Projets novateurs réalisés

L’objectif de ce projet est de concevoir et de mettre en œuvre des convertisseurs DC-DC à haute efficacité numériquement contrôlés, adaptés aux applications de gestion d’énergie VLSI. Le principal défi dans ce travail est de développer un schéma robuste de gestion de l’alimentation pour varier dynamiquement la tension d’alimentation en fonction de la fréquence d’horloge variable de la puce VLSI. Le but de ce schéma est de fournir des tensions d’alimentation à la puce VLSI juste suffisantes pour répondre aux exigences de vitesse de traitement des données tout en minimisant la dissipation de puissance de fuite de portes DC et MOS (dans les dispositifs sub-microns profonds), maintenant ainsi une consommation d’énergie optimisée pour tous les besoins de traitement. De plus, ce projet nécessitera aussi la conception et la mise en œuvre de circuits de surveillance de tension et de température économes en énergie et en zone sur puce, afin de fournir des informations importantes sur les conditions de fonctionnement du système de gestion de l’alimentation.

Notre laboratoire s’intéresse au développement de logiciels d’imagerie et d’instruments qui nous permettront de mesurer la dynamique spatiale des structures neuronales en croissance 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. Puisque le ver est un organisme modèle populaire, il existe une vaste gamme d’outils moléculaires pour marquer des neurones individuels par fluorescence afin de cartographier sa conception structurelle et même de lire et moduler son activité. Nous avons plusieurs expériences en cours pour mesurer le mouvement dynamique des neurones ainsi que leur activité chez 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 façon holistique. Voici un exemple :

Selon l’étudiant, le projet peut pencher vers le calcul, l’expérimentation ou une combinaison des deux. Les étudiants intéressés par l’apprentissage de la microscopie, un peu de neurobiologie, un peu de microfluidique, seront formés afin de travailler de façon autonome au développement d’un protocole pour obtenir des images en accéléré du développement neuronal. Les étudiants intéressés par l’apprentissage des techniques d’analyse computationnelle des données seront formés à effectuer la programmation de traitement d’images à l’aide de MATLAB ou LabVIEW. Il est également possible pour les étudiants de travailler à la fois sur le plan computationnel et expérimental de ce projet.  

La radiothérapie à modulation d’intensité (IMRT) est une technologie avancée de traitement du cancer qui utilise des faisceaux de rayons X à haute énergie pour transmettre un rayonnement à une tumeur.  Dans l’IMRT, les faisceaux de radiation sont divisés en plusieurs petits faisceaux, dont l’intensité est ajustée individuellement afin de délivrer une dose de radiation conforme à la forme de la tumeur.  Les intensités de chaque faisceau de rayonnement sont calculées à l’aide de logiciels spécialisés.  Dans ce logiciel, l’optimisation est la technique principale qui guide les calculs.  C’est-à-dire que le problème de planification du traitement est modélisé comme un problème d’optimisation mathématique, puis résolu à l’aide d’algorithmes mathématiques. Dans ce projet, nous concevrons et testerons une méthodologie d’optimisation visant à déterminer les poids pour le problème de planification du traitement IMRT de manière automatisée et objective.  La méthodologie d’optimisation spécifique que nous utiliserons s’appelle « optimisation inverse ».  Le problème standard ou « vers l’avant » consiste à choisir des poids et à résoudre le problème d’optimisation afin de proposer un traitement.  En optimisation inverse, nous entrons le traitement, et l’optimisation nous donne les poids.  Nous utiliserons les traitements des patients atteints de cancer de la prostate provenant de l’hôpital Princess Margaret (PMH), l’un des plus grands hôpitaux de cancérologie au monde (et situé juste à côté du campus de l’Université de Toronto), comme entrée à 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 démontrer qu’en utilisant des poids optimisés dans la planification du traitement, nous pouvons concevoir des traitements presque identiques à ceux conçus cliniquement, sans suivre un processus long d’essais et d’erreurs.  En fin de compte, nous espérons améliorer le processus de planification du traitement en offrant une automatisation accrue lorsque c’est possible.  Nous étudierons également les effets de différentes géométries anatomiques sur la détermination des 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 infligées aux parois des vaisseaux du cerveau, ce qui devrait être corrélé à 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 les maladies cérébrales.

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

L’étudiant sélectionné sera principalement responsable du développement d’un protocole pour traduire les données IRM acquises auprès de bénévoles en bonne santé en valeurs d’entrée pouvant être acceptées dans la simulation CFD. Les tâches spécifiques incluent, sans s’y limiter, la segmentation et la détection des bords, la simulation d’erreurs de bruit, le débogage du code source, ainsi que la modélisation anatomique et des données d’écoulement. La recherche littéraire 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 maintenant la meilleure performance de calcul par dollar.  Pour être évolutif, un cluster fortement couplé de GPU doit supporter des implémentations efficaces d’algorithmes réels.

Ce projet mettra en œuvre un pipeline de traitement logiciel du signal utilisant des architectures GPU.  La CITA acquiert actuellement un important cluster GPU, qui sera prêt pour un usage scientifique cet hiver.  Cette technologie, si elle réussit, a le potentiel d’apporter la révolution de l’information au traitement du signal astronomique, en particulier à l’imagerie par 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 implémentés dans du matériel codé en dur et spécifique à l’application, et le coût ainsi que la rigidité de ces systèmes constituent une limitation majeure de l’astronomie radio.

Les implémentations logicielles de systèmes DSP bénéficient d’une très grande flexibilité et peuvent bénéficier des dernières avancées du droit de Moore.  Les efforts de développement de matériel astronomique nécessitent souvent 10 ans entre la conception et le déploiement, avec un décalage de performance de 10 ans correspondant.   Un code efficace basé sur un GPU pourrait réduire le coût des corrélateurs de plus d’un facteur 10.

L’étudiant mettra en œuvre un pipeline parallèle de corrélation croisée pour une utilisation dans divers radiotélescopes, dont l’Expérience canadienne de cartographie de l’intensité de l’hydrogène (CHIME) et le télésope radio à ondes métrologiques géantes indiennes (GMRT).

Il s’agit d’un projet majeur à long terme et en cours mené par CanAssist. Un organisme dédié au développement de technologies et de services d’assistance qui amélioreront la qualité de vie et l’autonomie des personnes en situation de handicap (voir www.canassist.ca). L’un de nos principaux domaines de recherche porte sur le développement et la fourniture d’appareils de communication et de contrôle pour les personnes ayant des handicaps aigus et pour lesquelles il n’existe pas de « solutions de marché ». Celles-ci vont du complexe (par exemple, ceux basés sur le suivi oculaire ou la détection de signaux électromyographiques (EMG)) aux relativement simples (systèmes de détection par pointeur laser).

Notre objectif est de rendre le programme de communication beaucoup plus dynamique (c’est-à-dire 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 photo, etc.). L’objectif global est de rendre la CAA beaucoup plus efficace et plus facile à utiliser. Ce travail s’appuiera sur notre expérience considérable dans ce domaine et sera réalisé en collaboration avec plusieurs agences qui offrent des services à des clients — enfants et adultes. Ces agences incluent Special Education Technology BC (SETBC) ainsi que South Island Distance School (SIDES). De plus, nous travaillerons directement avec l’industrie (Ablenet) pour lancer ce système sur le marché

Les étudiants feront partie d’une équipe hautement interdisciplinaire et devront travailler avec des experts issus d’un large éventail de disciplines — notamment les mathématiques, la linguistique, l’informatique, le génie électrique et la psychologie. Ils travailleront également directement avec leurs clients, leurs aidants et professionnels de la santé. Selon la spécialité, les étudiants devaient écrire du code ou développer du matériel/firmware qui serait utilisé directement par les clients.  Ils joueraient un rôle de premier plan dans les tests et l’évaluation de leur produit. Ils devront également fournir une documentation excellente et complète et présenter leur travail lors d’ateliers ou conférences internes et externes. Puisqu’un objectif majeur est de mettre nos appareils sur le marché, on s’attend à ce que les étudiants interagissent et collaborent étroitement avec nos partenaires industriels et avec les nombreuses agences avec lesquelles nous travaillons.

Les processeurs multi-cœurs à puce unique sont devenus la plateforme de calcul de facto pour des domaines d’application allant des appareils mobiles et embarqués à faible consommation aux produits serveurs haut de gamme qui constituent l’épine dorsale de l’infrastructure mondiale des technologies de l’information (TI). La gestion de l’énergie a toujours été un enjeu dans le domaine de l’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 crucial sur le marché des serveurs haut de gamme. Pour offrir des capacités de gestion de l’alimentation à grains fins, les systèmes multi-cœurs sont de plus en plus équipés d’un certain nombre de boutons de contrôle intégrés pouvant être utilisés pour varier dynamiquement les caractéristiques de performance énergétique 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 (par exemple, ingénierie, biologique, économique et environnementale) 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 à retard sont des équations différentielles, où certains délais existent dans la fonction de forçage; Ces délais sont typiques en ingénierie en raison du décalage temporel inhérent entre les signaux de détection et de contrôle [2].

Récemment, nous avons proposé une méthodologie d’optimisation par homotopie [3] basée sur des algorithmes de gradient pour trouver le minimum global dans certains problèmes d’identification de paramètres pour les équations différentielles ordinaires.  Nous exploitons les calculs symboliques en utilisant MAPLE pour la génération efficace d’équations de sensibilité, nécessaires à l’optimisation.   Dans les méthodes d’homotopie [4], la fonction objectif 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 objectif originale. Une série d’optimisations est effectuée tout en variant lentement le paramètre de morphing jusqu’à ce que la fonction modifiée soit transformée à nouveau en fonction objectif originale, et durant ce processus, on obtient le minimum global.  Ce projet consiste à développer des fonctions de morphing pour les équations différentielles à retard (ce travail est étroitement lié à la conception d’observateurs pour les équations différentielles à retard [5]). La fonction de morphing sera utilisée dans la procédure d’optimisation par homotopie pour identifier les paramètres des équations différentielles à retard.

L’étudiant participera à la programmation et à la mise à l’épreuve de certains des algorithmes développés dans notre groupe.

Dans les modèles actuels de chimie NOX développés pour les catalyseurs, 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 liée au matériel de soutien est ignorée. Cependant, en modélisant à la fois les données de la littérature et les résultats issus de travaux préliminaires à l’Université de Washington, il y a des indications que le matériel de soutien joue un rôle important à certaines étapes de la chimie. Puisque la littérature ne contient pas de résultats axés sur le rôle de soutien, nous proposons d’étudier à un niveau fondamental la chimie continue des NOX sur les matériaux de soutien clés, puis les effets de l’ajout des espèces métalliques actives. En abordant cela par étapes, nous pouvons isoler les impacts de chaque composante et déterminer leur signification relative.

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

Ce travail est réalisé en collaboration avec un partenaire industriel, un constructeur automobile de niveau I ayant une présence significative en recherche en Inde. Les données obtenues seront directement fournies au constructeur du véhicule comme entrée pour leurs efforts de modélisation. L’étudiant concevra et réalisera les expériences décrites ci-dessus. Pour atteindre les objectifs, l’étudiant apprendra à utiliser le système de micro-réacteur Catlab, à connaître les bases de la spectrométrie de masse (MS), à analyser les données MS, à utiliser un réacteur DRIFTS et à analyser les données DRITS. Cela nécessitera également une revue approfondie de la littérature pour l’analyse DRIFTS, afin que les données obtenues puissent être facilement analysées.  Avant la réalisation des expériences, l’étudiant doit également rédiger et soumettre un rapport de sécurité axé sur les réacteurs à utiliser, y compris les gaz et leurs dangers potentiels.