In the past, we could rely on technology scaling and new micro-architectural techniques to improve the performance of processors. Nowadays, both of these methods are reaching their limits. The primary concern in future architectures with billions of transistors on a chip and limited power budgets is power/energy efficiency. Full-custom design of application-specific cores can yield up to two orders of magnitude better power efficiency over conventional general-purpose cores. However, a tremendous design effort is required in integrating a new accelerator for each new application. In this dissertation, we present the design of specialized compute fabrics that maintain the efficiency of full custom hardware while providing enough flexibility to execute a whole class of coarse-grain operations. The broad vision is to develop integrated and specialized hardware/software solutions that are co-optimized and co-designed across all layers ranging from the basic hardware foundations all the way to the application programming support through standard linear algebra libraries. We try to address these issues specifically in the context of dense linear algebra applications. In the process, we pursue the main questions that architects will face while designing such accelerators. How broad is this class of applications that the accelerator can support? What are the limiting factors that prevent utilization of these accelerators on the chip? What is the maximum achievable performance/efficiency? Answering these questions requires expertise and careful codesign of the algorithms and the architecture to select the best possible components, datapaths, and data movement patterns resulting in a more efficient hardware-software codesign. In some cases, codesign reduces complexities that are imposed on the algorithm side due to the initial limitations in the architectures. We design a specialized Linear Algebra Processor (LAP) architecture and discuss the details of mapping of matrix-matrix multiplication onto it. We further verify the flexibility of our design for computing a broad class of linear algebra kernels. We conclude that this architecture can perform a broad range of matrix-matrix operations as complex as matrix factorizations, and even Fast Fourier Transforms (FFTs), while maintaining its ASIC level efficiency. We present a power-performance model that compares state-of-the-art CPUs and GPUs with our design. Our power-performance model reveals sources of inefficiencies in CPUs and GPUs. We demonstrate how to overcome such inefficiencies in the process of designing our LAP. As we progress through this dissertation, we introduce modifications of the original matrix-matrix multiplication engine to facilitate the mapping of more complex operations. We observe the resulting performance and efficiencies on the modified engine using our power estimation methodology. When compared to other conventional architectures for linear algebra applications and FFT, our LAP is over an order of magnitude better in terms of power efficiency. Based on our estimations, up to 55 and 25 GFLOPS/W single- and double-precision efficiencies are achievable on a single chip in standard 45nm technology. / text

Nous proposons un algorithme original de structuration des réseaux ad hoc nommé SDEAC dans le but d'optimiser les communications et de tolérer les pannes transitoires. SDEAC est auto-stabilisant, distribué et déterministe. Il utilise un modèle asynchrone à passage de messages et se fonde sur un voisinage à distance 1 pour construire des clusters non-recouvrants à k sauts. Nous montrons que partant d'une configuration quelconque et sans occurrence de pannes transitoires, SDEAC structure le réseau dans le pire des cas en n+2 transitions. En outre, son exécution nécessite une occupation mémoire de (Δu+1)*log(2n+k+3) bits pour chaque noeud u, avec Δu étant le degré de u, k le rayon maximal des clusters et n la taille du réseau. Par simulation sous OMNeT++, nous observons pour un réseau quelconque un temps de stabilisation très inférieur à celui du pire des cas d'une part. D'autre part, suite à l'occurrence de pannes transitoires après la stabilisation, nous constatons un temps de stabilisation inférieur à celui du clustering. Dans le contexte des RCSF, nous étudions la consommation énergétique de SDEAC suivant trois critères d'élection des cluster-heads (identité, degré et énergie résiduelle des noeuds) puis nous la comparons avec celle de la solution de Mitton et al. opérant dans le même modèle. Les résultats montrent que SDEAC permet le passage à l'échelle et réduit la consommation énergétique de 42% à 49%. Enfin, pour l'utilisation de SDEAC dans l'acheminement de l'information, nous proposons deux approches efficaces : (i) un routage sans agrégation qui