Thermomechanical pulping (TMP) is a highly energy intensive process where most of the energy is used in therefining of chips to fibres. Various ways of reducing the energy consumption have earlier been studied, for examplechange of refiner pattern, addition of various chemicals, and also some biochemical implementation in the form of fungus and enzymes. This study includes pre-trials with the enzymes pectin lyase and pectin esterase,multipectinase, xylanase, and mannanase. The results are studied via a reducing sugar assay, an enzymatic assayusing spectrophotometry, and capillary zone electrophoresis. The study also includes results from a pilot scalerefining with multipectinase, xylanase, and mannanase, performed with a wing refiner at Helsinki University.Reductions of energy consumption in TMP by pre-treatment of Norwegian spruce chips are investigated and apotential reduction of energy consumption of 6 % is indicated.

Continuous improvements in semiconductor fabrication density are enabling new classes of System-on-a-Chip (SoC) architectures that combine extensive processing logic/processing with high-density memory. Such architectures are generally called Processor-in-Memory or Intelligent Memory and can support high-performance computing by reducing the performance gap between the processor and the memory. This architecture combines various processors in a single system. These processors are characterized by their computational and memory-access capabilities in performance and energy consumption. Two main problems addressed here are how to improve the performance and reduce the energy consumption of applications running on Processor-in-Memory architectures. Accordingly, a novel strategy must be developed to identify the capabilities of the different processors and dispatch the most appropriate jobs to them to exploit them fully. Accordingly, this study proposes a novel automatic source-to-source parallelizing system, called SAGE, to exploit the advantages of Processor-in-Memory architectures. Unlike conventional iteration-based parallelizing systems, SAGE adopts statement-based analytical approaches. The strategy of the SAGE system, which decomposes the original program into blocks and produces a feasible execution schedule for the host and memory processors, is also investigated. Hence, several techniques including statement splitting, weight evaluation, performance scheduling and energy reduction scheduling are designed and integrated into the SAGE system to automatically transform Fortran source programs to improve the performance of the program or reduce energy consumed by the program executed on Processor-in-Memory architecture. This thesis provides detailed techniques and discusses the experimental results of real benchmarks which are transformed by SAGE system and targeted on the Processor-in-Memory architecture.

Algae are photosynthetic microorganisms that convert carbon dioxide and sunlight into biomass that can be used for biofuel production. Although they are usually cultivated in suspension, these microorganisms are capable of forming productive biofilms over substrata given the right conditions. This dissertation focuses on algal biofilms and their application in biofuel feedstock production. In particular it reports the construction and performance of an algae biofilm photobioreactor, the physico-chemical surface properties of different algal species and adhesion substrata, and cell-surface interactions based on experimental results and theoretical models. A novel algae biofilm photobioreactor was constructed and operated (i) to demonstrate the proof of concept, (ii) to analyze the performance of the system, and (iii) to determine the key advantages and short comings for further research. The results indicated that significant reductions in water and energy requirements were possible with the biofilm photobioreactor. Although the system achieved net energy ratio of about 6, the overall productivity was low as Botryococcus branunii is notoriously slow growing algae. Thus, further studies were focused on identification of algal species capable of biofilm growth with larger biomass and lipid productivities. Adhesion of cells to substrata precedes the formation of all biofilms. A comprehensive study has been conducted to determine the interactions of a planktonic and a benthic algal species with hydrophilic and hydrophobic substrata. The physico-chemical surface properties of the algal cells and substrata were determined and using these data, cell-substrata interactions were modeled with the thermodynamic, Derjaguin, Landau Verwey, Overbeek (DLVO) and Extended Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek (XDLVO) approaches and critical parameters for algal adhesion were identified. Finally, the adhesion rate and strength of algal species were quantified with parallel plate flow chamber experiments. The results indicated that both cell and substrata surface hydrophobicity played a critical role for the adhesion rate and strength of the cells and XDLVO approach was the most accurate model. Finally, based on these findings the physico-chemical surface properties of ten algal species and six substrata were quantified and a screening was done to determine algae species substratum couples favoring adhesion and biofilm formation. / text

