72 research outputs found
Scalable and Fully Configurable NoC-based Hardware Implemention of Growing Neural Gas for Continual Learning
No full textInternational audienceDue to their accuracy and performances, neural networks (NN), like deep learning, are preferred in many application fields, but face challenges such as concept drift, requiring adaptable models for evolving data distributions. Concepts such as Continual (CL) or Incremental Learning (IL) are proposed as solutions to handle data changes over time and prevent catastrophic forgetting. Prototype-based methods have shown promise in addressing these challenges, offering robustness to adversarial attacks and interpretability. In this paper, we focus on the hardware implementation of one of the prototype-based methods, namely Growing Neural Gas, which is a dynamically evolving NN suited for CL. Its scalable and highly configurable architecture is presented in this work. The proposed architecture has been validated through simulations in SystemC framework demonstrating the proof of concept for CL. Additionally, the results of hardware implementation targeting FPGA are presented, illustrating the resource utilization of its major components
Exact Robust Solution to TW-ToA-Based Target Localization Problem With Clock Imperfections
No full textIEEE Signal Processing LettersThis letter addresses the problem of target localization based on two-way time of arrival (TW-ToA) measurements with clock imperfections. In addition to the target location, the turn-around times and clock skews are considered unknown. Since an optimal estimator for this problem cannot be tackled directly, we approximate it by a suboptimal, robust one, formulated as a generalized trust region subproblem. Even though nonconvex in general, exact solution of the derived estimator can be obtained by just a bisection procedure. Simulation results validate the effectiveness of the proposed technique, matching the performance of the state of the art with significantly lower computational complexity.Manuscript received October 2, 2017; revised January 22, 2018; accepted February 26, 2018. Date of publication February 28, 2018; date of current version March 14, 2018. This work was supported in part by Fundac¸ão para a Ciência e a Tecnologia under Project PEst-OE/EEI/UI0066/2014 and Project UID/EEA/50009/2013; and in part by the Program Investigador Fundac¸ão para a Ciência e Tecnologia under Grant IF/00325/2015. The associate editor coordinating the review of this manuscript and approving it for publication was Prof. Parv Venkitasubramaniam. (Corresponding author: Slavisa Tomic.) S. Tomic is with the COPELABS, Universidade Lusófona de Humanidades e Tecnologias, Lisboa 1749-024, Portugal, and also with the Institute for Systems and Robotics/Instituto Superior Tecnico, Laboratory for Robotics and Engineering Systems, Universidade de Lisboa, Lisbon 1049-001, Portugal (e-mail: [email protected])
Thermoelectric system for energy harvesting : electrical modeling and continuity of service of electronic circuit
No full textLa récupération d'énergie thermique basée sur les générateurs thermoélectriques (TEG) est utilisée dans de nombreuses applications telles que les dispositifs médicaux auto-alimentés. La sûreté de fonctionnement et la continuité de service de ces systèmes sont aujourd'hui des préoccupations majeures. Ainsi, toute défaillance au niveau d'un des interrupteurs commandables de la circuiterie électronique d'interface peut provoquer de graves dysfonctionnements du système. Tout défaut non détecté et non compensé peut mettre en danger l'ensemble du système et interrompt l'alimentation en énergie de la charge. Par conséquent, la mise en œuvre d'une compensation de défaut efficace et rapide est impérative afin d'assurer la continuité de service. Dans ces travaux de recherche, nous étudions la continuité de service d'une interface électronique pour TEG basée sur une conversion à deux étages Buck/Buck-Boost cascadés. Une modélisation électrique générique (modèle de Thévenin) du TEG sous différentes conditions de fonctionnement et prenant en compte l'ensemble des résistances thermiques de contact est tout d'abord présentée. Ensuite, une méthode de compensation de défaut de type circuit-ouvert au niveau de l'interrupteur commandable de l'un des deux convertisseurs DC-DC est également proposée. Nous présentons une topologie originale de convertisseur DC-DC à tolérance de pannes, sans redondance matérielle classique. Cette topologie permet d'assurer la continuité de service du système de récupération d'énergie en mode nominal. Les études théoriques ont été validées par simulation et par des tests expérimentauxThermal energy harevsting based on thermoelectric generators is used in many applications such as self-powered medical devices. The reliability and continuity of service of these systems are now major concerns. Furthermore, any failure in the controllable switch of the electronic interface circuitry can cause serious system malfunctions. Any undetected and uncompensated fault can endanger the entire system and interrupt the power supply to the load. Therefore, the implementation of an efficient and rapid fault compensation is imperative in order to ensure the continuity of service. In this research, we study the continuity of service of an electronic interface for TEG, based on a two-stage conversion cascaded Buck/Buck-Boost. A generic electrical modeling of the TEG model under different operating conditions and with taking into account all the thermal contact resistances is first presented. Next, an open-circuit fault compensation method of the controllable switch of one of the two DC-DC converters is also proposed. We present an original fault-tolerant DC-DC converter topology with no conventional hardware redundancy. This topology ensures the continuity of service of the energy recovery system in nominal mode. Theoretical studies were validated by simulation and experimental test
