Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται μεθοδολογίες σχεδιασμού που επιτρέπουν την μείωση την κατανάλωση ενέργειας σε υλοποιήσεις ασύρματων εφαρμογών πολυμέσων. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες βελτιστοποιούν την διαχείριση της μνήμης, η κατανάλωσης της οποίας είναι η κυρίαρχη συνιστώσα της συνολικής κατανάλωσης ισχύος στις εφαρμογές πολυμέσων. Επιπλέον, η διατριβή πραγματεύεται τεχνικές για χαμηλής κατανάλωσης διαμερισμό, ο οποίος είναι απαραίτητος για την εκτέλεση σε πραγματικό χρόνο των υψηλής υπολογιστικής πολυπλοκότητας εφαρμογών πολυμέσων. Στόχο της παρούσας διατριβής αποτελεί και η βελτιστοποίηση, όσον αφορά την κατανάλωση ισχύος, των κυκλωμάτων ασύρματης μετάδοσης των πολυμέσων. Στο πλαίσιο αυτό η διατριβή ασχολείται με τεχνικές διαχείρισης ισχύος, και προτείνει υλοποιήσεις που χρησιμοποιούν τις τεχνικές αυτές. Οι μεθοδολογίες και τεχνικές λαμβάνουν υπόψη και την επιφάνεια ολοκλήρωσης και ταχύτητα εκτέλεσης. Τα ισοζύγια (trade-offs) αναγνωρίζονται, και όπου αυτά υπάρχουν προτείνονται μέθοδοι για την αποδοτική τους επίλυση. / In this Ph.D. dissertation, design methodologies that enable energy minimization of wireless multimedia application realizations are presented. The proposed methodologies mainly optimize the management of the memory subsystem, which role is dominant as far as energy dissipation of multimedia application is concerned. Furthermore, techniques for the low-power partitioning, which is required for the real-time implementation of the highly computational complex multimedia applications, are proposed. Apart from the multimedia processing itself the dissertation, also focuses on the transmition of the multimedia content. To this end, power management techniques applicable for the design of wireless receivers are proposed. The proposed techniques are employed for the design of real-life implementation of low and medium rate receivers. Apart from energy minimization The proposed methodologies and techniques take into account constraints regarding the integration area as well as the processing time. The involved trade-offs are identified, and methods for their efficient exploration are proposed

Η κρυφή μνήμη αποτελεί έναν σημαντικό παράγοντα για την απόδοση του επεξεργαστή. Ταυτόχρονα όμως αποτελεί και ένα από τα δομικά μέρη πάνω στο chip στο οποίο καταναλώνεται σημαντικό κομμάτι της ισχύος. Στην παρούσα εργασία γίνεται μία ανάλυση πάνω στην κατανάλωση των διαφόρων επιπέδων της ιεαραρχίας της κρυφής μνήμη του επεξεργαστή και παρουσιάζονται ορισμένες τεχνικές που οδηγούν στην μείωση της ενώ παράλληλα διατηρείται η απόδοση του υπολογιστικού συστήματος όσο το δυνατόν πιο σταθερή. Η αποτίμηση των τεχνικών αυτών έγινε με την βοήθεια του SimpleScalar, εξομοιωτή υπερβαθμωτών αρχιτεκτονικών επεξεργαστή, και του εργαλείου CACTI της HP, το οποίο μοντελοποιεί διάφορα χαρακτηριστικά (χρόνο προσπέλασης, δυναμική κατανάλωση ισχύος κτλ.) της κρυφής και κύριας μνήμης του επεξεργαστή. / Cache memory plays an important role in the performance of the processor. Simultaneously, however, it is one of the core components of the chip which consume a significant percentage of the total power. In this thesis we present an analysis of the power dissipation of the different levels in cache memory hierarchy and we propose techniques that lead to a reduction of power consumption while maintaning the system performance. For the efficiency study of these techniques we use SimpleScalar, a superscalar architecture simulator, and CACTI, an enhanced cache access and cycle time model.

On-line monitoring is an important challenge in future biotechnology applications, for instance in the domain of precision livestock farming, there is need for low-cost intelligent sensors to monitor animal welfare. The common way of observing a living organism is usually done by audio-visual ways performed by a human being, who is present on the scene. This method is, however, subjective, expensive, error prone and time consuming. Instead of performing an animal observation by a human being, automated objective surveillance, by means of low cost intelligent image sensors, can be used. With the use of cheap image sensors and with the help of image analysis techniques, an automated, objective, contact-less monitoring method of the behavior of the living organisms can be provided. Much knowledge has been obtained in the development and use of image analysis algorithms to automatically quantify body features of animals, their activity rate and their behavior. Such an automatic image analysis algorithm is combined with on-line modeling techniques in order to develop an application for the recognition of several behavioral phenotypes of laying hens. The procedure is divided in two phases, where an automatic computer vision algorithm detects the monitoring object from images captured by a video camera, and then another algorithm tracks the detected object through successive frames. Further work is required to integrate these algorithms into low-cost low-energy processing platforms, including embedded systems or even wearable devices. Only then, this important biotechnology development will lead to economically applicable solutions. The challenge of the present thesis especially includes the exploration of ultra-low energy implementation platforms of this biotechnology application. The initial application is developed in the MATLAB environment and is converted to C programming language. Dynamic range and precision analysis are performed to efficiently determine the required fixed-point word-lengths of the application’s variables. Finally, platform-independent and platform-dependent code transformations and integration of the algorithm to different ASIPs (Application Specific Instruction Processors) architectures are applied in order to achieve ultimate low energy consumption. / Η On-line παρακολούθηση αποτελεί μια σημαντική πρόκληση στις μελλοντικές βιοτεχνολογικές εφαρμογές, όπως παραδείγματος χάριν στον τομέα της κτηνοτροφίας, όπου είναι επιτακτική η ανάγκη χρήσης χαμηλού κόστους έξυπνων αισθητήρων στην παρακολούθηση της ευημερίας των ζωντανών οργανισμών. Ο συνήθης τρόπος παρακο-λούθησης ενός ζωντανού οργανισμού συνίσταται στη χρήση οπτικοακουστικών μέσων, τα οποία χειρίζεται ο ανθρώπινος παράγοντας που είναι παρόν. Η μέθοδος αυτή είναι κατά κύριο λόγο υποκειμενική, ακριβή, επιρρεπής σε σφάλματα και επιπροσθέτως χρονοβόρα. Αντ’ αυτού είναι δυνατό να εφαρμοσθεί μια αυτοματοποιημένη αντι-κειμενική επιτήρηση, η οποία λαμβάνει χώρα μέσω χαμηλού κόστους έξυπνων αισθητήρων εικόνας. Η χρήση των αισθητήρων, σε συνδυασμό με τη βοήθεια τεχνικών ανάλυσης εικόνας, παράγει μια αυτόματη αντικειμενική και εξ’ αποστάσεως μέθοδο πα-ρακολούθησης της συμπεριφοράς των ζωντανών οργανισμών. Τα τελευταία χρόνια η τεχνογνωσία στην ανάπτυξη και τη χρήση αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας, οι οποίοι εντοπίζουν αυτόματα τα χαρακτηριστικά των σωμάτων των ζωντανών οργανισμών, το ποσοστό δραστηριότητάς τους, καθώς και την συμπε-ριφορά τους, αναπτύσσεται ραγδαία. Ένας τέτοιος αλγόριθμος συνδυάζεται με on-line τεχνικές μοντελοποίησης αποσκοπώντας στην αναγνώριση διαφόρων φαινοτύπων συ-μπεριφοράς των ορνίθων. Η διαδικασία χωρίζεται σε δύο φάσεις, όπου κατά την πρώτη ένας αλγόριθμος με υπολογιστική όραση ανιχνεύει το αντικέιμενο παρακολούθησης από εικόνες που προέρχονται από μια κάμερα παρακολούθησης, και κατά τη δεύτερη ένας αλγόριθμος εντοπισμού αναλαμβάνει την παρακολούθηση του αντικειμένου σε δια-δοχικές εικόνες. Ακολούθως, είναι επιτακτική η υλοποίηση των αλγορίθμων σε χαμηλού κόστους χαμηλής κατανάλωσης πλατφόρμες επεξεργασίας, οι οποίες μπορούν να περιλαμβάνουν ενσωματωμένα ή ακόμα και ασύρματα συστήματα, ούτως ώστε η σημαντική αυτή βιοτεχνολογική ανάπτυξη να οδηγήσει σε οικονομικά εφικτές λύσεις. Η παρούσα μελέτη ανταπεξέρχεται στην πρόκληση της εξερεύνησης χαμηλής κατανάλωσης υλοποίησεων της βιοτεχνολογικής αυτής εφαρμογής. Η εφαρμογή έχει αναπτυχθεί σε υπολογιστικό περιβάλλον Matlab και εν συνεχεία ακολουθεί η μετάφρασή της σε C προγραμματιστική γλώσσα. Επιπρόσθετα, εφαρ-μόσθηκε δυναμική ανάλυση του εύρους και ανάλυση της ακρίβειας των μεταβλητών, με στόχο τον προσδιορισμό των μηκών των fixed point λέξεων. Εν κατακλείδι, πραγμα-τοποιήθηκαν platform-independent και platform-dependent μετασχηματισμοί της εφαρμογής και υλοποιείται σε διαφορετικές ASIP αρχιτεκτονικές αποσκοπώντας στην επίτευξη χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας.

On-line poultry monitoring can significantly improve living conditions of hens in industrial farms. A very low-cost low-energy solution needs to be provided though. ASIPs can be an ideal solution when they cover many submarkets and low-energy concepts are used for their realization. Aiming to high energy-efficiency, this work implements data parallelization, using a recently introduced software-controled SIMD realization in an innovative way. A manual mapping and scheduling effort of the most crucial part of the application leads to a highly optimized result, in terms of cycles, area and energy. This manual scheduling implementation must also be supported by a commercial compiler tool so that the design-time is minimized. Moreover, energy-efficient mapping must be explored for the remaining parts of the code. In that case, because the frequency of occurence of a part of the code is very low, more attention should be given to minimizing the area overhead. Increasing the energy efficiency of the data-path in such ways can be very important, since data- path can be dominant in the total energy-pie, once the instruction/data memory overhead is minimized by other complementary approaches. / Η αυτόματη μέθοδος παρακολούθησης ζωντανών οργανισμών μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις συνθήκες διαβίωσης των ζώων στις βιομηχανικές φάρμες. Για να είναι οικονομικά εφικτή όμως μια τέτοια λύση πρέπει να είναι μια λύση χαμηλής ενέργειας. Τα ASIPs μπορούν να είναι μια ιδανική λύση όταν τεχνικές χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας εφαρμόζονται σε αυτά, καθώς λόγω της ευελιξίας τους μπορούν να καλύπτουν πολλούς τομείς της συγκεκριμένης αγοράς. Στοχεύοντας σε υψηλή εξοικονόμηση ενέργειας, η παρούσα δουλειά υλοποιεί παραλληλισμό δεδομένων, χρησιμοποιώντας μια προσφάτως προταθείσα πραγματοποίηση Single Instruction Multiple Data (SIMD) εντολών, που υλοποιούνται μέσω software με ένα καινοτόμο τρόπο. Μια χειρωνακτική προσπάθεια αντιστοίχισης σε υλικό του πιο κρίσιμου κομματιού της εφαρμογής και χρονοπρογραμματισμού των εντολών του οδηγεί σε ένα πολύ βελτιστοποιημένο αποτέλεσμα αναφορικά με τους κύκλους εκτέλεσης, την καταλαμβανόμενη επιφάνεια και την απαιτούμενη ενέργεια. Η χειρωνακτική υλοποίηση χρονοπρογραμματισμού των εντολών πρέπει να μπορεί να επιτευχθεί από ένα εμπορικό εργαλείο μετάφρασης (compiler tool) ώστε στο μέλλον ο χρόνος σχεδιασμού να ελαχιστοποιηθεί. Επιπλέον, πρέπει να διερευνηθεί μια αποδοτική ως προς το θέμα της ενέργειας προσπάθεια απεικόνισης σε υλικό για τα υπόλοιπα τμήματα της εφαρμογής πέραν του πιο κρίσιμου. Σε αυτή την περίπτωση, επειδή η συχνότητα εμφάνισης αυτών των τμημάτων του κώδικα είναι πολύ μικρή, έμφαση δίνεται στην ελαχιστοποίηση της επιφάνειας του υλικού. Η βελτίωση της κατανάλωσης ενέργειας του data-path με τέτοιους τρόπους είναι πολύ σημαντική, αφού το data-path είναι κυρίαρχο στην κατανομή της ενέργειας, όταν η επιβάρυνση της μνήμης δεδομένων και εντολών ελαχιστοποιείται από συμπληρωματικές μεθόδους, όπως συμβαίνει στο προτεινόμενο ASIP.