minimise les délais de bout en bout et (ii) un routage avec agrégation partielle qui réduit la consommation énergétique totale offrant ainsi une meilleure durée de vie du réseau. / We propose SDEAC, a self-Stabilizing Distributed Energy-Aware and fault-tolerant Clustering algorithm. SDEAC uses an asynchronous message-passing model and is based on 1-hop neighboring to build non-overlapping k-hops clusters. We prove that, starting from an arbitrary configuration, SDEAC structures the network after at most n + 2 transitions and requires (Δu+1)log(2n+k+3) memory space for each node u, where n is the number of network nodes, Δu is the degree of u and k represents the maximum hops number. Through simulations under OMNeT++, we observe that over arbitrary network, the stabilization time is far below the worst case scenario. Furthermore, we remark that after faults, the re-clustering cost is significantly lower than the clustering cost. In the context of Wireless Sensor Networks (WSNs), we evaluate the energy consumption of SDEAC according to multiple criteria in the election of cluster-heads, such as nodes' identity, residual energy or degree and we compare it with the well-known message-passing based self-stabilizing clustering algorithm proposed by Mitton et al. Results show that SDEAC is scalable and reduces energy consumption between 42% and 49%.Afterwards, we propose efficient scenarios in order to transfer information: (i) the non-aggregation scenario that provides a better end-to-end delay and (ii) the partially-decentralized aggregation scenario that reduces the total energy consumption and prolongs the network lifetime.

Saving energy and increasing network lifetime are significant challenges in the field of Wireless Sensor Networks (WSNs). Energy-aware routing protocols have been introduced for WSNs to overcome limitations of WSN including limited power resources and difficulties renewing or recharging sensor nodes batteries. Furthermore, the potentially inhospitable environments of sensor locations, in some applications, such as the bottom of the ocean, or inside tornados also have to be considered. ZigBee is one of the latest communication standards designed for WSNs based on the IEEE 802.15.4 standard. The ZigBee standard supports two routing protocols, the Ad hoc On-demand Distance Vector (AODV), and the cluster-tree routing protocols. These protocols are implemented to establish the network, form clusters, and transfer data between the nodes. The AODV and the cluster-tree routing protocols are two of the most efficient routing protocols in terms of reducing the control message overhead, reducing the bandwidth usage in the network, and reducing the power consumption of wireless sensor nodes compared to other routing protocols. However, neither of these protocols considers the energy level or the energy consumption rate of the wireless sensor nodes during the establishment or routing processes.

Abstract According to industry estimates, monthly global mobile data traffic will surpass 30.6 exabytes by 2020 and global mobile data traffic will increase nearly eightfold between 2015 and 2020. Most of the mobile data traffic is generated by smartphones, and the total number of smartphones is expected to continue growing by 2020, which results in rapid traffic growth. In addition, the upcoming 5G networks and Internet of Things based communication are estimated to involve a large amount of network traffic. The increase in mobile data traffic and in the number of connected devices poses a challenge to network operators, service providers, and data center operators. If the transmission capacity of the network and the amount of data traffic are not in line with each other, congestion may occur and ultimately the quality of experience degrades. Mobile networks are also becoming more reliant on data centers that provide efficient computing power. However, the energy consumption of data centers has grown in recent years, which is a problem for data center operators. A traditional strategy to overcome these problems is to scale up the resources or by providing more efficient hardware. Resource over-provisioning increases operating and capital expenditures without a guarantee of increased average revenue per user. In addition, the growing complexity and dynamics of communication systems is a challenge for efficient resource management. Intelligent and resilient methods that can efficiently use existing resources by making autonomous decisions without intervention from human administrators are thus needed. The goal of this research is to implement, develop, model, and test algorithms that can enable efficient and energy-aware network resource management in autonomous communications systems. First, an energy-aware algorithm is introduced for high-performance computing data centers to reduce the energy consumption within a single data center and across a federation of data centers. For network access selection in heterogeneous wireless networks, two algorithms are proposed, a client side algorithm that tries to optimize users' quality of experience and a network side algorithm that focuses on optimizing the global resource usage of the network. Finally, for a video service, an algorithm is presented that can enhance the video content delivery in a controllable and resource-efficient way without major changes in the mobile network infrastructure. / Tiivistelmä Langattoman tietoliikenteen nopean kasvun ennustetaan jatkuvan edelleen lähivuosinakin ja alan teollisuuden arvioiden mukaan matkapuhelinliikenteen määrä ylittäisi globaalisti 30,6 eksatavua vuoteen 2020 mennessä. Tämä tarkoittaisi liikennemäärän kahdeksankertaistumista ajanjaksolla 2015–2020. Älypuhelimet tuottavat suurimman osan matkapuhelinliikenteestä, ja älypuhelimien lukumäärän arvioidaan jatkavan kasvuaan vuoteen 2020 saakka, mikä johtaa nopeaan liikenteen kasvuun. Tämän lisäksi arvioidaan, että 5G verkot ja esineiden Internet tuottavat suuren määrän verkkoliikennettä. Matkapuhelinliikenteen ja laitteiden määrän kasvu tuo haasteita verkko-operaattoreille, palvelun tarjoajille, ja datakeskusoperaattoreille. Mikäli verkossa ei ole tarpeeksi siirtokapasiteettia dataliikenteen määrää varten, verkko ruuhkautuu ja lopulta palvelukokemus kärsii. Matkapuhelinverkot tulevat myös tulevaisuudessa tarvitsemaan datakeskusten laskentakapasiteettia. Datakeskusten energiankulutus on kuitenkin kasvanut viime vuosina, mikä on ongelma datakeskusoperaattoreille. Perinteinen strategia ongelmien ratkaisemiseksi on lisätä resurssien määrää tai tarjota tehokkaampaa laitteistoa. Resurssien liiallinen lisääminen kasvattaa kuitenkin sekä käyttö- että pääomakustannuksia ilman takuuta siitä, että keskimääräinen myyntitulo per käyttäjä kasvaisi. Tämän lisäksi tietoliikennejärjestelmät ovat monimutkaisia ja dynaamisia järjestelmiä, minkä vuoksi tehokas resurssienhallinta on haastavaa. Tämän vuoksi tarvitaan älykkäitä ja kestäviä metodeja, jotka pystyvät käyttämään olemassa olevia resursseja tehokkaasti tekemällä autonomisia päätöksiä ilman ylläpitäjän väliintuloa. Tämän tutkimuksen tavoitteena on toteuttaa, kehittää, mallintaa, ja testata algoritmeja, jotka mahdollistavat tehokkaan ja energiatietoisen verkkoresurssien hallinnan autonomisissa tietoliikennejärjestelmissä. Tutkimus esittää aluksi supertietokonedatakeskuksiin energiatietoisen algoritmin, jonka avulla voidaan vähentää energiankulutusta yhden datakeskuksen sisällä sekä usean eri datakeskuksen välillä. Verkkoyhteyden valintaan heterogeenisissä langattomissa verkoissa esitetään kaksi algoritmia. Ensimmäinen on käyttäjäkohtainen algoritmi, joka pyrkii optimoimaan yksittäisen käyttäjän palvelukokemusta. Toinen on verkon puolen algoritmi, joka keskittyy optimoimaan verkon kokonaisresurssien käyttöä. Lopuksi esitetään videopalvelulle algoritmi, joka parantaa videosisällön jakoa kontrolloidusti ja resurssitehokkaasti ilman että matkapuhelinverkon infrastruktuurille tarvitaan muutoksia.

Only if humanity acts quickly and resolutely can we limit global warming' conclude more than 25,000 academics with the statement of SCIENTISTS FOR FUTURE. The concern about global warming and the extinction of species has steadily increased in recent years.

Markov jump linear systems find application in many areas including economics, fault-tolerant control, and networked control. Despite significant attention paid to Markov jump linear systems in the literature, few authors have investigated Markov jump linear systems with time-inhomogeneous Markov chains (Markov chains with time-varying transition probabilities), and even fewer authors have considered time-inhomogeneous Markov chains with a priori unknown transition probabilities. This dissertation provides a formal stability and disturbance attenuation analysis for a Markov jump linear system where the underlying Markov chain is characterized by an a priori unknown sequence of transition probability matrices that assumes one of finitely-many values at each time instant. Necessary and sufficient conditions for uniform stochastic stability and uniform stochastic disturbance attenuation are reported. In both cases, conditions are expressed as a set of finite-dimensional linear matrix inequalities (LMIs) that can be solved efficiently. These finite-dimensional LMI analysis results lead to nonconservative LMI formulations for optimal controller synthesis with respect to disturbance attenuation. As a special case, the analysis also applies to a Markov jump linear system with known transition probabilities that vary in a finite set. / Ph. D.

