Au-delà du nœud technologique CMOS BULK 28nm, certaines limites ont été atteintes dans l'amélioration des performances en raison notamment d'une consommation énergétique devenant trop importante. C'est une des raisons pour lesquelles de nouvelles technologies ont été développées, notamment celles basées sur Silicium sur Isolant (SOI). Par ailleurs, la généralisation des architectures complexes de type multi-cœurs, accentue le problème de gestion de la consommation à grain-fin. Les technologies CMOS FD-SOI offrent de nouvelles opportunités pour la gestion de la consommation en permettant d'ajuster, outre les paramètres usuels que sont la tension d'alimentation et la fréquence d'horloge, la tension de body bias. C'est dans ce contexte que ce travail étudie les nouvelles possibilités offertes et explore des solutions innovantes de gestion dynamique de la tension d'alimentation, fréquence d'horloge et tension de body bias afin d'optimiser la consommation énergétique des systèmes sur puce. L'ensemble des paramètres tensions/fréquence permettent une multitude de points de fonctionnement, qui doivent satisfaire des contraintes de fonctionnalité et de performance. Ce travail s'intéresse donc dans un premier temps à une problématique de conception, en proposant une méthode d'optimisation du placement de ces points de fonctionnement. Une solution analytique permettant de maximiser le gain en consommation apporté par l'utilisation de plusieurs points de fonctionnement est proposée. La deuxième contribution importante de cette thèse concerne la gestion dynamique de la tension d'alimentation, de la fréquence et de la tension de body bias, permettant d'optimiser l'efficacité énergétique en se basant sur le concept de convexité. La validation expérimentale des méthodes proposées s'appuie sur des échantillons de circuits réels, et montre des gains en consommation moyens allant jusqu'à 35%. / Beyond 28nm CMOS BULK technology node, some limits have been reached in terms of performance improvements. This is mainly due to the increasing power consumption. This is one of the reasons why new technologies have been developed, including those based on Silicon-On-Insulator (SOI). Moreover, the standardization of complex architectures such as multi-core architectures emphasizes the problem of power management at fine-grain. FD-SOI technologies offer new power management opportunities by adjusting, in addition to the usual parameters such as supply voltage and clock frequency, the body bias voltage. In this context, this work explores new opportunities and searches novel solutions for dynamically manage supply voltage, clock frequency and body bias voltage in order to optimize the power consumption of System on Chip.Adjusting supply voltage, frequency and body bias parameters allows multiple operating points, which must satisfy the constraints of functionality and performance. This work focuses initially at design time, proposing a method to optimize the placement of these operating points. An analytical solution to maximize power savings achieved through the use of several operating points is provided. The second important contribution of this work is a method based on convexity concept to dynamically manage the supply voltage, the frequency and the body bias voltage so as to optimize the energy efficiency. The experimental results based on real circuits show average power savings reaching 35%.

High power dissipation and on-chip temperature limit performance and affect reliability in modern microprocessors. For servers and data centers, they determine the cooling cost, whereas for handheld and mobile systems, they limit the continuous usage of these systems. For mobile systems, energy consumption affects the battery life. It can not be ignored for desktop and server systems as well, as the contribution of energy continues to go up in organizations’ budgets, influencing strategic decisions, and its implications on the environment are getting appreciated. Intelligent trade-offs involving these quantities are critical to meet the performance demands of many modern applications. Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) offers a huge potential for designing trade-offs involving energy, power, temperature and performance of computing systems. In our work, we propose and evaluate DVFS schemes that aim at minimizing energy consumption while meeting a performance constraint, for both sequential and parallel applications. We propose a Petri net based program performance model, parameterized by application properties, microarchitectural settings and system resource configuration, and use this model to find energy efficient DVFS settings. We first propose a DVFS scheme using this model for sequential programs running on single core multiple clock domain (MCD) processors, and evaluate this on a MCD processor simulator. We then extend this scheme for data parallel (Single Program Multiple Data style) applications, and then generalize it for stream applications as well, and evaluate these two schemes on a full system CMP simulator. Our experimental evaluation shows that the proposed schemes achieve significant energy savings for a small performance degradation.

