MakerFluidics: low cost microfluidics for synthetic biology

Recent advancements in multilayer, multicellular, genetic logic circuits often rely on manual intervention throughout the computation cycle and orthogonal signals for each chemical “wire”. These constraints can prevent genetic circuits from scaling. Microfluidic devices can be used to mitigate these constraints. However, continuous-flow microfluidics are largely designed through artisanal processes involving hand-drawing features and accomplishing design rule checks visually: processes that are also inextensible. Additionally, continuous-flow microfluidic routing is only a consideration during chip design and, once built, the routing structure becomes “frozen in silicon,” or for many microfluidic chips “frozen in polydimethylsiloxane (PDMS)”; any changes to fluid routing often require an entirely new device and control infrastructure. The cost of fabricating and controlling a new device is high in terms of time and money; attempts to reduce one cost measure are, generally, paid through increases in the other. This work has three main thrusts: to create a microfluidic fabrication framework, called MakerFluidics, that lowers the barrier to entry for designing and fabricating microfluidics in a manner amenable to automation; to prove this methodology can design, fabricate, and control complex and novel microfluidic devices; and to demonstrate the methodology can be used to solve biologically-relevant problems. Utilizing accessible technologies, rapid prototyping, and scalable design practices, the MakerFluidics framework has demonstrated its ability to design, fabricate and control novel, complex and scalable microfludic devices. This was proven through the development of a reconfigurable, continuous-flow routing fabric driven by a modular, scalable primitive called a transposer. In addition to creating complex microfluidic networks, MakerFluidics was deployed in support of cutting-edge, application-focused research at the Charles Stark Draper Laboratory. Informed by a design of experiments approach using the parametric rapid prototyping capabilities made possible by MakerFluidics, a plastic blood--bacteria separation device was optimized, demonstrating that the new device geometry can separate bacteria from blood while operating at 275% greater flow rate as well as reduce the power requirement by 82% for equivalent separation performance when compared to the state of the art. Ultimately, MakerFluidics demonstrated the ability to design, fabricate, and control complex and practical microfluidic devices while lowering the barrier to entry to continuous-flow microfluidics, thus democratizing cutting edge technology beyond a handful of well-resourced and specialized labs

Experimental Evaluation and Comparison of Time-Multiplexed Multi-FPGA Routing Architectures

Emulating large complex designs require multi-FPGA systems (MFS). However, inter-FPGA communication is confronted by the challenge of lack of interconnect capacity due to limited number of FPGA input/output (I/O) pins. Serializing parallel signals onto a single trace effectively addresses the limited I/O pin obstacle. Besides the multiplexing scheme and multiplexing ratio (number of inter-FPGA signals per trace), the choice of the MFS routing architecture also affect the critical path latency. The routing architecture of an MFS is the interconnection pattern of FPGAs, fixed wires and/or programmable interconnect chips. Performance of existing MFS routing architectures is also limited by off-chip interface selection. In this dissertation we proposed novel 2D and 3D latency-optimized time-multiplexed MFS routing architectures. We used rigorous experimental approach and real sequential benchmark circuits to evaluate and compare the proposed and existing MFS routing architectures. This research provides a new insight into the encouraging effects of using off-chip optical interface and three dimensional MFS routing architectures. The vertical stacking results in shorter off-chip links improving the overall system frequency with the additional advantage of smaller footprint area. The proposed 3D architectures employed serialized interconnect between intra-plane and inter-plane FPGAs to address the pin limitation problem. Additionally, all off-chip links are replaced by optical fibers that exhibited latency improvement and resulted in faster MFS. Results indicated that exploiting third dimension provided latency and area improvements as compared to 2D MFS. We also proposed latency-optimized planar 2D MFS architectures in which electrical interconnections are replaced by optical interface in same spatial distribution. Performance evaluation and comparison showed that the proposed architectures have reduced critical path delay and system frequency improvement as compared to conventional MFS. We also experimentally evaluated and compared the system performance of three inter-FPGA communication schemes i.e. Logic Multiplexing, SERDES and MGT in conjunction with two routing architectures i.e. Completely Connected Graph (CCG) and TORUS. Experimental results showed that SERDES attained maximum frequency than the other two schemes. However, for very high multiplexing ratios, the performance of SERDES & MGT became comparable

Rapid Prototyping Methodology of Lightweight Electronic Drivers for Smart Home Appliances

Many researches have been conducted in smart home topic. Mostly, they discussed on the specific aspect of application. On the other side, many applications still can be explored and attached into the system. Several main challenges in designing the application devices are system complexity, reliability, user friendliness, portability, and low power consumption. Thus, design of electronic driver is one of the key elements for overcoming these challenges. Moreover, the drivers have to comply the rules of smart home system, data protocol, and application purpose. Hence, we propose a rapid prototyping methodology on designing lightweight electronic drivers for smart home appliances. This methodology consists of three main aspects, namely smart home system understanding, circuitry concept, and programming concept. By using this method, functional and lightweight drivers can be achieved quickly without major changes and modifications in home electrical system. They can be remotely controlled and monitored anytime and from anywhere. For prototyping, we design several drivers to represent common electronic and mechanical based applications. Experimental results prove that the proposed design methodology can achieve the research target

Mengenal pasti tahap pengetahuan pelajar tahun akhir Ijazah Sarjana Muda Kejuruteraan di KUiTTHO dalam bidang keusahawanan dari aspek pengurusan modal

