Projets innovants réalisés

L’objectif de ce projet est de concevoir et de mettre en œuvre des convertisseurs de commutation DC-DC à haute efficacité à haute efficacité contrôlés numériquement et adaptés aux applications de gestion de l’alimentation VLSI. Le principal défi dans ce travail est de développer un schéma de gestion de l’alimentation robuste pour faire varier dynamiquement la tension d’alimentation en fonction de la fréquence d’horloge variable pour la puce VLSI. Le but de ce schéma est de fournir des tensions d’alimentation à la puce VLSI qui sont juste suffisantes pour répondre aux exigences de vitesse de traitement des données tout en minimisant la dissipation de puissance des fuites de porte DC et MOS (dans les dispositifs sous-micron profonds), maintenant ainsi une consommation d’énergie optimisée pour toutes les exigences de traitement. De plus, ce projet nécessitera également la conception et la mise en œuvre de circuits de surveillance de la tension et de la température sur puce éconergétiques et éconergétiques afin de fournir des renseignements importants sur les conditions de fonctionnement du système de gestion de l’alimentation.

Notre laboratoire s’intéresse au développement de logiciels et d’instruments d’imagerie qui nous permettront de mesurer la dynamique spatiale des structures neuronales croissantes dans un petit organisme modèle transparent appelé C. elegans. C. elegans est un petit nématode (ver rond) avec un système nerveux d’une simplicité unique - il ne contient que 302 neurones et la connectivité entre ces neurones a été entièrement cartographiée. Étant donné que le ver est un organisme modèle populaire, il existe une vaste gamme d’outils moléculaires pour étiqueter par fluorescent les neurones individuels afin que l’on puisse cartographier la conception structurelle et même lire et moduler son activité. Nous avons plusieurs expériences en cours pour mesurer le mouvement dynamique des neurones et aussi leur activité dans C. elegans au niveau du réseau. L’objectif final est de pouvoir reconstruire la dynamique neuronale qui sous-tend les comportements universels comme la mesure sensorielle et la réponse de manière holistique. En voici un exemple :

Selon l’étudiant, le projet peut pencher vers le calcul, l’expérience ou une combinaison des deux. Les étudiants intéressés par l’apprentissage de la microscopie, de la neurobiologie, de la microfluidique, seront formés afin qu’ils puissent travailler indépendamment à l’élaboration d’un protocole pour obtenir des images time-lapse du développement neuronal. Les étudiants intéressés par l’apprentissage des techniques d’analyse de données informatiques seront formés pour effectuer des programmes de traitement d’image à l’aide de MATLAB ou LabVIEW. Il est également possible pour les étudiants de travailler à la fois sur le côté informatique et expérimental de ce projet.  

La radiothérapie à modulation d’intensité (RCMI) est une technologie avancée de traitement du cancer qui utilise des faisceaux de rayons X de haute énergie pour administrer des radiations à une tumeur.  Dans la RCMI, les faisceaux de rayonnement sont divisés en de nombreuses petites faisceaux, dont les intensités sont ajustées individuellement afin d’administrer une dose de radiation conforme à la forme de la tumeur.  Les intensités de chaque faisceau de rayonnement sont calculées à l’aide d’un logiciel spécialisé.  Dans ce logiciel, l’optimisation est la principale technique à l’origine des calculs.  C’est-à-dire que le problème de planification de traitement est modélisé comme un problème d’optimisation mathématique, puis résolu à l’aide d’algorithmes mathématiques. Dans le cadre de ce projet, nous concevrons et testerons une méthodologie d’optimisation visant à déterminer les poids du problème de planification du traitement imrt de manière automatisée et objective.  La méthodologie d’optimisation spécifique que nous utiliserons est appelée « optimisation inverse ».  Le problème standard ou « avant » implique de choisir des poids et de résoudre le problème d’optimisation afin de trouver un traitement.  Dans l’optimisation inverse, nous entérons le traitement, et l’optimisation nous donne les poids.  Nous utiliserons les traitements des patients atteints d’un cancer de la prostate de l’hôpital Princess Margaret (PMH), l’un des plus grands hôpitaux de cancérologie au monde (et basé juste à côté du campus de l’Université de Toronto), comme intrants pour nos modèles d’optimisation.

Nous nous attendons à ce que cette recherche mène à une meilleure compréhension des « meilleurs » poids à utiliser dans la planification du traitement du cancer de la prostate.  Nous avons l’intention de montrer qu’en utilisant des poids optimisés dans la planification des traitements, nous pouvons concevoir des traitements presque identiques aux traitements conçus cliniquement, sans suivre un processus d’essais et d’erreurs fastidieux.  En fin de compte, nous espérons améliorer le processus de planification du traitement en fournissant une automatisation accrue dans la mesure du possible.  Nous étudierons également les effets de différentes géométries anatomiques sur la détermination de poids optimisés pour différentes classes de patients.

Notre projet consiste en une combinaison d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de simulations numériques pour modéliser la dynamique du flux sanguin dans les principales artères cérébrales. Ce faisant, nous espérons déterminer les contraintes de cisaillement qui sont infligées aux parois des vaisseaux du cerveau, ce qui devrait être en corrélation avec la capacité du vaisseau à se dilater en réponse à un stimulus vasoactif. Cet effet autorégulateur peut être mesuré en termes de réactivité cérébrovasculaire et s’avère être un biomarqueur utile pour la maladie cérébrale.

Le protocole d’expérience consiste en une série de balayages d’IRM pour déterminer la vitesse d’écoulement et le profil spatial-temporel aux emplacements cibles dans le cercle de Willis, qui relie toutes les artères d’alimentation principales du cerveau. Les données de ces scintigraphies seront importées dans un programme de simulation qui utilise la dynamique des fluides numérique (CFD) pour prédire les propriétés du flux sanguin pour l’ensemble du système circulatoire dans le cerveau.

L’étudiant sélectionné sera principalement responsable de l’élaboration d’un protocole pour traduire les données de RM acquises auprès de volontaires sains en valeurs d’entrée qui peuvent être acceptées dans la simulation CFD. Les tâches spécifiques comprennent, sans toutefois s’y limiter, la segmentation et la détection des bords des navires, la simulation des erreurs de bruit, le débogage du code source et la modélisation des données anatomiques et d’écoulement. La recherche documentaire sera également un élément important du projet, car l’étudiant devra connaître les publications passées et actuelles sur ce sujet.

Les unités de traitement graphique (GPU) ont mûri et offrent désormais les performances de calcul les plus élevées par dollar.  Pour être évolutif, un cluster de GPU fortement couplé doit prendre en charge des implémentations efficaces d’algorithmes du monde réel.

Ce projet mettra en œuvre un pipeline de traitement du signal logiciel à l’aide d’architectures GPU.  CITA fait actuellement l’acquisition d’un important cluster GPU, qui sera prêt à être utilisé scientifiquement cet hiver.  Cette technologie, si elle est couronnée de succès, a le potentiel d’apporter la révolution de l’information au traitement du signal astronomique, en particulier l’imagerie de synthèse d’ouverture interférométrique.  Au cœur d’un réseau de radiotélescopes se trouve le corrélateur, qui combine les signaux de toutes les paires d’antennes.  Actuellement, ils sont principalement mis en œuvre dans le matériel codé en dur et spécifique à l’application, et le coût et la rigidité de ces systèmes est une limitation majeure de la radioastronomie.

Les implémentations logicielles de systèmes DSP ont les avantages d’une très grande flexibilité et peuvent bénéficier des derniers développements de la loi de Moore.  Les efforts de développement de matériel astronomique nécessitent souvent 10 ans de la conception au déploiement, avec un retard correspondant de 10 ans dans les performances.   Un code gpu efficace pourrait réduire le coût des corrélateurs de plus d’un facteur 10.

L’étudiant mettra en œuvre un pipeline de corrélation croisée parallèle qui sera utilisé dans divers radiotélescopes, y compris l’Expérience canadienne de cartographie de l’intensité de l’hydrogène (CHIME) et le radio télésope à ondes métriques géantes indiennes (GMRT).

Il s’agit d’un important projet à long terme et en cours entrepris par CanAssist. Un organisme voué au développement de technologies et de services d’assistance qui amélioreront la qualité de vie et l’autonomie des personnes handicapées (veuillez consulter www.canassist.ca). L’un de nos principaux domaines de recherche porte sur le développement et la fourniture de dispositifs de communication et de contrôle pour les personnes qui ont des handicaps aigus et pour lesquelles il n’existe pas de « solutions de marché ». Ceux-ci vont du complexe (par exemple, ceux basés sur le suivi des yeux ou la détection de signaux électromyographiques (EMG)) au relativement simple (systèmes de détection de pointeur laser).

Notre objectif est de rendre le programme de communication beaucoup plus dynamique (c.-à-d. prédictif) que les programmes actuels. De plus, il sera adapté au contexte (c’est-à-dire qu’il pourrait y avoir des liens directs vers des calendriers / horaires / galeries de photos, etc.). L’objectif global est de rendre la CAA beaucoup plus efficace et plus facile à utiliser. Les travaux s’appuieront sur notre expérience considérable dans ce domaine et seront réalisés en collaboration avec un certain nombre d’organismes qui offrent des services aux clients, aux enfants et aux adultes. Ces organismes comprennent Special Education Technology BC (SETBC) ainsi que la South Island Distance School (SIDES). De plus, nous travaillerons directement avec l’industrie (Ablenet) pour mettre ce système sur le marché

Les étudiants feront partie d’une équipe hautement interdisciplinaire et devront travailler avec des experts d’un large éventail de disciplines, y compris les mathématiques, la linguistique, l’informatique, le génie électrique et la psychologie. Ils travailleront également directement avec les clients, leurs soignants et les professionnels de la santé. Selon le domaine de spécialité, les étudiants devraient écrire du code ou développer du matériel / firmware qui serait utilisé directement par les clients.  Ils joueraient un rôle de premier plan dans la mise à l’essai et l’évaluation de leur produit. Ils seraient également tenus de fournir une documentation excellente et complète et de présenter leurs travaux lors d’ateliers et de conférences internes et externes. Étant donné qu’un objectif majeur est de mettre nos appareils sur le marché, les étudiants devraient interagir et collaborer étroitement avec nos partenaires industriels et l’une des nombreuses agences avec lesquelles nous travaillons.

Les processeurs multicœurs à puce unique sont devenus la plate-forme de calcul de facto pour les domaines d’application allant des appareils mobiles et embarqués de faible puissance aux produits serveur haut de gamme qui forment l’épine dorsale de l’infrastructure mondiale des technologies de l’information (TI). La gestion de l’alimentation a toujours été un problème dans l’espace informatique mobile, et avec l’augmentation alarmante des taux de consommation d’énergie dans les centres de données (environ 100 milliards de kWH d’ici 2011), elle est également devenue un besoin critique sur le marché des serveurs haut de gamme. Pour fournir des capacités de gestion de l’énergie fines, les systèmes multicœurs sont de plus en plus instrumentés avec un certain nombre de boutons de commande sur puce qui peuvent être utilisés pour varier dynamiquement les caractéristiques de puissance-performance de la puce.

La modélisation mathématique est le processus de création de modèles mathématiques décrivant le comportement des systèmes physiques. Les modèles mathématiques de nombreux systèmes physiques (p. ex. ingénierie, biologique, économique et environnemental) sont régis par des équations différentielles ordinaires [1].  Ces équations différentielles sont généralement non linéaires, et les paramètres peuvent apparaître à la fois linéairement et non linéairement dans ces équations.  Les équations différentielles de retard sont des équations différentielles, où certains retards existent dans la fonction de forçage ; ces retards sont typiques en ingénierie en raison du décalage inhérent entre les signaux de détection et de commande [2].

