hmy101slides_20

HMY 101 - Εισαγωγή στην Επιστήμη του Ηλεκτρονικού Μηχανικού και Μηχανικού

Υπολογιστών

Σχεδίαση και Υλοποίηση Ψηφιακών και Ενσωματτωμένων Συστημάτων

Καθ. Διονύσιος Πνευματικάτος (Δ/της MHL)

Καθ. Απόστολος Δόλλας

Αν. Καθ. Ιωάννης Παπαευσταθίου

Τι είναι ενσωματωμένο σύστημα; An embedded system is a computer system with a dedicated function within a larger mechanical or electrical system, often with real-time computing constraints. It is embedded as part of a complete device often including hardware and mechanical parts. By contrast, a general-purpose computer, such as a personal computer (PC), is designed to be flexible and to meet a wide range of end-user needs. Embedded systems control many devices in common use today.

Wikipedia

Τι θέλει να πει ο ποιητής;

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer

http://en.wikipedia.org/wiki/System

http://en.wikipedia.org/wiki/Real-time_computing





http://en.wikipedia.org/wiki/Personal_computer



Αυτοκίνητο και Ηλεκτρονικά >30% του κόστους στα ηλεκτρονικά

90% καινοτομίας στ ηλεκτρονικά

Source: Alberto Sangiovanni-Vincentelli

Τυπικοί Έλεγχοι σε Αυτοκίνητα Configure Sense Actuate Regulate Display Trend Diagnose Predict Archive


Προχωρημένες Λειτουργίες


Τι είναι η Αρχιτεκτονική Υπολογιστών; computer architecture is a set of disciplines that describes a computer system by specifying its parts and their relations Wikipedia

Πως σχεδιάζουμε αποδοτικά υπολογιστικά συστήματα; • Επεξεργαστές (Intel, ARM, MIPS, …) • GPUs (Nvidia, ATI, …) • Multithreading, multicore, data-center, cloud,

Supercomputer Με χρήση >1 δις τρανσίστορ!!!! (Αυτή την στιγμή 2-5 δις)

Τι είναι η Αρχιτεκτονική Υπολογιστών; Εκτέλεση εντολών στην ΚΜΕ/Πυρήνα (CPU/core): • Πόσοι πυρήνες; Πόσο «μεγάλοι»; Πόσο γρήγοροι; Πόση

ενέργεια; Κρυφή μνήμη (Cache): • Πόσο μεγάλη; Πόσα επίπεδα (1, 2, 3, ...) Κύρια μνήμη (DDR) • Πόσο μεγάλη; Πόσο γρήγορη; Πόσοι εσωτερικοί δίαυλοι; Δίαυλοι: • PCI-express, Ethernet, SATA, …

Και άλλες πολλές σχεδιαστικές επιλογές!



Σχεδίαση και Υλοποίηση Ψηφιακών και Ενσωματτωμένων Συστημάτων

Εισαγωγή

Μαθήματα / Σπουδές

Έρευνα

Επαγγελματικές Προοπτικές



Εργαστήριο Μικροεπεξεργαστών και Υλικού (EMY)

Microprocessor and Hardware Lab (MHL) Τομέας Ηλεκτρονικής και Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών (ένα

από τα τρία εργαστήρια του Τομέα ΗΡΥ)

Ευρύ επιστημονικό φάσμα: Σχεδίαση Ψηφιακών Κυκλωμάτων μέχρι Αρχιτεκτονική Υπολογιστών

Εργ. Μικροεπεξεργαστών και Υλικού (MHL) Σκοπός

• Υψηλής Στάθμης Βασική και Εφαρμοσμένη Έρευνα • Υψηλής στάθμης Διδασκαλία: Θεωρία και Εφαρμογή • Ενδεικτικά αντικείμενα Διδασκαλίας και Έρευνας:

– Αρχιτεκτονική Υπολογιστών – Αναδιατασσόμενα Συστήματα – Ενσωματωμένα Συστήματα – Παράλληλες Αρχιτεκτονικές – Εξειδικευμένες Αρχιτεκτονικές/Επιτάχυνση Εφαρμογών

(Βιοπληροφορική, Επεξεργαστές Δικτύων, Οικολογικά Μοντέλα, Υπολογιστικά Μαθηματικά, Αναγνώριση Πρωτύπων και Προσώπων, κλπ.)

– Δίκτυα Αισθητήρων

Προσωπικό MHL • ΔΕΠ

– Καθ. Διονύσιος Πνευματικάτος, Δ/της – Καθ. Απόστολος Δόλλας – Αν. Καθ. Ιωάννης Παπαευσταθίου

• Προσωπικό – Μάρκος Κιμιωνής, ΕΕΔΙΠ – Δρ. Κυπριανός Παπαδημητρίου, ΙΔΑΧ – Δρ. Ευριπίδης Σωτηριάδης, ΙΔΑΧ – 3 Post-doc

• Φοιτητές (σε ανοδική τροχιά!) – Διπλωματικές Εργασίες: 20+ (111 ολοκληρώθηκαν) – ΜΔΕ: 10+ (23 ολοκληρώθηκαν) – PhD Theses: 7 (4 ολοκληρώθηκαν)



Σχεδίαση και Υλοποίηση Ψηφιακών Συστημάτων

Εισαγωγή


Έρευνα


Μαθήματα

• Υποχρεωτικά

– ΗΡΥ 101 – Λογική Σχεδίαση (1ο Εξ.) – ΗΡΥ 201 – Ψηφιακοί Υπολογιστές (3ο Εξ.) – ΗΡΥ 203 – Προχωρημένη Λογική Σχεδίαση (4ο Εξ.) – ΗΡΥ 302 – Οργάνωση Υπολογιστών (6ο Εξ.)

Μαθήματα • Κατ΄ Επιλογήν Υποχρεωτικά

– ΗΡΥ 401 – Ενσωματωμένα Συστήματα Μικροεπεξεργαστών (7ο Εξ.)

– ΗΡΥ 415 – Αρχιτεκτονική Υπολογιστών (8ο Εξ.) – ΗΡΥ 418 – Αρχιτεκτονική Παράλληλων και Κατανεμημένων

Υπολογιστών (8ο Εξ.) – ΗΡΥ 591 – Σύγχρονα Θέματα Αρχιτεκτονικής και Ηλεκτρονικής:

Αναδιατασσόμενα Ψηφιακά Συστήματα (9ο Εξ.) – ΗΡΥ 592 – Σύγχρονα Θέματα Αρχιτεκτονικής και Ηλεκτρονικής:

Σχεδίαση Εξειδικευμένων Αρχιτεκτονικών Υπολογιστών (9ο Εξ.) Δεν διδάσκονται λόγω ελλείψεων σε μέλη ΔΕΠ: – Υλοποίηση Μικροηλεκτρονικών Συστημάτων (8ο Εξ.) – Δοκιμή Ηλεκτρονικών Συστημάτων (9ο Εξ.)

Εκπαίδευση (το θεμέλιο για την σταδιοδρομία των φοιτητών μας)

• Μαθήματα: Ποιος Διδάσκει τι

– Λογική Σχεδίαση ( Δόλλας ή Πνευματικάτος) – Ψηφιακοί Υπολογιστές (Δόλλας ή

Πνευματικάτος) – Προχωρημένη Λογική Σχεδίαση (Δόλλας ή

Πνευματικάτος) – Οργάνωση Υπολογιστών (Πνευματικάτος ή

Παπαευσταθίου ή Δόλλας) – Αρχιτεκτονική Υπολογιστών ( Πνευματικάτος ή

Παπαευσταθίου ή Δόλλας) – Ενσωματωμένα Συστήματα

Μικροεπεξεργαστών (Παπαευσταθίου ή Δόλλας)

Εκπαίδευση: Θεωρία και Εφαρμογή • Προπτυχιακή Εκπαίδευση

– Λογική Σχεδίαση: breadboard + κυκλώματα TTL + σύρματα, κλπ., …

– Προχωρημένη Λογική Σχεδίαση: VHDL + Προσομοίωση => προγραμματισμός σε πραγματικές πλατφόρμες FPGA

– Ενσωματωμένα Συστήματα: Σχεδίαση πολύπλοκων συστημάτων, με εξελιγμένα εργαλεία CAD

• Ενσωματωμένος Επεξεργαστής + εξειδικευμένα περιφερειακά => Πλατφόρμες FPGA

• Κώδικας C code + VHDL + Προσομοίωση => Σύστημα FPGA/Προγραμματισμός Συστήματος

Εκπαίδευση: Θεωρία και Εφαρμογή

• Οι φοιτητές/φοιτήτριες βλέπουν μεγάλη γκάμα σχεδιαστικών προσεγγίσεων – Μικροεπεξεργαστές (μPs), GPUs, Αναδιατασσόμενη

Λογική(FPGAs – Γλώσσα Περιγραφής Υλικού (VHDL), Γλώσσες

Προγραμματισμού (C, C++, Assembly, CUDA) – Εργαλεία CAD για Σχεδίαση, Προσομοίωση, Επιβεβαίωση

Λειτουργίας

Υποδομή MHL • Εξοπλισμός

– Λογικός Αναλυτές, Παλμογράφοι, Γεννήτριες Συχνοτήτων,...

– Σταθμός Κατασκευής Τυπωμένων Κυκλωμάτων – Σταθμός Συγκόλησης Κυκλωμάτων Επιφανειακής

Στήριξης (SMT)

• Αναπτυξιακά Συστήματα με FPGA – Πολλά, όλων των επιπέδων – 4 Υπερυπολογιστες με FPGA (2 Convey, 2 Maxeler)

Από τις καλύτερες υποδομές στην Ευρώπη!

Υποδομή MHL

• Εργαλεία CAD – Xilinx Synopsys, Cadence, Mentor,…

• «Πάγκοι» – 15 πλήρεις θέσεις εργασίας για κατασκευές

(Λογική Σχεδίαση, κλπ.) – 15 πλήρεις θέσεις εργασίας για εργαλεία CAD

(Προχ. Λογ. Σχεδ., Οργάνωση Υπολ., κλπ) – >300 φοιτητές* μαθήματα ανά εξάμηνο

Πλατφόρμες Ανάπτυξης στο MHL

Mid-cost/High-end FPGA-based platform (€400)

Low-cost μP-based platform (€100)

Low-cost/Mid-end FPGA-based platform (€150)

Low-cost Programmable Logic-based platform (€100)

Πλατφόρμες Ανάπτυξης στο MHL Mid-cost/Mid-end FPGA-based platform (€1000)

Mid-cost/High-end FPGA-based platform (€1000)

High-cost/High-end FPGA-based platform (€1500)

High-cost/Ultra high-end FPGA-based platform (€2500)

Διπλωματική Εργασία • Σκοπός της Διπλωματικής Εργασίας

– Να εμβαθύνει ο φοιτητής/η φοιτήτρια σε κάποιο αντικείμενο του Τμήματος

– Να προετοιμαστεί καλύτερα για την αγορά εργασίας / καριέρα / μελλοντικές σπουδές

– Να αποκτήσει χρήσιμη εμπειρία σε θέματα όπως: βιβλιογραφική έρευνα, μοντελοποίηση, σχεδίαση, συγγραφή διπλωματικής εργασίας, παρουσίαση

– Να αξιοποιήσει πόρους του Τμήματος και του Ιδρύματος όπως εξειδικευμένα επιστημονικά όργανα (π.χ. Grid, Convey, Maxeler)

Διπλωματική Εργασία • Ενδεικτικά Είδη Διπλωματικών Εργασιών

– Ερευνητική: Όταν ο φοιτητής / η φοιτήτρια θέλει να κάνει μεταπτυχιακές σπουδές

– Εφαρμοσμένη: Όταν ο φοιτητής / η φοιτήτρια θέλει να κάνει δική του /της δουλειά

– Στοχευμένη στην Αγορά Εργασίας: ‘Οταν ο φοιτητής/ η φοιτήτρια θέλει να αποκτήσει γνώσεις που θα δημιουργήσουν ανταγωνιστικό πλεονέκτημα για κάποιες δουλειές (π.χ. Εργαλεία CAD για Δυναμική Αναδιάταξη, Ενσωματωμένα Συστήματα, κλπ.)

Διπλωματική Εργασία • Ενδεικτικά Αντικείμενα Διπλωματικών Εργασιών

– Απεικόνιση του αλγορίθμου BLAST για αλληλουχία DNA στον Υπολογιστή Convey HC1

– Επεξεργαστής Δικτύου για NIDS – Υλοποίηση γενετικών αλγορίθμων σε αναδιατασσόμενη

λογική – Στερεοσκοπική όραση σε πραγματικό χρόνο με

αναδιατασσόμενη λογική – Ενσωματωμένα συστήματα για τηλεμετρία σε φορτηγά ή

πλοία με χρήση τεχνολογίας WiFi/WiMAX και κατευθυντικές κεραίες

– Παράλληλη επεξεργασία για εύρεση κανόνων Golomb με χρήση αναδιατασσόμενης λογικής

Σχεδίαση Συστημάτων στο MHL Biribakos I: an

Autonomous Robot Diploma thesis project

Plato I & II Plato I: an Active

Network Platform

I/O Device for the Handicapped

Robots supporting obstacle-avoidance class project




Εισαγωγή


Έρευνα


Σύνοψη Έρευνας στο MHL • Προκλήσεις

– Υπολογιστικά Συστήματα Υψηλών Απαιτήσεων – Προσαρμογή σε Περιβάλλον που Αλλάζει Διαρκώς – Περιορισμοί σε Κατανάλωση Ισχύος - Αποδοτικότητα => Εξειδικευμένες Αρχιτεκτονικές και Συστήματα

• Προσέγγιση – Χρήση Μεθοδολογίας από Αρχιτεκτονική Υπολογιστών – Χρήση Αναδιατασσόμενης Λογικής (όχι μόνο για

πρωτότυπα) – Χρήση Πολυπύρηνων Επεξεργαστών, Επεξεργαστών

Γραφικών (GPUs), υπολογιστών πλέγματος (Grid), Κατανεμημένων Υπολογιστών

– Έντονα πειραματική φιλοσοφία (hands-on)

Σύνοψη Έρευνας στο MHL • Εφαρμογή σε νέα πεδία

– Εφαρμογές Βιοπληροφορικής – Δίκτυα Αισθητήρων – Ενεργειακά αποτελεσματική επεξεργασία

• Συνέργειες με ομοειδείς και ετερογενείς ερευνητικές ομάδες – Παν/ια σε Ισπανία, Ιταλία, Γερμανία, Ολλανδία, Σουηδία,

Πορτογαλία, κλπ. – Ερευνητικές ομάδες όπως ΕΛΚΕΘΕ (οικολογικά μοντέλα,

βιοπληροφορική), και επιστήμονες όπως τον Αλ. Σταματάκη (Παν/ιο Χαϊδελβέργης)

– Συνεργασία με βιομηχανία, εγχώρια (ELLEMEDIA, ANEK, EAB, κλπ.) και διεθνή (Philips, Thales, ST Microelectronics, Siemens, Infineon, κλπ.)

Σύνοψη Έρευνας στο MHL • Πως γίνονται όλα αυτά πραγματικότητα;

– Με διαρκή παρακολούθηση των επιστημονικών εξελίξεων – Με χρηματοδοτούμενη έρευνα (Εθνικά και Ευρωπαϊκά

προγράμματα) που επιτρέπει κυρίως: – να πληρώνονται μεταπτυχιακοί φοιτητές ώστε να

σπουδάζουν απερίσπαστα – να ανανεώνεται ο εξοπλισμός του MHL σε άριστο για τα

διεθνή πρότυπα επίπεδο – Να χρηματοδοτούνται ταξίδια για ΔΕΠ και φοιτητές, από τα

οποία αποκομίζεται σημαντική επιστημονική ωφέλεια – Με μη χρηματοδοτούμενη έρευνα σε νέες περιοχές στις οποίες

θέλουμε να έχουμε διεθνώς ανταγωνιστική παρουσία, ή απλά μας ενδιαφέρουν επιστημονικά (π.χ. Αναδρομή σε hardware, κανόνες Golomb, δομές για προβλήματα με συνδυαστική έκρηξη, κλπ.)

Σύνοψη Έρευνας στο MHL • Έρευνα Διεθνούς Επιπέδου

– Δημοσιεύσεις σε Άριστα Συνέδρια – Δημοσιεύσεις σε Άριστα Περιοδικά – Συμμετοχή σε Επιτροπές Προγραμμάτων Συνεδρίων

• Μερικά Αποτελέσματα στην Κόψη της

Τεχνολογίας Αιχμής – Η πλέον γρήγορη μηχανή συμπίεσης δεδομένων

(δίκτυα) – Η πλέον γρήγορη μηχανή εντοπισμού κακόβουλων

επίθέσεων σε δίκτυα (SNORT, ασφάλεια) – Η πλέον γρήγορη υλοποίηση του αλγορίθμου BLAST

(Βιοπληροφορική)

Σύνοψη Έρευνας – Ποιος κάνει τι;

• Καθ. Δ. Πνευματικάτος – Αρχιτεκτονική Υπολογιστών, VLSI, Αναδιατασσόμενη Λογική

• Καθ. Α. Δόλλας – Υλικό Υπολογιστών, Αναδιατασσόμενη Λογική

• Αν. Καθ. Ι. Παπαευσταθίου – Ψηφιακή Σχεδίαση, Πολυπύρηνα Συστήματα, Επεξεργαστές

Γραφικών (GPU)

• Κύριες Ερευνητικές Περιοχές – 2000-2007 Network Processors (NIDS) – 2005-now Bioinformatics (BLAST, RAxML, Predator, Zuker, …) – 2010+ (grand challenges): 3D image analysis, security

systems, HW/SW co-design (productivity) tools

Σύνοψη Έρευνας στο MHL • Τι σημαίνει τελικά η έρευνα του MHL για τον φοιτητή /

την φοιτήτρια του Π.Κ.; – Έντονη διεθνή παρουσία

– Το συνέδριο FPL (το μεγαλύτερο στον κόσμο σε αναδιατασσόμενη λογική) έγινε το 2011 στα Χανιά – είμαστε στον διεθνή χάρτη

– 1o βραβείο Altera pan-european design contest από προπτυχιακούς φοιτητές! Η ενασχόληση αποδίδει!!! Πήραν και από ένα iPad!

– Πρόσβαση αποφοίτων σε κορυφαία προγράμματα και παν/ια για μεταπτυχιακές σπουδές (USC, UCSD, U. Wisconsin, κλπ. – ΗΠΑ, Imperial, EPFL, TUM, TU Delft, κλπ. – Ευρώπη) – συνήθως με κάποιας μορφής υποτροφία




Εισαγωγή


Έρευνα


Επαγγελματικές Προοπτικές • Ελλάδα ή Εξωτερικό; «Δουλειές Υπάρχουν»

• Οι απόφοιτοι του MHL γενικά βρίσκουν καλές δουλειές

• Oι όροι στην Ελλάδα (οικονομικοί, συνθήκες εργασίας, απαιτήσεις) ακολουθούν την γενικότερη αγορά εργασίας.

• Στο εξωτερικό υπάρχουν καλύτερες συνθήκες και αμοιβές, και πολύ ενδιαφέροντα αντικείμενα, αλλά η κουλτούρα και η ζωή δεν ενδείκνυται για όλους.

• Όλοι οι απόφοιτοι του MHL που μπήκαν στην αγορά εργασίας τα τελευταία χρόνια βρήκαν τελικά καλές δουλειές, ίσως όχι όλες σε HW

Επαγγελματικές Προοπτικές • System design/ Αρχιτεκτονική

Υπολογιστών/Εμσωματωμμένα συστήματα Αναπτυσόμενες περιοχές Καλοί μηχανικοί είναι δυσεύρετοι => έχουν καλή δουλειά Ελλάδα και εξωτερικό... Επίσης και μεταπτυχιακές σπουδές! Π.χ. • Αποδοτική εκτέλεση βάσεων δεδομένων • Αποδοτική σχεδίαση υπολογιστών για data-centers

Οι Απόφοιτοί μας • ΔΕΠ/Ερευνητές σε Παν/ια και Ερευνητικά Κέντρα

– Georgia Tech, Chalmers TU, TU-Delft, Athens Information Technology (AIT), Foundation for Research and Technology (FO.R.TH-ICS), TEI Kavalas

• Δουλεύουν στην Βιομηχανία – Philips, Siemens, Microsoft, ATMEL S.A, Ellemedia

Technologies S.A, Intracom, Theon Sensors S.A, OTE S.A, EADS-3SIGMA S.A, NetLogic Microsystems S.A

• Συνεχίζουν Σπουδές σε Παν/ια όπως: – USC, UCSD, U. Wisconsin-Madison, U. Minnesota, Yale,

Duke, U. Edinburgh, Imperial College, TU-Delft, EPFL, ETH, U. Cyprus, U. Thessaly

ΔΕΠ – Προσωπικό – Επιστημονικοί Συνεργάτες - Μεταπτυχιακοί Φοιτητές – Προπτυχιακοί Φοιτητές

Ευχαριστώ!

Ερωτήσεις – Συζήτηση

hmy101slides_20

Documents