Vers les architectures et systèmes de calcul guidés par l'énergie
No full textMankind is witnessing what is often seen as the fourth industrial revolution or so called “Intelligence Revolution”, currently driven by Artificial Intelligence (AI), Big Data (BD) and IoT (Internet of Things) technologies. These technologies, mainly based on the massive data processing in data centers in a centralized way, start to show their limits especially in the applications needing rapid decision and low latencies as well as characterized with limited power budgets and tight energy constraints. Therefore, progressive decentralization of the current computing paradigm towards the ends of this complex centralized infrastructure in the layers often called fog and edge, or even in near-sensor layers is currently observed. The way the systems are designed is also evolving at all levels (system, architecture, circuit) and must take into account the environmental factors such as cost, sustainability and supply in energy. The two keywords Computing and Energy harvesting resulting from the previous context in a broader sense are the two orientations which have led all my research activities until now and allow me to orient my future works toward architectures and systems driven by energy or intermittent computing systems.Dans la période actuelle considérée comme la quatrième révolution industrielle, les technologies telles que l’IA, les Big Data et l’IoT sont omniprésentes dans de nombreux domaines. Ces technologies, essentiellement basées sur une exploitation de données de masse traitées de manière centralisée dans les centres de calcul, commencent à montrer leurs limites notamment dans les applications exigeant une prise de décision rapide ainsi qu’ une consommation énergétique limitée, efficace et durable. Par conséquent, une décentralisation progressive de ce paradigme de calcul centralisé vers les couches nommées fog ou edge, et au plus proche des capteurs et systèmes d’acquisition est actuellement observée. Ce changement de paradigme a également pour conséquence de faire évoluer les approches de conception de tels systèmes au niveau architectural tout en prenant en compte leur impact environnemental et durabilité énergétique. Les deux mots clé Calcul et Récupération d’énergie qui ressortent au sens large des termes de ce contexte sont également les deux principales orientations qui ont guidé les activités de recherche que j’ai menées jusqu’à présent et qui permettent d’orienter mes travaux futurs vers les circuits et systèmes de calcul guidés par l’énergie
Development of deep learning-based facial expression recognition models for embedded applications
No full textLe domaine de la Reconnaissance des Émotions Faciales (FER) est est d'une importance capitale pour faire progresser les interactions homme-machine et trouve sa place dans de nombreuses applications comme par exemple le domaine de la santé pour traiter la dépression et l'anxiété. En utilisant des Réseaux Neuronaux Convolutifs (CNN), cette thèse présente une série de modèles visant à optimiser la détection et l'interprétation des émotions. Le modèle initial présenté dans cette thèse est de faible complexité et économe en ressources lui permettant de rivaliser favorablement avec les solutions de l'état de l'art sur un nombre limité de jeux de données, ce qui en fait une bonne base pour les systèmes à ressources limitées. Pour identifier et capturer toute la complexité et l'ambiguïté des émotions humaines, ce modèle initial est amélioré en intégrant les Unités d'Action faciales (AU). Cette approche affine non seulement la détection des émotions mais fournit également une interprétabilité des décisions fournies par le modèle en identifiant des AU spécifiques liées à chaque émotion. Une amélioration significative est atteinte en introduisant des mécanismes d'attention neuronale—à la fois spatiaux et par canal— au modèle initial. Ainsi, le modèle basé sur ces mécanismes d'attention se focalise uniquement sur les caractéristiques faciales les plus saillantes. Cela permet au modèle CNN de s'adapter bien aux scénarios du monde réel, tels que des expressions faciales partiellement obscurcies ou subtiles. La thèse aboutit à un modèle CNN optimisé et efficace en termes de calcul et d'empreinte mémoire, le rendant parfaitement adapté pour les environnements à ressources limitées comme les systèmes embarqués. Tout en fournissant une solution robuste pour la FER, des perspectives et voies pour des travaux futurs, tels que des applications en temps réel et des techniques avancées pour l'interprétabilité du modèle, sont également identifiées.The field of Facial Emotion Recognition (FER) is pivotal in advancing human-machine interactions and finds essential applications in healthcare for conditions like depression and anxiety. Leveraging Convolutional Neural Networks (CNNs), this thesis presents a progression of models aimed at optimizing emotion detection and interpretation. The initial model is resource-frugal but competes favorably with state-of-the-art solutions, making it a strong candidate for embedded systems constrained in