Host and Network Optimizations for Performance Enhancement and Energy Efficiency in Data Center Networks

Modern data centers host hundreds of thousands of servers to achieve economies of scale. Such a huge number of servers create challenges for the data center network (DCN) to provide proportionally large bandwidth. In addition, the deployment of virtual machines (VMs) in data centers raises the requirements for efficient resource allocation and find-grained resource sharing. Further, the large number of servers and switches in the data center consume significant amounts of energy. Even though servers become more energy efficient with various energy saving techniques, DCN still accounts for 20% to 50% of the energy consumed by the entire data center. The objective of this dissertation is to enhance DCN performance as well as its energy efficiency by conducting optimizations on both host and network sides. First, as the DCN demands huge bisection bandwidth to interconnect all the servers, we propose a parallel packet switch (PPS) architecture that directly processes variable length packets without segmentation-and-reassembly (SAR). The proposed PPS achieves large bandwidth by combining switching capacities of multiple fabrics, and it further improves the switch throughput by avoiding padding bits in SAR. Second, since certain resource demands of the VM are bursty and demonstrate stochastic nature, to satisfy both deterministic and stochastic demands in VM placement, we propose the Max-Min Multidimensional Stochastic Bin Packing (M3SBP) algorithm. M3SBP calculates an equivalent deterministic value for the stochastic demands, and maximizes the minimum resource utilization ratio of each server. Third, to provide necessary traffic isolation for VMs that share the same physical network adapter, we propose the Flow-level Bandwidth Provisioning (FBP) algorithm. By reducing the flow scheduling problem to multiple stages of packet queuing problems, FBP guarantees the provisioned bandwidth and delay performance for each flow. Finally, while DCNs are typically provisioned with full bisection bandwidth, DCN traffic demonstrates fluctuating patterns, we propose a joint host-network optimization scheme to enhance the energy efficiency of DCNs during off-peak traffic hours. The proposed scheme utilizes a unified representation method that converts the VM placement problem to a routing problem and employs depth-first and best-fit search to find efficient paths for flows.

Sensible use of primary energy in organic greenhouse production.

This document addresses the direct and indirect use of energy in European organic greenhouse horticulture (OGH) with the aim of reviewing available means for making it more environmental friendly and identifying knowledge gaps that should be addressed to attain this aim. The first observation is that there is no common regulation for energy use in OGH, which is not unexpected, since the need for climatisation is not uniformly distributed in the EU (and outside). Accordingly, the EU directive on organic agriculture does not set limitations on the use of energy, but rather promotes the responsible use of energy and of natural resources. The restrictions and rules of most private standards are slightly more stringent. Some standards have specific restrictions on the amount and sources of energy and/or on the seasonal use of energy for heating. Some standards also address processes that may affect (in)direct energy use, such as cultivation methods, mulching, lighting and growing media or substrates. However, most private standards have no or little restrictions or regulations on energy use. Accordingly, it should not surprise that very little quantitative information is available about energy use in OGH. In the present document we have filled the gaps with data with estimates drawn on energy use in conventional greenhouses. With respect to ongoing research, whereas many of the present research results about energy use and saving in conventional greenhouses are relevant (and also applied) in OGH, little research is devoted to address the energy use that is peculiar to OGH, particularly energy use for humidity control. In short, there are still a lot of knowledge gaps to improve quality and to lower energy use in organic greenhouses. The purpose of this document is a summary of present relevant knowledge about energy use and energy saving and of the perspective for improvement. In particular, the goal is to make an overview on the methods and technologies which can be used to reduce the energy use in OGH. We start from the assumption that methods and technologies that are used for reducing direct and indirect energy in conventional greenhouses can also be applied in organic greenhouses. Research on reducing energy use in conventional greenhouses is also more widely available because the area of conventional greenhouse horticulture is much larger than the area of OGH. When implementing these methods and techniques we should take into account the specific characteristics of organic agriculture like soil-based cultivation, use of organic fertilizers and the limited use of crop protection products. This document is organised as follows: first we report the results of a survey about energy use and relevant standards in the countries participating to the COST action (chapter 1); then we review the energy use for climatisation: heating (chapter 2) and humidity (chapter 3). In chapter 4 we review the available design and management means that would either reduce energy use and/or increase energy use efficiency by increasing productivity of OGH. In chapter 5 we present a short summary of existing information on indirect energy use, that is the energy required to manufacture production means (greenhouse structure and cover, fertilisers, equipment etc.) and for crop protection, particularly steaming, and briefly discuss possible savings. Finally (chapter 6) we review briefly the potential for application of renewable energy sources in OGH.

Energy consumption of parallel algorithms for solving linear systems on HPC architecture

Modern High-Performance Computing HPC systems are gradually increasing in size and complexity due to the correspondent demand of larger simulations requiring more complicated tasks and higher accuracy. However, as side effects of the Dennard’s scaling approaching its ultimate power limit, the efficiency of software plays also an important role in increasing the overall performance of a computation. Tools to measure application performance in these increasingly complex environments provide insights into the intricate ways in which software and hardware interact. The monitoring of the power consumption in order to save energy is possible through processors interfaces like Intel Running Average Power Limit RAPL. Given the low level of these interfaces, they are often paired with an application-level tool like Performance Application Programming Interface PAPI. Since several problems in many heterogeneous fields can be represented as a complex linear system, an optimized and scalable linear system solver algorithm can decrease significantly the time spent to compute its resolution. One of the most widely used algorithms deployed for the resolution of large simulation is the Gaussian Elimination, which has its most popular implementation for HPC systems in the Scalable Linear Algebra PACKage ScaLAPACK library. However, another relevant algorithm, which is increasing in popularity in the academic field, is the Inhibition Method. This thesis compares the energy consumption of the Inhibition Method and Gaussian Elimination from ScaLAPACK to profile their execution during the resolution of linear systems above the HPC architecture offered by CINECA. Moreover, it also collates the energy and power values for different ranks, nodes, and sockets configurations. The monitoring tools employed to track the energy consumption of these algorithms are PAPI and RAPL, that will be integrated with the parallel execution of the algorithms managed with the Message Passing Interface MPI.

Laboratory and mill scale evaluation of biopulping of Eucalyptus grandis Hill ex Maiden with Phanerochaete chrysosporium RP-78 under non-aseptic conditions

Biopulping of Eucalyptus grandis wood chips with Phanerochaete chrysosporium RP-78 was evaluated under non-aseptic conditions in laboratory and mill wood-yard. The ability of P. chrysosporium to compete with indigenous fungi present in fresh wood chips was notorious under controlled laboratory experiments. A subsequent step involved an industrial test performed with 10-ton of fresh wood chips inoculated and maintained at 37 +/- 38 degrees C for 39 days in a biopulping pilot plant. Biotreated wood chips were pulped in a chemithermomechanical pulping mill. Net energy consumption during refining was 745 kWh ton(-1) and 610 kWh ton(-1) of processed pulp for control and biotreated wood chips, respectively. Accordingly, 18.5% net energy saving could be achieved. Biopulps contained lower shive content and had improved strength properties compared to control pulps. Tensile index improved from 25 +/- 1 N m g(-1) to 33.6 +/- 0.5 N m g(-1) and delamination strength from 217 +/- 19 kPa to 295 +/- 30 kPa.

Sistema de contagem de tráfego e classificação automática de veículos, em tempo real e sem fios

Esta tese tem por objectivo o desenho e avaliação de um sistema de contagem e classificação de veículos automóveis em tempo-real e sem fios. Pretende, também, ser uma alternativa aos actuais equipamentos, muito intrusivos nas vias rodoviárias. Esta tese inclui um estudo sobre as comunicações sem fios adequadas a uma rede de equipamentos sensores rodoviários, um estudo sobre a utilização do campo magnético como meio físico de detecção e contagem de veículos e um estudo sobre a autonomia energética dos equipamentos inseridos na via, com recurso, entre outros, à energia solar. O projecto realizado no âmbito desta tese incorpora, entre outros, a digitalização em tempo real da assinatura magnética deixada pela passagem de um veículo, no campo magnético da Terra, o respectivo envio para servidor via rádio e WAN, Wide Area Network, e o desenvolvimento de software tendo por base a pilha de protocolos ZigBee. Foram desenvolvidas aplicações para o equipamento sensor, para o coordenador, para o painel de controlo e para a biblioteca de Interface de um futuro servidor aplicacional. O software desenvolvido para o equipamento sensor incorpora ciclos de detecção e digitalização, com pausas de adormecimento de baixo consumo, e a activação das comunicações rádio durante a fase de envio, assegurando assim uma estratégia de poupança energética. Os resultados obtidos confirmam a viabilidade desta tecnologia para a detecção e contagem de veículos, assim como para a captura de assinatura usando magnetoresistências. Permitiram ainda verificar o alcance das comunicações sem fios com equipamento sensor embebido no asfalto e confirmar o modelo de cálculo da superfície do painel solar bem como o modelo de consumo energético do equipamento sensor.

Convergência para NZEB de um edifício classificado

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Edificações

The roman conquered by delay: reducing the number of preemptions using sleep states

Sleep-states are emerging as a first-class design choice in energy minimization. A side effect of this is that the release behavior of the system is affected and subsequently the preemption relations between tasks. In a first step we have investigated how the behavior in terms of number of preemptions of tasks in the system is changed at runtime, using an existing procrastination approach, which utilizes sleepstates for energy savings purposes. Our solution resulted in substantial savings of preemptions and we expect from even higher yields for alternative energy saving algorithms. This work is intended to form the base of future research, which aims to bound the number of preemptions at analysis time and subsequently how this may be employed in the analysis to reduced the amount of system utilization, which is reserved to account for the preemption delay.

Eco-efficiency approaches towards a sustainable composite materials manufacturing industry’

In this study the potential eco-efficiency performance of a pultrusion manufacturing company was assessed. Indicators values and eco-efficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures in the production process of glass fibre reinforced polymers (GFRP) pultrusion profiles. Two different approaches were foreseen: 1)Adoption of a new heating system for pultrusion die in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; and 2) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.

Uso da termografia na deteção de avarias

A civilização contemporânea, pelas suas características, é muito exigente em tudo o que diz respeito ao conforto dos edifícios, para trabalho ou habitação, e à necessidade de economizar e racionalizar o uso de energia. A térmica dos edifícios assume, por isso, uma importância acrescida na atividade profissional e no ensino. Para se conduzir ao aperfeiçoamento de soluções na envolvente dos edifícios a este nível, o trabalho aqui realizado centrou-se no estudo do funcionamento da termografia de infravermelhos e da importância da sua utilização na inspeção térmica de edifícios. Descoberta no início do século XIX e desenvolvendo os primeiros sistemas operativos desde a 1ª Guerra Mundial, a fim de determinar heterogeneidades de temperatura superficial, esta técnica não destrutiva permite identificar anomalias que não são visualizadas a olho nu. Com a análise dessas variações de temperatura é possível conhecer os problemas e a localização de irregularidades. Este trabalho baseia-se substancialmente no estudo de edifícios. A análise realizada teve como finalidade executar inspeções termográficas – visuais, com duas abordagens. Por um lado, avaliar salas pertencentes a estabelecimentos de ensino secundário, reabilitadas e não reabilitadas, todas construídas entre as décadas de 60 e 90, com o intuito de diagnosticar patologias construtivas, recorrendo à termografia. Por outro, a análise de edifícios de habitação, com a intenção de avaliar a necessidade de um equipamento complementar às inspeções termográficas – o sistema de porta ventiladora. As inspeções foram regidas pelas diretrizes da norma europeia EN 13187. A termografia é uma técnica importante na realização de ensaios in situ que requerem rapidez de execução, aliada à vantagem de disponibilizar resultados em tempo real, permitindo assim uma primeira análise das leituras no local. A inspeção termográfica complementada com o sistema de porta ventiladora permitiu, também, revelar a importância da necessidade de meios auxiliares em certos casos. A conjugação destas diferentes técnicas permite reduzir a subjetividade da análise in situ e aumentar a fiabilidade do diagnóstico.

Optimal brake specific fuel consumption trajectory for stand-alone variable speed Diesel Gen-Set

Energy efficiency plays an important role to the CO2 emissions reduction, combating climate change and improving the competitiveness of the economy. The problem presented here is related to the use of stand-alone diesel gen-sets and its high specific fuel consumptions when operates at low loads. The variable speed gen-set concept is explained as an energy-saving solution to improve this system efficiency. This paper details how an optimum fuel consumption trajectory based on experimentally Diesel engine power map is obtained.

Avaliação e Otimização Energética das Fornalhas da Fábrica de Aromáticos

O consumo energético verificado nas refinarias petrolíferas é muito elevado, sendo as fornalhas os equipamentos que mais contribuem para esse consumo. Neste estudo foi efetuada uma avaliação e otimização energética às fornalhas da Fábrica de Aromáticos da Refinaria de Matosinhos. Numa primeira fase foi efetuado um levantamento exaustivo de dados de todas as correntes de entrada e saída dos equipamentos para posteriormente efetuar os balanços de massa e energia a cada uma das fornalhas. Os dados relativos ao levantamento compreenderam dois períodos de funcionamento distintos da unidade fabril, o período de funcionamento normal e o período relativo ao arranque. O período de funcionamento normal foi relativo ao ano de 2012 entre os meses de janeiro a setembro, por sua vez o período de arranque foi de dezembro de 2012 a março de 2013. Na segunda fase foram realizados os balanços de massa e energia quantificando todas as correntes de entrada e saída das fornalhas em termos mássicos e energéticos permitindo o cálculo do rendimento térmico das fornalhas para avaliar a sua performance. A avaliação energética permitiu concluir que existe um consumo maior de energia proveniente da combustão do Fuel Gás do que do Fuel Óleo, tanto no período de funcionamento normal como no arranque. As fornalhas H0101, H0301 e a H0471 possuem os consumos mais elevados, sendo responsáveis por mais de 70% do consumo da Fábrica de Aromáticos. Na terceira fase foram enunciadas duas medidas para a otimização energética das três fornalhas mais consumidoras de energia, a limpeza mensal e o uso exclusivo de Fuel Gás como combustível. As poupanças energéticas obtidas para uma limpeza mensal foram de 0,3% na fornalha H0101, 0,7% na fornalha H0301 e uma poupança de 0,9 % na fornalha H0471. Para o uso exclusivo de Fuel Gás obteve-se uma poupança de 0,9% na fornalha H0101 e uma poupança de 1,3% nas fornalhas H0301 e H0471. A análise económica efetuada à sugestão de alteração do combustível mostra que os custos de operação sofrerão um aumento anual de 621 679 €. Apesar do aumento dos custos, a redução na emissão de 24% de dióxido de carbono, poderá justificar este aumento na despesa.

Eficiência Energética no Hospital Pedro Hispano

Os crescentes custos ligados ao consumo elétrico, não apenas de cariz financeiro mas também ambiental, despertam cada vez mais para a importância da definição de estratégias de melhor utilização de recursos e eficiência energética. Esta importância tem sido reforçada pela definição de decretos-lei que vêm colocar metas e limites relativamente às despesas energéticas. Estes diplomas são também acompanhados por programas de incentivo para um setor ligado à eficiência energética. Em Portugal as medidas ligadas ao setor tem vindo a ser redirecionadas para o consumo final de energia, com a definição de metas para as instalações de maior consumo. As instalações hospitalares são grandes centros de consumo energético devido não só ao elevado número de utentes que recebem mas também pelos diversos tipos de equipamentos elétricos usados para a prestação dos serviços médicos. Como consequência disso, os investimentos e os custos operacionais são elevados, o que reforça a necessidade de gerir os gastos e consumos energéticos com a procura constante de melhoria na recolha de informação sobre todo o sistema e na adequação de intervenções com vista a uma maior eficiência energética. O Hospital Pedro Hispano vem desde algum tempo a investir no sentido de conhecer mais e melhor toda a instalação bem como os consumos energéticos a ela associados. Algumas medidas foram tomadas nesse sentido nomeadamente a instalação de analisadores de energia, de modo a obter um retrato mais fiel e fidedigno dos principais vetores de consumo. Neste momento a gestão técnica do hospital tem em análise uma grande parte da instalação recolhendo dados do consumo elétrico real do hospital. Nesta dissertação procurou-se fazer uma análise e enquadramento dos programas e metas ligados ao setor energético com ênfase nos diplomas que visão e abrangem as instalações hospitalares. Dos vários programas de incentivo à adoção de políticas de maior eficiência energética é dado especial destaque ao programa ECO.AP que visa a celebração de contratos para implementação de medidas de poupança energética ao setor público. Em colaboração com o HPH, iniciaram-se os trabalhos pelo estudo e identificação das principais fases e ferramentas utilizadas na gestão energética do edifício tendo como objetivo a reavaliação dos vetores energéticos já identificados no HPH e a criação e contabilização de novos grupos de consumo. Através de várias medições do consumo elétrico, num total superior a 650 horas de funcionamento, foi possível a criação do mapa de desagregação de consumos para o ano de 2013. A desagregação realizada conta com 3 novos vetores energéticos e com a reavaliação do peso relativo de mais 5 grupos de consumo. Das medições efetuadas destaca-se a reavaliação do consumo da central de bombagem onde a parcela considerada até à data estava 3 vezes acima do valor real medido. Com base na desagregação feita foram apontadas e estudadas medidas de implementação com o objetivo de reduzir os consumos energético em todo o hospital, destacando-se a solução apresentada para a central de bombagem. Esta medida traria um grande impacto em toda a fatura energética, não só pela sua viabilidade, mas também porque atuaria num grande centro de consumo onde até ao momento nenhuma ação do género foi implementada.

Sistema de apoio à racionalização da utilização de energia eléctrica

Esta dissertação descreve o sistema de apoio à racionalização da utilização de energia eléctrica desenvolvido no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação. O domínio de aplicação enquadra-se no contexto da Directiva da União Europeia 2006/32/EC que declara ser necessário colocar à disposição dos consumidores a informação e os meios que promovam a redução do consumo e o aumento da eficiência energética individual. O objectivo é o desenvolvimento de uma solução que permita a representação gráfica do consumo/produção, a definição de tectos de consumo, a geração automática de alertas e alarmes, a comparação anónima com clientes com perfil idêntico por região e a previsão de consumo/produção no caso de clientes industriais. Trata-se de um sistema distribuído composto por front-end e back-end. O front-end é composto pelas aplicações de interface com o utilizador desenvolvidas para dispositivos móveis Android e navegadores Web. O back-end efectua o armazenamento e processamento de informação e encontra-se alojado numa plataforma de cloud computing – o Google App Engine – que disponibiliza uma interface padrão do tipo serviço Web. Esta opção assegura interoperabilidade, escalabilidade e robustez ao sistema. Descreve-se em detalhe a concepção, desenvolvimento e teste do protótipo realizado, incluindo: (i) as funcionalidades de gestão e análise de consumo e produção de energia implementadas; (ii) as estruturas de dados; (iii) a base de dados e o serviço Web; e (iv) os testes e a depuração efectuados. (iv) Por fim, apresenta-se o balanço deste projecto e efectuam-se sugestões de melhoria.

CANDi: context-aware node discovery for short-range cooperation

Multi-standard mobile devices are allowing users to enjoy higher data rates with ubiquitous connectivity. However, the benefits gained from multiple interfaces come at an expense—that being higher energy consumption in an era where mobile devices need to be energy compliant. One promising solution is the usage of short-range cooperative communication as an overlay for infrastructure-based networks taking advantage of its context information. However, the node discovery mechanism, which is pivotal to the bearer establishment process, still represents a major burden in terms of the total energy budget. In this paper, we propose a technology agnostic approach towards enhancing the MAC energy ratings by presenting a context-aware node discovery (CANDi) algorithm, which provides a priori knowledge towards the node discovery mechanism by allowing it to search nodes in the near vicinity at the ‘right time and at the right place’. We describe the different beacons required for establishing the cooperation, as well as the context information required, including battery level, modes, location and so on. CANDi uses the long-range network (WiMAX and WiFi) to distribute the context information about cooperative clusters (Ultra-wideband-based) in the vicinity. The searching nodes can use this context in locating the cooperative clusters/nodes, which facilitates the establishing of short-range connections. Analytical and simulation results are obtained, and the energy saving gains are further demonstrated in the laboratory using a customised testbed. CANDi saves up to 50% energy during the node discovery process, while the demonstrative testbed shows up to 75% savings in the total energy budget, thus validating the algorithm, as well as providing viable evidence to support the usage of short-range cooperative communications for energy savings.

Convergence of Smart Grid ICT architectures for the last mile

The evolution of the electrical grid into a smart grid, allowing user production, storage and exchange of energy, remote control of appliances, and in general optimizations over how the energy is managed and consumed, is also an evolution into a complex Information and Communication Technology (ICT) system. With the goal of promoting an integrated and interoperable smart grid, a number of organizations all over the world started uncoordinated standardization activities, which caused the emergence of a large number of incompatible architectures and standards. There are now new standardization activities which have the goal of organizing existing standards and produce best practices to choose the right approach(es) to be employed in specific smart grid designs. This paper follows the lead of NIST and ETSI/CEN/CENELEC approaches in trying to provide taxonomy of existing solutions; our contribution reviews and relates current ICT state-of-the-art, with the objective of forecasting future trends based on the orientation of current efforts and on relationships between them. The resulting taxonomy provides guidelines for further studies of the architectures, and highlights how the standards in the last mile of the smart grid are converging to common solutions to improve ICT infrastructure interoperability.