Submitted by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-11-24T12:43:54Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Diego Q. Pinheiro.pdf: 1711679 bytes, checksum: e41a75f9b4c8239fe90ffde9746a3501 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-11-24T12:45:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação - Diego Q. Pinheiro.pdf: 1711679 bytes, checksum: e41a75f9b4c8239fe90ffde9746a3501 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-11-24T12:45:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação - Diego Q. Pinheiro.pdf: 1711679 bytes, checksum: e41a75f9b4c8239fe90ffde9746a3501 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-11-24T12:45:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação - Diego Q. Pinheiro.pdf: 1711679 bytes, checksum: e41a75f9b4c8239fe90ffde9746a3501 (MD5) Previous issue date: 2015-09-25 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Performance and energy consumption are directly related. To increase performance, the number of instructions per second to be executed must also be increased, in other words, processor frequency must be changed. The higher this value is, higher energy consumption also has to be. Likewise, by decreasing the number of instructions to be executed, energy consumption and performance are also reduced. So, exploring performance and energy relation is the key idea behind Dynamic Voltage and Frequency Scaling – DVFS, technique. Applying DVFS in real time systems is not a trivial task. These system’s tasks are bounded to timing constraints in such a way that, if decreasing performance does not guarantee constraints, the system may totally fail. Thus, this work aims to gather two DVFS approaches in real time systems: intra and inter-tasks. The intra-task analyzes execution flow of a task and identify where the new instructions can be inserted to change supply voltage and frequency when the worst case path is not followed. On the other hand, the inter-task approach analyzes how long a task will wait due to interferences (e.g. preemption, shared resources), verifies system schedulability and defines a set of initial optimum frequencies in multi-task environment. The result is a new code with the same functionality as the original one, however with instructions to change voltage and frequency when taking into account a task interferences. Moreover, the experimental results show not only energy consumption was reduced, but also timing constraints were satisfied. / Desempenho e consumo de energia são variáveis diretamente proporcionais. Para aumentar o desempenho, é necessário também aumentar o número de instruções por segundo a serem executadas, ou seja, alterar a frequência do processador. Quanto maior for este valor, também será o consumo de energia. Do mesmo modo, reduzir o consumo de energia implica diminuir o número de instruções a serem executadas e, logo, o desempenho. Explorar a relação entre desempenho e consumo de energia é a ideia base da técnica de escalonamento dinâmico de tensão e frequência DVFS (do inglês Dynamic Voltage and Frequency Scaling). Em sistemas de tempo real críticos, aplicar a técnica DVFS não é uma tarefa trivial. Estes sistemas associam a execução de uma tarefa a um limite temporal, de modo que, se este valor não for respeitado, devido à redução do desempenho, falhas graves podem ocorrer ao sistema. Assim, esta dissertação tem como objetivo unir duas abordagens da técnica DVFS em sistemas de tempo real críticos: uma intra e outra inter-tarefas. A abordagem intra-tarefa procura analisar o fluxo de execução de uma tarefa e identificar pontos onde é possível inserir instruções para troca de frequência e tensão, quando a execução de uma tarefa se distanciar do pior caso. Já a abordagem inter-tarefas, é responsável por: analisar o tempo de espera na execução de uma tarefa devido às interferências (preempções, compartilhamento de recursos), verificar a escalonabilidade do sistema e determinar um conjunto de frequências iniciais ótimas em ambientes de múltiplas tarefas. O resultado deste estudo é a geração de um novo código com funcionalidade igual ao de entrada, porém com instruções de troca de frequência e tensão, consideradas as interferências que uma tarefa possa sofrer. Além disso, resultados experimentais mostram como não só foi possível reduzir o consumo de energia, mas também respeitar os limites temporais das tarefas em questão.