Propuestas de proyecto de fin de carrera

Implementación en FPGA de una biblioteca de operaciones básicas de álgebra lineal numérica dispersa (spBLAS).

La resolución de problemas de álgebra lineal numérica (ALN) es la etapa de más costosa en diversas áreas de la ciencia y la ingeniería, como inteligencia artificial, optimización, simulación, procesamiento de señales y control. Desde sus orígenes, el ALN es una de las áreas que requiere mayor poder de cómputo, lo cual motiva el uso de estrategias de computación eficiente tanto desde el punto de vista de las implementaciones como de los dispositivos que se utilizan. El álgebra dispersa, es decir cuando se trabaja con matrices que cuentan con un gran número de coeficientes con valor cero, introduce varias problemáticas extras respecto al álgebra densa, como la irregularidad y el indireccionamiento en el acceso a los datos.

En este proyecto se plantea estudiar y diseñar un conjunto de kernels de álgebra dispersa capaces de aprovechar eficientemente las características de las FPGAs modernas. En particular, se espera avanzar en las operaciones de álgebra dispersa más difundidas para la resolución de problemas de computación científica (entre otros: multiplicación de matriz dispersa por vector, resolución de sistemas lineales dispersos triangulares y multiplicación de matrices dispersas) con especial atención al uso de las memorias de las FPGAs para alcanzar accesos eficientes. Las implementaciones se evaluarán en múltiples plataformas FPGA tanto en términos de tiempo de ejecución como de consumo energético.

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Evaluación y comparación de plataformas de hardware basadas en: FPGA, procesadores ARM y microcontroladores RISC-V. Caso de estudio: biblioteca de operaciones básicas de ALN densa (BLAS).

El cómputo de problemas cada vez más complejos en dispositivos autónomos es uno de los principales desafíos de la actualidad. En especial, la necesidad de contar con técnicas altamente eficientes, tanto desde el punto de vista del tiempo de resolución, como de los valores de consumo energético que implican. En este contexto se ha desarrollado de manera importante el uso de plataformas de hardware heterogéneas, es decir, que cuentan con varios dispositivos de cómputo que ofrecen características disímiles. Es de vital importancia, entonces, poder entender en profundidad las bondades y restricciones de cada dispositivo de cálculo y avanzar en el desarrollo de técnicas que sean capaces aprovechar al máximo las distintas plataformas.

En este proyecto se espera profundizar sobre las características de las plataformas de hardware basadas en FPGAs, procesadores ARM y microcontroladores RISC-V. Particularmente, recopilar y/o implementar versiones eficientes de operaciones básicas de álgebra densa (por ejemplo, un sub-conjunto de las operaciones de la biblioteca BLAS), evaluar y comparar el desempeño alcanzado, y caracterizar el uso de las distintas plataformas de hardware.

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Comparación del uso de lenguajes de alto nivel (High Level Synthesis, e.g. OpenCL) y lenguajes de bajo nivel (Hardware Description Languages, e.g. VHDL y Verilog) para sintetizar kernels en las FPGAs modernas. Caso de estudio: operaciones destacadas de álgebra densa y dispersa (gemm y spmv).

La masificación de los procesadores multi-core, menos de dos décadas atrás, y la posterior adopción de las tarjetas gráficas (GPUs) como procesadores de propósito general implicaron una revolución en el campo del hardware para grandes volúmenes de cómputo. Más recientemente, esta revolución alcanzó a los Field–Programmable Gate Arrays (FPGAs). El creciente interés por plataformas de hardware energéticamente eficientes transforma a las FPGAs en una opción altamente atractiva en comparación con otros dispositivos multi-core. Esto ha motivado, entre otras cosas, la incursión en el terreno de las FPGAs de grandes fabricantes de hardware como Intel, que recientemente se fusionó con el fabricante de FPGAs Altera.

En este proyecto se espera estudiar en profundidad las herramientas de alto nivel para desarrollar kernels para FPGAs, en especial OpenCL. Entender, identificar y caracterizar las brechas en desempeños entre el uso de HDLs y HLSs, tanto desde el punto de vista de tiempo de cómputo como de consumo energético. Las comparaciones se centrarán en kernels paradigmáticos del álgebra lineal, como son la multiplicación de matrices densas (gemm) y la multiplicación de una matriz dispersa por un vector denso (spmv).

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La idea es comenzar una linea de investigación en esta área en Uruguay.
Las imágenes astronómicas, sobre todo con fines científicos, tienen particularidades que hacen su tratamiento muy particular y delicado. La
idea de este proyecto incluye caracterizar detalladamente el modelo de adquisición a nivel óptico y eléctrico de una cámara digital adosada a un telescopio,  e implementar las primeras etapas de procesamiento de las imágenes adquiridas.