With commercial processor design tools, a designer can quickly design a C- programmable ASIP for a specific application domain. There are several such ASIPs available for both wireless (UWB baseband processing), encryption, and biomedical processing (particularly for ECG beat detection). In traditional CPUs and DSPs the impact of the instruction-set definition and the complexity of the instruction decoder can be substantial, especially in terms of power consumption. Fully orthogonal VLIW processors, do not incur the cost of an instruction decoder that severely. Instead the instruction word becomes very large, thereby shifting the (power-)cost to the program memory or instruction cache. For the purposes of this thesis a SIMD processor is developed and is compared to a soft-SIMD to observe its area, performance and energy efficiency for a bioimaging benchmark and how the processor description in the ASIP language nML, defines the generated HDL. This SIMD processor is turned into orthogonal and using iterative experiments it is investigated, what is the impact on power while manipulating the instruction-set architecture in combination with the program memory size. It is also investigated how instruction-set re-configuration can be exploited to improve power efficiency. Using this investigation guidelines for low-power ASIP design can be produced. / Με τη σύγχρονη τεχνολογία σχεδιασμού επεξεργαστών, ο σχεδιαστής μπορεί με ευκολία να σχεδιάσει ένα προγραμματιζόμενο Επεξεργαστή Συνόλου Εντολών Ειδικού Σκοπού (ASIP - Application-Specific Instruction-set Processor) για ένα συγκεκριμένο εύρος εφαρμογών. Υπάρχουν διάφοροι τέτοιοι επεξεργαστές διαθέσιμοι για ασύρματες εφαρμογές, κρυπτογράφηση και βιοϊατρικές εφαρμογές (π.χ. στον αλγόριθμο εντοπισμού χτύπου ηλεκτροκαρδιογραφήματος). Στους παραδοσιακούς επεξεργαστές και επεξεργαστές σήματος (DSP - Digital Signal Processor) ο ορισμός του συνόλου εντολών και η πολυπλοκότητα έχουν μεγάλη επίδραση, ειδικά στην κατανάλωση ισχύος. Μία πιθανή λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι οι ορθογώνιοι επεξεργαστές μεγάλου μεγέθους λέξης εντολής (VLIW - Very Large Instruction Word). Με τον όρο ορθογώνιο επεξεργαστή, ορίζεται ένας επεξεργαστής οριζόντιου σύνολου εντολών, άρα ένας επεξεργαστής στον οποίο μπορεί να υπάρξει κάθε διαθέσιμος συνδυασμός μεταξύ των διαθέσιμων εντολών και των μεθόδων διευθυνσιοδότησης για πρόσβαση στη μνήμη και το αρχείο καταχωρητών. Οι ορθογώνιοι επεξεργαστές δεν επιβαρύνουν τόσο τον αποκωδικοποιητή εντολών. Αντί αυτού το μέγεθος της λέξης της εντολής γίνεται πολύ μεγάλο, και έτσι μετατίθεται το ενεργειακό κόστος στην μνήμη εντολών προγράμματος (program memory )ή την κρυφή μνήμη εντολών προγράμματος (instruction cache). Για τους σκοπούς αυτής της διπλωματικής εργασίας, αναπτύχθηκε ένας επεξεργαστής SIMD, ο οποίος συγκρίνεται με έναν soft-SIMD για να μελετηθούν η απαιτούμενη περιοχή στο ενσωματωμένο, επιδόσεις και κατανάλωση ενέργειας για μία βιοϊατρική εφαρμογή, καθώς και το πως η περιγραφή ενός επεξεργαστή στη γλώσσα περιγραφής επεξεργαστών ASIP nML ορίζει την παραγούμενη γλώσσα περιγραφής υλικού (HDL - Hardware Description Language). Ο επεξεργαστής αυτός μετατρέπεται σε ορθογώνιο, και με τη χρήση επαναληπτικών πειραμάτων μελετάται η επίδραση στην κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια αλλαγών στην αρχιτεκτονική του συνόλου εντολών και του μεγέθους της μνήμης εντολών προγράμματος. Ακόμη μελετάται πως μπορεί να εκμεταλλευτεί ο σχεδιαστής την αναδιάρθρωση του συνόλου εντολών για να βελτιώσει την κατανάλωση ενέργειας.