Este trabalho refere-se à otimização energética na produção de fio-máquina, onde os aços estudados foram os de baixo carbono. O trabalho foi desenvolvido com o apoio de uma empresa parceira que cedeu as instalações e acesso às informações necessários ao desenvolvimento da dissertação. O objetivo geral do trabalho foi reduzir o consumo de energia de reaquecimento de tarugos para laminação de vergalhões e fio-máquina em rolos. Os objetivos específicos foram: descrever os preceitos teóricos a respeito do processo de reaquecimento; realizar um levantamento do estado da arte em relação à influência das variáveis de enfornamento nas propriedades do material e em relação ao consumo de energia em fornos de reaquecimento; melhorar o conhecimento existe na empresa parceira do estudo a respeito do processo de enfornamento e otimizar o processo de enfornamento na empresa. Para desenvolvimento da trabalho foi necessário o acompanhamento das energias envolvidas: energia de deformação e energia de reaquecimento. Quanto maior a temperatura de laminação, menor será a energia necessária para deformar o material, porém, maior será a energia de reaquecimento, ocorrendo maior consumo de combustível. Para analisar o consumo das energias, foi feito o acompanhamento da corrente elétrica das principais gaiolas para duas bitolas, depois, foi alterada a temperatura e medida novamente a corrente elétrica e o consumo do gás natural. Esta sequência de testes e medições visou identificar oportunidades para redução da temperatura de laminação e a influência na corrente elétrica das gaiolas do laminador. Uma das premissas, da realização deste trabalho, é que sejam alcançados os objetivos estabelecidos com a manutenção da qualidade do material e de suas propriedades mecânicas. Após a realização dos testes, constatou-se que é possível laminar com temperatura 20°C abaixo dos valores praticados atualmente, porém, a grande limitação é a última gaiola do trem médio de laminação, que trabalha, nestas condições, com a corrente elétrica no limite de desarme, sendo muito grande o risco de parada eminente do laminador. Recomenda-se implantar um investimento para aumentar a potência do acionamento desta gaiola. Com a redução em 20°C nas temperaturas de ajuste do forno economiza-se, nas condições do estudo, 0,36 Nm³/t. / This master dissertation refers to energy optimization in the production of wire rod from low-carbon steels. The work was supported by a partner company that gave access to the facilities and information necessary for the development of the dissertation. The general objective of this work was to reduce the energy consumption of billet reheating for rolling rebar and wire rod in coils. The specific objectives were: to describe the theoretical precepts about the reheating process; to describe the state of the art regarding the influence of variables in reheating process and its relation to energy consumption; improve knowledge exist in the partner company about the process and optimize the reheating process of the company. For development work was necessary monitoring of the energies involved, deformation energy and reheating energy. If the temperature of the process is higher, the energy required to deform the material is lower, however, the energy of rewarming is higher, causing higher fuel consumption. To analyze the deformation energy, the electrical current was monitored at two main cages for two different products, then the temperature was changed and the electric current was measured again as well as the consumption of natural gas. This sequence of tests and measurements aimed at to identify opportunities to reduce the process temperature and the influence of electrical current in rolling cages. One of the assumptions of the present study is to achieve the goals maintaining the quality of the material and its mechanical properties. After the tests, we found that it is possible laminar temperature 20°C below than the values currently practiced, however, the major limitation is the M4 cage that works, on these conditions, with the electrical current in the trip limit, being very great risk of imminent stop of the rolling mill. It is recommended to increase the power of the drive cage. With the reduction at 20°C in temperature adjustment of the oven, it saves 0.36 Nm³/t.

Arquiteturas reconfiguráveis têm se demonstrado uma potencial solução para lidar com a crescente complexidade encontrada em sistemas embarcados. Para se alcançar ganhos em desempenho, é preciso uma grande redundância das unidades funcionais, acarretando o aumento da área ocupada pelas unidades funcionais. Uma das propostas deste trabalho será de explorar o espaço de projeto, visando à redução da área e da energia. Para isto, serão apresentadas duas técnicas de virtualização de hardware, sendo as mesmas semelhantes a um pipeline de estágios reconfiguráveis. Ambas as técnicas alcançaram mais de 94% de redução da área. Outro aspecto a ser explorado em uma arquitetura reconfigurável é o impacto em área e energia causado pela inserção da memória de contexto. Assim, este impacto será demonstrado neste trabalho e duas abordagens que modificam a memória de contexto serão propostas: a primeira abordagem baseia-se na exploração da largura ideal da porta da memória combinado com número de acessos, para que se minimize a energia consumida na busca dos bytes de configuração; a segunda abordagem possui um mecanismo de gerenciamento das configurações por meio de listas ligadas, que permite que as configurações sejam acessadas parcialmente. As duas abordagens apresentaram redução de energia de até 98%, podendo ser utilizadas em sistemas que apresentam tanto a reconfiguração parcial como a total. / Reconfigurable architectures have shown to be a potential solution to the problem of increasing complexity found in embedded systems. However, in order to achieve significant performance gains, large quantities of redundant functional units are generally necessary, with a corresponding increase in the area occupied by these units. This thesis explores the design space with the objective of reducing both area and energy consumption, and presents two hardware virtualization techniques, similar to reconfigurable pipeline stages, which achieve a reduction in area of more than 94%. The use of context memory in reconfigurable architectures has a significant impact in terms of area and energy, as is clearly demonstrated by initial experimental results. Two novel context memory architectures are presented: the first approach is being based on an exploration of the balance point between memory port width and number of accesses, in order to reduce the energy consumed during fetching of the configuration bytes; the second approach presents a configuration management mechanism using hardware linked lists, and that allows segmented access to configuration settings. Both approaches demonstrate energy reduction of up to 98% and can be adopted in both partial and atomic reconfiguration architectures.

Este trabalho refere-se à otimização energética na produção de fio-máquina, onde os aços estudados foram os de baixo carbono. O trabalho foi desenvolvido com o apoio de uma empresa parceira que cedeu as instalações e acesso às informações necessários ao desenvolvimento da dissertação. O objetivo geral do trabalho foi reduzir o consumo de energia de reaquecimento de tarugos para laminação de vergalhões e fio-máquina em rolos. Os objetivos específicos foram: descrever os preceitos teóricos a respeito do processo de reaquecimento; realizar um levantamento do estado da arte em relação à influência das variáveis de enfornamento nas propriedades do material e em relação ao consumo de energia em fornos de reaquecimento; melhorar o conhecimento existe na empresa parceira do estudo a respeito do processo de enfornamento e otimizar o processo de enfornamento na empresa. Para desenvolvimento da trabalho foi necessário o acompanhamento das energias envolvidas: energia de deformação e energia de reaquecimento. Quanto maior a temperatura de laminação, menor será a energia necessária para deformar o material, porém, maior será a energia de reaquecimento, ocorrendo maior consumo de combustível. Para analisar o consumo das energias, foi feito o acompanhamento da corrente elétrica das principais gaiolas para duas bitolas, depois, foi alterada a temperatura e medida novamente a corrente elétrica e o consumo do gás natural. Esta sequência de testes e medições visou identificar oportunidades para redução da temperatura de laminação e a influência na corrente elétrica das gaiolas do laminador. Uma das premissas, da realização deste trabalho, é que sejam alcançados os objetivos estabelecidos com a manutenção da qualidade do material e de suas propriedades mecânicas. Após a realização dos testes, constatou-se que é possível laminar com temperatura 20°C abaixo dos valores praticados atualmente, porém, a grande limitação é a última gaiola do trem médio de laminação, que trabalha, nestas condições, com a corrente elétrica no limite de desarme, sendo muito grande o risco de parada eminente do laminador. Recomenda-se implantar um investimento para aumentar a potência do acionamento desta gaiola. Com a redução em 20°C nas temperaturas de ajuste do forno economiza-se, nas condições do estudo, 0,36 Nm³/t. / This master dissertation refers to energy optimization in the production of wire rod from low-carbon steels. The work was supported by a partner company that gave access to the facilities and information necessary for the development of the dissertation. The general objective of this work was to reduce the energy consumption of billet reheating for rolling rebar and wire rod in coils. The specific objectives were: to describe the theoretical precepts about the reheating process; to describe the state of the art regarding the influence of variables in reheating process and its relation to energy consumption; improve knowledge exist in the partner company about the process and optimize the reheating process of the company. For development work was necessary monitoring of the energies involved, deformation energy and reheating energy. If the temperature of the process is higher, the energy required to deform the material is lower, however, the energy of rewarming is higher, causing higher fuel consumption. To analyze the deformation energy, the electrical current was monitored at two main cages for two different products, then the temperature was changed and the electric current was measured again as well as the consumption of natural gas. This sequence of tests and measurements aimed at to identify opportunities to reduce the process temperature and the influence of electrical current in rolling cages. One of the assumptions of the present study is to achieve the goals maintaining the quality of the material and its mechanical properties. After the tests, we found that it is possible laminar temperature 20°C below than the values currently practiced, however, the major limitation is the M4 cage that works, on these conditions, with the electrical current in the trip limit, being very great risk of imminent stop of the rolling mill. It is recommended to increase the power of the drive cage. With the reduction at 20°C in temperature adjustment of the oven, it saves 0.36 Nm³/t.

Arquiteturas reconfiguráveis têm se demonstrado uma potencial solução para lidar com a crescente complexidade encontrada em sistemas embarcados. Para se alcançar ganhos em desempenho, é preciso uma grande redundância das unidades funcionais, acarretando o aumento da área ocupada pelas unidades funcionais. Uma das propostas deste trabalho será de explorar o espaço de projeto, visando à redução da área e da energia. Para isto, serão apresentadas duas técnicas de virtualização de hardware, sendo as mesmas semelhantes a um pipeline de estágios reconfiguráveis. Ambas as técnicas alcançaram mais de 94% de redução da área. Outro aspecto a ser explorado em uma arquitetura reconfigurável é o impacto em área e energia causado pela inserção da memória de contexto. Assim, este impacto será demonstrado neste trabalho e duas abordagens que modificam a memória de contexto serão propostas: a primeira abordagem baseia-se na exploração da largura ideal da porta da memória combinado com número de acessos, para que se minimize a energia consumida na busca dos bytes de configuração; a segunda abordagem possui um mecanismo de gerenciamento das configurações por meio de listas ligadas, que permite que as configurações sejam acessadas parcialmente. As duas abordagens apresentaram redução de energia de até 98%, podendo ser utilizadas em sistemas que apresentam tanto a reconfiguração parcial como a total. / Reconfigurable architectures have shown to be a potential solution to the problem of increasing complexity found in embedded systems. However, in order to achieve significant performance gains, large quantities of redundant functional units are generally necessary, with a corresponding increase in the area occupied by these units. This thesis explores the design space with the objective of reducing both area and energy consumption, and presents two hardware virtualization techniques, similar to reconfigurable pipeline stages, which achieve a reduction in area of more than 94%. The use of context memory in reconfigurable architectures has a significant impact in terms of area and energy, as is clearly demonstrated by initial experimental results. Two novel context memory architectures are presented: the first approach is being based on an exploration of the balance point between memory port width and number of accesses, in order to reduce the energy consumed during fetching of the configuration bytes; the second approach presents a configuration management mechanism using hardware linked lists, and that allows segmented access to configuration settings. Both approaches demonstrate energy reduction of up to 98% and can be adopted in both partial and atomic reconfiguration architectures.

Este trabalho refere-se à otimização energética na produção de fio-máquina, onde os aços estudados foram os de baixo carbono. O trabalho foi desenvolvido com o apoio de uma empresa parceira que cedeu as instalações e acesso às informações necessários ao desenvolvimento da dissertação. O objetivo geral do trabalho foi reduzir o consumo de energia de reaquecimento de tarugos para laminação de vergalhões e fio-máquina em rolos. Os objetivos específicos foram: descrever os preceitos teóricos a respeito do processo de reaquecimento; realizar um levantamento do estado da arte em relação à influência das variáveis de enfornamento nas propriedades do material e em relação ao consumo de energia em fornos de reaquecimento; melhorar o conhecimento existe na empresa parceira do estudo a respeito do processo de enfornamento e otimizar o processo de enfornamento na empresa. Para desenvolvimento da trabalho foi necessário o acompanhamento das energias envolvidas: energia de deformação e energia de reaquecimento. Quanto maior a temperatura de laminação, menor será a energia necessária para deformar o material, porém, maior será a energia de reaquecimento, ocorrendo maior consumo de combustível. Para analisar o consumo das energias, foi feito o acompanhamento da corrente elétrica das principais gaiolas para duas bitolas, depois, foi alterada a temperatura e medida novamente a corrente elétrica e o consumo do gás natural. Esta sequência de testes e medições visou identificar oportunidades para redução da temperatura de laminação e a influência na corrente elétrica das gaiolas do laminador. Uma das premissas, da realização deste trabalho, é que sejam alcançados os objetivos estabelecidos com a manutenção da qualidade do material e de suas propriedades mecânicas. Após a realização dos testes, constatou-se que é possível laminar com temperatura 20°C abaixo dos valores praticados atualmente, porém, a grande limitação é a última gaiola do trem médio de laminação, que trabalha, nestas condições, com a corrente elétrica no limite de desarme, sendo muito grande o risco de parada eminente do laminador. Recomenda-se implantar um investimento para aumentar a potência do acionamento desta gaiola. Com a redução em 20°C nas temperaturas de ajuste do forno economiza-se, nas condições do estudo, 0,36 Nm³/t. / This master dissertation refers to energy optimization in the production of wire rod from low-carbon steels. The work was supported by a partner company that gave access to the facilities and information necessary for the development of the dissertation. The general objective of this work was to reduce the energy consumption of billet reheating for rolling rebar and wire rod in coils. The specific objectives were: to describe the theoretical precepts about the reheating process; to describe the state of the art regarding the influence of variables in reheating process and its relation to energy consumption; improve knowledge exist in the partner company about the process and optimize the reheating process of the company. For development work was necessary monitoring of the energies involved, deformation energy and reheating energy. If the temperature of the process is higher, the energy required to deform the material is lower, however, the energy of rewarming is higher, causing higher fuel consumption. To analyze the deformation energy, the electrical current was monitored at two main cages for two different products, then the temperature was changed and the electric current was measured again as well as the consumption of natural gas. This sequence of tests and measurements aimed at to identify opportunities to reduce the process temperature and the influence of electrical current in rolling cages. One of the assumptions of the present study is to achieve the goals maintaining the quality of the material and its mechanical properties. After the tests, we found that it is possible laminar temperature 20°C below than the values currently practiced, however, the major limitation is the M4 cage that works, on these conditions, with the electrical current in the trip limit, being very great risk of imminent stop of the rolling mill. It is recommended to increase the power of the drive cage. With the reduction at 20°C in temperature adjustment of the oven, it saves 0.36 Nm³/t.

Arquiteturas reconfiguráveis têm se demonstrado uma potencial solução para lidar com a crescente complexidade encontrada em sistemas embarcados. Para se alcançar ganhos em desempenho, é preciso uma grande redundância das unidades funcionais, acarretando o aumento da área ocupada pelas unidades funcionais. Uma das propostas deste trabalho será de explorar o espaço de projeto, visando à redução da área e da energia. Para isto, serão apresentadas duas técnicas de virtualização de hardware, sendo as mesmas semelhantes a um pipeline de estágios reconfiguráveis. Ambas as técnicas alcançaram mais de 94% de redução da área. Outro aspecto a ser explorado em uma arquitetura reconfigurável é o impacto em área e energia causado pela inserção da memória de contexto. Assim, este impacto será demonstrado neste trabalho e duas abordagens que modificam a memória de contexto serão propostas: a primeira abordagem baseia-se na exploração da largura ideal da porta da memória combinado com número de acessos, para que se minimize a energia consumida na busca dos bytes de configuração; a segunda abordagem possui um mecanismo de gerenciamento das configurações por meio de listas ligadas, que permite que as configurações sejam acessadas parcialmente. As duas abordagens apresentaram redução de energia de até 98%, podendo ser utilizadas em sistemas que apresentam tanto a reconfiguração parcial como a total. / Reconfigurable architectures have shown to be a potential solution to the problem of increasing complexity found in embedded systems. However, in order to achieve significant performance gains, large quantities of redundant functional units are generally necessary, with a corresponding increase in the area occupied by these units. This thesis explores the design space with the objective of reducing both area and energy consumption, and presents two hardware virtualization techniques, similar to reconfigurable pipeline stages, which achieve a reduction in area of more than 94%. The use of context memory in reconfigurable architectures has a significant impact in terms of area and energy, as is clearly demonstrated by initial experimental results. Two novel context memory architectures are presented: the first approach is being based on an exploration of the balance point between memory port width and number of accesses, in order to reduce the energy consumed during fetching of the configuration bytes; the second approach presents a configuration management mechanism using hardware linked lists, and that allows segmented access to configuration settings. Both approaches demonstrate energy reduction of up to 98% and can be adopted in both partial and atomic reconfiguration architectures.

Les unités à taille réduite font partie des méthodes proposées pour la réduction de la consommation d’énergie. Cependant, la plupart de ces unités sont évaluées séparément,c’est-à-dire elles ne sont pas évaluées dans une application complète. Dans cette thèse, des unités à taille réduite pour le calcul et pour l’accès à la mémoire de données, configurables au moment de l’exécution, sont intégrées dans un processeur RISC-V. La réduction d’énergie et la qualité de sortie des applications exécutées sur le processeur RISC-V étendu avec ces unités, sont évaluées. Les résultats indiquent que la consommation d’énergie peut être réduite jusqu’à 14% pour une erreur ≤0.1%. De plus, nous avons proposé un modèle d’énergie générique qui inclut à la fois des paramètres logiciels et architecturaux. Le modèle permet aux concepteurs logiciels et matériels d’avoir un aperçu rapide sur l’impact des optimisations effectuées sur le code source et/ou sur les unités de calcul. / Reduced width units are ones of the power reduction methods. However such units have been mostly evaluated separately, i.e. not evaluated in a complete applications. In this thesis, we extend the RISC-V processor with reduced width computation and memory units, in which only a number of most significant bits (MSBs), configurable at runtime is active. The energy reduction vs quality of output trade-offs of applications executed with the extended RISC-V are studied. The results indicate that the energy can be reduced by up to 14% for an error ≤ 0.1%. Moreover we propose a generic energy model that includes both software parameters and hardware architecture ones. It allows software and hardware designers to have an early insight into the effects of optimizations on software and/or units.