Making decisions is a dynamic process. Especially when we face a decision between conflicting options, different forces seem to drag our mind from one option to the other one (James, 1890), again and again. This process may last for a long time, sometimes only coming to a decision when we are finally forced to choose, e.g. by an important deadline. Psychology and many other disciplines were interested in how humans make decisions from their beginnings on. Many different influences on decisions were discovered (e.g. Kahneman & Tversky, 1979; Todd & Gigerenzer, 2000). In the face of these advances, it seems odd, that knowledge about the ongoing process of reaching a decision is rare and much of the investigation has focused on the final outcome of choice situations (Townsend & Busemeyer, 1995). A very recent approach, called neuroeconomics, started out to investigate what happens behind the scenes of a final decision. Using modern neuroimaging methods, many neuroeconomists explain decision making in the brain in terms of a hierarchy of different neural modules that work together like a big corporation to finally make the best possible decision (Sanfey, Loewenstein, McClure, & Cohen, 2006). However, the focus on neural modules also limits this approach to a quite static view of decision making and many questions, related to the dynamic aspects of decision making, still remain open: How do we continuously control impulsive or habitual tendencies in our decisions when we pursue long-term goals? How do we shift attention back and forth between (goal) relevant properties of choice options? How do we adjust and readjust our focus of attention to relevant information in order to avoid distraction by irrelevant or misleading information? And how are we influenced by the environmental context when we make decisions? The present work aims to show how an approach based on the concepts of dynamic systems theory could complement the module oriented approach and enhance our knowledge of the processes of decision making. Chapter 2 elaborates the limits of the module oriented approach, with a special focus on decisions under conflict, when we are faced with conflicting information, and introduces the principles of a complementary dynamic approach. Chapter 3 deduces the dynamic hypothesis of this work: ongoing processes interactions at different time scales can explain specific cognitive functions without postulating specialized modules for this function. To approach this hypothesis, chapter 4 will develop a theoretical and empirical framework to study decision making dynamically. The empirical part, building on the empirical framework, starts with chapter 5 presenting an EEG experiment. Chapter 6 presents two mouse tracking experiments, and chapter 7 presents a modelling study, reproducing the empirical data of chapters 5 and 6. The general discussion in chapter 8 summarizes the theoretical and empirical results and discusses possible limitations. Finally, chapter 9 discusses the implications of the dynamic approach to decision making, presents an outlook on future research projects, and closes the work by offering a dynamic picture of the processes behind the stage of a final decision.:Statement I Brief Contents III Contents V Figures IX Chapter 1 Introduction 1 Chapter 2 Decision making under conflict 3 Chapter 3 Investigating decision making under conflict dynamically 14 Chapter 4 Making decisions with a continuous mind 17 Chapter 5 The dynamics of cognitive control: evidence for within trial conflict adaptation from frequency tagged EEG 56 Chapter 6 How decisions evolve: the temporal dynamics of action selection 77 Chapter 7 Dynamic goal states: adapting cognitive control at different time scales without conflict monitoring 97 Chapter 8 General discussion 115 Chapter 9 Conclusion and outlook 123 References 130 Deutsche Zusammenfassung 153 Appendix I Supplementary material for chapter 5 159 Appendix II Model formulas for chapter 7 163 / „Man kann nicht beides haben: Den Rahm und die Butter.“ - „Wer die Wahl hat, hat die Qual.