. Resultados – O consumo energético com o joelho A (24,2 ml O2/kg/min; 6,9 MET) foi inferior ao obtido com o joelho B (28,68 ml O2/kg/min; 8,2 MET). A eficiência energética da marcha foi mais elevada para o joelho A (43%) do que para o joelho B (39%). Conclusão – A utilização do joelho A na prótese do indivíduo em estudo resulta numa marcha de menor consumo energético e maior eficiência. No entanto, este valor poderá estar influenciado pelo curto período de adaptação ao joelho B, sendo necessários mais estudos para confirmar os resultados do estudo e a influência deste fator. ABSTRACT - Background – Prosthetic components have a crucial role in the energy efficiency of amputee’s gait. This is an area of knowledge still in development, where research plays a central role. Objective – The purpose of this case study is to compare the impact in energy consumption of two prosthetic knees, titanium single‑axis constant friction knee joint with internal extension assist, 3R34 (A) and a single‑axis pneumatic swing phase control, 3R92 (B). Methodology – The participant was a transtibial amputee, male, with 27 years old, with no other clinical or functional impairments. To measure the energy expenditure a submaximal treadmill (H/P/Cosmos(R) Mercury) exercise stress test combined with a breath‑by‑breath analysis system (Cosmed Quark PFT Ergo) was used. The same test was applied to both knees, separated by two days. The analyzed variables were O2 consumption (VO2), metabolic equivalent (MET) and gait efficiency (VO2 ratio expected from a healthy individual and the studied individual). A rate of perceived exertion (Borg’s Scale) was used. Results – The results were favorable to knee A (24.2 ml O2/kg/min; 6.9 MET, 43% efficiency) compared with knee B (28.68 ml O2/kg/min; 8.2 MET, 39% efficiency). Conclusion – In this case, a less energy consumption gait corresponds to the prosthesis with knee A. These values may be influenced by the short adaptation period with knee B, so it’s necessary to perform more studies to confirm the previous results and to understand the truly impact of correct adaptation factor to the best prosthetics components for different patients.

Controlo de um gerador hidroeléctrico utilizado na recuperação de energia numa conduta de abastecimento de água

O presente trabalho pretende contribuir para a melhoria da eficiência dos sistemas de transporte e distribuição de água, possível de conseguir através da recuperação de energia potencial que, em certas situações, existe em excesso em condutas gravíticas. Sendo uma questão já abordada em diversos estudos, as poupanças de energia a que poderá conduzir, justificam a análise de todas as oportunidades, em especial no nosso País, cuja dependência energética do exterior é bem conhecida. Todavia, a implementação de soluções que recorrem à instalação de turbinas em condutas de abastecimento de água, causam naturalmente alguma apreensão às respectivas entidades gestoras, uma vez que pode pôr em causa a integridade das condutas e, em consequência, o abastecimento de água. Neste contexto, o estudo de modelos de controlo específicos para os referidos equipamentos poderá ser um contributo para a implementação mais alargada das soluções de melhoria da eficiência de sistemas de abastecimento de água, através da instalação de geradores hidroeléctricos, que terão a dupla função de controlo de caudal e produção de energia. O estudo e simulação dos modelos de controlo contidos neste trabalho permite concluir que é possível garantir a segurança das condutas e produzir energia eléctrica com turbinas nelas instaladas. Interessa assim aprofundar este tipo de estudos de forma a conseguir modelos de controlo que, com as premissas indicadas, possibilitem a optimização da produção de energia.

Demonstração da viabilidade de implementação de uma central de cogeração a um centro informático

A compactação dos equipamentos de tecnologia de informação e os aumentos simultâneos no consumo de energia dos processadores levam a que seja assegurada a distribuição adequada de ar frio, a remoção do ar quente, a capacidade adequada de arrefecimento e uma diminuição do consumo de energia. Considerando-se a cogeração como uma alternativa energeticamente eficiente em relação a outros métodos de produção de energia, com este trabalho faz-se a análise à rentabilidade de uma eventual integração de um sistema de cogeração num centro informático.

Impacto das novas tecnologias no aumento da eficiência da iluminação pública: caso de estudo do parque das nações

Portugal comprometeu-se em finais de 2009 com novos objetivos para a política energética e estabeleceu como prioridade a eficiência energética, designadamente através da aplicação de programas de redução do consumo de energia na Administração Pública e da promoção de comportamentos e escolhas que minimizem o consumo energético. Neste contexto, o principal objetivo a que se propõe este trabalho é: contribuir para a nova política energética do Governo, através do estudo do impacto das novas tecnologias e novos procedimentos, no aumento da eficiência da Iluminação Pública. Nesta dissertação é efetuada uma análise aos sistemas de Iluminação Pública existentes e, também o estudo das inovações tecnológicas disponíveis no mercado. Feita esta caracterização e com base em critérios económicos e técnicos suportados por normas nacionais e internacionais em vigor, as soluções que maximizem a eficiência energética na sua globalidade são identificadas e propostas para implementação no terreno. Será igualmente analisado o impacto no sistema elétrico existente das alterações propostas. A componente experimental desta dissertação foi realizada no Parque das Nações com a colaboração da Parque Expo – Gestão Urbana do Parque das Nações, S.A., entidade gestora do espaço público do Parque das Nações. O Parque das Nações apresenta-se como um local de inegável interesse para os objetivos desta dissertação porque: dispõe de uma grande diversidade de soluções na Iluminação Pública; encontra-se a curta distância do ISEL e funciona, não raras vezes, como “montra” tecnológica do País.

Advances in smart grids - benefits on sharing background experiences from Portugal, Central Europe and Brazil

This paper presents ELECON - Electricity Consumption Analysis to Promote Energy Efficiency Considering Demand Response and Non-technical Losses, an international research project that involves European and Brazilian partners. ELECON focuses on energy efficiency increasing through consumer´s active participation which is a key area for Europe and Brazil cooperation. The project aims at significantly contributing towards the successful implementation of smart grids, focussing on the use of new methods that allow the efficient use of distributed energy resources, namely distributed generation, storage and demand response. ELECON puts together researchers from seven European and Brazilian partners, with consolidated research background and evidencing complementary competences. ELECON involves institutions of 3 European countries (Portugal, Germany, and France) and 4 Brazilian institutions. The complementary background and experience of the European and Brazilian partners is of main relevance to ensure the capacities required to achieve the proposed goals. In fact, the European Union (EU) and Brazil have very different resources and approaches in what concerns this area. Having huge hydro and fossil resources, Brazil has not been putting emphasis on distributed renewable based electricity generation. On the contrary, EU has been doing huge investments in this area, taking into account environmental concerns and also the economic EU external dependence dictated by huge requirements of energy related products imports. Sharing these different backgrounds allows the project team to propose new methodologies able to efficiently address the new challenges of smart grids.

Optimização dos parâmetros de um robô hexápode através de algoritmos genéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Relatório de estágio em gabinete de engenharia na componente de climatização

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica com especialização em Energia, Climatização e Refrigeração

Correntes harmónicas em lâmpadas compactas: sistema de aquisição e processamento de sinal e impacto nas instalações eléctricas

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial