Hardware paralelo reconfigurável para identificação de alinhamentos de sequências de DNA.

Amostras de DNA são encontradas em fragmentos, obtidos em vestígios de uma cena de crime, ou coletados de amostras de cabelo ou sangue, para testes genéticos ou de paternidade. Para identificar se esse fragmento pertence ou não a uma sequência de DNA, é necessário compará-los com uma sequência determinada, que pode estar armazenada em um banco de dados para, por exemplo, apontar um suspeito. Para tal, é preciso uma ferramenta eficiente para realizar o alinhamento da sequência de DNA encontrada com a armazenada no banco de dados. O alinhamento de sequências de DNA, em inglês DNA matching, é o campo da bioinformática que tenta entender a relação entre as sequências genéticas e suas relações funcionais e parentais. Essa tarefa é frequentemente realizada através de softwares que varrem clusters de base de dados, demandando alto poder computacional, o que encarece o custo de um projeto de alinhamento de sequências de DNA. Esta dissertação apresenta uma arquitetura de hardware paralela, para o algoritmo BLAST, que permite o alinhamento de um par de sequências de DNA. O algoritmo BLAST é um método heurístico e atualmente é o mais rápido. A estratégia do BLAST é dividir as sequências originais em subsequências menores de tamanho w. Após realizar as comparações nessas pequenas subsequências, as etapas do BLAST analisam apenas as subsequências que forem idênticas. Com isso, o algoritmo diminui o número de testes e combinações necessárias para realizar o alinhamento. Para cada sequência idêntica há três etapas, a serem realizadas pelo algoritmo: semeadura, extensão e avaliação. A solução proposta se inspira nas características do algoritmo para implementar um hardware totalmente paralelo e com pipeline entre as etapas básicas do BLAST. A arquitetura de hardware proposta foi implementada em FPGA e os resultados obtidos mostram a comparação entre área ocupada, número de ciclos e máxima frequência de operação permitida, em função dos parâmetros de alinhamento. O resultado é uma arquitetura de hardware em lógica reconfigurável, escalável, eficiente e de baixo custo, capaz de alinhar pares de sequências utilizando o algoritmo BLAST.

Hardware reconfigurável para identificação de radionuclídeos utilizando o método de agrupamento subtrativo.

Fontes radioativas possuem radionuclídeos. Um radionuclídeo é um átomo com um núcleo instável, ou seja, um núcleo caracterizado pelo excesso de energia que está disponível para ser emitida. Neste processo, o radionuclídeo sofre o decaimento radioativo e emite raios gama e partículas subatômicas, constituindo-se na radiação ionizante. Então, a radioatividade é a emissão espontânea de energia a partir de átomos instáveis. A identificação correta de radionuclídeos pode ser crucial para o planejamento de medidas de proteção, especialmente em situações de emergência, definindo o tipo de fonte de radiação e seu perigo radiológico. Esta dissertação apresenta a aplicação do método de agrupamento subtrativo, implementada em hardware, para um sistema de identificação de elementos radioativos com uma resposta rápida e eficiente. Quando implementados em software, os algoritmos de agrupamento consumem muito tempo de processamento. Assim, uma implementação dedicada para hardware reconfigurável é uma boa opção em sistemas embarcados, que requerem execução em tempo real, bem como baixo consumo de energia. A arquitetura proposta para o hardware de cálculo do agrupamento subtrativo é escalável, permitindo a inclusão de mais unidades de agrupamento subtrativo para operarem em paralelo. Isso proporciona maior flexibilidade para acelerar o processo de acordo com as restrições de tempo e de área. Os resultados mostram que o centro do agrupamento pode ser identificado com uma boa eficiência. A identificação desses pontos pode classificar os elementos radioativos presentes em uma amostra. Utilizando este hardware foi possível identificar mais do que um centro de agrupamento, o que permite reconhecer mais de um radionuclídeo em fontes radioativas. Estes resultados revelam que o hardware proposto pode ser usado para desenvolver um sistema portátil para identificação radionuclídeos.

Hardware Reconfigurável para Controladores Nebulosos.

Controle de processos é uma das muitas aplicações que aproveitam as vantagens do uso da teoria de conjuntos nebulosos. Nesse tipo de aplicação, o controlador é, geralmente, embutido no dispositivo controlado. Esta dissertação propõe uma arquitetura reconfigurável eficiente para controladores nebulosos embutidos. A arquitetura é parametrizável, de tal forma, que permite a configuração do controlador para que este possa ser usado na implementação de qualquer aplicação ou modelo nebuloso. Os parâmetros de configuração são: o número de variáveis de entrada (N); o número de variáveis de saída (M); o número de termos linguísticos (Q); e o número total de regras (P). A arquitetura proposta proporciona também a configuração das características que definem as regras e as funções de pertinência de cada variável de entrada e saída, permitindo a escalabilidade do projeto. A composição das premissas e consequentes das regras são configuráveis, de acordo com o controlador nebuloso objetivado. A arquitetura suporta funções de pertinência triangulares, mas pode ser estendida para aceitar outras formas, do tipo trapezoidal, sem grandes modificações. As características das funções de pertinência de cada termo linguístico, podem ser ajustadas de acordo com a definição do controlador nebuloso, permitindo o uso de triângulos. Virtualmente, não há limites máximos do número de regras ou de termos linguísticos empregados no modelo, bem como no número de variáveis de entrada e de saída. A macro-arquitetura do controlador proposto é composta por N blocos de fuzzificação, 1 bloco de inferência, M blocos de defuzzificação e N blocos referentes às características das funções de pertinência. Este último opera apenas durante a configuração do controlador. A função dos blocos de fuzzificação das variáveis de entrada é executada em paralelo, assim como, os cálculos realizados pelos blocos de defuzzificação das variáveis de saída. A paralelização das unidades de fuzzificação e defuzzificação permite acelerar o processo de obtenção da resposta final do controlador. Foram realizadas várias simulações para verificar o correto funcionamento do controlador, especificado em VHDL. Em um segundo momento, para avaliar o desempenho da arquitetura, o controlador foi sintetizado em FPGA e testado em seis aplicações para verificar sua reconfigurabilidade e escalabilidade. Os resultados obtidos foram comparados com os do MATLAB em cada aplicação implementada, para comprovar precisão do controlador.

Hardware reconfigurável para geração de música harmonizada utilizando autômatos celulares.

Desde os primórdios da humanidade, a descoberta do método de processamento cerebral do som, e consequentemente da música, fazem parte do imaginário humano. Portanto, as pesquisas relacionadas a este processo constituem um dos mais vastos campos de estudos das áreas de ciências. Dentre as inúmeras tentativas para compreensão do processamento biológico do som, o ser humano inventou o processo automático de composição musical, com o intuito de aferir a possibilidade da realização de composições musicais de qualidade sem a imposição sentimental, ou seja, apenas com a utilização das definições e estruturas de música existentes. Este procedimento automático de composição musical, também denominado música aleatória ou música do acaso, tem sido vastamente explorado ao longo dos séculos, já tendo sido utilizado por alguns dos grandes nomes do cenário musical, como por exemplo, Mozart. Os avanços nas áreas de engenharia e computação permitiram a evolução dos métodos utilizados para composição de música aleatória, tornando a aplicação de autômatos celulares uma alternativa viável para determinação da sequência de execução de notas musicais e outros itens utilizados durante a composição deste tipo de música. Esta dissertação propõe uma arquitetura para geração de música harmonizada a partir de intervalos melódicos determinados por autômatos celulares, implementada em hardware reconfigurável do tipo FPGA. A arquitetura proposta possui quatro tipos de autômatos celulares, desenvolvidos através dos modelos de vizinhança unidimensional de Wolfram, vizinhança bidimensional de Neumann, vizinhança bidimensional Moore e vizinhança tridimensional de Neumann, que podem ser combinados de 16 formas diferentes para geração de melodias. Os resultados do processamento realizado pela arquitetura proposta são melodias no formato .mid, compostas através da utilização de dois autômatos celulares, um para escolha das notas e outro para escolha dos instrumentos a serem emulados, de acordo com o protocolo MIDI. Para tal esta arquitetura é formada por três unidades principais, a unidade divisor de frequência, que é responsável pelo sincronismo das tarefas executadas pela arquitetura, a unidade de conjunto de autômatos celulares, que é responsável pelo controle e habilitação dos autômatos celulares, e a unidade máquina MIDI, que é responsável por organizar os resultados de cada iteração corrente dos autômatos celulares e convertê-los conforme a estrutura do protocolo MIDI, gerando-se assim o produto musical. A arquitetura proposta é parametrizável, de modo que a configuração dos dados que influenciam no produto musical gerado, como por exemplo, a definição dos conjuntos de regras para os autômatos celulares habilitados, fica a cargo do usuário, não havendo então limites para as combinações possíveis a serem realizadas na arquitetura. Para validação da funcionalidade e aplicabilidade da arquitetura proposta, alguns dos resultados obtidos foram apresentados e detalhados através do uso de técnicas de obtenção de informação musical.

Optimal control: when redundancy matters.

A new experiment provides support for optimal feedback control as a theoretical basis of how the motor system responds to perturbations in a context-dependent manner.

Redundancy quantification in the safety assessment of existing concrete beam-and-slab bridges

In current practice the strength evaluation of a bridge system is typically based on firstly using elastic analysis to determine the distribution of load effects in the elements and then checking the ultimate section capacity of those elements. Ductility of the components in most bridge structures permits local yield and subsequent redistribution of the applied loads from the most heavily loaded elements. As a result a bridge can continue to carry additional loading even after one member has yielded, which has conventionally been adopted as the "failure criterion" in bridge strength evaluation. This means that a bridge with inherent redundancy has additional reserves of strength such that the failure of one element does not result in the failure of the complete system. For these bridges warning signs will show up and measures can be undertaken before the ultimate collapse is happening. This paper proposes a rational methodology for calculating the ultimate system strength and including in bridge evaluation the warning level due to redundancy. © 2004 Taylor & Francis Group, London.

Sparsity-Inducing Optimization Algorithm for the Extraction of Planar Structures in Noisy Point-Cloud Data

Most of the manual labor needed to create the geometric building information model (BIM) of an existing facility is spent converting raw point cloud data (PCD) to a BIM description. Automating this process would drastically reduce the modeling cost. Surface extraction from PCD is a fundamental step in this process. Compact modeling of redundant points in PCD as a set of planes leads to smaller file size and fast interactive visualization on cheap hardware. Traditional approaches for smooth surface reconstruction do not explicitly model the sparse scene structure or significantly exploit the redundancy. This paper proposes a method based on sparsity-inducing optimization to address the planar surface extraction problem. Through sparse optimization, points in PCD are segmented according to their embedded linear subspaces. Within each segmented part, plane models can be estimated. Experimental results on a typical noisy PCD demonstrate the effectiveness of the algorithm.

FPGA, physics-based modeling of IGBT and pin diode for hardware co-simulation of complex power electronic converters and systems

This paper presents the steps and the challenges for implementing analytical, physics-based models for the insulated gate bipolar transistor (IGBT) and the PIN diode in hardware and more specifically in field programmable gate arrays (FPGAs). The models can be utilised in hardware co-simulation of complex power electronic converters and entire power systems in order to reduce the simulation time without compromising the accuracy of results. Such a co-simulation allows reliable prediction of the system's performance as well as accurate investigation of the power devices' behaviour during operation. Ultimately, this will allow application-specific optimisation of the devices' structure, circuit topologies as well as enhancement of the control and/or protection schemes.

Architecture research and hardware implementation on simplified neural computing system for face identification

This paper describes a special-purpose neural computing system for face identification. The system architecture and hardware implementation are introduced in detail. An algorithm based on biomimetic pattern recognition has been embedded. For the total 1200 tests for face identification, the false rejection rate is 3.7% and the false acceptance rate is 0.7%.

A Comparison of Hardware Implementations for Low-Level Vision Algorithms

Early and intermediate vision algorithms, such as smoothing and discontinuity detection, are often implemented on general-purpose serial, and more recently, parallel computers. Special-purpose hardware implementations of low-level vision algorithms may be needed to achieve real-time processing. This memo reviews and analyzes some hardware implementations of low-level vision algorithms. Two types of hardware implementations are considered: the digital signal processing chips of Ruetz (and Broderson) and the analog VLSI circuits of Carver Mead. The advantages and disadvantages of these two approaches for producing a general, real-time vision system are considered.

Keeping Secrets in Hardware: the Microsoft Xbox(TM) Case Study

This paper discusses the hardware foundations of the cryptosystem employed by the Xbox(TM) video game console from Microsoft. A secret boot block overlay is buried within a system ASIC. This secret boot block decrypts and verifies portions of an external FLASH-type ROM. The presence of the secret boot block is camouflaged by a decoy boot block in the external ROM. The code contained within the secret boot block is transferred to the CPU in the clear over a set of high-speed busses where it can be extracted using simple custom hardware. The paper concludes with recommendations for improving the Xbox security system. One lesson of this study is that the use of a high-performance bus alone is not a sufficient security measure, given the advent of inexpensive, fast rapid prototyping services and high-performance FPGAs.