Στην παρούσα διατριβή προτείνονται μέθοδοι διαχείρισης των κοινόχρηστων πόρων σε υπολογιστικά συστήματα όπου πολλαπλοί επεξεργαστές μοιράζονται το ίδιο ολοκληρωμένο (Chip Multiprocessors – CMPs). Ενώ μέχρι πρόσφατα ο σχεδιασμός ενός υπολογιστικού συστήματος στόχευε στην ικανοποίηση των απαιτήσεων μόνο μίας εφαρμογής ανά χρονική περίοδο, τώρα πια απαιτείται και η εξισορρόπηση των απαιτήσεων διαφορετικών εφαρμογών που ανταγωνίζονται για την κατοχή των ίδιων πόρων. Σε πολλές περιπτώσεις, όμως, αυτό δεν αρκεί από μόνο του. Ακόμη και αν επιτευχθεί κάποιος ιδανικός διαμοιρασμός του πόρου, αν δεν βελτιστοποιηθεί ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιούν οι επεξεργαστές τον κοινόχρηστο πόρο, δεν θα καταφέρει να εξυπηρετήσει ικανοποιητικά το αυξημένο φορτίο. Για να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα που πηγάζουν από τον διαμοιρασμό των κοινόχρηστων πόρων, στην παρούσα εργασία προτείνονται τρεις εναλλακτικοί μηχανισμοί διαχείρισης. Η πρώτη μεθοδολογία εισάγει μία νέα θεωρητική μοντελοποίηση του διαμοιρασμού της κρυφής μνήμης, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί παράλληλα με την εκτέλεση των προγραμμάτων που διαμοιράζονται την κρυφή μνήμη. Η μεθοδολογία αξιοποιεί στην συνέχεια αυτήν την μοντελοποίηση, για να ελέγξει τον διαμοιρασμό της κρυφής μνήμης και να επιτύχει δικαιοσύνη στο πως κατανέμεται ο χώρος της κρυφής μνήμης μεταξύ των επεξεργαστών. Η δεύτερη μεθοδολογία παρουσιάζει μία νέα τεχνική για την πρόβλεψη της τοπικότητας των προσπελάσεων της κρυφής μνήμης. Καθώς η τοπικότητα είναι η βασική παράμετρος που καθορίζει την χρησιμότητα των δεδομένων της κρυφής μνήμης, χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική πρόβλεψης μπορούν να οδηγηθούν μηχανισμοί διαχείρισης που βελτιώνουν την αξιοποίηση του χώρου της κρυφής μνήμης. Στα πλαίσια της μεθοδολογίας παρουσιάζουμε έναν τέτοιο μηχανισμό, ο οποίος στοχεύει στην ελαχιστοποίηση των αστοχιών της κρυφής μνήμης μέσω μίας νέας πολιτικής αντικατάστασης. Η τελευταία μεθοδολογία που παρουσιάζεται είναι μία μεθοδολογία για την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας της ουράς εντολών, που είναι μία από τις πιο ενεργειακά απαιτητικές δομές του επεξεργαστή. Στα πλαίσια της μεθοδολογίας, δείχνεται ότι το κλειδί για την αποδοτική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας της ουράς εντολών βρίσκεται στην αλληλεπίδραση της με το υποσύστημα μνήμης. Με βάση αυτό το συμπέρασμα, παρουσιάζουμε έναν νέο μηχανισμό δυναμικής διαχείρισης του μεγέθους της ουράς εντολών, ο οποίος συνδυάζει επιθετική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του επεξεργαστή με διατήρηση της υψηλής απόδοσής του. / This dissertation proposes methodologies for the management of shared resources in chip multi-processors (CMP). Until recently, the design of a computing system had to satisfy the computational and storage needs of a single program during each time period. Now instead, the designer has to balance the, perhaps conflicting, needs of multiple programs competing for the same resources. But, in many cases, even this is not enough. Even if we could invent a perfect way to manage sharing, without optimizing the way that each processor uses the shared resource, the resource could not deal efficiently with the increased load. In order to handle the negative effects of resource sharing, this dissertation proposes three management mechanisms. The first one introduces a novel theoretical model of the sharing of the shared cache, which can be used at run-time. Furthermore, out methodology uses the model to control sharing and to achieve a sense of justice in the way the cache is shared among the processors. Our second methodology presents a new technique for predicting the locality of cache accesses. Since locality determines, almost entirely, the usefulness of cache data, our technique can be used to drive any management mechanism which strives to improve the efficiency of the cache. As part of our methodology, we present such a mechanism, a new cache replacement policy which tries to minimize cache misses by near-optimal replacement decisions. The last methodology presented in this dissertation, targets the energy consumption of the processor. To that end, our methodology shows that the key to reducing the power consumption of the Issue Queue, without disproportional performance degradation, lies at the interaction of the Issue Queue with the memory subsystem: as long as the management of the Issue Queue doesn’t reduce the utilization of the memory subsystem, the effects of the management on the processor’s performance will be minimal. Based on this conclusion, we introduce a new mechanism for dynamically resizing the Issue Queue, which achieves aggressive downsizing and energy savings with almost no performance degradation.