Malaysia ialah sebuah negara membangun di dunia. Dalam proses pembangunan ini, hasrat negara untuk melahirkan bakal usahawan beijaya tidak boleh dipandang ringan. Oleh itu, pengetahuan dalam bidang keusahawanan perlu diberi perhatian dengan sewajarnya; antara aspek utama dalam keusahawanan ialah modal. Pengurusan modal yang tidak cekap menjadi punca utama kegagalan usahawan. Menyedari hakikat ini, kajian berkaitan Pengurusan Modal dijalankan ke atas 100 orang pelajar Tahun Akhir Kejuruteraan di KUiTTHO. Sampel ini dipilih kerana pelajar-pelajar ini akan menempuhi alam pekeijaan di mana mereka boleh memilih keusahawanan sebagai satu keijaya. Walau pun mereka bukanlah pelajar dari jurusan perniagaan, namun mereka mempunyai kemahiran dalam mereka cipta produk yang boleh dikomersialkan. Hasil dapatan kajian membuktikan bahawa pelajar-pelajar ini berminat dalam bidang keusahawanan namun masih kurang pengetahuan tentang pengurusan modal terutamanya dalam menentukan modal permulaan, pengurusan modal keija dan caracara menentukan pembiayaan kewangan menggunakan kaedah jualan harian. Oleh itu, satu garis panduan Pengurusan Modal dibina untuk memberi pendedahan kepada mereka

Automated Hardware Prototyping for 3D Network on Chips

Vor mehr als 50 Jahren stellte Intel® Mitbegründer Gordon Moore eine Prognose zum Entwicklungsprozess der Transistortechnologie auf. Er prognostizierte, dass sich die Zahl der Transistoren in integrierten Schaltungen alle zwei Jahre verdoppeln wird. Seine Aussage ist immer noch gültig, aber ein Ende von Moores Gesetz ist in Sicht. Mit dem Ende von Moore’s Gesetz müssen neue Aspekte untersucht werden, um weiterhin die Leistung von integrierten Schaltungen zu steigern. Zwei mögliche Ansätze für "More than Moore” sind 3D-Integrationsverfahren und heterogene Systeme. Gleichzeitig entwickelt sich ein Trend hin zu Multi-Core Prozessoren, basierend auf Networks on chips (NoCs). Neben dem Ende des Mooreschen Gesetzes ergeben sich bei immer kleiner werdenden Technologiegrößen, vor allem jenseits der 60 nm, neue Herausforderungen. Eine Schwierigkeit ist die Wärmeableitung in großskalierten integrierten Schaltkreisen und die daraus resultierende Überhitzung des Chips. Um diesem Problem in modernen Multi-Core Architekturen zu begegnen, muss auch die Verlustleistung der Netzwerkressourcen stark reduziert werden. Diese Arbeit umfasst eine durch Hardware gesteuerte Kombination aus Frequenzskalierung und Power Gating für 3D On-Chip Netzwerke, einschließlich eines FPGA Prototypen. Dafür wurde ein Takt-synchrones 2D Netzwerk auf ein dreidimensionales asynchrones Netzwerk mit mehreren Frequenzbereichen erweitert. Zusätzlich wurde ein skalierbares Online-Power-Management System mit geringem Ressourcenaufwand entwickelt. Die Verifikation neuer Hardwarekomponenten ist einer der zeitaufwendigsten Schritte im Entwicklungsprozess hochintegrierter digitaler Schaltkreise. Um diese Aufgabe zu beschleunigen und um eine parallele Softwareentwicklung zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein automatisiertes und benutzerfreundliches Tool für den Entwurf neuer Hardware Projekte entwickelt. Eine grafische Benutzeroberfläche zum Erstellen des gesamten Designablaufs, vom Erstellen der Architektur, Parameter Deklaration, Simulation, Synthese und Test ist Teil dieses Werkzeugs. Zudem stellt die Größe der Architektur für die Erstellung eines Prototypen eine besondere Herausforderung dar. Frühere Arbeiten haben es versäumt, eine schnelles und unkompliziertes Prototyping, insbesondere von Architekturen mit mehr als 50 Prozessorkernen, zu realisieren. Diese Arbeit umfasst eine Design Space Exploration und FPGA-basierte Prototypen von verschiedenen 3D-NoC Implementierungen mit mehr als 80 Prozessoren

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Case Study: First-Time Success ASIC Design Methodology Applied to a Multi-Processor System-on-Chip

Achieving first-time success is crucial in the ASIC design league considering the soaring cost, tight time-to-market window, and competitive business environment. One key factor in ensuring first-time success is a well-defined ASIC design methodology. Here we propose a novel ASIC design methodology that has been proven for the RUMPS401 (Rahman University Multi-Processor System 401) Multiprocessor System-on-Chip (MPSoC) project. The MPSoC project is initiated by Universiti Tunku Abdul Rahman (UTAR) VLSI design center. The proposed methodology includes the use of Universal Verification Methodology (UVM). The use of electronic design automation (EDA) software during each step of the design methodology is also presented. The first-time success RUMPS401 demonstrates the use of the proposed ASIC design methodology and the good of using one. Especially this project is carried on in educational environment that is even more limited in budget, resources and know-how, compared to the business and industrial counterparts. Here a novel ASIC design methodology that is tailored to first-time success MPSoC is presented