Nowadays, computer systems are everywhere. From simple portable devices such as watches and MP3 players to large stationary installations that control nuclear power plants, computer systems are now present in all aspects of our modern and every-day life. In about only 70 years, they have completely perturbed our way of life and they reached a so high degree of sophistication that they will be soon capable of driving our cars and cleaning our houses without any human intervention. As computer systems gain in responsibilities, it becomes essential that they provide both safety and reliability. Indeed, a failure in systems such as the anti-lock braking system (ABS) in cars could threaten human lives and generate catastrophic and irreversible consequences. Hence, for many years, researchers have addressed these emerging problems of system safety and reliability which come along with this fulgurant evolution. <p><p>This thesis provides a general overview of embedded real-time computer systems, i.e. a particular kind of computer system whose number grows daily. We provide the reader with some preliminary knowledge and a good understanding of the concepts that underlie this emerging technology. We focus especially on the theoretical problems related to the real-time issue and briefly summarizes the main solutions, together with their advantages and drawbacks. This brings the reader through all the conceptual layers constituting a computer system, from the software level---the logical part---that specifies both the system behavior and requirements to the hardware level---the physical part---that actually performs the expected treatments and reacts to the environment. In the meanwhile, we introduce the theoretical models that allow researchers for theoretical analyses which ensure that all the system requirements are fulfilled. Finally, we address the energy consumption problem in embedded systems. We describe the various factors of power dissipation in modern technologies and we introduce different solutions to reduce this consumption./Cette thèse se focalise sur un type de systèmes informatiques bien précis appelés “systèmes embarqués temps réel”. Un système est dit “embarqué” lorsqu’il est développé afin de servir un but bien précis. Un téléphone portable est un parfait exemple de système embarqué étant donné que toutes ses fonctionnalités sont rigoureusement définies avant même sa conception. Au contraire, un ordinateur personnel n’est généralement pas considéré comme un système embarqué, les concepteurs ne sachant pas à l’avance à quelles fins il sera utilisé. Une grande partie de ces systèmes embarqués ont des contraintes temporelles très fortes, ce qui les distingue encore plus des ordinateurs grand public. A titre d’exemple, lorsqu’un conducteur de voiture freine brusquement, l’ordinateur de bord déclenche l’application ABS et il est primordial que cette application soit traitée endéans une courte échéance. Autrement dit, cette fonctionnalité ABS doit être traitée prioritairement par rapport aux autres fonctionnalités du véhicule. Ce type de système embarqué est alors dit “temps réel”, dû à ces notions de temps et de priorités entre les applications. La problèmatique posée par les systèmes temps réel est la suivante. Comment déterminer, à tout moment, un ordre d’exécution des différentes fonctionnalités de telle sorte qu’elles soient toutes exécutées entièrement endéans leur échéance ?De plus, avec l’apparition récente des systèmes multiprocesseurs, cette problématique s’est fortement complexifiée, vu que le système doit à présent déterminer quelle fonctionnalité s’exécute à quel moment sur quel processeur afin que toutes les contraintes temporelles soient respectées. Pour finir, ces systèmes embarqués temp réel multiprocesseurs se sont rapidement retrouvés confrontés à un problème de consommation d’énergie. Leur demande en terme de performance (et donc en terme d’énergie) à évolué beaucoup plus rapidement que la capacité des batteries qui les alimentent. Ce problème est actuellement rencontré par de nombreux systèmes, tels que les téléphones portables par exemple. L’objectif de cette thèse est de parcourir les différents composants de tels système embarqués et de proposer des solutions afin de réduire leur consommation d’énergie. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Grâce aux avancées conjointes des systèmes microélectroniques, des technologies sans fil et de la microélectronique embarquée, les réseaux de capteurs sans fil (RCsF) ont récemment pu voir le jour. Très sophistiqués et en interaction directe avec leur environnement, ces systèmes informatiques et électroniques communiquent principalement à travers des réseaux radio qui en font des objets communicants autonomes. Ils offrent l'opportunité de prendre en compte les évolutions temporelles et spatiales du monde physique environnant. Les RCsF se retrouvent donc au cœur de nombreuses applications couvrant des domaines aussi variés que la santé, la domotique, l'intelligence ambiante, les transports, la sécurité, l'agronomie et l'environnement. Ils connaissent un véritable essor et ce dans divers domaines des STIC : hardware, système d'exploitation, conception d'antenne, système d'information, protocoles réseaux, théorie des graphes, algorithmique distribuée, sécurité, etc. L’intérêt des communautés issues de la recherche et de l’industrie pour ces RCsF s’est accru par la potentielle fiabilité, précision, flexibilité, faible coût ainsi que la facilité de déploiement de ces systèmes. La spontanéité, l’adaptabilité du réseau et la dynamicité de sa topologie dans le déploiement des RCsF soulèvent néanmoins de nombreuses questions encore ouvertes. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux aspects liés à la problématique du routage dans un RCsF, l’objectif étant de proposer des approches algorithmiques permettant de faire du routage adaptatif multi critères dans un RCsF. Nous nous sommes concentrés sur deux critères principaux : la consommation d’énergie dans les capteurs et le délai d’acheminement des informations collectées par les capteurs. Nous avons proposé ainsi un nouveau protocole de routage, appelé EDEAR (Energy and Delay Efficient Adaptive Routing), qui se base sur un mécanisme d’apprentissage continu et distribué permettant de prendre en compte la dynamicité du réseau. Celui-ci utilise deux types d’agents explorateurs chargés de la collecte de l’information pour la mise à jour des tables de routage. Afin de réduire la consommation d’énergie et la surcharge du réseau, nous proposons également un processus d’exploration des routes basé sur une diffusion optimisée des messages de contrôle. Le protocole EDEAR calcule les routes qui minimisent simultanément l’énergie consommée et le délai d’acheminement des informations de bout en bout permettant ainsi de maximiser la durée de vie du réseau. L’apprentissage se faisant de manière continue, le routage se fait donc de façon évolutive et permet ainsi une réactivité aux différents évènements qui peuvent intervenir sur le réseau. Le protocole proposé est validé et comparé aux approches traditionnelles, son efficacité au niveau du routage adaptatif est mise particulièrement en évidence aussi bien dans le cas de capteurs fixes que de capteurs mobiles. En effet, celui-ci permet une meilleure prise en compte de l'état du réseau contrairement aux approches classiques / Through the joint advanced microelectronic systems, wireless technologies and embedded microelectronics, wireless sensor networks have recently been possible. Given the convergence of communications and the emergence of ubiquitous networks, sensor networks can be used in several applications and have a great impact on our everyday life. There is currently a real interest of research in wireless sensor networks; however, most of the existing routing protocols propose an optimization of energy consumption without taking into account other metrics of quality of service. In this thesis, we propose an adaptive routing protocol called "EDEAR" which takes into account both necessary criteria to the context of communications in sensor networks, which are energy and delay of data delivery. We are looking the routes for optimizing a nodes’ lifetime in the network, these paths are based on joint optimization of energy consumption and delay through a multi criteria cost function. The proposed algorithm is based on the use of the dynamic state-dependent policies which is implemented with a bio-inspired approach based on iterative trial/error paradigm. Our proposal is considered as a hybrid protocol: it combines on demand searching routes concept and proactive exploration concept. It uses also a multipoint relay mechanism for energy consumption in order to reduce the overhead generated by the exploration packets. Numerical results obtained with NS simulator for different static and mobility scenario show the efficiency of the adaptive approaches compared to traditional approaches and proves that such adaptive algorithms are very useful in tracking a phenomenon that evolves over time

