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Tesis Doctorales

Autor Tesis: 
Pedro José Malagón Marzo
Grupos de investigación: 
Fecha : 
Mar, 12/05/2015
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 

Los algoritmos basados en registros de desplazamiento con realimentación (en inglés FSR) se han utilizado como generadores de flujos pseudoaleatorios en aplicaciones con recursos limitados como los sistemas de apertura sin llave. Se considera canal primario a aquel que se utiliza para realizar una transmisión de información. La aparición de los ataques de canal auxiliar (en inglés SCA), que explotan información filtrada inintencionadamente a través de canales laterales como el consumo, las emisiones electromagnéticas o el tiempo empleado, supone una grave amenaza para estas aplicaciones, dado que los dispositivos son accesibles por un atacante. El objetivo de esta tesis es proporcionar un conjunto de protecciones que se puedan aplicar de forma automática y que utilicen recursos ya disponibles, evitando un incremento sustancial en los costes y alargando la vida útil de aplicaciones que puedan estar desplegadas. Explotamos el paralelismo existente en algoritmos FSR, ya que sólo hay 1 bit de diferencia entre estados de rondas consecutivas. Realizamos aportaciones en tres niveles: a nivel de sistema, utilizando un coprocesador reconfigurable, a través del compilador y a nivel de bit, aprovechando los recursos disponibles en el procesador. Proponemos un marco de trabajo que nos permite evaluar implementaciones de un algoritmo incluyendo los efectos introducidos por el compilador considerando que el atacante es experto. En el campo de los ataques, hemos propuesto un nuevo ataque diferencial que se adapta mejor a las condiciones de las implementaciones software de FSR, en las que el consumo entre rondas es muy similar. SORU2 es un co-procesador vectorial reconfigurable propuesto para reducir el consumo energético en aplicaciones con paralelismo y basadas en el uso de bucles. Proponemos el uso de SORU2, además, para ejecutar algoritmos basados en FSR de forma segura. Al ser reconfigurable, no supone un sobrecoste en recursos, ya que no está dedicado en exclusiva al algoritmo de cifrado. Proponemos una configuración que ejecuta múltiples algoritmos de cifrado similares de forma simultánea, con distintas implementaciones y claves. A partir de una implementación sin protecciones, que demostramos que es completamente vulnerable ante SCA, obtenemos una implementación segura a los ataques que hemos realizado. A nivel de compilador, proponemos un mecanismo para evaluar los efectos de las secuencias de optimización del compilador sobre una implementación. El número de posibles secuencias de optimizaciones de compilador es extremadamente alto. El marco de trabajo propuesto incluye un algoritmo para la selección de las secuencias de optimización a considerar. Debido a que las optimizaciones del compilador transforman las implementaciones, se pueden generar automáticamente implementaciones diferentes combinamos para incrementar la seguridad ante SCA. Proponemos 2 mecanismos de aplicación de estas contramedidas, que aumentan la seguridad de la implementación original sin poder considerarse seguras. Finalmente hemos propuesto la ejecución paralela a nivel de bit del algoritmo en un procesador. Utilizamos la forma algebraica normal del algoritmo, que automáticamente se paraleliza. La implementación sobre el algoritmo evaluado mejora en rendimiento y evita que se filtre información por una ejecución dependiente de datos. Sin embargo, es más vulnerable ante ataques diferenciales que la implementación original. Proponemos una modificación del algoritmo para obtener una implementación segura, descartando parcialmente ejecuciones del algoritmo, de forma aleatoria. Esta implementación no introduce una sobrecarga en rendimiento comparada con las implementaciones originales. En definitiva, hemos propuesto varios mecanismos originales a distintos niveles para introducir aleatoridad en implementaciones de algoritmos FSR sin incrementar sustancialmente los recursos necesarios.

Autor Tesis: 
Steven Albert
Fecha : 
Vie, 29/05/2015
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 

 El objetivo de este trabajo es un estudio profundo del crecimiento selectivo de nanoestructuras de InGaN por epitaxia de haces moleculares asistido por plasma, concentrandose en el potencial de estas estructuras como bloques constituyentes en LEDs de nueva generación. Varias aproximaciones al problema son discutidas; desde estructuras axiales InGaN/GaN, a estructuras core-shell, o nanoestructuras crecidas en sustratos con orientaciones menos convencionales (semi polar y no polar). La primera sección revisa los aspectos básicos del crecimiento auto-ensamblado de nanocolumnas de GaN en sustratos de Si(111). Su morfología y propiedades ópticas son comparadas con las de capas compactas de GaN sobre Si(111). En el caso de las columnas auto-ensambladas de InGaN sobre Si(111), se presentan resultados sobre el efecto de la temperatura de crecimiento en la incorporación de In. Por último, se discute la inclusión de nanodiscos de InGaN en las nanocolumnas de GaN. La segunda sección revisa los mecanismos básicos del crecimiento ordenado de nanoestructuras basadas en GaN, sobre templates de GaN/zafiro. Aumentando la relación III/V localmente, se observan cambios morfológicos; desde islas piramidales, a nanocolumnas de GaN terminadas en planos semipolares, y finalmente, a nanocolumnas finalizadas en planos c polares. Al crecer nanodiscos de InGaN insertados en las nanocolumnas de GaN, las diferentes morfologias mencionadas dan lugar a diferentes propiedades ópticas de los nanodiscos, debido al diferente carácter (semi polar o polar) de los planos cristalinos involucrados. La tercera sección recoge experimentos acerca de los efectos que la temperatura de crecimiento y la razón In/Ga tienen en la morfología y emisión de nanocolumnas ordenadas de InGaN crecidas sobre templates GaN/zafiro. En el rango de temperaturas entre 650 y 750 C, la incorporacion de In puede modificarse bien por la temperatura de crecimiento, o por la razón In/Ga. Controlar estos factores permite la optimización de la longitud de onda de emisión de las nanocolumnas de InGaN. En el caso particular de la generación de luz blanca, se han seguidos dos aproximaciones. En la primera, se obtiene emisión amarilla-blanca a temperatura ambiente de nanoestructuras donde la región de InGaN consiste en un gradiente de composiciones de In, que se ha obtenido a partir de un gradiente de temperatura durante el crecimiento. En la segunda, el apilamiento de segmentos emitiendo en azul, verde y rojo, consiguiendo la integración monolítica de estas estructuras en cada una de las nanocolumnas individuales, da lugar a emisores ordenados con un amplio espectro de emisión. En esta última aproximación, la forma espectral puede controlarse con la longitud (duración del crecimiento) de cada uno de los segmentos de InGaN. Más adelante, se presenta el crecimiento ordenado, por epitaxia de haces moleculares, de arrays de nanocolumnas que son diodos InGaN/GaN cada una de ellas, emitiendo en azul (441 nm), verde (502 nm) y amarillo (568 nm). La zona activa del dispositivo consiste en una sección de InGaN, de composición constante nominalmente y longitud entre 250 y 500 nm, y libre de defectos extendidos en contraste con capas compactas de InGaN de similares composiciones y espesores. Los espectros de electroluminiscencia muestran un muy pequeño desplazamiento al azul al aumentar la corriente inyectada (desplazamiento casi inexistente en el caso del dispositivo amarillo), y emisiones ligeramente más anchas que en el caso del estado del arte en pozos cuánticos de InGaN. A continuación, se presenta y discute el crecimiento ordenado de nanocolumnas de In(Ga)N/GaN en sustratos de Si(111). Nanocolumnas ordenadas emitiendo desde el ultravioleta (3.2 eV) al infrarrojo (0.78 eV) se crecieron sobre sustratos de Si(111) utilizando una capa compacta (“buffer”) de GaN. La morfología y eficiencia de emisión de las nanocolumnas emitiendo en el rango espectral verde pueden ser mejoradas ajustando las relaciones In/Ga y III/N, y una eficiencia cuántica interna del 30% se deriva de las medidas de fotoluminiscencia en nanocolumnas optimizadas. En la siguiente sección de este trabajo se presenta en detalle el mecanismo tras el crecimiento ordenado de nanocolumnas de InGaN/GaN emitiendo en el verde, y sus propiedades ópticas. Nanocolumnas de InGaN/GaN con secciones largas de InGaN (330-830 nm) se crecieron tanto en sustratos GaN/zafiro como GaN/Si(111). Se encuentra que la morfología y la distribución espacial del In dentro de las nanocolumnas dependen de las relaciones III/N e In/Ga locales en el frente de crecimiento de las nanocolumnas. La dispersión en el contenido de In entre diferentes nanocolumnas dentro de la misma muestra es despreciable, como indica las casi identicas formas espectrales de la catodoluminiscencia de una sola nanocolumna y del conjunto de ellas. Para las nanocolumnas de InGaN/GaN crecidas sobre GaN/Si(111) y emitiendo en el rango espectral verde, la eficiencia cuántica interna aumenta hasta el 30% al disminuir la temperatura de crecimiento y aumentar el nitrógeno activo. Este comportamiento se debe probablemente a la formación de estados altamente localizados, como indica la particular evolución de la energía de fotoluminiscencia con la temperatura (ausencia de “s-shape”) en muestras con una alta eficiencia cuántica interna. Por otro lado, no se ha encontrado la misma dependencia entre condiciones de crecimiento y efiencia cuántica interna en las nanoestructuras InGaN/GaN crecidas en GaN/zafiro, donde la máxima eficiencia encontrada ha sido de 3.7%. Como alternativa a las nanoestructuras axiales de InGaN/GaN, la sección 4 presenta resultados sobre el crecimiento y caracterización de estructuras core-shell de InGaN/GaN, re-crecidas sobre arrays de micropilares de GaN fabricados por ataque de un template GaN/zafiro (aproximación top-down). El crecimiento de InGaN/GaN es conformal, con componentes axiales y radiales en el crecimiento, que dan lugar a la estructuras core-shell con claras facetas hexagonales. El crecimiento radial (shell) se ve confirmado por medidas de catodoluminiscencia con resolución espacial efectuadas en un microscopio electrónico de barrido, asi como por medidas de microscopía de transmisión de electrones. Más adelante, el crecimiento de micro-pilares core-shell de InGaN se realizó en pilares GaN (cores) crecidos selectivamente por epitaxia de metal-orgánicos en fase vapor. Con el crecimiento de InGaN se forman estructuras core-shell con emisión alrededor de 3 eV. Medidas de catodoluminiscencia resuelta espacialmente indican un aumento en el contenido de indio del shell en dirección a la parte superior del pilar, que se manifiesta en un desplazamiento de la emisión de 3.2 eV en la parte inferior, a 3.0 eV en la parte superior del shell. Este desplazamiento está relacionado con variaciones locales de la razón III/V en las facetas laterales. Finalmente, se demuestra la fabricación de una estructura pin basada en estos pilares core-shell. Medidas de electroluminiscencia resuelta espacialmente, realizadas en pilares individuales, confirman que la electroluminiscencia proveniente del shell de InGaN (diodo lateral) está alrededor de 3.0 eV, mientras que la emisión desde la parte superior del pilar (diodo axial) está alrededor de 2.3 eV. Para finalizar, se presentan resultados sobre el crecimiento ordenado de GaN, con y sin inserciones de InGaN, en templates semi polares (GaN(11-22)/zafiro) y no polares (GaN(11-20)/zafiro). Tras el crecimiento ordenado, gran parte de los defectos presentes en los templates originales se ven reducidos, manifestándose en una gran mejora de las propiedades ópticas. En el caso de crecimiento selectivo sobre templates con orientación GaN(11-22), no polar, la formación de nanoestructuras con una particular morfología (baja relación entre crecimiento perpedicular frente a paralelo al plano) permite, a partir de la coalescencia de estas nanoestructuras, la fabricación de pseudo-templates no polares de GaN de alta calidad

