Computer Science & Technology Series : XVIII Argentine Congress of Computer Science. Selected papers

CACIC’12 was the eighteenth Congress in the CACIC series. It was organized by the School of Computer Science and Engineering at the Universidad Nacional del Sur. The Congress included 13 Workshops with 178 accepted papers, 5 Conferences, 2 invited tutorials, different meetings related with Computer Science Education (Professors, PhD students, Curricula) and an International School with 5 courses. CACIC 2012 was organized following the traditional Congress format, with 13 Workshops covering a diversity of dimensions of Computer Science Research. Each topic was supervised by a committee of 3-5 chairs of different Universities. The call for papers attracted a total of 302 submissions. An average of 2.5 review reports were collected for each paper, for a grand total of 752 review reports that involved about 410 different reviewers. A total of 178 full papers, involving 496 authors and 83 Universities, were accepted and 27 of them were selected for this book.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Performance Characteristics of an Intelligent Memory System

The memory system is increasingly becoming a performance bottleneck. Several intelligent memory systems, such as the ActivePages, DIVA, and IRAM architectures, have been proposed to alleviate the processor-memory bottleneck. This thesis presents the Memory Arithmetic Unit and Interface (MAUI) architecture. The MAUI architecture combines ideas of the ActivePages, DIVA, and ULMT architectures into a new intelligent memory system. A simulator of the MAUI architecture was added to the SimpleScalar v4.0 toolset. Simulation results indicate that the MAUI architecture provides the largest application speedup when operating on datasets that are much too large to fit in the processor's cache and when integrated with systems using a high performance DRAM system and a low performance processor. By coupling a 2000 MHz processor with an 800 MHz DRDRAM DRAM system, the Stream benchmark, originally written by John D. McCalpin, completed 121% faster in simulations when optimized to use the MAUI architecture