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2017-09-13T17:59:11Z No. of bitstreams: 1 Utilizacao de Aritmetica Bit-serial para Reducao de Consumo de Energia-Roberto Medeiros de Faria.pdf: 1661698 bytes, checksum: c7ef8816ca92eeeed7c8d271bc93933a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-13T17:59:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Utilizacao de Aritmetica Bit-serial para Reducao de Consumo de Energia-Roberto Medeiros de Faria.pdf: 1661698 bytes, checksum: c7ef8816ca92eeeed7c8d271bc93933a (MD5) Previous issue date: 2014-12 / Hoje, uma das maiores preocupações, senão a maior, da indústria de semicondutores é o desenvolvimento de chips com baixo consumo de energia. Existem vários fenômenos físicos causadores de consumo de energia em circuitos CMOS e várias técnicas que reduzem o consumo de energia de um chip. O objetivo principal desta pesquisa de mestrado foi investigar o quanto o consumo de energia estática em circuitos CMOS pode ser reduzido por meio do emprego de aritmética bit-serial em substituição à aritmética bit-paralela. A pesquisa está focada em circuitos construídos a partir de standard cells (células padrão), com aplicação em processamento de sinais, e para os quais o principal requisito não é o alto desempenho computacional, mas o baixo consumo de energia. A metodologia foi aplicada em um estudo de caso, utilizando-se para isto, simulações com o IP core SPVR. O SPVR é um verificador de identidade vocal implementado em um circuito dedicado capaz de ter desempenho suficiente para funcionar em tempo real, mesmo empregando um sinal de clock lento. Foi constatado na pesquisa, que o uso de aritmética bit-serial, em termos de diminuição de consumo estático, é vantajoso para somadores e circuitos de pequena complexidade. Porém, para sistemas de maior complexidade, esta substituição só é vantajosa em situações específicas de grande número de operações aritméticas e baixo uso de armazenamento em registradores paralelos. No caso inverso, as vantagens se perdem, porque embora haja diminuição de consumo estático, há um crescimento muito grande de consumo dinâmico. / Today, one of the biggest concerns, if not the largest, for the semiconductor industry is the development of chips with low power consumption. There are several physical phenomena that cause power consumption in CMOS circuits and various techniques that reduce the energy consumption of a chip. The main objective of this masters research was to investigate how the static power consumption in CMOS circuits can be reduced through the use of bit-serial arithmetic in place of bit-parallel arithmetic. The research is focused on circuits built from standard cells, with application to signal processing, and for which the main requirement is not the high computing performance, but the low power consumption. The methodology was applied in a case study, using for this, simulations with the SPVR IP core. The SPVR is a vocal identity checker implemented in a dedicated circuit able to have enough performance to run in real time, even employing a slow clock signal. It has been found in research that the use of bit-serial arithmetic, in terms of reduction of static consumption, is advantageous to adders and small circuit complexity. However, for more complex systems, this substitution is only advantageous in specific situations of large number of arithmetic operations and low storage usage in parallel registers. In the reverse case, the advantages are lost, because although there are static consumption decrease, there is a very large dynamic consumption growth.

[pt] Diante dos constantes avanços da tecnologia os dispositivos eletrônicos vêm passando por um processo de miniaturização, ao mesmo tempo em que sustentam um aumento de potência. Essa tendência se mostra um desafio para seu gerenciamento térmico, uma vez que os sistemas de resfriamento típicos para eletrônicos utilizam ar como fluido de trabalho, e o seu baixo coeficiente de transferência de calor limita sua capacidade de atender às necessidades térmicas da indústria atual. Nesse sentido, o resfriamento bifásico tem sido considerado uma solução promissora para fornecer resfriamento adequado para dispositivos eletrônicos. Circuitos de termossifão bifásico combinam a tecnologia de resfriamento bifásico com sua inerente natureza passiva, já que o sistema não requer uma bomba para fornecer circulação para seu fluido de trabalho, graças às forças da gravidade e de empuxo. Um dissipador de calor de microcanais, localizado bem em cima do dispositivo eletrônico, dissipa o calor gerado. Isto o torna uma solução de baixo custo e energia. Além disso, ter um circuito de termossifão operando com um refrigerante de baixo GWP, como o R-1234yf, resulta em baixo impacto para o meio ambiente, uma vez que é um refrigerante ecologicamente correto e o sistema tem baixo ou nenhum consumo de energia. Este trabalho fornece um modelo numérico detalhado para a simulação de um circuito de termossifão bifásico, operando em condições de regime permanente. O circuito compreende um evaporador (chip e dissipador de calor de micro-aletas), um riser, um condensador refrigerado a água de tubo duplo e um