Autor Tesis: 
Marina Zapater Sancho
Grupos de investigación: 
Fecha : 
Jue, 30/04/2015
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 

Los Centros de Datos se encuentran actualmente en cualquier sector de la economía mundial. Están computestos por miles de servidores, dando servicio a los usuarios de forma global, las 24 horas del día y los 365 días del año. Durante los últimos años, las aplicaciones del ámbito de la e-Ciencia, como la e-Salud o las Ciudades Inteligentes han experimentado un desarollo muy significativo. La necesidad de manejar de forma eficiente las necesidades de cómputo de aplicaciones de nueva generación, junto con la creciente demanda de recursos en aplicaciones tradicionales, han facilitado el rápido crecimiento y la proliferación de los Centros de Datos. El principal inconveniente de este aumento de capacidad ha sido el rápido y dramático incremento del consumo energético de estas infraestructuras. En 2010, la factura eléctrica de los Centros de Datos representaba el 1.3% del consumo eléctrico mundial. Sólo en el año 2012, el consumo de potencia de los Centros de Datos creció un 63%, alcanzando los 38GW. En 2013 se estimó un crecimiento de otro 17%, hasta llegar a los 43GW. Además, los Centros de Datos son responsables de más del 2% del total de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Esta tesis doctoral se enfrenta al problema energético proponiendo técnicas proactivas y reactivas conscientes de la temperatura y de la energía, que contribuyen a tener Centros de Datos más eficientes. Este trabajo desarrolla modelos de energía y utiliza el conocimiento sobre la demanda energética de la carga de trabajo a ejecutar y de los recursos de computación y refrigeración del Centro de Datos para optimizar el consumo. Además, los Centros de Datos son considerados como un elemento crucial dentro del marco de la aplicación ejecutada, optimizando no sólo el consumo del Centro de Datos sino el consumo energético global de la aplicación. Los principales componentes del consumo en los Centros de Datos son la potencia de computación utilizada por los equipos de IT, y la refrigeración necesaria para mantener los servidores dentre de un rango de temperatura de trabajo que asegure su correcto funcionamiento. Debido a la relación cúbica entre la velocidad de los ventiladores y el consumo de los mismos, las soluciones basadas en el sobre-aprovisionamiento de aire frío al servidor generalmente tienen como resultado ineficiencias energéticas. Por otro lado, temperaturas más elevadas en el procesador llevan a un consumo de fugas mayor, debido a la relación exponencial del consumo de fugas con la temperatura. Además, las características de la carga de trabajo y las políticas de asignación de recursos tienen un impacto importante en los balances entre corriente de fugas y consumo de refrigeración. La primera gran contribución de este trabajo es el desarrollo de modelos de potencia y temperatura que permiten describes estos balances entre corriente de fugas y refrigeración; así como la propuesta de estrategias para minimizar el consumo del servidor por medio de la asignación conjunta de refrigeración y carga desde una perspectiva multivariable. Cuando escalamos a nivel del Centro de Datos, observamos un comportamiento similar en términos del balance entre corrientes de fugas y refrigeración. Conforme aumenta la temperatura de la sala, mejora la eficiencia de la refrigeración. Sin embargo, este incremente de la temperatura de sala provoca un aumento en la temperatura de la CPU y, por tanto, también del consumo de fugas. Además, la dinámica de la sala tiene un comportamiento muy desigual, no equilibrado, debido a la asignación de carga y a la heterogeneidad en el equipamiento de IT. La segunda contribución de esta tesis es la propuesta de técnicas de asigación conscientes de la temperatura y heterogeneidad que permiten optimizar conjuntamente la asignación de tareas y refrigeración a los servidores. Estas estrategias necesitan estar respaldadas por modelos flexibles, que puedan trabajar en tiempo real, para describir el sistema desde un nivel de abstracción alto. Dentro del ámbito de las aplicaciones de nueva generación, las decisiones tomadas en el nivel de aplicación pueden tener un impacto dramático en el consumo energético de niveles de abstracción menores, como por ejemplo, en el Centro de Datos. Es importante considerar las relaciones entre todos los agentes computacionales implicados en el problema, de forma que puedan cooperar para conseguir el objetivo común de reducir el coste energético global del sistema. La tercera contribución de esta tesis es el desarrollo de optimizaciones energéticas para la aplicación global por medio de la evaluación de los costes de ejecutar parte del procesado necesario en otros niveles de abstracción, que van desde los nodos hasta el Centro de Datos, por medio de técnicas de balanceo de carga. Como resumen, el trabajo presentado en esta tesis lleva a cabo contribuciones en el modelado y optimización consciente del consumo por fugas y la refrigeración de servidores; el modelado de los Centros de Datos y el desarrollo de políticas de asignación conscientes de la heterogeneidad; y desarrolla mecanismos para la optimización energética de aplicaciones de nueva generación desde varios niveles de abstracción.

Calificación: 
Sobresaliente Cum Laude
Autor Tesis: 
Pablo Ituero Herrero
Grupos de investigación: 
Fecha : 
Jue, 12/07/2012
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 