computational and memory resources. To capture the complexity and ambiguity of human emotions, the research work presented in this thesis enhances this CNN-based foundational model by incorporating facial Action Units (AUs). This approach not only refines emotion detection but also provides interpretability by identifying specific AUs tied to each emotion. Further sophistication is achieved by introducing neural attention mechanisms—both spatial and channel-based—improving the model's focus on salient facial features. This makes the CNN-based model adapted well to real-world scenarios, such as partially obscured or subtle facial expressions. Based on the previous results, in this thesis we propose finally an optimized, yet computationally efficient, CNN model that is ideal for resource-limited environments like embedded systems. While it provides a robust solution for FER, this research also identifies perspectives for future work, such as real-time applications and advanced techniques for model interpretability
Étude d'oscillateur à vortex nano-contact commensurable et chaotique (NCVO) pour le traitement de l'information
No full textLa quantité de données utilisées dans les technologies de l'information augmente considérablement. Cela s'accompagne de la prolifération de technologies électroniques très avancées. Les problèmes thermiques, résultant de ces grands processus de données, imposent l'utilisation de nouvelles technologies et de nouveaux paradigmes à la place des circuits CMOS. Les dispositifs spintroniques sont l'une des nombreuses alternatives proposées jusqu'à présent dans la littérature. Dans ce travail, nous considérons un dispositif spintronique appelé oscillateur vortex à nano-contact (NCVO), qui a récemment commencé à attirer l'attention en raison de sa dynamique riche et variable. Cet oscillateur est actionné par un courant continu de polarisation et soumis à un champ magnétique, qui détermine sa dynamique de sortie. L'utilisation pratique du NCVO nécessite l'existence d'un modèle précis qui imite son aimantation de sortie et la trajectoire du vortex tournant autour du centre dans la couche supérieure de l'appareil. Ces deux variables sont nécessaires au calcul de la résistance équivalente du NCVO. Pour cela, nous construisons dans ce travail de thèse un modèle pour le NCVO produisant ces deux variables en utilisant une approche de calcul réservoir appelée réseau piloté par conceptor. Le réseau est formé sur les données NCVO acquises par simulation micromagnétique. Le modèle construit capture avec succès la dynamique du NCVO dans ses différents régimes (chaotique, périodique et quasi-périodique) avec un passage facile entre les régimes. Le même réseau est ensuite utilisé pour la détection du chaos dans la série des temps d'entrée. La méthode de détection de chaos proposée s'est révélée efficace et plus robuste par rapport aux méthodes existantes. Enfin, le modèle NCVO est exploité pour la génération de nombres véritablement aléatoires (TRNG) où une conception matérielle, alimentée par un signal chaotique généré par le modèle, est proposée. Cette conception a montré la capacité de concurrencer les techniques RNG existantes en termes de vitesse, de coût et de qualité.The amount of data used in information technology is increasing dramatically. This comes with the proliferation of highly advanced electronic technologies. The thermal issues, rising as an effect of such large data processes, impose the usage of novel technologies and paradigms in place of CMOS circuits. Spintronic devices are one of many alternatives proposed so far in the literature. In this work, we consider a spintronic device called nano-contact vortex oscillator (NCVO), which has recently begun to gain attention due to its rich and variable dynamics. This oscillators is operated by an bias DC current and subjected in a magnetic field, that determines it output dynamics. The practical use of the NCVO requires the existence of an accurate model that imitates its output magnetization and the vortex's trajectory rotating around the center in the upper layer of the device. These two variables are needed for the calculation of the equivalent resistance of the NCVO. For that, we build in this PhD work a model for the NCVO producing these two variables using a reservoir computing approach called conceptor-driven network. The network is trained on NCVO data gained by micromagnetic simulation. The built model successfully captures the NCVO dynamics in its different regimes (chaotic, periodic, and quasi- periodic) with an easy shift between regimes. The same network is used then for the detection of chaos in the input-times series. The proposed chaos-detection method has shown to be efficient and more robust compared to existing methods. Finally, the NCVO model is exploited for truly random number generation (TRNG) where a hardware design, fed by a chaotic signal generated by the model, is proposed. This design has shown the ability to compete existing RNG techniques in terms of speed, cost, and quality
Self-organizing embedded reconfigurable system architecture