Récemment, nous avons proposé une méthodologie d’optimisation de l’homotopie [3] basée sur des algorithmes de gradient pour trouver le minimum global dans certains problèmes d’identification des paramètres pour les équations différentielles ordinaires.  Nous exploitons les calculs symboliques en utilisant MAPLE pour la génération efficace d’équations de sensibilité, qui sont nécessaires à l’optimisation.   Dans les méthodes d’homotopie [4], la fonction objective à minimiser est modifiée en ajoutant une autre fonction dont l’optimum est connu, et un paramètre de morphing est utilisé pour transformer la fonction modifiée en fonction objective d’origine. Une série d’optimisations est effectuée tout en faisant varier lentement le paramètre de morphing jusqu’à ce que la fonction modifiée soit transformée en fonction objective d’origine et au cours de ce processus, nous obtenons le minimum global.  Ce projet comprend le développement de fonctions de morphing pour les équations différentielles de retard (ce travail est étroitement lié à la conception de l’observateur pour les équations différentielles de retard [5]). La fonction de morphing sera utilisée dans la procédure d’optimisation de l’homotopie pour identifier les paramètres des équations différentielles de retard.

L’étudiant participera à la programmation et à la mise à l’essai de certains des algorithmes qui sont en cours de développement dans notre groupe.

Dans les modèles chimiques actuels de NX développés pour les convertisseurs catalytiques, l’accent est mis sur l’activité et la chimie des composants des métaux précieux (Pt, Rh et Pd) sur le site des métaux précieux. Toute chimie associée au matériau de support est ignorée. Cependant, dans la modélisation des données de la littérature et des résultats obtenus à partir de travaux préliminaires obtenus à l’UW, il y a des indications que le matériau de support joue un rôle important dans certaines étapes de la chimie. Étant donné que la littérature ne contient pas de résultats axés sur le rôle de soutien, nous proposons d’étudier à un niveau fondamental la chimie actuelle des NX sur les principaux matériaux de soutien, puis les effets de l’ajout des espèces de métaux actifs. En abordant cette question par étapes, nous pouvons isoler les impacts de chaque composant et déterminer leur importance relative.

Nous proposons de fabriquer six ensembles d’échantillons de catalyseur. Après cette étape, le platine sera ajouté à chaque même chimie étudiée. En comparant les données d’oxydation et de réduction du NO avec et sans Pt, les conditions dans lesquelles la chimie de l’oxyde de support sera pertinente peuvent être évaluées et la chimie de support isolée. Enfin, l’analyse spectroscopique infrarouge (DRIFTS) sera utilisée pour analyser les états chimiques des espèces de NOX interagissant avec les matériaux en fonction de la température. Par conséquent, pour 6 catalyseurs, l’adsorption NO et NO2, TPD après adsorption et NO oxydation et réduction avec H2 en fonction de la température seront évalués.

Ce travail est effectué en collaboration avec un partenaire industriel, un fabricant d’automobiles de niveau I avec une présence importante dans la recherche en Inde. Les données obtenues seront directement fournies au constructeur de véhicules à titre d’intrants pour ses efforts de modélisation. L’étudiant concevra et effectuera les expériences décrites ci-dessus. Afin d’atteindre les objectifs, l’étudiant apprendra à faire fonctionner le système de microréacteur Catlab, apprendra les principes fondamentaux de la spectrométrie de masse (SM), apprendra à analyser les données de LAM, apprendra à faire fonctionner un réacteur DRIFTS et apprendra à analyser les données DRITS. Cela nécessitera également un examen approfondi de la littérature pour l’analyse DRIFTS, afin que les données obtenues puissent être facilement analysées.  Avant que les expériences ne soient réalisées, l’étudiant est également tenu de produire et de soumettre un rapport de sûreté axé sur les réacteurs à utiliser, y compris les gaz et leurs dangers potentiels.