Proyecto motivado por la necesitad de control de calidad de aire en salones de clase,
particularmente en el marco de la pandemia del covid-19.
Diseñar e implementar un anemómetro de bajo costo para medir velocidad de
circulación de aire en salones de clase. Se desea medir velocidades de hasta 5 m/s, con
una resolución de 0.1 m/s. El consumo del anemómetro debe ser moderado. La
información debe quedar almacenada. Actividades generales: Diseñar un sensor que
cumpla con los requisitos. Implementar al menos un prototipo. Evaluar escalabilidad.
Verificar funcionamiento del prototipo de acuerdo con los parámetros propuestos.
Elaborar manual técnico y manual de usuario.

El proyecto se basa en la realización de un programa que a partir de una base de datos de medidas, equipos y usuarios, controle el proceso de realización de informes de ensayo de eficiencia energética en lámparas según las normas UNIT-ISO/IEC 17025 y UNIT-1218 junto al cálculo de incertidumbre de los valores reportados y concluya con la elaboración de un informe de ensayo.

Medidas remota, LED, automatización, iluminación.

Primero el estudiante debe profundizar los conocimientos en las normas técnicas de referencia sobre eficiencia energética, requisitos técnicos y evaluación de la conformidad.

Como segunda etapa en función del proceso de medida debe validar o proponer un cálculo de incertidumbre de la medición.

Finalmente analizar los datos registrados y elaborar el informe correspondiente a los requisitos de las normas de referencia.

Las antenas tienen un rol muy importante en la eficiencia de cualquier 
sistema de comunicación inalámbrico. El avance en el desarrollo de 
antenas de alto desempeño ha sido particularmente importante en los 
últimos años. Lo que hace que este tema se convierta en una línea de 
investigación de gran importancia y actualidad.

El objetivo/desafío de este proyecto es desarrollar antenas de alto 
desempeño que permitan una mejora significativa en el desempeño de los 
dispositivos de comunicación inalámbricos.

En el marco de este proyecto se investigará sobre el desarrollo de 
antenas de alto desempeño, se las simulará, optimizará, fabricará y 
caracterizará con el objetivo de contribuir con nuevas antenas más 
eficientes a la evolución de los sistemas de comunicación.

En el campo de la eficiencia energética, el uso de energía residual es una de las formas clave de mejorar el rendimiento de las instalaciones, ya sea industrial o doméstico. En general, la energía residual surge como calor, de algún proceso térmico, que es necesario ser eliminado. Por tanto, el uso de la energía residual suele estar condicionado por la dificultad de convertir el calor en otras formas de energía. Los Motores Stirling, siendo máquinas de combustión externa, tienen el potencial de aprovechar cualquier fuente de energía térmica para convertirla en energía mecánica.

Esto los convierte en candidatos para ser utilizados en la recuperación de calor de sistemas térmicos. En este marco, la presente propuesta apunta a desarrollar un mecanismo de control de un motor de Stirling que pueda ser usado tanto para enseñanza como para investigación. Se espera que el prototipo construido pueda conectarse a una computadora a través del puerto USB (u otros mecanismos que puedan entenderse interesantes) y que pueda integrarse con algoritmos de simulación.

Se propone:

• Construir un prototipo de motor de Stirling. Deberán contemplarse los sensores que se entiendan necesarios para tener el motor instrumentado de forma adecuada a los puntos que siguen.

• Implementar alguna estrategia simple de control de posición y velocidad angular del cigüeñal del motor.

• Implementar alguna estrategia simple de control de temperatura y presión de los volúmenes de gas de trabajo caliente y frío del motor.

• Estudiar la importancia de los volúmenes iniciales de gas de trabajo frío y caliente en el funcionamiento del motor.

Se sugiere que el grupo integre habilidades en sistemas embebidos, electrónica y control.

Referencias:

• A. Bellati, F. Cancela, N. Pérez, “Construcción y Control del Pendulo de Furuta,” Memoria de proyecto presentada a la Facultad de Ingeniera de la Universidad de la República.

• G. Walker and J. R. Senft, “Free Piston Stirling Engines” (Springer-Verlag, Berlin, 1980).

• A. Romanelli, “Alternative thermodynamic cycle for the Stirling machine,” Am. J. Phys. 85, 926–931 (2017).

• A. Romanelli, “The Fluidyne engine,” Am. J. Phys. 87, 33–37 (2019).

• A. Romanelli, “Stirling engine operating at low temperature difference,” Am. J. Phys. 88, 319 (2020).