“ Mit diesen Sprichwörtern beklagt der Volksmund, womit das Leben uns immer wieder konfrontiert: wir müssen entscheiden, und oftmals führt uns das in Entscheidungskonflikte. Im Dilemma solcher Konflikte mag es begründet sein, dass das Thema der vorliegenden Arbeit, die Entscheidungsforschung, nicht nur in der Psychologie schon immer eine wichtige Rolle spielte, sondern auch in anderen Disziplinen, wie der Ökonomie, der angewandten Mathematik und der Philosophie. Die langjährigen Bestrebungen, diese unterschiedlichen Fachbereiche zu integrieren (z.B. Kahneman & Tversky, 1979; von Neumann & Morgenstern, 1944; Savage, 1972), münden aktuell in das Forschungsgebiet der Neuroökonomie (Camerer, Loewenstein, & Prelec, 2005; Loewenstein, Rick, & Cohen, 2008; Sanfey, Loewenstein, McClure, & Cohen, 2006). Neuroökonomen nutzen vielfach die Methoden der bildgebenden Hirnforschung, um durch die Lokalisierung der neuronalen Basis hierarchisch gegliederter Module Entscheidungsprozesse zu erklären (z.B. Sanfey et al., 2006; Fellows, 2004). Während die Anwendung bildgebender Methoden Potential birgt (z.B. Harrison, 2008), ist es vor allem der modulorientierte Ansatz, der das Risiko einer zu eingeschränkten Sichtweise auf Entscheidungsprozesse trägt (z.B. Ortmann, 2008; Oullier & Kelso, 2006). Dies zeigt sich zum Beispiel im von der kognitiven Psychologie intensiv erforschten Bereich von Entscheidungen unter Konflikt. Eine zentrale Rolle bei dieser Art von Entscheidungen spielen kognitive Kontrollprozesse, die der Umsetzung zielorientierten Verhaltens (Norman & Shallice, 2000) durch Konfliktlösung und -anpassung dienen. Als Bindeglied dieser beiden Prozesse gilt die Detektion von Entscheidungskonflikten, welche die vorherrschende Conflict Monitoring Theory (Botvinick, Braver, Barch, Carter, & Cohen, 2001) entsprechend dem modulorientiertem Ansatz einem speziellen neuronalen Modul zuordnet, das im anterioren cingulären Cortex lokalisiert ist (Botvinick, Cohen, & Carter, 2004). Die Probleme eines einseitigen modulorientierten Ansatzes verdeutlichen hier unter anderem die widersprüchliche Befundlage (z.B. Mansouri, Tanaka, & Buckley, 2009) und die letztlich weiterhin ungeklärte Frage nach den zugrundeliegenden Prozessen. Die Arbeit hat deshalb zum Ziel, den modulorientierten Ansatz um einen komplementären Ansatz auf Basis der Theorie dynamischer Systeme (Dynamical Systems Theory, DST) zu ergänzen. Aus dem grundlegenden DST-Prinzip der kontinuierlichen (z.B. Spivey, 2007) Interaktion rückgekoppelter Komponenten (z.B. Kelso, 1995; Van Orden, Holden, & Turvey, 2003) wird zunächst die dynamische Hypothese abgeleitet, dass sich Effekte auf verschiedenen Zeitskalen gegenseitig bedingen und einander hervorbringen. Für Entscheidungen unter Konflikt bedeutet dies, dass sich die Prozesse der Konfliktlösung und anpassung durch ihre direkte Interaktion im kognitiven System gegenseitig erzeugen. Zur Überprüfung dieser Hypothese werden innerhalb der Arbeit generelle empirische Strategien entwickelt, welche die Untersuchung von Entscheidungsprozessen auf verschiedenen Zeitskalen ermöglichen. Im empirischen Teil der Arbeit werden sodann zwei dieser Strategien zur Anwendung gebracht, um den Erkenntnisgewinn des dynamischen Ansatzes zu illustrieren. Zunächst wird in einer EEG-Studie eine Frequency-Tagging-Methode (z.B. Müller & Hübner, 2002; Müller, Andersen, & Keil, 2007) auf die Untersuchung der kognitiven Kontrollprozesse in einer Flanker-Aufgabe (Eriksen & Eriksen, 1974) adaptiert. Die neue Kombination einer kontinuierlichen neurophysiologischen Methode und eines klassischen Konflikt-Paradigmas ermöglicht die gleichzeitige Untersuchung kontinuierlicher Veränderungen der Aufmerksamkeit auf relevante und irrelevante Information. Die Ergebnisse der Studie stützen die Hypothese einer direkten Interaktion von Prozessen der Konfliktlösung und -anpassung und stellen bereits einen Widerspruch zur Conflict Monitoring Theory dar. Als weitere empirische Strategie wird in zwei Experimenten die Methode des Maus-Tracking (z.B. Buetti & Kerzel, 2009; Song & Nakayama, 2009; Spivey, Grosjean, & Knoblich, 2005) im Rahmen einer Simon-Aufgabe (Simon, 1969) eingesetzt. Die erneute Kombination einer kontinuierlichen Methode, diesmal auf Reaktionsebene, mit einem klassischen Konflikt-Paradigma erlaubt die Messung von Verhaltenstendenzen im Verlauf des gesamten Entscheidungsprozesses. Mit Hilfe einer neu entwickelten regressionsbasierten Analysemethode werden die Subprozesse einzelner Entscheidungen separiert und Einblicke in die Dynamik von Konfliktlösung und -anpassung gewonnen. Die Ergebnisse zeigen ein komplexes Muster zeitlicher Interaktion zwischen den beiden kognitiven Kontrollprozessen, wobei die Konfliktanpassung zeitlich unabhängig von der Verarbeitung irrelevanter Information ist. Dies steht erneut im Widerspruch zu Annahmen der Conflict Monitoring Theory. Zusammenfassend stützen die empirischen Ergebnisse die dynamische Hypothese der kontinuierlichen Interaktion rückgekoppelter Komponenten und werden im nächsten Schritt in einem dynamisch-konnektionistischen Netzwerkmodell integriert. Als Alternative zum Modell der Conflict Monitoring Theory verzichtet es entsprechend dem dynamischen Ansatz auf ein Conflict Monitoring Modul (Botvinick et al., 2001). Es verfügt stattdessen über Verarbeitungs-Prozesse auf verschiedenen Zeitskalen (Kiebel, Daunizeau, & Friston, 2008) und eine Rückkopplung zwischen der Netzwerkschicht, die der Informationsverarbeitung dient, und jener, die der Zielrepräsentation dient (Gilbert & Shallice, 2002; Cohen & Huston, 1994). Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass das Modell sowohl die klassischen Befunde zur Konfliktlösung und anpassung (z.B. Gratton, Coles, & Donchin, 1992), als auch das in den empirischen Studien gefundene kontinuierliche Datenmuster von Entscheidungsprozessen reproduziert. Die empirischen Befunde und die Ergebnisse der Modellierung bestätigen somit die postulierte dynamische Hypothese, dass sich Effekte auf verschiedenen Zeitskalen gegenseitig bedingen und einander hervorbringen. Dies verdeutlicht den komplementären Wert des dynamischen Ansatzes zum modulorientierten Ansatz, welcher vielfach in der Neuroökonomie verfolgt wird. Der hier entwickelte DST-basierte Ansatz bietet somit sowohl ein komplementäres Denkmodell, welches wie der modulorientierte Ansatz eine Verbindung zwischen den Phänomenen auf neuronaler und Verhaltensebene herstellt, als auch neue empirische Methoden zur dynamischen Erforschung von Entscheidungen. Daraus wird abschließend eine Fokuserweiterung für die zukünftige Forschung abgeleitet: zum einen auf die kontinuierlichen Prozesse, welche zu einer Entscheidung führen, und zum anderen auf die Interaktionsdynamik dieser Prozesse. Die Arbeit schließt mit dem Bild eines Entscheidungsprozesses als einer selbstorganisierten, metastabilen Balance (z.B. Kelso, 1995) bei der Lösung verschiedener Entscheidungsdilemmata (Goschke, 2003).:Statement I Brief Contents III Contents V Figures IX Chapter 1 Introduction 1 Chapter 2 Decision making under conflict 3 Chapter 3 Investigating decision making under conflict dynamically 14 Chapter 4 Making decisions with a continuous mind 17 Chapter 5 The dynamics of cognitive control: evidence for within trial conflict adaptation from frequency tagged EEG 56 Chapter 6 How decisions evolve: the temporal dynamics of action selection 77 Chapter 7 Dynamic goal states: adapting cognitive control at different time scales without conflict monitoring 97 Chapter 8 General discussion 115 Chapter 9 Conclusion and outlook 123 References 130 Deutsche Zusammenfassung 153 Appendix I Supplementary material for chapter 5 159 Appendix II Model formulas for chapter 7 163

Multi functional health monitoring wearable devices are quite prominent these days. Usually these devices are battery-operated and consequently are limited by their battery life (from few hours to a few weeks depending on the application). Of late, it was realized that these devices, which are currently being operated at fixed voltage and frequency, are capable of operating at multiple voltages and frequencies. By switching these voltages and frequencies to lower values based upon power requirements, these devices can achieve tremendous benefits in the form of energy savings. Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) techniques have proven to be handy in this situation for an efficient trade-off between energy and timely behavior. Within imec, wearable devices make use of the indigenously developed MUSEIC v2 (Multi Sensor Integrated circuit version 2.0). This system is optimized for efficient and accurate collection, processing, and transfer of data from multiple (health) sensors. MUSEIC v2 has limited means in controlling the voltage and frequency dynamically. In this thesis we explore how traditional DVFS techniques can be applied to the MUSEIC v2. Experiments were conducted to find out the optimum power modes to efficiently operate and also to scale up-down the supply voltage and frequency. Considering the overhead caused when switching voltage and frequency, transition analysis was also done. Real-time and non real-time benchmarks were implemented based on these techniques and their performance results were obtained and analyzed. In this process, several state of the art scheduling algorithms and scaling techniques were reviewed in identifying a suitable technique. Using our proposed scaling technique implementation, we have achieved 86.95% power reduction in average, in contrast to the conventional way of the MUSEIC v2 chip’s processor operating at a fixed voltage and frequency. Techniques that include light sleep and deep sleep mode were also studied and implemented, which tested the system’s capability in accommodating Dynamic Power Management (DPM) techniques that can achieve greater benefits. A novel approach for implementing the deep sleep mechanism was also proposed and found that it can obtain up to 71.54% power savings, when compared to a traditional way of executing deep sleep mode. / Nuförtiden så har multifunktionella bärbara hälsoenheter fått en betydande roll. Dessa enheter drivs vanligtvis av batterier och är därför begränsade av batteritiden (från ett par timmar till ett par veckor beroende på tillämpningen). På senaste tiden har det framkommit att dessa enheter som används vid en fast spänning och frekvens kan användas vid flera spänningar och frekvenser. Genom att byta till lägre spänning och frekvens på grund av effektbehov så kan enheterna få enorma fördelar när det kommer till energibesparing. Dynamisk skalning av spänning och frekvens-tekniker (såkallad Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS) har visat sig vara användbara i detta sammanhang för en effektiv avvägning mellan energi och beteende. Hos Imec så använder sig bärbara enheter av den internt utvecklade MUSEIC v2 (Multi Sensor Integrated circuit version 2.0). Systemet är optimerat för effektiv och korrekt insamling, bearbetning och överföring av data från flera (hälso) sensorer. MUSEIC v2 har begränsad möjlighet att styra spänningen och frekvensen dynamiskt. I detta examensarbete undersöker vi hur traditionella DVFS-tekniker kan appliceras på MUSEIC v2. Experiment utfördes för att ta reda på de optimala effektlägena och för att effektivt kunna styra och även skala upp matningsspänningen och frekvensen. Eftersom att ”overhead” skapades vid växling av spänning och frekvens gjordes också en övergångsanalys. Realtidsoch icke-realtidskalkyler genomfördes baserat på dessa tekniker och resultaten sammanställdes och analyserades. I denna process granskades flera toppmoderna schemaläggningsalgoritmer och skalningstekniker för att hitta en lämplig teknik. Genom att använda vår föreslagna skalningsteknikimplementering har vi uppnått 86,95% effektreduktion i jämförelse med det konventionella sättet att MUSEIC v2-chipets processor arbetar med en fast spänning och frekvens. Tekniker som inkluderar lätt sömn och djupt sömnläge studerades och implementerades, vilket testade systemets förmåga att tillgodose DPM-tekniker (Dynamic Power Management) som kan uppnå ännu större fördelar. En ny metod för att genomföra den djupa sömnmekanismen föreslogs också och enligt erhållna resultat så kan den ge upp till 71,54% lägre energiförbrukning jämfört med det traditionella sättet att implementera djupt sömnläge.