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για βιοϊατρικές εφαρμογές. Δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στην υλοποίηση διαγωγών χαμηλής τροφοδοσίας και ενισχυτών ρεύματος οδηγούμενων από το υπόστρωμα. Όπως σε όλα τα διαφορικά κυκλώματα, έτσι και στους διαφορικούς διαγωγούς κύριο μέλημα των σχεδιαστών είναι η γραμμικότητα τους και οι παράμετροι που την επηρεάζουν. Προτείνεται ένας διαγωγός χαμηλής τροφοδοσίας που βασίζεται στην βαθμίδα ακόλουθου τάσης με αναστροφή και προσομοιώνεται για να μελετηθεί το εύρος της γραμμικότητας του, η απόκριση συχνότητας και η συμπεριφορά του σε χρονικά μεταβαλλόμενο ημιτονοειδές σήμα. Ο ενισχυτής ρεύματος οδηγούμενος από το υπόστρωμα που παρουσιάζεται σε αυτήν την εργασία εκμεταλλεύεται όλους τους βαθμούς ελευθερίας ενός MOS τρανζίστορ πολωμένου στην ασθενή αναστροφή και στον κόρο. Η τεχνική οδήγησης από το υπόστρωμα χρησιμοποιείται ευρέως στην σχεδίαση κυκλωμάτων χαμηλής τροφοδοσίας, αφού έχει μειωμένες απαιτήσεις τάσης, ενώ είναι και ανεξάρτητη από περιορισμούς σχετικούς με την τάση κατωφλίου. Επιπρόσθετα, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα διατηρούνται στην περιοχή κόρου για αρνητικές, μηδενικές και σχετικά μικρές θετικές τιμές της τάσης πόλωσης VBS. Έτσι, μπορούν να επεξεργάζονται σήματα εισόδου κοινού τρόπου (common-mode input range) μεγάλης τιμής και με μεγάλο εύρος κυμάτωσης κάτι που δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί με συμβατικές κυκλωματικές τεχνικές σε τόσο χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Όμως, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα έχουν μικρή τιμή διαγωγιμότητας και είναι ευαίσθητα στον θόρυβο. Άλλο μειονέκτημα της τεχνικής με οδήγηση από το υπόστρωμα είναι ότι η πόλωση των τρανζίστορ εξαρτάται από την τεχνολογία ολοκλήρωσης. Το κέρδος του ενισχυτή ρεύματος οδηγούμενου από το υπόστρωμα μεταβάλλεται με εκθετικό τρόπο. Αυτή η ιδιότητα είναι σημαντική και χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου κέρδους όπου το σήμα εισόδου μεταβάλλεται αρκετές τάξεις μεγέθους. Σε ένα παρόμοιο σύστημα χρησιμοποιούμε και τα προαναφερθέντα κυκλώματα και εξετάζουμε την συνολική συμπεριφορά του. Οι προδιαγραφές αυτών των κυκλωμάτων επιτρέπουν την εφαρμογή τους στην βιοϊατρική, αφού εμφυτεύσιμα συστήματα, βίο-αισθητήρες και βοηθητικά ακοής επεξεργάζονται σήματα σχετικά χαμηλών συχνοτήτων με χαμηλή τάση τροφοδοσίας. / This diploma thesis forms a study on the design of analog circuits for biomedical applications. We focus on the realization of low voltage transconductors and Bulk-Driven current amplifiers. Like all the differential circuits, the designers’ main concern for a differential transconductor is its linearity and the parameters that affect it. We propose a low voltage transconductor based on Flipped Voltage Follower topology and we simulate it in order to study the range of the linearity, frequency response and its behavior in temporally varying sinusoidal signal. The Bulk-Driven current amplifier presented in this thesis takes advantage of all degrees of freedom of a MOS transistor biased in weak inversion and in saturation. The Bulk-Driven technique is widely used in the design of low voltage supply, because it has reduced demands on voltage and is independent of restrictions related to the threshold voltage. Moreover, Bulk-Driven transistors are maintained in saturation for negative, zero and even small positive values of the bias voltage VBS. Consequently, they can process large input common mode signals and signals with large swing voltage range, a property that could not be achieved with conventional circuit techniques at low power supply voltages. However, the transconductance of a Bulk –Driven transistor is smaller and is sensitive to noise. Another disadvantage of the Bulk-Driven technique is that the polarity of the transistor is process related. The gain of the Bulk-Driven current amplifier varies exponentially. This property is important and it is used widely in systems of automatic gain control where input signals can range several orders of magnitude. The specifications of these circuits allow their appliance in biomedicine, because implanted systems, biosensors and hearing aids process signals of relatively small frequencies with low voltage supply.

Οι σημερινές εφαρμογές έχουν ολοένα και μεγαλύτερες ανάγκες επεξεργαστικής ισχύος προκειμένου να εκτελεστούν σε συντομότερο χρονικό διάστημα. Για να την ικανοποίηση αυτών των χρονικών περιορισμών απαιτείται η ανάπτυξη βελτιστοποιημένων τεχνικών σχεδιασμού. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής σχετίζεται με την ανάπτυξη αρχιτεκτονικών και τεχνικών μεταφραστών με σκοπό την γρηγορότερη τροφοδότηση του επεξεργαστή με δεδομένα από την ιεραρχία μνήμης. α) Μεθοδολογία επιτάχυνσης εκτέλεσης εφαρμογής πολλαπλασιασμού πινάκων Παρουσιάζεται μία μεθοδολογία που βασίζεται στην τοπικότητα των δεδομένων με σκοπό την επιτάχυνση εκτέλεσης του πολλαπλασιασμού πινάκων. Μετά από διερεύνηση, παράγεται ο βέλτιστος τρόπος χρονοπρογραμματισμού των προσπελάσεων στη μνήμη λαμβάνοντας υπόψη την τοπικότητα των δεδομένων και τα μεγέθη των επιπέδων ιεραρχίας μνήμης. Ο χρόνος διερεύνησης είναι σύντομος καθώς απορρίπτονται όλες οι μη-βέλτιστες λύσεις. Η προτεινόμενη μεθοδολογία συγκρίνεται με άλλες υπάρχουσες και παρατηρείται αύξηση της απόδοσης μέχρι 55%. β)Mεθοδολογία αποδοτικής υλοποίησης του Fast Fourier Transform (FFT) Παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία, που επιτυγχάνει βελτιωμένη απόδοση στην υλοποίηση