Energy-efficient mobile GPU systems

The design of mobile GPUs is all about saving energy. Smartphones and tablets are battery-operated and thus any type of rendering needs to use as little energy as possible. Furthermore, smartphones do not include sophisticated cooling systems due to their small size, making heat dissipation a primary concern. Improving the energy-efficiency of mobile GPUs will be absolutely necessary to achieve the performance required to satisfy consumer expectations, while maintaining operating time per battery charge and keeping the GPU in its thermal limits. The first step in optimizing energy consumption is to identify the sources of energy drain. Previous studies have demonstrated that the register file is one of the main sources of energy consumption in a GPU. As graphics workloads are highly data- and memory-parallel, GPUs rely on massive multithreading to hide the memory latency and keep the functional units busy. However, aggressive multithreading requires a huge register file to keep the registers of thousands of simultaneous threads. Such a big register file exceeds the power budget typically available for an embedded graphics processors and, hence, more energy-efficient memory latency tolerance techniques are necessary. On the other hand, prior research showed that the off-chip accesses to system memory are one of the most expensive operations in terms of energy in a mobile GPU. Therefore, optimizing memory bandwidth usage is a primary concern in mobile GPU design. Many bandwidth saving techniques, such as texture compression or ARM's transaction elimination, have been proposed in both industry and academia. The purpose of this thesis is to study the characteristics of mobile graphics processors and mobile workloads in order to propose different energy saving techniques specifically tailored for the low-power segment. Firstly, we focus on energy-efficient memory latency tolerance. We analyze several techniques such as multithreading and prefetching and conclude that they are effective but not energy-efficient. Next, we propose an architecture for the fragment processors of a mobile GPU that is based on the decoupled access/execute paradigm. The results obtained by using a cycle-accurate mobile GPU simulator and several commercial Android games show that the decoupled architecture combined with a small degree of multithreading provides the most energy efficient solution for hiding memory latency. More specifically, the decoupled access/execute-like design with just 4 SIMD threads/processor is able to achieve 97% of the performance of a larger GPU with 16 SIMD threads/processor, while providing 20.5% energy savings on average. Secondly, we focus on optimizing memory bandwidth in a mobile GPU. We analyze the bandwidth usage in a set of commercial Android games and find that most of the bandwidth is employed for fetching textures, and also that consecutive frames share most of the texture dataset as they tend to be very similar. However, the GPU cannot capture inter-frame texture re-use due to the big size of the texture dataset for one frame. Based on this analysis, we propose Parallel Frame Rendering (PFR), a technique that overlaps the processing of multiple frames in order to exploit inter-frame texture re-use and save bandwidth. By processing multiple frames in parallel textures are fetched once every two frames instead of being fetched in a frame basis as in conventional GPUs. PFR provides 23.8% memory bandwidth savings on average in our set of Android games, that result in 12% speedup and 20.1% energy savings. Finally, we improve PFR by introducing a hardware memoization system on top. We analyze the redundancy in mobile games and find that more than 38% of the Fragment Program executions are redundant on average. We thus propose a task-level hardware-based memoization system that provides 15% speedup and 12% energy savings on average over a PFR-enabled GPU.El diseño de las GPUs (Graphics Procesing Units) móviles se centra fundamentalmente en el ahorro energético. Los smartphones y las tabletas son dispositivos alimentados mediante baterías y, por lo tanto, cualquier tipo de renderizado debe utilizar la menor cantidad de energía posible. Mejorar la eficiencia energética de las GPUs móviles será absolutamente necesario para alcanzar el rendimiento requirido para satisfacer las expectativas de los usuarios, sin reducir el tiempo de vida de la batería. El primer paso para optimizar el consumo energético consiste en identificar qué componentes son los principales consumidores de la batería. Estudios anteriores han identificado al banco de registros y a los accessos a memoria principal como las mayores fuentes de consumo energético en una GPU. El propósito de esta tesis es estudiar las características de los procesadores gráficos móviles y de las aplicaciones móviles con el objetivo de proponer distintas técnicas de ahorro energético. En primer lugar, la investigación se centra en desarrollar métodos energéticamente eficientes para ocultar la latencia de la memoria principal. El resultado de la investigación es una arquitectura desacoplada para los Fragment Processors de la GPU. Los resultados experimentales utilizando un simulador de ciclo y distintos juegos de Android muestran que una arquitectura desacoplada, combinada con un nivel de multithreading moderado, proporciona la solución más eficiente desde el punto de vista energético para ocultar la latencia de la memoria prinicipal. Más específicamente, la arquitectura desacoplada con sólo 4 SIMD threads/processor es capaz de alcanzar el 97% del rendimiento de una GPU más grande con 16 SIMD threads/processor, al tiempo que se reduce el consumo energético en un 20.5%. En segundo lugar, el trabajo de investigación se centró en optimizar el ancho de banda en una GPU móvil. Se realizó un estudio del uso del ancho de banda en distintos juegos de Android y se observó que la mayor parte del ancho de banda se utiliza para leer texturas. Además, se observó que frames consecutivos comparten una gran parte de las texturas. Sin embargo, la GPU no puede capturar el reuso de texturas entre frames dado que el tamaño de las texturas utilizadas por un frame es mucho mayor que la caché de segundo nivel. Basándose en este análisis, se desarrolló Parallel Frame Rendering (PFR), una técnica que solapa el procesado de multiples frames consecutivos con el objetivo de explotar el reuso de texturas entre frames y ahorrar así ancho de bando. Al procesar múltiples frames en paralelo las texturas se leen de memoria principal una vez cada dos frames en lugar de leerse en cada frame como sucede en una GPU convencional. PFR proporciona un ahorro del 23.8% en ancho de banda en promedio para distintos juegos de Android, este ahorro de ancho de banda redunda en un incremento del rendimiento del 12% y un ahorro energético del 20.1%. Por último, se mejoró PFR introduciendo un sistema hardware capaz de evitar cómputos redundantes. Un análisis de distintos juegos de Android reveló que más de un 38% de las ejecuciones del Fragment Program eran redundantes en promedio. Así pues, se propuso un sistema hardware capaz de identificar y eliminar parte de los cómputos y accessos a memoria redundantes, dicho sistema proporciona un incremento del rendimiento del 15% y un ahorro energético del 12% en promedio con respecto a una GPU móvil basada en PFR

Basil Leaf Automation

Recent population and wage increases have forced farmers to grow more food without a proportionate increase in work force. Automation is a key factor in reducing cost and increasing efficiency. In this paper, we explore our automation solution that utilizes position manipulation and vision processing to identify, pick up, and drop a leaf into a can. Two stepper motors and a linear actuator drove the three-dimensional actuation. Leaf and can recognition were accomplished through edge detection and machine learning algorithms. Testing proved subsystem-level functionality and proof of concept of a delicate autonomous pick-and-place robot

Dense and sparse parallel linear algebra algorithms on graphics processing units

Una línea de desarrollo seguida en el campo de la supercomputación es el uso de procesadores de propósito específico para acelerar determinados tipos de cálculo. En esta tesis estudiamos el uso de tarjetas gráficas como aceleradores de la computación y lo aplicamos al ámbito del álgebra lineal. En particular trabajamos con la biblioteca SLEPc para resolver problemas de cálculo de autovalores en matrices de gran dimensión, y para aplicar funciones de matrices en los cálculos de aplicaciones científicas. SLEPc es una biblioteca paralela que se basa en el estándar MPI y está desarrollada con la premisa de ser escalable, esto es, de permitir resolver problemas más grandes al aumentar las unidades de procesado. El problema lineal de autovalores, Ax = lambda x en su forma estándar, lo abordamos con el uso de técnicas iterativas, en concreto con métodos de Krylov, con los que calculamos una pequeña porción del espectro de autovalores. Este tipo de algoritmos se basa en generar un subespacio de tamaño reducido (m) en el que proyectar el problema de gran dimensión (n), siendo m << n. Una vez se ha proyectado el problema, se resuelve este mediante métodos directos, que nos proporcionan aproximaciones a los autovalores del problema inicial que queríamos resolver. Las operaciones que se utilizan en la expansión del subespacio varían en función de si los autovalores deseados están en el exterior o en el interior del espectro. En caso de buscar autovalores en el exterior del espectro, la expansión se hace mediante multiplicaciones matriz-vector. Esta operación la realizamos en la GPU, bien mediante el uso de bibliotecas o mediante la creación de funciones que aprovechan la estructura de la matriz. En caso de autovalores en el interior del espectro, la expansión requiere resolver sistemas de ecuaciones lineales. En esta tesis implementamos varios algoritmos para la resolución de sistemas de ecuaciones lineales para el caso específico de matrices con estructura tridiagonal a bloques, que se ejecutan en GPU. En el cálculo de las funciones de matrices hemos de diferenciar entre la aplicación directa de una función sobre una matriz, f(A), y la aplicación de la acción de una función de matriz sobre un vector, f(A)b. El primer caso implica un cálculo denso que limita el tamaño del problema. El segundo permite trabajar con matrices dispersas grandes, y para resolverlo también hacemos uso de métodos de Krylov. La expansión del subespacio se hace mediante multiplicaciones matriz-vector, y hacemos uso de GPUs de la misma forma que al resolver autovalores. En este caso el problema proyectado comienza siendo de tamaño m, pero se incrementa en m en cada reinicio del método. La resolución del problema proyectado se hace aplicando una función de matriz de forma directa. Nosotros hemos implementado varios algoritmos para calcular las funciones de matrices raíz cuadrada y exponencial, en las que el uso de GPUs permite acelerar el cálculo.One line of development followed in the field of supercomputing is the use of specific purpose processors to speed up certain types of computations. In this thesis we study the use of graphics processing units as computer accelerators and apply it to the field of linear algebra. In particular, we work with the SLEPc library to solve large scale eigenvalue problems, and to apply matrix functions in scientific applications. SLEPc is a parallel library based on the MPI standard and is developed with the premise of being scalable, i.e. to allow solving larger problems by increasing the processing units. We address the linear eigenvalue problem, Ax = lambda x in its standard form, using iterative techniques, in particular with Krylov's methods, with which we calculate a small portion of the eigenvalue spectrum. This type of algorithms is based on generating a subspace of reduced size (m) in which to project the large dimension problem (n), being m << n. Once the problem has been projected, it is solved by direct methods, which provide us with approximations of the eigenvalues of the initial problem we wanted to solve. The operations used in the expansion of the subspace vary depending on whether the desired eigenvalues are from the exterior or from the interior of the spectrum. In the case of searching for exterior eigenvalues, the expansion is done by matrix-vector multiplications. We do this on the GPU, either by using libraries or by creating functions that take advantage of the structure of the matrix. In the case of eigenvalues from the interior of the spectrum, the expansion requires solving linear systems of equations. In this thesis we implemented several algorithms to solve linear systems of equations for the specific case of matrices with a block-tridiagonal structure, that are run on GPU. In the computation of matrix functions we have to distinguish between the direct application of a matrix function, f(A), and the action of a matrix function on a vector, f(A)b. The first case involves a dense computation that limits the size of the problem. The second allows us to work with large sparse matrices, and to solve it we also make use of Krylov's methods. The expansion of subspace is done by matrix-vector multiplication, and we use GPUs in the same way as when solving eigenvalues. In this case the projected problem starts being of size m, but it is increased by m on each restart of the method. The solution of the projected problem is done by directly applying a matrix function. We have implemented several algorithms to compute the square root and the exponential matrix functions, in which the use of GPUs allows us to speed up the computation.Una línia de desenvolupament seguida en el camp de la supercomputació és l'ús de processadors de propòsit específic per a accelerar determinats tipus de càlcul. En aquesta tesi estudiem l'ús de targetes gràfiques com a acceleradors de la computació i ho apliquem a l'àmbit de l'àlgebra lineal. En particular treballem amb la biblioteca SLEPc per a resoldre problemes de càlcul d'autovalors en matrius de gran dimensió, i per a aplicar funcions de matrius en els càlculs d'aplicacions científiques. SLEPc és una biblioteca paral·lela que es basa en l'estàndard MPI i està desenvolupada amb la premissa de ser escalable, açò és, de permetre resoldre problemes més grans en augmentar les unitats de processament. El problema lineal d'autovalors, Ax = lambda x en la seua forma estàndard, ho abordem amb l'ús de tècniques iteratives, en concret amb mètodes de Krylov, amb els quals calculem una xicoteta porció de l'espectre d'autovalors. Aquest tipus d'algorismes es basa a generar un subespai de grandària reduïda (m) en el qual projectar el problema de gran dimensió (n), sent m << n. Una vegada s'ha projectat el problema, es resol aquest mitjançant mètodes directes, que ens proporcionen aproximacions als autovalors del problema inicial que volíem resoldre. Les operacions que s'utilitzen en l'expansió del subespai varien en funció de si els autovalors desitjats estan en l'exterior o a l'interior de l'espectre. En cas de cercar autovalors en l'exterior de l'espectre, l'expansió es fa mitjançant multiplicacions matriu-vector. Aquesta operació la realitzem en la GPU, bé mitjançant l'ús de biblioteques o mitjançant la creació de funcions que aprofiten l'estructura de la matriu. En cas d'autovalors a l'interior de l'espectre, l'expansió requereix resoldre sistemes d'equacions lineals. En aquesta tesi implementem diversos algorismes per a la resolució de sistemes d'equacions lineals per al cas específic de matrius amb estructura tridiagonal a blocs, que s'executen en GPU. En el càlcul de les funcions de matrius hem de diferenciar entre l'aplicació directa d'una funció sobre una matriu, f(A), i l'aplicació de l'acció d'una funció de matriu sobre un vector, f(A)b. El primer cas implica un càlcul dens que limita la grandària del problema. El segon permet treballar amb matrius disperses grans, i per a resoldre-ho també fem ús de mètodes de Krylov. L'expansió del subespai es fa mitjançant multiplicacions matriu-vector, i fem ús de GPUs de la mateixa forma que en resoldre autovalors. En aquest cas el problema projectat comença sent de grandària m, però s'incrementa en m en cada reinici del mètode. La resolució del problema projectat es fa aplicant una funció de matriu de forma directa. Nosaltres hem implementat diversos algorismes per a calcular les funcions de matrius arrel quadrada i exponencial, en les quals l'ús de GPUs permet accelerar el càlcul.Lamas Daviña, A. (2018). Dense and sparse parallel linear algebra algorithms on graphics processing units [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/112425TESI

