DACETE-Tesishttp://hdl.handle.net/10396/1392024-03-28T22:08:59Z2024-03-28T22:08:59ZOptimización de algoritmos científicos en sistemas heterogéneos y aceleradores para computación de altas prestacionesFuentes Alventosa, Antoniohttp://hdl.handle.net/10396/252702024-01-26T02:12:00Z2023-01-01T00:00:00ZOptimización de algoritmos científicos en sistemas heterogéneos y aceleradores para computación de altas prestaciones
Fuentes Alventosa, Antonio
Actualmente, la computación de propósito general en GPU es uno de los pilares básicos
de la computación de alto rendimiento. Aunque existen cientos de aplicaciones
aceleradas en GPU, aún hay algoritmos científicos poco estudiados. Por ello, la
motivación de esta tesis ha sido investigar la posibilidad de acelerar significativamente
en GPU un conjunto de algoritmos pertenecientes a este grupo.
En primer lugar, se ha obtenido una implementación optimizada del algoritmo de
compresión de vídeo e imagen CAVLC (Context-Adaptive Variable Length Encoding), que
es el método entrópico más usado en el estándar de codificación de vídeo H.264. La
aceleración respecto a la mejor implementación anterior está entre 2.5x y 5.4x. Esta
solución puede aprovecharse como el componente entrópico de codificadores H.264
software, y utilizarse en sistemas de compresión de vídeo e imagen en formatos
distintos a H.264, como imágenes médicas.
En segundo lugar, se ha desarrollado GUD-Canny, un detector de bordes de Canny no
supervisado y distribuido. El sistema resuelve las principales limitaciones de las
implementaciones del algoritmo de Canny, que son el cuello de botella causado por el
proceso de histéresis y el uso de umbrales de histéresis fijos. Dada una imagen, esta
se divide en un conjunto de sub-imágenes, y, para cada una de ellas, se calcula de forma
no supervisada un par de umbrales de histéresis utilizando el método de MedinaCarnicer. El detector satisface el requisito de tiempo real, al ser 0.35 ms el tiempo
promedio en detectar los bordes de una imagen 512x512.
En tercer lugar, se ha realizado una implementación optimizada del método de
compresión de datos VLE (Variable-Length Encoding), que es 2.6x más rápida en
promedio que la mejor implementación anterior. Además, esta solución incluye un
nuevo método scan inter-bloque, que se puede usar para acelerar la propia operación
scan y otros algoritmos, como el de compactación. En el caso de la operación scan, se
logra una aceleración de 1.62x si se usa el método propuesto en lugar del utilizado en la
mejor implementación anterior de VLE.
Esta tesis doctoral concluye con un capítulo sobre futuros trabajos de investigación que
se pueden plantear a partir de sus contribuciones.
2023-01-01T00:00:00ZViabilidad del uso de FPGAs en redes de sensores inalámbricosOrdaz García, Oscar Osvaldohttp://hdl.handle.net/10396/242532022-11-04T02:19:23Z2022-01-01T00:00:00ZViabilidad del uso de FPGAs en redes de sensores inalámbricos
Ordaz García, Oscar Osvaldo
Dentro del contexto del proyecto de tesis planteado, se aborda el problema del control y las comunicaciones en las luminarias de los sistemas inteligentes de alumbrado público. En los trabajos reportados en la literatura sobre el tema planteado, se encuentra el problema particular de la implementación de protocolos digitales de comunicaciones en las luminarias, y especialmente en la implementación del protocolo Digital Addressable Lighting Interface (DALI) en redes de sensores inalámbricos. Desafortunadamente los microcontroladores que habitualmente se emplean en los nodos de sensores inalámbricos, no integran periféricos para este tipo de protocolos, por lo que suelen implementarse por software. Un punto de oportunidad es implementar este tipo de protocolos en hardware mediante una FPGA y de esta forma demostrar su viabilidad en nodos de sensores inalámbricos. En esta tesis se presenta una solución para implementar por hardware el protocolo DALI para controlar sistemas de iluminación inteligente. La novedad de este trabajo es la descripción portable del protocolo DALI implementado en forma de un bridge de comunicaciones en una FPGA de bajo coste, bajo consumo de energía y poca cantidad de recursos lógicos, para ser embebida en un nodo sensor inalámbrico. El protocolo se ha descrito en lenguaje VHDL siguiendo los estándares 1076-93 y 1076.3-97. Las contribuciones de este trabajo demuestran la viabilidad de la utilización de FPGAs en redes de sensores inalámbricos, que en este caso se utilizan para implementar el bridge DALI y resolver el problema de la interfaz de comunicación.; Within the context of the proposed thesis project, the problem of control and communications for luminaires in intelligent public lighting systems is addressed. In the works reported in the literature on the subject, we can find the particular problem of the implementation of digital communication protocols for luminaires, and specifically the implementation of the Digital Addressable Lighting Interface (DALI) protocol in wireless sensor networks. Unfortunately, the microcontrollers that are commonly used in wireless sensor nodes do not integrate peripherals for this type of protocol, so they are usually implemented by software. A point of opportunity is to implement this type of protocols in hardware through an FPGA and thus demonstrate its viability in wireless sensor nodes. In this thesis, a solution is presented to implement the DALI protocol by hardware to control intelligent lighting systems. The novelty of this work is the portable description of the DALI protocol implemented in the form of a communications bridge in a low-cost FPGA, with low power consumption and few logical resources, which will be embedded in a wireless sensor node. The protocol has been described in VHDL language following the 1076-93 and 1076.3-97 standards. The contributions of this work demonstrate the feasibility of using FPGAs in wireless sensor networks, which in this case are used to implement the DALI bridge and solve the communication interface problem.
2022-01-01T00:00:00ZResearch on demand-side flexibility in Smart Grids: direct load controlGarrido Zafra, Joaquínhttp://hdl.handle.net/10396/240612022-11-04T02:17:30Z2022-01-01T00:00:00ZResearch on demand-side flexibility in Smart Grids: direct load control
Garrido Zafra, Joaquín
In recent decades, the European Union has made decisive efforts to maintain its global leadership in renewable energies to meet climate change targets resulting from international agreements. There is a deliberate intention to reduce the usage of non-renewable energy sources and promote the exploitation of renewable generation at all levels as shown by energy production data within the Eurozone. The electricity sector illustrates a successful implementation of these energy policies: The electricity coming from combustible fuels was at historical lows in 2018, accounting for 83.6 % of the electricity generated from this source in 2008. By contrast, the pool of renewables reached almost 170 % of the 2008 production. Against this background, power systems worldwide are undergoing deep-seated changes due to the increasing penetration of these variable renewable energy sources and distributed energy resources that are intermittent and stochastic in nature. Under these conditions, achieving a continuous balance between generation and consumption becomes a challenge and may jeopardize the system stability, which points out the need of making the power system flexible enough as a response measure to this trend. This Ph.D. thesis researches one of the principal mechanisms providing flexibility to the power system: The demand-side management, seen from both the demand response and the energy efficiency perspectives. Power quality issues as a non-negligible part of energy efficiency are also addressed. To do so, several strategies have been deployed at a double level. In the residential sector, a direct load control strategy for smart appliances has been developed under a real-time pricing demand response scheme. This strategy seeks to minimize the daily cost of energy in presence of diverse energy resources and appliances. Furthermore, a spread spectrum technique has also been applied to mitigate the highfrequency distortion derived from the usage of LED technology lighting systems instead of traditional ones when energy efficiency needs to be improved. In the industrial sector, a load scheduling strategy to control the AC-AC power electronic converter in charge of supporting the electric-boosted glass melting furnaces has been developed. The benefit is two-fold: While it contributes to demand flexibility by shaving the peaks found under conventional control schemes, the power quality issues related to the emission of subharmonics are also kept to a minimum. Concerning the technologies, this Ph.D. thesis provides smart solutions, platforms, and devices to carry out these strategies: From the application of the internet of things paradigm to the development of the required electronics and the implementation of international standards within the energy industry.; En las últimas décadas, la Unión Europea ha realizado esfuerzos decisivos para mantener su liderazgo mundial en energías renovables con el fin de cumplir los objetivos de cambio climático resultantes de los acuerdos internacionales. Muestra una intención deliberada de reducir el uso de fuentes de energía no renovable y promover la explotación de la generación renovable a todos los niveles, como demuestran los datos de producción de energía en la eurozona. El sector de la electricidad ilustra un caso de éxito de estas políticas energéticas: la electricidad procedente de combustibles fósiles estaba en mínimos históricos en 2018, representando el 83,6 % de la electricidad generada a partir de esta fuente en 2008; en cambio, el grupo de renovables alcanzó casi el 170 % de la producción de 2008. En este contexto, los sistemas eléctricos de todo el mundo están experimentando profundos cambios debido a la creciente penetración de estas fuentes de energía renovable y de recursos energéticos distribuidos que son de naturaleza variable, intermitente y estocástica. En estas condiciones, lograr un equilibrio continuo entre generación y consumo se convierte en un reto y puede poner en peligro la estabilidad del sistema, lo que señala la necesidad de flexibilizar el sistema eléctrico como medida de respuesta a esta tendencia. Esta tesis doctoral investiga uno de los principales mecanismos que proporcionan flexibilidad al sistema eléctrico: la gestión de la demanda vista tanto desde la perspectiva de la respuesta a la demanda como de la eficiencia energética. También se abordan los problemas de calidad de suministro entendidos como parte no despreciable de la eficiencia energética. Para