του FFT, έχοντας ως γνώμονα την ελαχιστοποίηση των προσπελάσεων που πραγματοποιούνται στα δεδομένα. Η προτεινόμενη μεθοδολογία έχει σημαντικά πλεονεκτήματα. Πρώτον, την πλήρη αξιοποίηση της παραγωγής και της κατανάλωσης των αποτελεσμάτων των πεταλούδων του FFT αλγορίθμου, της επαναχρησιμοποίησης δεδομένων και της συμμετρίας των twiddle συντελεστών του FFT αλγορίθμου. Δεύτερον, η βέλτιστη λύση χρονοπρογραμματισμού βρίσκεται λαμβάνοντας υπόψη τόσο τον αριθμό των καταχωρητών, όσο και το μέγεθος της κρυφής μνήμης κάθε επιπέδου, αναζητώντας μόνο τον αριθμό του επιπέδου του tiling του FFT. Τρίτον, ο χρόνος μετάφρασης και το μέγεθος του πηγαίου κώδικα είναι πολύ μικροί συγκρινόμενοι με την SOA βιβλιοθήκη υλοποίησης του FFT αλγορίθμου, την FFTW. Η προτεινόμενη μεθοδολογία επιτυγχάνει αύξηση της απόδοσης μέχρι και 63% σε σχέση με την βιβλιοθήκη FFTW. γ)Ανάπτυξη Αρχιτεκτονικών για Διαχείριση Μνήμης Παρουσιάζεται μια αποσυζευγμένη αρχιτεκτονική επεξεργαστών με μια ιεραρχία μνήμης που αποτελείται μόνο από μνήμες scratch-pad, και μια κύρια μνήμη. Η αρχιτεκτονική αυτή εκμεταλλεύεται τα οφέλη των scratch-pad μνημών και τον παραλληλισμό μεταξύ της επεξεργασίας δεδομένων και υπολογισμού διευθύνσεων. Η αρχιτεκτονική συγκρίνεται στην απόδοση με την αρχιτεκτονική MIPS με cache και με scratch-pad ιεραρχίες μνήμης και παρουσιάζεται η υψηλότερη απόδοσή της. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η απόδοση αυξάνεται μέχρι 3,7 φορές. Στη συνέχεια γίνεται περαιτέρω έρευνα σε αρχιτεκτονικές με Scratch-pad μνήμες. Παρουσιάζεται μια αρχιτεκτονική που είναι σε θέση να παρέχει πληροφορίες για το ακριβές περιεχόμενο δεδομένων της scratch-pad, κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης και μπορεί επίσης να εκτελέσει όλες τις απαραίτητες ενέργειες για την τοποθέτηση των νέων δεδομένων στη scratch-pad. Με αυτόν τον τρόπο, αξιοποιείται η επαναχρησιμοποίηση δεδομένων που εμφανίζεται τυχαία και δεν μπορεί να προσδιοριστεί από το μεταγλωττιστή. Συγκρίνεται με αρχιτεκτονική MIPS που περιέχει cache και με scratch-pad μνήμες και αναδεικνύεται η μεγαλύτερη απόδοσή της. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η απόδοση αυξάνεται μέχρι 5 φορές έναντι των αρχιτεκτονικών με scratch-pad και 2.5 φορές έναντι των αρχιτεκτονικών με cache. / Modern applications have indence needs in processing power in order to be executed in short time. For satisfying the time limits, there have to be generated new techniques for optimizing the designs. The object of the present thesis is about developing new compiler techniques and hardware architectures which aim to transfer data faster, from the memory hierarchy to the CPU. a) Methdology for accelerating the execution of matrix multiplications A new methodology using the standard MMM algorithm is presented, achieving improved performance by focusing on data locality (both temporal and spatial). This methodology finds the scheduling which conforms with the optimum memory management. The scheduling used for the tile level is different from the element level’s one, having better data locality, suited to the sizes of memory hierarchy. Its exploration time is short, because it searches only for the number of the level of tiling used for finding the best tile size for each cache level. Compared with the best existing related work, which we implemented, better performance up to 55% β)Methodology for increasing performance on Fast Fourier Transform (FFT) A new methodology is presented based on minimizing the memory accesses for FFT. It exploits, the production and comsumption of the FFT batterfly results and the reuse of data. The optimum scheduling solution is found taking into account the number of registers and the cache memory size. The compile time and source code size are short comparing to SOA library. The methodology performance gains are up to 63% comparing to FFTW library. γ)Ανάπτυξη Αρχιτεκτονικών για Διαχείριση Μνήμης A decoupled processors architecture with a memory hierarchy is presented consisting only of scratch–pad memories, and a main memory. This architecture exploits both the benefits of scratch-pad memories and the parallelism between address computation and application data processing. The architecture is compared in performance with the MIPS architecture with cache and with scratch-pad memory hierarchies and with the existing decoupled architectures showing its higher normalized performance. Experimental results show that the performance is increased up to 3.7 times. Continuing, more research is done on Scratch-pad memories. We present an architecture that is able to provide information about the exact data contents of scratch-pad during execution and can also do all the necessary operations for placing the new data blocks in scratch-pad. Thereby, the temporal locality which occurs randomly and can not be identified by the compiler is exploited. It is compared with the MIPS architecture with cache and with scratch-pad memories showing its higher normalized performance. Experimental results show that the performance is increased up to 5 times compared to cache architectures and 2,5 times compared to existing scratch-pad architectures.

Μετά την πρώτη ενεργειακή κρίση την δεκαετία του ’70 κατά την οποία τα περιορισμένα αποθέματα ενέργειας προκάλεσαν την πρώτη σημαντική αύξηση στην τιμή της ενέργειας, η χρήση ενέργειας στα θερμοκήπια έχει γίνει κύριο ερευνητικό ζήτημα. Η ανάγκη για μείωση του ενεργειακού κόστους είναι σημαντική, γιατί η ενέργεια αποτελεί σημαντικό κλάσμα του συνολικού κόστους παραγωγής. Στις Μεσογειακές χώρες έχει υπολογιστεί ότι η χρήση ενέργειας για έλεγχο των συνθηκών περιβάλλοντος και ειδικότερα για τη θέρμανση, είναι 20% - 30% του συνολικού κόστους παραγωγής, ποσοστό το οποίο στις βορειότερες χώρες αυξάνεται. Ταυτόχρονα, με το έντονο ενδιαφέρον για το παγκόσμιο φαινόμενο του θερμοκηπίου και τις κλιματικές αλλαγές, η χρήση των συμβατικών καυσίμων είναι και πάλι στην πολιτική ατζέντα. Έτσι και η βιομηχανία θερμοκηπίων είναι αντιμέτωπη με οικονομική, πολιτική και κοινωνική πίεση για μείωση της χρήσης ενέργειας και βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των θερμοκηπίων μέσω τεχνολογικών καινοτομιών. Η κατανάλωση ενέργειας για τη θέρμανση του θερμοκηπίου αποτελεί ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα διότι οι απώλειες του θερμοκηπίου σε θερμότητα λόγω των λεπτών τοιχωμάτων του και της κατασκευής του, είναι πολύ μεγάλες, 6-12 φορές μεγαλύτερες από εκείνες ενός συνήθους κτίσματος ίσου όγκου. Η θερμότητα παρέχεται στο θερμοκήπιο κυρίως μέσω συμβατικών συστημάτων θέρμανσης (συστήματα σωληνώσεων θερμού νερού, συστήματα θερμού αέρα) και σε περιορισμένη έκταση με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ηλιακή, γεωθερμία, βιομάζα). Για να επιτευχθεί με αυτές τις μεθόδους η απαραίτητη θερμοκρασία στο επίπεδο των φυτών, το εσωτερικό του θερμοκηπίου πρέπει να θερμανθεί στην ίδια ή υψηλότερη θερμοκρασία από την επιθυμητή θερμοκρασία των φυτών με αποτέλεσμα την δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος σε ολόκληρο το θερμοκήπιο (όλον κλίμα). Το αποτέλεσμα αυτής της πρακτικής σε όλες τις μελέτες που διεξάγονται είναι ότι, τα θερμοκήπια καταναλώνουν απαράδεκτα υψηλά ποσά ενέργειας σε σχέση με την ενέργεια που απορροφάται από τα φυτά, για να καλύπτουν τις αυξημένες ενεργειακές απώλειες που λόγω κατασκευής παρουσιάζουν. Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μια ολοκληρωμένη πρόταση για την δημιουργία ενός "ψυχρού θερμοκηπίου" στο οποίο τα φυτά θα λαμβάνουν απευθείας την ενέργεια που χρειάζονται προκειμένου να φτάσουν και να διατηρήσουν την επιθυμητή για την ανάπτυξή τους θερμοκρασία χωρίς να υπάρχει ανάγκη για αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα του θερμοκηπίου. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται σύστημα θέρμανσης με μικρού μήκους υπέρυθρη ακτινοβολία (NIR). Σε αυτά τα συστήματα η θερμότητα μεταδίδεται απευθείας από την πηγή στον δέκτη, στην προκειμένη περίπτωση στα φυτά και το έδαφος και το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος μόνο στην περιοχή του φυτικού θόλου (τοπικό κλίμα). Ειδικότερα η παρούσα εργασία αντιμετωπίζει τη θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου λαμβάνοντας υπόψη όλα τα ουσιαστικά θερμικά φαινόμενα που συμβαίνουν κατά την διάρκεια θέρμανσης (με συμβατικό και με σύστημα θέρμανσης με ακτινοβολία) και παρουσία καλλιέργειας. Γι αυτό τον λόγο δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου που προσομοιάζει επαρκώς τις κύριες διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας μέσα στο θερμοκήπιο, το οποίο περιλαμβάνει ένα σύνολο λειτουργικών συνθηκών, και στο οποίο καθορίζονται με σχετική ακρίβεια οι παράγοντες που επηρεάζουν την θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου. Το μοντέλο προσομοίωσης δίνει την δυνατότητα αξιόπιστης περιγραφής του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου, και σαφούς εκτίμησης των ενεργειακών αναγκών του και με τις δυο τεχνικές θέρμανσης. Ετσι προσδιορίζεται το εξοικονομούμενο ενεργειακό όφελος που προκύπτει με τη χρήση συστήματος θέρμανσης με ακτινοβολία. Ο έλεγχος της ποιότητας του μοντέλου προσομοίωσης και η περαιτέρω βελτίωσή του γίνεται με σύγκριση των θεωρητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα, η συλλογή και επεξεργασία των οποίων αποτελεί τον πυρήνα της έρευνας. Τα πειραματικά δεδομένα προέρχονται από πειράματα που διεξήχθησαν σε δύο πειραματικά θερμοκήπια συζευγμένα με αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό, στα οποία εφαρμόζεται συμβατικό σύστημα θέρμανσης και θέρμανση με υπέρυθρη ακτινοβολία αντίστοιχα. Αυτό δίνει την δυνατότητα πιστοποίησης των δυνατοτήτων της θέρμανσης με ακτινοβολία και ποσοτικοποίησης του ενεργειακού οφέλους που επιτυγχάνεται. Συμπερασματικά, η συστηματική θεωρητική και πειραματική μελέτη ενός "ψυχρού" θερμοκηπίου με χρήση μικρού μήκους υπέρυθρης ακτινοβολίας (NIR) και ενός "θερμού θερμοκηπίου" με χρήση συμβατικού συστήματος θέρμανσης αναδεικνύουν το κύριο πλεονέκτημα της υπέρυθρης ακτινοβολίας, δηλαδή η θερμότητα να μεταδίδεται απευθείας από το σύστημα ακτινοβολίας στα φυτά και το έδαφος χωρίς να παρεμβάλεται ο αέρας του εσωτερικού περιβάλλοντος του θερμοκηπίου. Αυτό οδηγεί σε ομοιομορφία θέρμανσης του φυτικού θόλου και ταυτόχρονα σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας της τάξεως του 40-50%. / After the first energy crisis in the seventies during which limited energy supplies led to an important increase in energy prices, greenhouse energy consumption has again become a major research issue. The energy cost reduction need is significant, since energy forms a substantial fraction of the total production costs. In Mediterranean countries it has been estimated that energy consumption for environment conditions control and more specifically for heating, consists 20% - 30% of total production cost, a percentage that is higher in northern countries. Moreover, due to the recent pronounced interest in the global greenhouse effect and climatic change, the use of fossil fuels is once again in the political agenda. Therefore the greenhouse industry is confronted with economical, political and social pressure to reduce energy usage and improve the greenhouse energy efficiency via technological innovations. Energy consumption for greenhouse heating represents a serious concern because greenhouse heat losses due to thin covers and construction specifics are 6-12 times higher than those of a common building of equal volume. Traditionally, thermal energy is transmitted to the greenhouse mainly through conventional heating systems (either by hot water circulation through a piping system or by air heaters) and, in a limited scale, through renewable energy sources (solar, geothermal, biomass). In order for the plants to reach required temperature through these methods, the greenhouse interior has to be heated to the same or even to a slightly higher temperature than the value targeted for the plants (entire climate). This practice results in extremely increased heat losses compared to the energy absorbed by plants, because of the increased energy losses due to construction specifications. The present thesis formulates a complete proposal for the creation of a "cold greenhouse" where plants will directly receive the needed energy in order to reach and preserve the desirable growth temperature without having to increase the internal greenhouse air temperature. The near infrared radiation (NIR) is used for this purpose. In the radiation system, heating is transmitted straight from the source to the receiver, in this particular case plants and soil. The result is an isothermal climate formation in the plant canopy (local climate). Specifically this study investigates the greenhouse thermal performance taking into account all the essential thermal phenomena that take place during heating (conventional and IR heating) and cultivation. For this reason, emphasis is given to the development of a mathematical model that simulates the main heating transfer procedures inside the greenhouse, takes into account a sum of operational conditions and determines all factors influencing the greenhouse thermal performance with relevant accuracy. The simulation model allows a credible description of greenhouse environment as well as a clear estimation of its energy needs with both heating systems. Thus the resulting energy saving by IR heating usage is determined. Quality control of the simulation model and its forward improvement is done by comparing the theoretical results with experimental data. Collecting and processing these data forms the research kernel. The experimental data correspond to experiments that took place in two experimental greenhouse connected with automatic meteorological station where conventional and IR heating have been used respectively. This method makes possible the identification of IR heating potential and quantification of energy saving. Concluding, the systematic theoretical and experimental study of a "cold" greenhouse using near IR heating, and of a "warm" greenhouse using conventional heating, proves the main advantage of IR heating that is that, the heat is directly transferred from the radiation system to the plants and the soil without interference of the internal greenhouse air. This leads to uniform heating of the plant canopy and at the same time to a significant energy saving of 40-50%.

Η άθροιση μεγάλων αριθμών είναι μια χρονοβόρα και ενεργοβόρα διαδικασία. Πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για να μειωθεί η καθυστέρηση υπολογισμού του αθροίσματος λόγω της μετάδοσης κρατουμένου. Τέτοιες είναι η πρόβλεψη κρατουμένου (carry look ahead) και η επιλογή κρατουμένου (carry select). Αυτές οι αρχιτεκτονικές δεν είναι επαρκώς επεκτάσιμες για μεγάλους αριθμούς (με πολλά bits) ή πολλούς αριθμούς, διότι παράγονται μεγάλα και ενεργοβόρα κυκλώματα. Στην παρούσα εργασία μελετάται η μέθοδος υπολοίπου (RNS), η οποία χρησιμοποιεί συστήματα αριθμών μεγαλύτερα από το δυαδικό. Ορίζεται μια βάση τριών αριθμών και οι αριθμοί αναπαρίστανται στα εκάστοτε τρία συστήματα της βάσης. Η άθροιση γίνεται παράλληλα σε κάθε σύστημα και τέλος οι αριθμοί μετατρέπονται πάλι στο δυαδικό. Τα πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης είναι η παραλληλία και η απουσία μεγάλων κυκλωμάτων διάδοσης κρατουμένου. Το μειονέκτημα είναι ότι χρειάζονται κυκλώματα μετατροπής από και προς το δυαδικό σύστημα. Αυτού του είδους οι αθροιστές συγκρίνονται για κατανάλωση ενέργειας με τους γνωστούς carry look ahead και carry select. Διαπιστώθηκε ότι οι RNS αθροιστές καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια. / The addition of many-bits numbers is a time and power consuming task. Many methods are developed to reduce the sum calculation delay due to carry propagation. Such techniques are Carry Look Ahead and Carry Select, Those techniques are not scalable to many bits numbers or a set of many numbers: the circuits needed are big and power consuming. In this thesis, the the RNS technique is investigated. This technique uses radix bigger than binary. A 3-numbers base is defined and the numbers that participate in the sum are represented uniquely in each element radix. The addition is performed in parallel in each radix. Finally the result is transformed back to the binary numbers system. The advantages of this technique are the parallelization of the process and the lack of carry propagation circuits. The disadvantage is that transformation circuits are need from/to binary system. The RNS adders are compared to CLA and CS for power. Such adders are compared to CLA and CS for power consumption. It is found that RNS adders consume less energy.