No full textA?n de répondre à une complexité croissante des systèmes de calcul, due notamment aux progrès rapides et permanents des technologies de l’information, de nouveaux paradigmes et solutions architecturales basées sur des structures auto-adaptatives, auto-organisées sont à élaborer. Ces dernières doivent permettre d’une part la mise à disposition d’une puissance de calcul suf?sante répondant à des contraintes de temps sévères (traitement temps réel). D’autre part, de disposer d’une grande ?exibilité et adaptabilité dans le but de répondre aux évolutions des traitements ou des défaillances non prévues caractérisant un contexte d’environnement évolutif de fonctionnement du système. C’est dans ce cadre que s’insèrent les travaux de recherche présentés dans cette thèse qui consistent à développer une architecture auto-organisée de type Recon?gurable MPSoC (Multi processor System on Chip) à base de technologie FPGA.The growing complexity of computing systems, mostly due to the rapid progress in Information Technology (IT) in the last decade, imposes on system designers to orient their traditional design concepts towards the new ones based on self-organizing and self-adaptive architectural solutions. On the one hand, these new architectural solutions should provide a system with a suf?cient computing power, and on the other hand, a great ?exibility and adaptivity in order to cope with all non-deterministic changes and events that may occur in the environnement in which it evolves. Within this framework, a recon?gurable MPSoC self-organizing architecture on the FPGA recon?gurable technology is studied and developped during this PhD
Architecture reconfigurable de système embarqué auto-organisé
No full textThe growing complexity of computing systems, mostly due to the rapid progress in Information Technology (IT) in the last decade, imposes on system designers to orient their traditional design concepts towards the new ones based on self-organizing and self-adaptive architectural solutions. On the one hand, these new architectural solutions should provide a system with a sufficient computing power, and on the other hand, a great flexibility and adaptivity in order to cope with all non-deterministic changes and events that may occur in the environnement in which it evolves. Within this framework, a reconfigurable MPSoC self-organizing architecture on the FPGA recon?gurable technology is studied and developped during this PhD.Afin de répondre à une complexité croissante des systèmes de calcul, due notamment aux progrès rapides et permanents des technologies de l'information, de nouveaux paradigmes et solutions architecturales basées sur des structures auto-adaptatives, auto-organisées sont à élaborer. Ces dernières doivent permettre d'une part la mise à disposition d'une puissance de calcul suffisante répondant à des contraintes de temps sévères (traitement temps réel). D'autre part, de disposer d'une grande flexibilité et adaptabilité dans le but de répondre aux évolutions des traitements ou des défaillances non prévues caractérisant un contexte d'environnement évolutif de fonctionnement du système. C'est dans ce cadre que s'insèrent les travaux de recherche présentés dans cette thèse qui consistent à développer une architecture auto-organisée de type Reconfigurable MPSoC (Multi processor System on Chip) à base de technologie FPGA
Architecture reconfigurable de système embarqué auto-organisé
No full textA?n de répondre à une complexité croissante des systèmes de calcul, due notamment aux progrès rapides et permanents des technologies de l information, de nouveaux paradigmes et solutions architecturales basées sur des structures auto-adaptatives, auto-organisées sont à élaborer. Ces dernières doivent permettre d une part la mise à disposition d une puissance de calcul suf?sante répondant à des contraintes de temps sévères (traitement temps réel). D autre part, de disposer d une grande ?exibilité et adaptabilité dans le but de répondre aux évolutions des traitements ou des défaillances non prévues caractérisant un contexte d environnement évolutif de fonctionnement du système. C est dans ce cadre que s insèrent les travaux de recherche présentés dans cette thèse qui consistent à développer une architecture auto-organisée de type Recon?gurable MPSoC (Multi processor System on Chip) à base de technologie FPGA.The growing complexity of computing systems, mostly due to the rapid progress in Information Technology (IT) in the last decade, imposes on system designers to orient their traditional design concepts towards the new ones based on self-organizing and self-adaptive architectural solutions. On the one hand, these new architectural solutions should provide a system with a suf?cient computing power, and on the other hand, a great ?exibility and adaptivity in order to cope with all non-deterministic changes and events that may occur in the environnement in which it evolves. Within this framework, a recon?gurable MPSoC self-organizing architecture on the FPGA recon?gurable technology is studied and developped during this PhD.NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF
Design of power electronic digital controller based on FPGA/SOC using VHDL-AMS language
No full textInternational audienceIn this paper, authors detail a Top-down design methodology for Power Electronic digital controller based on Field Programmable Gate Aray or System-On-Chip. This design flow uses VHDL-AMS language. The application case of a shunt three phase power active filter is studied. An optimised architecture is designed and each step is detailed. Each block of the architecture is modeled in VHDL at several abstraction levels, from real data format to specific binary format. To achieve closed loop simulation, analog and power elements are modeled in VHDL-AMS. The whole closed loop system is successfully validated at various abstraction levels of the digital control, using ADVanceMS
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