ello, se han desplegado varias estrategias a un doble nivel. En el sector residencial, se ha desarrollado una estrategia basada en el control directo de cargas para los electrodomésticos inteligentes siguiendo un esquema de respuesta a la demanda con precios en tiempo real. Esta estrategia busca minimizar el coste diario de la energía en presencia de diversos recursos energéticos y electrodomésticos. Además, también se ha aplicado una técnica de espectro ensanchado para mitigar la distorsión de alta frecuencia derivada del uso de sistemas de iluminación con tecnología LED, empleados para la mejora de la eficiencia energética frente a las tecnologías convencionales. En el sector industrial, se ha desarrollado una estrategia de planificación de cargas para controlar el convertidor AC-AC de los hornos de fundición de vidrio con soporte eléctrico. El beneficio es doble: mientras que se contribuye a la flexibilidad de la demanda al eliminar los picos encontrados en los esquemas de control convencionales, también se reducen al mínimo los problemas de calidad de suministro relacionados con la emisión de subarmónicos. En cuanto a las tecnologías, esta tesis doctoral aporta soluciones, plataformas y dispositivos inteligentes para llevar a cabo estas estrategias: desde la aplicación del paradigma del internet de las cosas hasta el desarrollo de la electrónica necesaria y la implementación de estándares internacionales dentro de la industria energética.
2022-01-01T00:00:00ZDiseño de sistemas embebidos reconfigurables empleando elementos de interconexión en Chip definidos por SoftwareIbarra-Delgado, Salvadorhttp://hdl.handle.net/10396/215362022-05-26T07:21:55Z2021-01-01T00:00:00ZDiseño de sistemas embebidos reconfigurables empleando elementos de interconexión en Chip definidos por Software
Ibarra-Delgado, Salvador
El conjunto de aplicaciones que hoy en día se ejecutan en los elementos de procesamiento en el interior de un Sistema en Chip (System-on-Chip (SoC), en inglés) requieren que el sistema de interconexión que los conecta, les permita cumplir con los requerimientos de Calidad en el Servicio (Quality of Service (QoS), en inglés) que les fueron establecidos. Los actuales sistemas de interconexión deben ser flexibles, reconfigurables, escalables, reutilizables y fáciles de administrar. En este documento se presenta una solución para un sistema de interconexión tipo bus basado en el paradigma de Redes Definidas por Software (Software Defined Network (SDN), en inglés). El trabajo muestra la arquitectura general del sistema de interconexión y en él se demuestra que la arquitectura cumple con las características anteriormente mencionadas. El trabajo pone especial énfasis en la capa de infraestructura del sistema -hardware-. Además, se incluyen los elementos de la capa de sistema operativo de red y se establecen sus interrelaciones con las capas adyacentes. En este trabajo también se muestra una nueva política de arbitraje basada en presupuestos la cual permite el uso diferenciado del bus. La política muestra un mejor comportamiento cuando el sistema funciona en escenarios ejecutando aplicaciones con tareas dependientes, los cuales son muy comunes en la actualidad. El sistema fue modelado en SystemC con precisión de ciclo de reloj. Las contribuciones realizadas en este trabajo pueden ser extrapoladas a otros sistemas de interconexión en SoC debido a que los retos que comparten son similares.; The set of applications that today run in the processing elements inside a Systemon- Chip (SoC) require that the SoC interconnection system allows them to meet the Quality of Service (QoS) requirements that were established. Current interconnection systems must be exible, recon_gurable, scalable, reusable and easy to manage. This document presents a solution for a bus type interconnection system, based on the Software De_ned Network (SDN) paradigm. The work shows the general architecture of the interconnection system and demonstrates that this architecture meets the characteristics mentioned above. The work puts special emphasis on the infrastructure layer of the system | hardware |. However, it also establishes the elements to be included in the network operating system layer and its interrelation with the adjacent layers. This work also shows a new arbitration policy based on budgets that allows the di_erentiated use of the bus.The policy presents the best behavior when the system works in scenarios with applications executing dependent tasks, which are very common nowadays. The system was modeled in SystemC with clock cycle accuracy. The contributions made in this work can be extrapolated to other SoC interconnection systems because the challenges they share are similar.
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