Resumen

La temperatura es una preocupación que juega un papel protagonista en el diseño de circuitos integrados modernos. El importante aumento de las densidades de potencia que conllevan las últimas generaciones tecnológicas ha producido la aparición de gradientes térmicos y puntos calientes durante el funcionamiento normal de los chips. La temperatura tiene un impacto negativo en varios parámetros del circuito integrado como el retardo de las puertas, los gastos de disipación de calor, la fiabilidad, el consumo de energía, etc. Con el fin de luchar contra estos efectos nocivos, la técnicas de gestión dinámica de la temperatura (DTM) adaptan el comportamiento del chip en función en la información que proporciona un sistema de monitorización que mide en tiempo de ejecución la información térmica de la superficie del dado. El campo de la monitorización de la temperatura en el chip ha llamado la atención de la comunidad científica en los últimos años y es el objeto de estudio de esta tesis. Esta tesis aborda la temática de control de la temperatura en el chip desde diferentes perspectivas y niveles, ofreciendo soluciones a algunos de los temas más importantes. Los niveles físico y circuital se cubren con el diseño y la caracterización de dos nuevos sensores de temperatura especialmente diseñados para los propósitos de las técnicas DTM. El primer sensor está basado en un mecanismo que obtiene un pulso de anchura variable dependiente de la relación de las corrientes de fuga con la temperatura. De manera resumida, se carga un nodo del circuito y posteriormente se deja flotando de tal manera que se descarga a través de las corrientes de fugas de un transistor; el tiempo de descarga del nodo es la anchura del pulso. Dado que la anchura del pulso muestra una dependencia exponencial con la temperatura, la conversión a una palabra digital se realiza por medio de un contador logarítmico que realiza tanto la conversión tiempo a digital como la linealización de la salida. La estructura resultante de esta combinación de elementos se implementa en una tecnología de 0,35 _m. El sensor ocupa un área muy reducida, 10.250 nm2, y consume muy poca energía, 1.05-65.5nW a 5 muestras/s, estas cifras superaron todos los trabajos previos en el momento en que se publicó por primera vez y en el momento de la publicación de esta tesis, superan a todas las implementaciones anteriores fabricadas en el mismo nodo tecnológico. En cuanto a la precisión, el sensor ofrece una buena linealidad, incluso sin calibrar; se obtiene un error 3_ de 1,97oC, adecuado para tratar con las aplicaciones de DTM. Como se ha explicado, el sensor es completamente compatible con los procesos de fabricación CMOS, este hecho, junto con sus valores reducidos de área y consumo, lo hacen especialmente adecuado para la integración en un sistema de monitorización de DTM con un conjunto de monitores empotrados distribuidos a través del chip. Las crecientes incertidumbres de proceso asociadas a los últimos nodos tecnológicos comprometen las características de linealidad de nuestra primera propuesta de sensor. Con el objetivo de superar estos problemas, proponemos una nueva técnica para obtener la temperatura. La nueva técnica también está basada en las dependencias térmicas de las corrientes de fuga que se utilizan para descargar un nodo flotante. La novedad es que ahora la medida viene dada por el cociente de dos medidas diferentes, en una de las cuales se altera una característica del transistor de descarga |la tensión de puerta. Este cociente resulta ser muy robusto frente a variaciones de proceso y, además, la linealidad obtenida cumple ampliamente los requisitos impuestos por las políticas DTM |error 3_ de 1,17oC considerando variaciones del proceso y calibrando en dos puntos. La implementación de la parte sensora de esta nueva técnica implica varias consideraciones de diseño, tales como la generación de una referencia de tensión independiente de variaciones de proceso, que se analizan en profundidad en la tesis. Para la conversión tiempo-a-digital, se emplea la misma estructura de digitalización que en el primer sensor. Para la implementación física de la parte de digitalización, se ha construido una biblioteca de células estándar completamente nueva orientada a la reducción de área y consumo. El sensor resultante de la unión de todos los bloques se caracteriza por una energía por muestra ultra baja (48-640 pJ) y un área diminuta de 0,0016 mm2, esta cifra mejora todos los trabajos previos. Para probar esta afirmación, se realiza una comparación exhaustiva con más de 40 propuestas de sensores en la literatura científica. Subiendo el nivel de abstracción al sistema, la tercera contribución se centra en el modelado de un sistema de monitorización que consiste de un conjunto de sensores distribuidos por la superficie del chip. Todos los trabajos anteriores de la literatura tienen como objetivo maximizar la precisión del sistema con el mínimo número de monitores. Como novedad, en nuestra propuesta se introducen nuevos parámetros de calidad aparte del número de sensores, también se considera el consumo de energía, la frecuencia de muestreo, los costes de interconexión y la posibilidad de elegir diferentes tipos de monitores. El modelo se introduce en un algoritmo de recocido simulado que recibe la información térmica de un sistema, sus propiedades físicas, limitaciones de área, potencia e interconexión y una colección de tipos de monitor; el algoritmo proporciona el tipo seleccionado de monitor, el número de monitores, su posición y la velocidad de muestreo _optima. Para probar la validez del algoritmo, se presentan varios casos de estudio para el procesador Alpha 21364 considerando distintas restricciones. En comparación con otros trabajos previos en la literatura, el modelo que aquí se presenta es el más completo. Finalmente, la última contribución se dirige al nivel de red, partiendo de un conjunto de monitores de temperatura de posiciones conocidas, nos concentramos en resolver el problema de la conexión de los sensores de una forma eficiente en área y consumo. Nuestra primera propuesta en este campo es la introducción de un nuevo nivel en la jerarquía de interconexión, el nivel de trillado (o threshing en inglés), entre los monitores y los buses tradicionales de periféricos. En este nuevo nivel se aplica selectividad de datos para reducir la cantidad de información que se envía al controlador central. La idea detrás de este nuevo nivel es que en este tipo de redes la mayoría de los datos es inútil, porque desde el punto de vista del controlador sólo una pequeña cantidad de datos |normalmente sólo los valores extremos| es de interés. Para cubrir el nuevo nivel, proponemos una red de monitorización mono-conexión que se basa en un esquema de señalización en el dominio de tiempo. Este esquema reduce significativamente tanto la actividad de conmutación sobre la conexión como el consumo de energía de la red. Otra ventaja de este esquema es que los datos de los monitores llegan directamente ordenados al controlador. Si este tipo de señalización se aplica a sensores que realizan conversión tiempo-a-digital, se puede obtener compartición de recursos de digitalización tanto en tiempo como en espacio, lo que supone un importante ahorro de área y consumo. Finalmente, se presentan dos prototipos de sistemas de monitorización completos que de manera significativa superan la características de trabajos anteriores en términos de área y, especialmente, consumo de energía. Abstract Temperature is a first class design concern in modern integrated circuits. The important increase in power densities associated to recent technology evolutions has lead to the apparition of thermal gradients and hot spots during run time operation. Temperature impacts several circuit parameters such as speed, cooling budgets, reliability, power consumption, etc. In order to fight against these negative effects, dynamic thermal management (DTM) techniques adapt the behavior of the chip relying on the information of a monitoring system that provides run-time thermal information of the die surface. The field of on-chip temperature monitoring has drawn the attention of the scientific community in the recent years and is the object of study of this thesis. This thesis approaches the matter of on-chip temperature monitoring from different perspectives and levels, providing solutions to some of the most important issues. The physical and circuital levels are covered with the design and characterization of two novel temperature sensors specially tailored for DTM purposes. The first sensor is based upon a mechanism that obtains a pulse with a varying width based on the variations of the leakage currents on the temperature. In a nutshell, a circuit node is charged and subsequently left floating so that it discharges away through the subthreshold currents of a transistor; the time the node takes to discharge is the width of the pulse. Since the width of the pulse displays an exponential dependence on the temperature, the conversion into a digital word is realized by means of a logarithmic counter that performs both the timeto- digital conversion and the linearization of the output. The structure resulting from this combination of elements is implemented in a 0.35_m technology and is characterized by very reduced area, 10250 nm2, and power consumption, 1.05-65.5 nW at 5 samples/s, these figures outperformed all previous works by the time it was first published and still, by the time of the publication of this thesis, they outnumber all previous implementations in the same technology node. Concerning the accuracy, the sensor exhibits good linearity, even without calibration it displays a 3_ error of 1.97oC, appropriate to deal with DTM applications. As explained, the sensor is completely compatible with standard CMOS processes, this fact, along with its tiny area and power overhead, makes it specially suitable for the integration in a DTM monitoring system with a collection of on-chip monitors distributed across the chip. The exacerbated process fluctuations carried along with recent technology nodes jeop-ardize the linearity characteristics of the first sensor. In order to overcome these problems, a new temperature inferring technique is proposed. In this case, we also rely on the thermal dependencies of leakage currents that are used to discharge a floating node, but now, the result comes from the ratio of two different measures, in one of which we alter a characteristic of the discharging transistor |the gate voltage. This ratio proves to be very robust against process variations and displays a more than suficient linearity on the temperature |1.17oC 3_ error considering process variations and performing two-point calibration. The implementation of the sensing part based on this new technique implies several issues, such as the generation of process variations independent voltage reference, that are analyzed in depth in the thesis. In order to perform the time-to-digital conversion, we employ the same digitization structure the former sensor used. A completely new standard cell library targeting low area and power overhead is built from scratch to implement the digitization part. Putting all the pieces together, we achieve a complete sensor system that is characterized by ultra low energy per conversion of 48-640pJ and area of 0.0016mm2, this figure outperforms all previous works. To prove this statement, we perform a thorough comparison with over 40 works from the scientific literature. Moving up to the system level, the third contribution is centered on the modeling of a monitoring system consisting of set of thermal sensors distributed across the chip. All previous works from the literature target maximizing the accuracy of the system with the minimum number of monitors. In contrast, we introduce new metrics of quality apart form just the number of sensors; we consider the power consumption, the sampling frequency, the possibility to consider different types of monitors and the interconnection costs. The model is introduced in a simulated annealing algorithm that receives the thermal information of a system, its physical properties, area, power and interconnection constraints and a collection of monitor types; the algorithm yields the selected type of monitor, the number of monitors, their position and the optimum sampling rate. We test the algorithm with the Alpha 21364 processor under several constraint configurations to prove its validity. When compared to other previous works in the literature, the modeling presented here is the most complete. Finally, the last contribution targets the networking level, given an allocated set of temperature monitors, we focused on solving the problem of connecting them in an efficient way from the area and power perspectives. Our first proposal in this area is the introduction of a new interconnection hierarchy level, the threshing level, in between the monitors and the traditional peripheral buses that applies data selectivity to reduce the amount of information that is sent to the central controller. The idea behind this new level is that in this kind of networks most data are useless because from the controller viewpoint just a small amount of data |normally extreme values| is of interest. To cover the new interconnection level, we propose a single-wire monitoring network based on a time-domain signaling scheme that significantly reduces both the switching activity over the wire and the power consumption of the network. This scheme codes the information in the time domain and allows a straightforward obtention of an ordered list of values from the maximum to the minimum. If the scheme is applied to monitors that employ TDC, digitization resource sharing is achieved, producing an important saving in area and power consumption. Two prototypes of complete monitoring systems are presented, they significantly overcome previous works in terms of area and, specially, power consumption.

Calificación: 
Sobresaliente Cum Laude
Autor Tesis: 
Miguel Angel Sánchez Marcos
Grupos de investigación: 
Fecha : 
Jue, 29/03/2012
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 

Esta Tesis aborda el diseño e implementación de aplicaciones en el campo de procesado de señal, utilizando como plataforma los dispositivos reconfigurables FPGA. Esta plataforma muestra una alta capacidad de lógica, e incorpora elementos orientados al procesado de señal, que unido a su relativamente bajo coste, la hacen ideal para el desarrollo de aplicaciones de procesado de señal cuando se requiere realizar un procesado intensivo y se buscan unas altas prestaciones. Sin embargo, el coste asociado al desarrollo en estas plataformas es elevado. Mientras que el aumento en la capacidad lógica de los dispositivos FPGA permite el desarrollo de sistemas completos, los requisitos de altas prestaciones obligan a que en muchas ocasiones se deban optimizar operadores a muy bajo nivel. Además de las restricciones temporales que imponen este tipo de aplicaciones, también tienen asociadas restricciones de área asociadas al dispositivo, lo que obliga a evaluar y verificar entre diferentes alternativas de implementación. El ciclo de diseño e implementación para estas aplicaciones se puede prolongar tanto, que es normal que aparezcan nuevos modelos de FPGA, con mayor capacidad y mayor velocidad, antes de completar el sistema, y que hagan a las restricciones utilizadas para el diseño del sistema inútiles. Para mejorar la productividad en el desarrollo de estas aplicaciones, y con ello acortar su ciclo de diseño, se pueden encontrar diferentes métodos. Esta Tesis se centra en la reutilización de componentes hardware previamente diseñados y verificados. Aunque los lenguajes HDL convencionales permiten reutilizar componentes ya definidos, se pueden realizar mejoras en la especificación que simplifiquen el proceso de incorporar componentes a nuevos diseños. Así, una primera parte de la Tesis se orientaría a la especificación de diseños basada en componentes predefinidos. Esta especificación no solo busca mejorar y simplificar el proceso de añadir componentes a una descripción, sino que también busca mejorar la calidad del diseño especificado, ofreciendo una mayor posibilidad de configuración e incluso la posibilidad de informar de características de la propia descripción. Reutilizar una componente ya descrito depende en gran medida de la información que se ofrezca para su integración en un sistema. En este sentido los HDLs convencionales, únicamente proporcionan junto con la descripción del componente la interfaz de entrada/salida y un conjunto de parámetros para su configuración, mientras que el resto de información requerida normalmente se acompaña mediante documentación externa. En la segunda parte de la Tesis se propondrían un conjunto de encapsulados cuya finalidad es incorporar junto con la propia descripción del componente, información que puede resultar útil para su integración en otros diseños. Incluyendo información de la implementación ayuda a la configuración del componente, e incluso información de como configurar y conectar al componente para realizar una función. Finalmente se elegiría una aplicación clásica en el campo de procesado de señal, la transformada rápida de Fourier (FFT), y se utilizaría como ejemplo de uso y aplicación, tanto de las posibilidades de especificación como de los encapsulados descritos. El objetivo del diseño realizado no solo mostraría ejemplos de la especificación propuesta, sino que también se buscaría obtener una implementación de calidad comparable con resultados de la literatura. Para ello, el diseño realizado se orientaría a su implementación en FPGA, aprovechando tanto los elementos lógicos generalistas como elementos específicos de bajo nivel disponibles en estos dispositivos. Finalmente, la especificación de la FFT obtenida se utilizaría para mostrar como incorporar en su interfaz información que ayude para su selección y configuración desde fases tempranas del ciclo de diseño.

Calificación: 
Sobresaliente Cum Laude

Hardware Acceleration of Monte Carlo-based Simulations

Enviado por mvlopez el Mar, 19/05/2015 - 14:08.
Autor Tesis: 
Pedro Echeverria Aramendi
Grupos de investigación: 
Fecha : 
Lun, 21/11/2011
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 
 

During the last years there has been an enormous advance in FPGAs. Traditionally, FPGAs have been used mainly for prototyping as they offer significant advantages at a suitable low cost: flexibility and verification easiness. Their flexibility allows the implementation of different generations of a given application and provides space to designers to modify implementations until the very last moment, or even correct mistakes once the product has been released. Second, the verification of a design mapped into an FPGA is easier and simpler than in ASICs which require a huge verification effort. Additionally to these advantages, the technological advances have added great capabilities and per- formance to FPGAs, and even though FPGAs are not as efficient as ASICs in terms of performance, area or power, it is true that nowadays they can provide better performance than standard or digital signal processor (DSP) based systems. This fact, in conjunction with the enormous logic capacity allowed by today’s technologies, makes FPGAs an attractive choice for implementation of complex digital systems. Furthermore, with their newly acquired digital signal processing capabilities, FPGAs are now expanding their traditional prototyping roles to help offload computationally intensive functions from standard processors. This Thesis is focused on the last point, the use of FPGAs to accelerate computationally intensive applications. The use of FPGAs for hardware acceleration is an active research field. However, there are still several challenges concerning the use of FPGAs as accelerators: • Availability of Cores. • Capability and performance of FPGAs. • Methods, algorithms and techniques suited for FPGAs. • Design tools. • Hardware-Software co-design and integration. Studying in depth each one of these five challenges related to hardware acceleration is not feasible in just one Thesis. The great variety of applications that can be accelerated and the different features among them imply that the complexity of each task is high. Therefore, in this Thesis we have chosen one subset of applications to be studied, dealing with the implementation of a real application of this subset. Selecting a complex subset of applications, in our case Monte Carlo simulations, allows us to make a general analysis of the main topic, hardware acceleration, from the study, analysis and design of a particular application. This subset of applications has several features shared with other applications and allows us to make a general analysis of the main topic, hardware acceleration, from the study, analysis and design of a given application. Specifically, we have selected a financial application, the Monte Carlo based LIBOR Market Model. Developing an FPGA application from scratch is almost impossible and availability of cores is a must for shorten development time. Following this idea, one of the main objectives is to study the common elements that play a key role in Monte Carlo simulations and in our target application (and shared with many other applications). Two common elements have been outstood: • The random number generators that are required for the underlying random variables, • Floating-point operators, which are the base elements for implementing the mathematical models that are evaluated. In this way, the first objective of this Ph.D. Thesis is the study, design and implementation of random number generators. In particular, we have focused on Gaussian random number generation and the implementation of a complete generator compatible with variance reduction techniques that can be used for our target application and for other applications. In this field we have developed a high-quality high-performance Gaussian random number generator which is parameterizable and compatible with the also developed parameterizable Latin Hypercube core and a high performance Mersenne Twister generator. Research results in this field demonstrate that random number generation is ideal for hardware acceleration, as an isolated core or within bigger accelerators. Meanwhile, the second objective has dealt with the implementation of efficient and FPGA-oriented mathematical operators (both basic and complex and using floating-point arithmetic). We focused on the design, development and characterization of libraries of components. Instead of focusing on the algorithms of the operators, our approach has been to study how the format can be simplified to obtain operators that are better suited for FPGAs and present better performance. One important goal searched here was to achieve libraries of general purpose components that can be reused in several applications and not just in a particular target application. Different design decisions have been studied and analyzed, and from this analysis, the impact of the overhead due to some of the floating-point standard features has been determined. The format overhead implies a major use of resources and reducing it is a must to obtain operators, independently of what underlying calculation algorithm, that are better suited for FPGAs while present better performances. In particular, the handling of denormalized numbers has a major impact on the FPGA operators. Following the results obtained in that studied, we have discussed and selected a set of features that implies improved performance and reduced resources. This set, has been chosen to design two additional hardware FPGAs-oriented libraries that ensure (or even improve) the accuracy and resolution given by the standard. The operators of these libraries are the base components for the implementation of target application. Additionally, a second analysis has been carried out to study the capabilities of FPGAs to implement complex datapaths. This analysis shows the huge capabilities of current FPGAs which allow up to hundreds of single floating-point operators. Although this capacity, this second analysis has also demonstrate how the working frequency of the operators is severely affected by the routing of their elements when the operators are not isolated and a high percentage of the resources of an FPGA are used. Related to the target application, a third objective of this work was to deepen on the implementation of a particular operator, the exponentiation function. This operator is required in many scientific and financial simulations. Its complexity and the lack of previous general purpose implementations have deserved special attention. We have developed and presented an accurate exponentiation operator for FPGAs based on the straightforward translation of xy into a chain of sub-operators and on the FPGA flexibility which allows tailored precisions. Taking advantage of this flexibility, the provided error analysis focused on determining which precisions are needed in the partial results and in the internal architectures of the sub-operators to obtain an accurate operator with a maximum error of one u. Finally, the integration of this error analysis and the development of the operator within the FloPoCo project have allowed to automatize the generation of exponentiation operators with variable precisions. The next objective we tackle was related to the global purpose of the Thesis of validating all the previously developed elements for the implementation of a complex Monte Carlo simulation which involves all the features that can be found in Monte Carlo simulations. In this way, we have deal with the implementation of the target application, the LIBOR Market Model (LMM). Special attention was devoted to all the features, requirements and circumstances that affect to the performance of the accelerator. A complete LMM hardware core has been developed and its results validated against the original software implementation. Three main features were analyzed: • Correctness of the results obtained. • Accuracy. • Speedup factors obtained by the global application and by each of the main components. Finally, the last objective was the integration of the hardware accelerator within the original software application. All issues related to the communication mechanism are studied putting special focus on how performance is affected by data transfers and by the hardware-software partitioning policy implemented. Following the partitioning policy selected, we have developed the infrastructure (both hardware and software) required to make possible the integration of our accelerator within a software application. A mechanism, based on the use of two RAM memory zones and a PCI-E core with Bus Master capabilities in the FPGA, has been proposed and implemented. And it has allowed us to extend the intrinsic parallelism of Monte Carlo simulations to how the CPU and the FPGA work together. In this way, we exploit the CPU to work in parallel with the FPGA, overlapping their execution times. Hence, the software execution time affecting the performance is reduced to the initial and final processing and to the product valuation in case it is slower that LMM plus the random generator in the FPGA. With this scheme we have achieved high speedups, around 18 times, and close to the theoretical limit for our cases: when there is no software not ported to Hardware or which execution is overlapped with the FPGA execution (the LMM plus RNG achievable speedup). In this case, the speedup achieved could be considerably improved using new FPGAs and several LMM cores in parallel. Durante los últimos años ha habido un enorme avance en la tecnología y capacidades de las FPGAs. Tradicionalmente, las FPGAs se han utilizado principalmente para el desarrollo de prototipos, ya que ofrecen importantes ventajas a un bajo coste: flexibilidad y facilidad de verificación. Su flexibilidad permite la implementación de las diferentes versiones de una aplicación determinada y permite a los diseñadores modificar las implementaciones hasta el último momento, o incluso corregir errores una vez que el producto esta siendo utilizado. En segundo lugar, la verificación de un diseño en una FPGA es más fácil y más sencillo que en ASIC, donde requieren un esfuerzo de verificación enorme. Además de estas ventajas, los avances tecnológicos han permitido FPGAs con grandes capacidades a la vez que se ha aumentado su rendimiento. Y aunque las FPGAs no sean tan eficientes como los ASIC en términos de rendimiento, recursos o el consumo de potencia, hoy en día pueden ofrecer un mejor rendimiento que un sistema estándar o que uno basado en procesadores digitales de señal (DSP). Esto, junto con la enorme capacidad de recursos lógicos alcanzada por las tecnologías de hoy, hace de las FPGAs una opción atractiva para la implementación de sistemas digitales complejos. Además, con su recientemente adquirida capacidad de procesamiento de señal digital, las FPGAs están ampliando su rol tradicional de prototipos al rol de coprocesador para descargar de cálculos intensivos a los procesadores estándar. Esta tesis se centra en el último punto, el uso de FPGAs para acelerar las aplicaciones com- putacionalmente intensivas. El uso de FPGAs para la aceleración de hardware es un área activa de investigación. Sin embargo, todavía hay varios desafíos relativos al uso de FPGAs como aceleradores: • Disponibilidad de cores de implementación. • Capacidad y rendimiento de las FPGAs. • Necesidad de métodos, algoritmos y técnicas adecuadas para FPGAs. • Herramientas de diseño. • Co-diseño de Hardware-Software y su integración El estudio detallado de cada uno de estos cinco desafíos relacionados con la aceleración de hardware no es factible en tan sólo una tesis. La gran variedad de aplicaciones que pueden ser aceleradas y las diferentes características entre ellas, implica que la complejidad de cada tarea es alta. Por lo tanto, en esta tesis se ha elegido un conjunto de aplicaciones a estudiar, y se ha llevado a cabo la implementación de una aplicación real de este subgrupo. La selección de un subconjunto de aplicaciones complejas, en nuestro caso las simulaciones Monte Carlo, nos permite hacer un análisis general de la aceleración de hardware, nuestro campo principal, desde el estudio, análisis y diseño de una aplicación en particular. Este conjunto de aplicaciones tiene varias características compartidas con otras aplicaciones y nos permite hacer un análisis general de la aceleración de hardware desde el estudio, análisis y diseño de una aplicación dada. En concreto, hemos seleccionado una aplicación financiera, la simulación del LIBOR Market Model basado en Monte Carlo. El desarrollo de las aplicaciones en FPGAs a partir de cero es casi imposible y la disponibilidad de los cores es una necesidad para acortar el tiempo de desarrollo. Siguiendo esta idea, uno de nuestros principales objetivos es el estudio de los elementos comunes que juegan un papel clave en las simulaciones de Monte Carlo y en la aplicación seleccionada (y compartidos con muchas otras aplicaciones). Dos elementos comunes han sido destacados: • Los generadores de números aleatorios que se requieren para las variables aleatorias subyacentes. • Los operadores de punto flotante, que son los elementos base para implementar los modelos matemáticos que se evalúan. De esta manera, el primer objetivo de esta Tesis es el estudio, diseño e implementación de generadores de números aleatorios. En particular, nos hemos centrado en la generación de números aleatorio con distribución Gaussiana y en la implementación de un generador completo y compatible con técnicas de reducción de varianza que se utilizan en la aplicación seleccionada y en otras aplicaciones. En este campo de investigación hemos desarrollado un generador de números aleatorios gaussianos de alta calidad y alto rendimiento. A su vez, este generador es parametrizable y compatible con el módulo parametrizable de hipercubo latino también desarrollado y con un generador Mersenne Twister de alto rendimiento. Los resultados de investigación en este campo demuestran que la generación de números aleatorios es idónea para la aceleración de hardware, tanto como un núcleo aislado o integrado en aceleradores mayores. El segundo objetivo se ha ocupado del desarrollo de operadores matemáticos eficientes y orientados a FPGAs (tanto básicos como complejos y con aritmética de punto flotante). Nos hemos centrado en el diseño, desarrollo y caracterización de las librerías de componentes. En lugar de centrarnos en los algoritmos de los operadores, nuestro enfoque ha sido la de estudiar cómo el formato se puede simplificar para obtener operadores más adecuados para FPGAs y que a su vez presenten un mejor rendimiento. Un objetivo importante aquí buscado ha sido lograr librerías de componentes de propósito general que pueden ser reutilizados en varias aplicaciones y no sólo en una aplicación seleccionada en esta tesis. Diferentes decisiones de diseño se han estudiado y analizado. De este análisis, hemos determinado el impacto de la sobrecarga debido a algunas de las características del estándar de punto flotante. La sobrecargas que presenta este formato implican un mayor uso de los recursos y su reducción es una necesidad para obtener operadores más adecuados para FPGAs y con mejor rendimiento, independientemente de lo que el algoritmo de cálculo subyacente. En particular, el manejo de los números denormalizados tiene un gran impacto en los operadores de FPGA. Con los resultados obtenidos en ese estudio, hemos analizado y seleccionado un conjunto de características que implican un mejor rendimiento y una reducción de los recursos. Este conjunto, ha sido elegido para diseñar dos librerías adicionales para FPGA orientadas a garantizar (o incluso mejorar) la precisión y la resolución dada por el estándar. Los operadores de estas librerías son los componentes básicos para la implementación de la aplicación seleccionada. Además, un segundo análisis se ha llevado a cabo para estudiar las capacidades de los FPGAs para implementar complejos arquitecturas de datos. Este análisis muestra las enormes capacidades de FPGAs actuales que permiten a la implementación de cientos de operadores punto flotante en la misma FPGA. A pesar de esta capacidad, este segundo análisis también demuestra cómo la frecuencia de trabajo de los operadores se ve gravemente afectada por el interconexionado de sus elementos cuando los operadores no están aislados y se están utilizando un alto porcentaje de los recursos de la FPGA. Relacionado con la aplicación de destino, un tercer objetivo de este trabajo ha sido profundizar sobre la implementación de un operador en particular, la función exponenciación. Este operador es utilizado en muchas simulaciones científicas y financieras. Su complejidad, y la falta de las anteriores implementaciones de propósito general han merecido una atención especial. Hemos desarrollado y presentado un operador exponenciación exacto para FPGAs basado en la traducción directa de xy en una cadena de sub-operadores y en la flexibilidad de las FPGA que permite precisones a medida. Tomando ventaja de esta flexibilidad, el análisis de error se centró en determinar que lprecisiones son necesarias en los resultados parciales y en la arquitectura interna de los operadores de sub-para obtener un operador exacto con un error máximo de un ulp. Por último, la integración de este análisis de error y el desarrollo del operador en el proyecto FloPoCo han permitido automatizar la generación de los operadores de exponenciación con precisiones variables. El segundo objetivo se ha ocupado del desarrollo de operadores matemáticos eficientes y orientados a FPGAs (tanto básicos como complejos y con aritmética de punto flotante). Nos hemos centrado en el diseño, desarrollo y caracterización de las librerías de componentes. En lugar de centrarnos en los algoritmos de los operadores, nuestro enfoque ha sido la de estudiar cómo el formato se puede simplificar para obtener operadores más adecuados para FPGAs y que a su vez presenten un mejor rendimiento. Un objetivo importante aquí buscado ha sido lograr librerías de componentes de propósito general que pueden ser reutilizados en varias aplicaciones y no sólo en una aplicación seleccionada en esta tesis. Diferentes decisiones de diseño se han estudiado y analizado. De este análisis, hemos determinado el impacto de la sobrecarga debido a algunas de las características del estándar de punto flotante. La sobrecargas que presenta este formato implican un mayor uso de los recursos y su reducción es una necesidad para obtener operadores más adecuados para FPGAs y con mejor rendimiento, independientemente de lo que el algoritmo de cálculo subyacente. En particular, el manejo de los números denormalizados tiene un gran impacto en los operadores de FPGA. Con los resultados obtenidos en ese estudio, hemos analizado y seleccionado un conjunto de características que implican un mejor rendimiento y una reducción de los recursos. Este conjunto, ha sido elegido para diseñar dos librerías adicionales para FPGA orientadas a garantizar (o incluso mejorar) la precisión y la resolución dada por el estándar. Los operadores de estas librerías son los componentes básicos para la implementación de la aplicación seleccionada. Además, un segundo análisis se ha llevado a cabo para estudiar las capacidades de los FPGAs para implementar complejos arquitecturas de datos. Este análisis muestra las enormes capacidades de FPGAs actuales que permiten a la implementación de cientos de operadores punto flotante en la misma FPGA. A pesar de esta capacidad, este segundo análisis también demuestra cómo la frecuencia de trabajo de los operadores se ve gravemente afectada por el interconexionado de sus elementos cuando los operadores no están aislados y se están utilizando un alto porcentaje de los recursos de la FPGA. Relacionado con la aplicación de destino, un tercer objetivo de este trabajo ha sido profundizar sobre la implementación de un operador en particular, la función exponenciación. Este operador es utilizado en muchas simulaciones científicas y financieras. Su complejidad, y la falta de las anteriores implementaciones de propósito general han merecido una atención especial. Hemos desarrollado y presentado un operador exponenciación exacto para FPGAs basado en la traducción directa de xy en una cadena de sub-operadores y en la flexibilidad de las FPGA que permite precisones a medida. Tomando ventaja de esta flexibilidad, el análisis de error se centró en determinar que lprecisiones son necesarias en los resultados parciales y en la arquitectura interna de los operadores de sub-para obtener un operador exacto con un error máximo de un ulp. Por último, la integración de este análisis de error y el desarrollo del operador en el proyecto FloPoCo han permitido automatizar la generación de los operadores de exponenciación con precisiones variables.

 

Calificación: 
Sobresaliente Cum Laude
Autor Tesis: 
Verónica López Ludeña
Grupos de investigación: 
Fecha : 
Lun, 17/11/2014
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 

La principal aportación de esta tesis doctoral ha sido la propuesta y evaluación de un sistema de traducción automática que permite la comunicación entre personas oyentes y sordas. Este sistema está formado a su vez por dos sistemas: un traductor de habla en español a Lengua de Signos Española (LSE) escrita y que posteriormente se representa mediante un agente animado; y un generador de habla en español a partir de una secuencia de signos escritos mediante glosas. El primero de ellos consta de un reconocedor de habla, un módulo de traducción entre lenguas y un agente animado que representa los signos en LSE. El segundo sistema está formado por una interfaz gráfica donde se puede especificar una secuencia de signos mediante glosas (palabras en mayúscula que representan los signos), un módulo de traducción entre lenguas y un conversor texto-habla. Para el desarrollo del sistema de traducción, en primer lugar se ha generado un corpus paralelo de 7696 frases en español con sus correspondientes traducciones a LSE. Estas frases pertenecen a cuatro dominios de aplicación distintos: la renovación del Documento Nacional de Identidad, la renovación del permiso de conducir, un servicio de información de autobuses urbanos y la recepción de un hotel. Además, se ha generado una base de datos con más de 1000 signos almacenados en cuatro sistemas distintos de signo-escritura. En segundo lugar, se ha desarrollado un módulo de traducción automática que integra dos técnicas de traducción con una estructura jerárquica: la primera basada en memoria y la segunda estadística. Además, se ha implementado un módulo de pre-procesamiento de las frases en español que, mediante su incorporación al módulo de traducción estadística, permite mejorar significativamente la tasa de traducción. En esta tesis también se ha mejorado la versión de la interfaz de traducción de LSE a habla. Por un lado, se han incorporado nuevas características que mejoran su usabilidad y, por otro, se ha integrado un traductor de lenguaje SMS (Short Message Service – Servicio de Mensajes Cortos) a español, que permite especificar la secuencia a traducir en lenguaje SMS, además de mediante una secuencia de glosas. El sistema de traducción propuesto se ha evaluado con usuarios reales en dos dominios de aplicación: un servicio de información de autobuses de la Empresa Municipal de Transportes de Madrid y la recepción del Hotel Intur Palacio San Martín de Madrid. En la evaluación estuvieron implicadas personas sordas y empleados de los dos servicios. Se extrajeron medidas objetivas (obtenidas por el sistema automáticamente) y subjetivas (mediante cuestionarios a los usuarios). Los resultados fueron muy positivos gracias a la opinión de los usuarios de la evaluación, que validaron el funcionamiento del sistema de traducción y dieron información valiosa para futuras líneas de trabajo. Por otro lado, tras la integración de cada uno de los módulos de los dos sistemas de traducción (habla-LSE y LSE-habla), los resultados de la evaluación y la experiencia adquirida en todo el proceso, una aportación importante de esta tesis doctoral es la propuesta de metodología de desarrollo de sistemas de traducción de habla a lengua de signos en los dos sentidos de la comunicación. En esta metodología se detallan los pasos a seguir para desarrollar el sistema de traducción para un nuevo dominio de aplicación. Además, la metodología describe cómo diseñar cada uno de los módulos del sistema para mejorar su flexibilidad, de manera que resulte más sencillo adaptar el sistema desarrollado a un nuevo dominio de aplicación. Finalmente, en esta tesis se analizan algunas técnicas para seleccionar las frases de un corpus paralelo fuera de dominio para entrenar el modelo de traducción cuando se quieren traducir frases de un nuevo dominio de aplicación; así como técnicas para seleccionar qué frases del nuevo dominio resultan más interesantes que traduzcan los expertos en LSE para entrenar el modelo de traducción. El objetivo es conseguir una buena tasa de traducción con la menor cantidad posible de frases. ABSTRACT The main contribution of this thesis has been the proposal and evaluation of an automatic translation system for improving the communication between hearing and deaf people. This system is made up of two systems: a Spanish into Spanish Sign Language (LSE – Lengua de Signos Española) translator and a Spanish generator from LSE sign sequences. The first one consists of a speech recognizer, a language translation module and an avatar that represents the sign sequence. The second one is made up an interface for specifying the sign sequence, a language translation module and a text-to-speech conversor. For the translation system development, firstly, a parallel corpus has been generated with 7,696 Spanish sentences and their LSE translations. These sentences are related to four different application domains: the renewal of the Identity Document, the renewal of the driver license, a bus information service and a hotel reception. Moreover, a sign database has been generated with more than 1,000 signs described in four different signwriting systems. Secondly, it has been developed an automatic translation module that integrates two translation techniques in a hierarchical structure: the first one is a memory-based technique and the second one is statistical. Furthermore, a pre processing module for the Spanish sentences has been implemented. By incorporating this pre processing module into the statistical translation module, the accuracy of the translation module improves significantly. In this thesis, the LSE into speech translation interface has been improved. On the one hand, new characteristics that improve its usability have been incorporated and, on the other hand, a SMS language into Spanish translator has been integrated, that lets specifying in SMS language the sequence to translate, besides by specifying a sign sequence. The proposed translation system has been evaluated in two application domains: a bus information service of the Empresa Municipal de Transportes of Madrid and the Hotel Intur Palacio San Martín reception. This evaluation has involved both deaf people and services employees. Objective measurements (given automatically by the system) and subjective measurements (given by user questionnaires) were extracted during the evaluation. Results have been very positive, thanks to the user opinions during the evaluation that validated the system performance and gave important information for future work. Finally, after the integration of each module of the two translation systems (speech- LSE and LSE-speech), obtaining the evaluation results and considering the experience throughout the process, a methodology for developing speech into sign language (and vice versa) into a new domain has been proposed in this thesis. This methodology includes the steps to follow for developing the translation system in a new application domain. Moreover, this methodology proposes the way to improve the flexibility of each system module, so that the adaptation of the system to a new application domain can be easier. On the other hand, some techniques are analyzed for selecting the out-of-domain parallel corpus sentences in order to train the translation module in a new domain; as well as techniques for selecting which in-domain sentences are more interesting for translating them (by LSE experts) in order to train the translation model.

Calificación: 
Sobresaliente Cum Laude
Autor Tesis: 
Syaheerah Binti Lebai Lutfi
Grupos de investigación: 
Fecha : 
Vie, 07/06/2013
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 

Es relativamente fácil experimentar cierta frustración al interaccionar con agentes conversacionales (Spoken Conversational Agents, SCA), a menudo porque parecen ser un poco insensibles. En general, la calidad de la interacción persona-agente se ve en cierto modo afectada por la incapacidad de los SCAs para identificar y adaptarse al estado emocional de sus usuarios. Actualmente, y debido al creciente atractivo e interés de dichos agentes, surge la necesidad de hacer de los SCAs unos seres cada vez más sociales y emocionalmente inteligentes, es decir, con capacidad para inferir y adaptarse a las emociones de sus interlocutores humanos sobre la marcha, de modo que la interacción resulte más afectiva, empática y, en definitiva, natural. Una interacción mejorada en este sentido permitiría reducir la posible frustración de los usuarios y, en consecuencia, mejorar el nivel de satisfacción alcanzado por los mismos. Estos argumentos justifican y motivan el desarrollo de nuevos SCAs con capacidades socio-emocionales, dotados de interfaces afectivas y socialmente sensibles. Una de las barreras para la creación de tales interfaces ha sido la falta de métodos de modelado de emociones en entornos independientes de tarea. La mayoría de los modelos emocionales empleados por los sistemas de diálogo hablado actuales son dependientes de tarea y, por tanto, no pueden utilizarse "tal cual" en diferentes dominios o aplicaciones. Esta tesis se centra precisamente en la mejora de este aspecto, la definición de modelos computacionales de las emociones, la personalidad y su interrelación para SCAs autónomos e independientes de tarea. Inspirada en los sistemas motivacionales humanos en el ámbito de la psicología, la tesis propone un modelo de generación/producción de la emoción basado en necesidades. El trabajo realizado en la presente tesis está organizado en tres etapas diferenciadas, cada una con su propia contribución. La primera etapa incluyó la definición, integración y cuantificación de los modelos motivacionales de partida y de los modelos emocionales derivados a partir de éstos. Posteriormente, dichos modelos emocionales fueron plasmados en un modelo computacional mediante su implementación software. Este modelo computacional fue incorporado y probado en un SCA anfitrión ya existente, un agente con capacidad para controlar un equipo HiFi, de alta fidelidad. La segunda etapa se orientó hacia el reconocimiento automático de la emoción, aspecto que ha constituido el principal desafío en relación al objetivo mayor de infundir inteligencia social en el agente HiFi. En los últimos años, los estudios sobre reconocimiento de emociones a partir de la voz han pasado de emplear datos actuados a usar datos reales en los que la presencia u observación de emociones se produce de una manera mucho más sutil. El reconocimiento de emociones bajo estas condiciones resulta mucho más complicado y esta dificultad se pone de manifesto en tareas tales como el etiquetado y el aprendizaje automático. En esta etapa, se abordó el problema del reconocimiento de las emociones del usuario a partir de características o métricas derivadas del propio diálogo usuario-agente. Gracias a dichas métricas, empleadas como predictores o indicadores del grado o nivel de satisfacción alcanzado por el usuario, fue posible discriminar entre satisfacción y frustración, las dos emociones prevalentes durante la interacción usuario-agente. La etapa final corresponde fundamentalmente a la evaluación del modelo emocional por medio del agente Hifi. Con ese propósito se llevó a cabo una serie de estudios con usuarios reales, 70 sujetos, interaccionando con diferentes versiones del agente HiFi en tiempo real, cada uno en una fase diferente y con sus propias características o capacidades emocionales. En particular, todos los estudios realizados han profundizado en la comparación entre una versión de referencia del agente no dotada de ningún comportamiento o característica emocional, y una versión del agente modificada convenientemente con el modelo emocional propuesto. Los resultados obtenidos nos han permitido comprender y valorar mejor la utilidad de las emociones en los sistemas de diálogo hablado. Dicha utilidad depende de varios aspectos. En primer lugar, un SCA no debe expresar sus emociones a ciegas o arbitrariamente, incluso aunque éstas sean positivas. Más bien, debe adaptar sus emociones a los diferentes estados de los usuarios. En segundo lugar, un funcionamiento relativamente pobre por parte de un SCA podría compensarse, en cierto modo, dotando al SCA de comportamiento y capacidades emocionales. En tercer lugar, aprovechar la prosodia como vehículo para expresar las emociones, de manera complementaria al empleo de mensajes con un contenido emocional específico tanto desde el punto de vista léxico como semántico, ayuda a mejorar la percepción por parte de los usuarios de un SCA. Tomados en conjunto, los resultados alcanzados no sólo confirman el éxito del modelo emocional, sino que constituyen además una evidencia decisiva con respecto a los beneficios de incorporar emociones en un SCA, especialmente en cuanto a reducir el nivel de frustración de los usuarios y, en última instancia, mejorar su satisfacción.

Calificación: 
Sobresaliente Cum Laude
Autor Tesis: 
Juan Manuel Lucas Cuesta
Grupos de investigación: 
Fecha : 
Mie, 16/01/2013
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 

The design and development of spoken interaction systems has been a thoroughly studied research scope for the last decades. The aim is to obtain systems with the ability to interact with human agents with a high degree of naturalness and efficiency, allowing them to carry out the actions they desire using speech, as it is the most natural means of communication between humans. To achieve that degree of naturalness, it is not enough to endow systems with the ability to accurately understand the user’s utterances and to properly react to them, even considering the information provided by the user in his or her previous interactions. The system has also to be aware of the evolution of the conditions under which the interaction takes place, in order to act the most coherent way as possible at each moment. Consequently, one of the most important features of the system is that it has to be context-aware. This context awareness of the system can be reflected in the modification of the behaviour of the system taking into account the current situation of the interaction. For instance, the system should decide which action it has to carry out, or the way to perform it, depending on the user that requests it, on the way that the user addresses the system, on the characteristics of the environment in which the interaction takes place, and so on. In other words, the system has to adapt its behaviour to these evolving elements of the interaction. Moreover that adaptation has to be carried out, if possible, in such a way that the user: i) does not perceive that the system has to make any additional effort, or to devote interaction time to perform tasks other than carrying out the requested actions, and ii) does not have to provide the system with any additional information to carry out the adaptation, which could imply a lesser efficiency of the interaction, since users should devote several interactions only to allow the system to become adapted. In the state-of-the-art spoken dialogue systems, researchers have proposed several disparate strategies to adapt the elements of the system to different conditions of the interaction (such as the acoustic characteristics of a specific user’s speech, the actions previously requested, and so on). Nevertheless, to our knowledge there is not any consensus on the procedures to carry out these adaptation. The approaches are to an extent unrelated from one another, in the sense that each one considers different pieces of information, and the treatment of that information is different taking into account the adaptation carried out. In this regard, the main contributions of this Thesis are the following ones: Definition of a contextualization framework. We propose a unified approach that can cover any strategy to adapt the behaviour of a dialogue system to the conditions of the interaction (i.e. the context). In our theoretical definition of the contextualization framework we consider the system’s context as all the sources of variability present at any time of the interaction, either those ones related to the environment in which the interaction takes place, or to the human agent that addresses the system at each moment. Our proposal relies on three aspects that any contextualization approach should fulfill: plasticity (i.e. the system has to be able to modify its behaviour in the most proactive way taking into account the conditions under which the interaction takes place), adaptivity (i.e. the system has also to be able to consider the most appropriate sources of information at each moment, both environmental and user- and dialogue-dependent, to effectively adapt to the conditions aforementioned), and transparency (i.e. the system has to carry out the contextualizaton-related tasks in such a way that the user neither perceives them nor has to do any effort in providing the system with any information that it needs to perform that contextualization). Additionally, we could include a generality aspect to our proposed framework: the main features of the framework should be easy to adopt in any dialogue system, regardless of the solution proposed to manage the dialogue. Once we define the theoretical basis of our contextualization framework, we propose two cases of study on its application in a spoken dialogue system. We focus on two aspects of the interaction: the contextualization of the speech recognition models, and the incorporation of user-specific information into the dialogue flow. One of the modules of a dialogue system that is more prone to be contextualized is the speech recognition system. This module makes use of several models to emit a recognition hypothesis from the user’s speech signal. Generally speaking, a recognition system considers two types of models: an acoustic one (that models each of the phonemes that the recognition system has to consider) and a linguistic one (that models the sequences of words that make sense for the system). In this work we contextualize the language model of the recognition system in such a way that it takes into account the information provided by the user in both his or her current utterance and in the previous ones. These utterances convey information useful to help the system in the recognition of the next utterance. The contextualization approach that we propose consists of a dynamic adaptation of the language model that is used by the recognition system. We carry out this adaptation by means of a linear interpolation between several models. Instead of training the best interpolation weights, we make them dependent on the conditions of the dialogue. In our approach, the system itself will obtain these weights as a function of the reliability of the different elements of information available, such as the semantic concepts extracted from the user’s utterance, the actions that he or she wants to carry out, the information provided in the previous interactions, and so on. One of the aspects more frequently addressed in Human-Computer Interaction research is the inclusion of user specific characteristics into the information structures managed by the system. The idea is to take into account the features that make each user different from the others in order to offer to each particular user different services (or the same service, but in a different way). We could consider this approach as a user-dependent contextualization of the system. In our work we propose the definition of a user model that contains all the information of each user that could be potentially useful to the system at a given moment of the interaction. In particular we will analyze the actions that each user carries out throughout his or her interaction. The objective is to determine which of these actions become the preferences of that user. We represent the specific information of each user as a feature vector. Each of the characteristics that the system will take into account has a confidence score associated. With these elements, we propose a probabilistic definition of a user preference, as the action whose likelihood of being addressed by the user is greater than the one for the rest of actions. To include the user dependent information into the dialogue flow, we modify the information structures on which the dialogue manager relies to retrieve information that could be needed to solve the actions addressed by the user. Usage preferences become another source of contextual information that will be considered by the system towards a more efficient interaction (since the new information source will help to decrease the need of the system to ask users for additional information, thus reducing the number of turns needed to carry out a specific action). To test the benefits of the contextualization framework that we propose, we carry out an evaluation of the two strategies aforementioned. We gather several performance metrics, both objective and subjective, that allow us to compare the improvements of a contextualized system against the baseline one. We will also gather the user’s opinions as regards their perceptions on the behaviour of the system, and its degree of adaptation to the specific features of each interaction. Resumen El diseño y el desarrollo de sistemas de interacción hablada ha sido objeto de profundo estudio durante las pasadas décadas. El propósito es la consecución de sistemas con la capacidad de interactuar con agentes humanos con un alto grado de eficiencia y naturalidad. De esta manera, los usuarios pueden desempeñar las tareas que deseen empleando la voz, que es el medio de comunicación más natural para los humanos. A fin de alcanzar el grado de naturalidad deseado, no basta con dotar a los sistemas de la abilidad de comprender las intervenciones de los usuarios y reaccionar a ellas de manera apropiada (teniendo en consideración, incluso, la información proporcionada en previas interacciones). Adicionalmente, el sistema ha de ser consciente de las condiciones bajo las cuales transcurre la interacción, así como de la evolución de las mismas, de tal manera que pueda actuar de la manera más coherente en cada instante de la interacción. En consecuencia, una de las características primordiales del sistema es que debe ser sensible al contexto. Esta capacidad del sistema de conocer y emplear el contexto de la interacción puede verse reflejada en la modificación de su comportamiento debida a las características actuales de la interacción. Por ejemplo, el sistema debería decidir cuál es la acción más apropiada, o la mejor manera de llevarla a término, dependiendo del usuario que la solicita, del modo en el que lo hace, etcétera. En otras palabras, el sistema ha de adaptar su comportamiento a tales elementos mutables (o dinámicos) de la interacción. Dos características adicionales son requeridas a dicha adaptación: i) el usuario no ha de percibir que el sistema dedica recursos (temporales o computacionales) a realizar tareas distintas a las que aquél le solicita, y ii) el usuario no ha de dedicar esfuerzo alguno a proporcionar al sistema información adicional para llevar a cabo la interacción. Esto último implicaría una menor eficiencia de la interacción, puesto que los usuarios deberían dedicar parte de la misma a proporcionar información al sistema para su adaptación, sin ningún beneficio inmediato. En los sistemas de diálogo hablado propuestos en la literatura, se han propuesto diferentes estrategias para llevar a cabo la adaptación de los elementos del sistema a las diferentes condiciones de la interacción (tales como las características acústicas del habla de un usuario particular, o a las acciones a las que se ha referido con anterioridad). Sin embargo, no existe una estrategia fija para proceder a dicha adaptación, sino que las mismas no suelen guardar una relación entre sí. En este sentido, cada una de ellas tiene en cuenta distintas fuentes de información, la cual es tratada de manera diferente en función de las características de la adaptación buscada. Teniendo en cuenta lo anterior, las contribuciones principales de esta Tesis son las siguientes: Definición de un marco de contextualización. Proponemos un criterio unificador que pueda cubrir cualquier estrategia de adaptación del comportamiento de un sistema de diálogo a las condiciones de la interacción (esto es, el contexto de la misma). En nuestra definición teórica del marco de contextualización consideramos el contexto del sistema como todas aquellas fuentes de variabilidad presentes en cualquier instante de la interacción, ya estén relacionadas con el entorno en el que tiene lugar la interacción, ya dependan del agente humano que se dirige al sistema en cada momento. Nuestra propuesta se basa en tres aspectos que cualquier estrategia de contextualización debería cumplir: plasticidad (es decir, el sistema ha de ser capaz de modificar su comportamiento de la manera más proactiva posible, teniendo en cuenta las condiciones en las que tiene lugar la interacción), adaptabilidad (esto es, el sistema ha de ser capaz de considerar la información oportuna en cada instante, ya dependa del entorno o del usuario, de tal manera que adecúe su comportamiento de manera eficaz a las condiciones mencionadas), y transparencia (que implica que el sistema ha de desarrollar las tareas relacionadas con la contextualización de tal manera que el usuario no perciba la manera en que dichas tareas se llevan a cabo, ni tampoco deba proporcionar al sistema con información adicional alguna). De manera adicional, incluiremos en el marco propuesto el aspecto de la generalidad: las características del marco de contextualización han de ser portables a cualquier sistema de diálogo, con independencia de la solución propuesta en los mismos para gestionar el diálogo. Una vez hemos definido las características de alto nivel de nuestro marco de contextualización, proponemos dos estrategias de aplicación del mismo a un sistema de diálogo hablado. Nos centraremos en dos aspectos de la interacción a adaptar: los modelos empleados en el reconocimiento de habla, y la incorporación de información específica de cada usuario en el flujo de diálogo. Uno de los módulos de un sistema de diálogo más susceptible de ser contextualizado es el sistema de reconocimiento de habla. Este módulo hace uso de varios modelos para generar una hipótesis de reconocimiento a partir de la señal de habla. En general, un sistema de reconocimiento emplea dos tipos de modelos: uno acústico (que modela cada uno de los fonemas considerados por el reconocedor) y uno lingüístico (que modela las secuencias de palabras que tienen sentido desde el punto de vista de la interacción). En este trabajo contextualizamos el modelo lingüístico del reconocedor de habla, de tal manera que tenga en cuenta la información proporcionada por el usuario, tanto en su intervención actual como en las previas. Estas intervenciones contienen información (semántica y/o discursiva) que puede contribuir a un mejor reconocimiento de las subsiguientes intervenciones del usuario. La estrategia de contextualización propuesta consiste en una adaptación dinámica del modelo de lenguaje empleado en el reconocedor de habla. Dicha adaptación se lleva a cabo mediante una interpolación lineal entre diferentes modelos. En lugar de entrenar los mejores pesos de interpolación, proponemos hacer los mismos dependientes de las condiciones actuales de cada diálogo. El propio sistema obtendrá estos pesos como función de la disponibilidad y relevancia de las diferentes fuentes de información disponibles, tales como los conceptos semánticos extraídos a partir de la intervención del usuario, o las acciones que el mismo desea ejecutar. Uno de los aspectos más comúnmente analizados en la investigación de la Interacción Persona-Máquina es la inclusión de las características específicas de cada usuario en las estructuras de información empleadas por el sistema. El objetivo es tener en cuenta los aspectos que diferencian a cada usuario, de tal manera que el sistema pueda ofrecer a cada uno de ellos el servicio más apropiado (o un mismo servicio, pero de la manera más adecuada a cada usuario). Podemos considerar esta estrategia como una contextualización dependiente del usuario. En este trabajo proponemos la definición de un modelo de usuario que contenga toda la información relativa a cada usuario, que pueda ser potencialmente utilizada por el sistema en un momento determinado de la interacción. En particular, analizaremos aquellas acciones que cada usuario decide ejecutar a lo largo de sus diálogos con el sistema. Nuestro objetivo es determinar cuáles de dichas acciones se convierten en las preferencias de cada usuario. La información de cada usuario quedará representada mediante un vector de características, cada una de las cuales tendrá asociado un valor de confianza. Con ambos elementos proponemos una definición probabilística de una preferencia de uso, como aquella acción cuya verosimilitud es mayor que la del resto de acciones solicitadas por el usuario. A fin de incluir la información dependiente de usuario en el flujo de diálogo, llevamos a cabo una modificación de las estructuras de información en las que se apoya el gestor de diálogo para recuperar información necesaria para resolver ciertos diálogos. En dicha modificación las preferencias de cada usuario pasarán a ser una fuente adicional de información contextual, que será tenida en cuenta por el sistema en aras de una interacción más eficiente (puesto que la nueva fuente de información contribuirá a reducir la necesidad del sistema de solicitar al usuario información adicional, dando lugar en consecuencia a una reducción del número de intervenciones necesarias para llevar a cabo una acción determinada). Para determinar los beneficios de las aplicaciones del marco de contextualización propuesto, llevamos a cabo una evaluación de un sistema de diálogo que incluye las estrategias mencionadas. Hemos recogido diversas métricas, tanto objetivas como subjetivas, que nos permiten determinar las mejoras aportadas por un sistema contextualizado en comparación con el sistema sin contextualizar. De igual manera, hemos recogido las opiniones de los participantes en la evaluación acerca de su percepción del comportamiento del sistema, y de su capacidad de adaptación a las condiciones concretas de cada interacción.

Calificación: 
Sobresaliente Cum Laude
Autor Tesis: 
Carlos Castro González
Grupos de investigación: 
Fecha : 
Mar, 19/03/2013
Director/es
Nombre y apellidos: 
Resumen: 

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Calificación: 
Sobresaliente Cum Laude