downcomer. Equações fundamentais e constitutivas foram estabelecidas para cada componente. Um método numérico de diferenças finitas, 1-D para o escoamento do fluido por todos os componentes do sistema, e 2-D para a condução de calor no chip e evaporador foi empregado. O modelo foi validado com dados experimentais para o refrigerante R134a, mostrando uma discrepância em relação ao fluxo de massa em torno de 6 por cento, para quando o sistema operava sob regime dominado pela gravidade. A pressão de entrada do evaporador prevista apresentou um erro relativo máximo de 4,8 por cento quando comparada aos resultados experimentais. Além disso, a maior discrepância da temperatura do chip foi inferior a 1 grau C. Simulações foram realizadas para apresentar uma comparação de desempenho entre o R134a e seu substituto ecologicamente correto, R1234yf. Os resultados mostraram que quando o sistema operava com R134a, ele trabalhava com uma pressão de entrada no evaporador mais alta, assim como, com um fluxo de massa mais alto. Por causa disso, o R134a foi capaz de manter a temperatura do chip mais baixa do que o R1234yf. No entanto, essa diferença na temperatura do chip foi levemente inferior a 1 grau C, mostrando o R1234yf como comparável em desempenho ao R134a. Além disso, o fator de segurança da operação do sistema foi avaliado para ambos os refrigerantes, e para um fluxo de calor máximo do chip de 33,1 W/cm2, R1234yf mostrou um fator de segurança acima de 3. Isso significa que o circuito de termossifão pode operar com segurança abaixo do ponto crítico de fluxo de calor. Dada a investigação sobre a comparação de desempenho dos refrigerantes R134a e R1234yf, os resultados apontaram o R1234yf como um excelente substituto ecologicamente correto para o R134a, para operação em um circuito de termossifão bifásico. / [en] Given the constant advances in technology, electronic devices have been going through a process of miniaturization while sustaining an increase in power. This trend proves to be a challenge for thermal management since commonly electronic cooling systems are air-based, so that the low heat transfer coefficient of air limits its capacity to keep up with the thermal needs of today s industry. In this respect, two-phase cooling has been regarded as a promising solution to provide adequate cooling for electronic devices. Two-phase thermosyphon loops combine the technology of two-phase cooling with its inherent passive nature, as the system does not require a pump to provide circulation for its working fluid, thanks to gravity and buoyancy forces. A micro-channel heat sink located right on top of the electronic device dissipates the heat generated. This makes for an energy and cost-efficient solution. Moreover, having a thermosyphon loop operating with a low GWP refrigerant such as R-1234yf results in low impact for the environment since it is an environmentally friendly refrigerant, and the system has low to none energy consumption. This work provides a detailed numerical model for the simulation of a two-phase thermosyphon loop operating under steady-state conditions. The loop comprises an evaporator (chip and micro-fin heat sink), a riser, a tube-in-tube water-cooled condenser and a downcomer. Fundamental and constitutive equations were established for each component. A finite-difference method, 1-D for the flow throughout the thermoysphon s components and 2-D for the heat conduction in the evaporator and chip, was employed. The model was validated against experimental data for refrigerant R134a, showing a mass flux discrepancy of around 6 percent for when the system operated under gravity dominant regime. The predicted evaporator inlet pressure showed a maximum relative error of 4.8 percent when compared to the experimental results. Also, the chip temperature s largest discrepancy was lower than 1 C degree. Simulations were performed to present a performance comparison between R134a and its environmentally friendly substitute, R1234yf. Results showed that when the system operated with R134a, it yielded a higher evaporator inlet pressure as well as a higher mass flux. Because of that, R134a was able to keep the chip temperature lower than R1234yf. Yet, that difference in chip temperature was slightly lower than 1 C degree, showing R1234yf as comparable in performance to R134a. In addition, the safety factor of the system s operation was evaluated for both refrigerants, and for a maximum chip heat flux of 33.1 W/cm2, R1234yf showed a safety factor above 3. This means the thermosyphon loop can operate safely under the critical heat flux. Given the investigation on the performance comparison of refrigerants R134a and R1234yf, results pointed to R1234yf being a great environmentally friendly substitute for R134a for the two-phase thermosyphon loop.