In computer security, cryptographic algorithms and protocols are required to ensure security of data and applications. This research investigates techniques to reduce the energy consumed by cryptographic hash functions. The specific hash functions considered are Message Digest-2 (MD2), Message Digest-5 (MD5), Secure Hash Algorithm-1 (SHA-1) and Secure Hash Algorithm-2 (SHA-2). The discussion around energy conservation in handheld devices like laptops and mobile devices is gaining momentum. Research has been done at the hardware and operating system levels to reduce the energy consumed by these devices. However, research on conserving energy at the application level is a new approach. This research is motivated by the energy consumed by anti-virus applications which use computationally intensive hash functions to ensure security. To reduce energy consumption by existing hash algorithms, the generic energy complexity model, designed by Roy et al. [Roy13], has been applied and tested. This model works by logically mapping the input across the eight available memory banks in the DDR3 architecture and accessing the data in parallel. In order to reduce the energy consumed, the data access pattern of the hash functions has been studied and the energy complexity model has been applied to hash functions to redesign the existing algorithms. These experiments have shown a reduction in the total energy consumed by hash functions with different degrees of parallelism of the input message, as the energy model predicted, thereby supporting the applicability of the energy model on the different hash functions chosen for the study. The study also compared the energy consumption by the hash functions to identify the hash function suitable for use based on required security level. Finally, statistical analysis was performed to verify the difference in energy consumption between MD5 and SHA2.

La résolution du problème des vides dans le routage géographique dédié aux réseaux de capteurs sans fil (RCS), rencontrés lors de la remontée des informations vers les nœuds collecteurs à partir des nœuds du réseau, constitue un verrou technologique qui reste un problème ouvert encore aujourd'hui. Cette thèse, contrairement aux méthodes traditionnelles, propose une nouvelle approche pour la prise en charge de ces vides tout en optimisant l'efficacité énergétique des nœuds déployés dans un RCS faisant ainsi du routage proposé une solution adéquate pour l'acheminement des informations en temps réel. Celui-ci se base sur l'information géographique concernant le nœud courant, les vides voisins et le nœud destinataire du paquet. Notre proposition agit aussi sur des mécanismes assurant la découverte, l'annonce et la maintenance des vides d'un RCS. Le premier protocole proposé, appelé VT-SPEED, est construit sur la base d'une fonction évolutive intégrant un mécanisme d'évitement adaptatif des vides et considérant simultanément la charge des nœuds candidats au routage et leur information géographique de localisation. Afin d'optimiser l'efficacité énergétique de VT-SPEED, notre proposition inclut par ailleurs de nouvelles routines sur la base de fonctions paramétriques pour la prise en compte de l'énergie dans le routage : (a) suppression des paquets retardés sur la base de leur échéance et (b) équilibrage de charge dans le choix des sauts des paquets. Les résultats enregistrés par le protocole résultant, appelé VE-SPEED, montrent que l'approche proposée prend en compte les flux de type temps-réel, possède une grande tolérance aux vides, conserve mieux l'énergie des nœuds de bordure, assure un meilleur équilibrage de charge, et consomme de manière optimisée l'énergie des nœuds capteurs / Resolution of the void-problem in geographical routing in Wireless Sensor Networks (WSN) is an open problem and it can be considered as key issue in disseminating data from sensor nodes to sinks. In this thesis, unlike previously-proposed methods, we address this problem in a different manner by proposing a novel approach to handle both voids and real-time flows with optimizing energy-efficiency of deployed nodes in a WSN. The proposed approach is based on the geographic information of the current node, of the neighbor voids and of the sink. Our proposal relies on the mechanisms that discover voids, announce them and then maintain them. The first proposed protocol, called VT-SPEED, is based on an adaptive void-avoidance mechanism that considers both load of routing candidate nodes and their localization information. To make VT-SPEED energy-aware, we also propose new routines based on parameterized functions that handle routing dissipation energy : (a) dropping out-of-order packets and (b) load-balancing when choosing next hop of packets. The resulting protocol, called VE-SPEED, has satisfactory results which show that the proposed approach satisfies the real-time constraints of data flows, tolerates voids, preserves energy resources of boundary nodes, balances load between nodes and has optimal energy consumption