Implementación de un sistema de información geográfico para la calidad del agua de riego del olivar en la provincia de Jaén

En la presente Tesis Doctoral se pretende contribuir al uso eficiente del agua de riego del olivar en la provincia de Jaén, en función a la calidad de las fuentes de agua disponibles para riego (superficial y subterránea), y teniendo presente la influencia de factores agroclimatológicos. Como método de trabajo ha desarrollado un Sistema de Información Geográfico (GIS) basado en herramientas de decisión multicriterio-multiobjetivo (EMC-EMO). La metodología propuesta ha permitido proponer soluciones complejas en el manejo del agua de riego en olivar en la provincia de Jaén, que integran muchos criterios de decisión. La herramienta de decisión basada en GIS propuesta ha sido efectiva definiendo estrategias a escala regional en el manejo del riego, con propuestas de manejo del riego acordes con las calidades del agua. Los resultados, tras el análisis de la información, han proporcionado soluciones complejas que integran distintos aspectos del manejo del cultivo con la relación suelo-agua-olivar.This Doctoral Thesis aims to contribute to the efficient use of irrigation water in the olive orchards in the province of Jaén, based on the quality of water sources available for irrigation (surface and underground), and bearing in mind the influence of agroclimatological factor. To this end, we developed a Geographic Information System (GIS) based on multicriteria-multiobjective decision tools (EMC-EMO). The GIS system provided complex solutions in the management of irrigation water in olive groves in the Jaén province, which integrate many decision criteria. The proposed GIS-based decision-making tool has been effective in defining strategies at the regional level for irrigation management in accordance with water quality. As result, after the analysis of the information, it was obtained complex solutions that integrate different aspects of crop management with the soil-water-olive relationship.Tesis Univ. Jaén. Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera. Leída el 06 de julio de 2018

Principal Component Analysis

This book is aimed at raising awareness of researchers, scientists and engineers on the benefits of Principal Component Analysis (PCA) in data analysis. In this book, the reader will find the applications of PCA in fields such as image processing, biometric, face recognition and speech processing. It also includes the core concepts and the state-of-the-art methods in data analysis and feature extraction

CACIC 2015 : XXI Congreso Argentino de Ciencias de la Computación. Libro de actas

Actas del XXI Congreso Argentino de Ciencias de la Computación (CACIC 2015), realizado en Sede UNNOBA Junín, del 5 al 9 de octubre de 2015.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI