Final projects - הנדסת מחשבים - תואר ראשון - רשתות וחישוב תשפ"ד

הרקע לפרויקט:

חישוב קוונטי מציע גישה חדשה ומעניינת לעבר פתרון של בעיות חישוביות מגוונות. הנושא נמצא בחזית המחקר העולמית (והישראלית) לאור הפוטנציאל הרב שלו. עם זאת, עדין קיים צורך לאפיין את אוסף הבעיות שניתן לפתור ביעילות באמצעות מחשבים קוונטיים וכפועל יוצא מכך, חשוב למצוא אלגוריתמים קוונטיים חדשים. הפרויקט שואף לאתר בעיות שהאופי שלהן תואם ליכולות המחשב הקוונטי ומסתייע בהן באופן אופטימלי, כאשר הגישה היא אנליטית ברובה ומבוססת על כלים מתחום תורת ההסתברות מחד ותורת האינפורמציה הקוונטית מאידך.

מטרת הפרויקט:

כחלק מהפרוייקט יבוצע שימוש בידע קודם שהושג בקבוצת המחקר בכדי לאתר בעיה/ות אותן קשה לפתור באמצעות מחשב קלאסי אך קל לפתור באמצעות מחשב קוונטי. כמו כן, ינוסח אלגוריתם קוונטי שאכן פותר את הבעיה ביעילות (שוב, תוך שימוש בסכמה כללית שכבר נוסחה בעבר ע"י קבוצת המחקר). בשאיפה, ניתן יהיה להכליל תוצאות אלו לעבר משפחות רחבות של בעיות עם אופי דומה.

תכולת הפרויקט:

במהלך הסמסטר הראשון הסטודנטים יכירו מושגי מפתח בחישוב קוונטי ואינפורמציה קוונטית, עם תשומת לב מיוחדת שתינתן לבעיות "אוראקל". לקראת סוף הסמסטר הראשון, הסטודנטים כבר יוכלו להשתמש בתוצרים קודמים על מנת לבחון (אנליטית) בעיות ספציפיות בכדי לראות האם קיים בהן יתרון קוונטי (במונחים של הסתברות הצלחה עבור אותה כמות שאילתות). במהלך הסמסטר השני, תאותר לפחות בעיה אחת שבה קיים יתרון ויאופיינו התכונות של השערים ושל המצבים הקוונטים שמאפשרות להגיע לאותו יתרון. ככל שיאפשר הזמן, הסטודנטים ינסו להרחיב את התוצאות הללו וישתדלו להסיק מהן מסקנות כלליות באמצעות עיון מעמיק יותר במבנה המתמטי של הבעיות הרלוונטיות ו/או האלגוריתם הקוונטי שפותר אותן.

קורסי קדם:

יש לקחת במקביל לפרוייקט את הקורס "חישוב קוונטי" (סמסטר א' תשפ"ד)

מקורות:

רקע כללי בתחום של חישוב קוונטי ניתן למצוא בפרק 1 של הספר:

Quantum Computation and Quantum Information / Nielsen and Chuang.

מידע יותר ספציפי, אבל גם יותר מתקדם שלא יהיה לגמרי ברור בשלב זה,

ניתן למצוא בפרק 6 של

https://people.maths.bris.ac.uk/~csxam/papers/thesis.pdf

הרקע לפרויקט:

אנו מפתחים טכנולוגיה ייחודית העושה שימוש באורך גל יחיד ומספר גלאים, לטובת חילוץ מדויק של פרמטרים אופטיים מרקמה. מדובר בשיטה חדשה לגילוי תכונות אופטיות מרקמות גליליות בהתבסס על פיזור העוצמה הזוויתי שלהן, מה שמכונה Full scattering profile (FSP), וזאת במטרה לשפר את הדיוק והרגישות של מדידת פרמטרים ביולוגיים, כגון דופק, רוויון חמצן (סטורציה), קצב נשימה, שונות קצב הלב, לחץ דם, וכדומה.

מטרת הפרויקט:

הפרויקט המוצע יעסוק בהחלפת פרוטוקול התקשורת של החיישן האופטי: החיישן בצורתו הנוכחית מתחבר בכבל USB למחשב לצורך איסוף הנתונים, ובהמשך יוחלף לתקשורת בלוטות'. מטרת הפרויקט היא מימוש החלפת פרוטוקול התקשורת הנ"ל ואפיונו, על מנת לאפשר אבחון מצבים פיזיולוגיים שונים מהרקמה בצורה נוחה ופרקטית.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט זה ילמד הסטודנט את פרוטוקול התקשורת הקיים בצורתו הסריאלית ויממש את המעבר לתקשורת בלוטות'. בנוסף יוודא את פעילותו וישווה בין שתי צורות התקשורת השונות באמצעות ניתוח ועיבוד הנתונים מהמכשיר.

קורסי קדם:

רשתות מחשבים ואינטרנט (83455).

דרישות נוספות:

לפרויקט זה אנו מחפשים סטודנט רציני עם ראש גדול, מכל תחומי הנדסה.

מקורות:

1. Experimental system for measuring the full scattering profile of circular phantoms - PubMed (nih.gov)
2. Experimental results of full scattering profile from finger tissue-like phantom (optica.org)

הרקע לפרויקט:

ממסר הוא רכיב תקשורת הקולט אות מגביר ומשדר אותו. ממסרים משמשים להגדלת טווח התקשורת והעלאת קצב המידע. טכנולוגיות חדשות מאפשרות ייצור והפעלה פשוטה של ממסרים רבים באותה רשת. ממסרים כאלו לא דורשים תשתית, ואפילו יכולים לאסוף אנרגיה מסביבתם. הכנסת עשרות ומאות ממסרים לרשת (לדוגמה בבניין אחד) יאפשרו הגדלה משמעותית בקצבי התקשורת. האתגר העיקרי ברשת כזו הוא בחירת פרמטרים נכונה לכל ממסר שתאפשר פעולה אופטימאלית של הרשת.

במחקר חדשני, אנו משתמשים באופי הלא לינארי של מגברים כדי ליצור הקבלה בין רשת תקשורת עם ממסרים לרשת נוירונים. בעזרת הקבלה זו, אנו מאפשרים שימוש בכלים הרבים הזמינים ללמידת מכונה על מנת לבצע אופטימיזציה של הרשת. יתירה מזו, אנו מצליחים גם לאמץ את היכולת של רשתות נוירונים לבצע חישובים, ולבצע חישובים תוך כדי מעבר האות ברשת הממסרים.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט זה נממש סימולציה של רשת תקשורת סלוללרית עם משדר (תחנת בסיס) מספר מקלטים והרבה ממסרים. נשתמש בכלים של למידת מכונה על מנת לשפר את התקשורת ברשת וגם להשיג מטרה חשובה נוספת: נדרוש שהרשת תפריד את האות המשודר, כך שכל מקלט יקבל רק את האות הרצוי שלו, ולא יושפע מהאותות המשודרים לשאר המקלטים.

בפרויקט זה נרחיב את חזית הידע בכך שנבחן ממסרים מרובי אנטנות ואף נשלב רשת נוירונים בתוך כל ממסר.

הפרויקט בעל אופי מחקרי, ומתאים לסטודנטים מצטיינים המעוניינים להשתלב במחקר.

תכולת הפרויקט:

לימוד של רשתות תקשורת וכלי למידת מכונה, מימוש הרשת בפייתון, מימוש של אלגוריתם למידה שיאפשר אופטימיזציה של הרשת. ביצוע האופטימיזציה וניתוח התוצאות.

קורסי קדם:

למידת מכונה

מקורות:

https://arxiv.org/pdf/2306.14253.pdf

הרקע לפרויקט:

הפרויקט הינו חלק ממחקר שעוסק בשילוב בין בעיות של אילוצי משאבים אשר מקובל לפתור בכלים של חקר ביצועים, לבין בעיות סיווג אשר מקובל לפתור בשיטות של למידת מכונה. הדרך המקובלת לשלב בין שתי הבעיות הללו היא במודל דו-שלבי, שימוש בלמידת מכונה עבור בעיית הסיווג ועם התוצאות שהתקבלו לפתור את בעיית אילוצי המשאבים. במחקר אנו משלבים את בעיית אילוצי המשאבים בתהליך הלמידה של המודל שפותר את בעיית הסיווג בכדי לשפר את הביצועים. הפרויקט ישפר את שיטת היישום כך שיתאים לנתוני מבחן (test data-set) וכן יצמצם את מספר האיטרציות.

האלגוריתמים ייושמו וייבדקו על נתוני שרותי הכבאות – הבעיה ביישום זה היא הקצאה מיטבית של כוחות הצלה למספר ארועים שמתרחשים בו זמנית.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט הסטודנטים יבצעו התאמה לנתוני מבחן (test data-set) של מודל אדפטיבי לשילוב למידת מכונה ובעיית אילוצים ביישום בפייתון על ידי שילוב האילוצים שקיימים על הTEST כחלק מתהליך הלמידה לעומת במצב הקיים בו נעשה שימוש רק ב TRAIN. בנוסף, הסטודנטים יפתחו שיטה לעדכון ערך סף כך שמספר האיטרציות עד להתכנסות המודל תצומצם וזמני הריצה יתקצרו.

האלגוריתמים ייושמו וייבדקו על נתוני שרותי הכבאות במטרה להגיע להקצאה מיטבית של כוחות הצלה למספר ארועים שמתרחשים בו זמנית.

תכולת הפרויקט:

פירוט של מטלות הסטודנטים בפרויקט

1. פיתוח מתמטי תיאורטי לעדכון ערך הסף בין איטרציות.
2. יישום בפייתון של התאמת המודל לשימוש בנתוני TEST בתהליך הלמידה והשוואה בין ביצועי האלגוריתמים כאשר האילוץ על ה TEST נלקח בחשבון לעומת המצב שבו האילוץ מוקרן על הTRAIN בהיבט של זמני ריצה וביצועים.
3. יישום על נתוני שרות הכבאות.

קורסי קדם:

מבוא להסתברות וסטטיסטיקה, כריית מידע וויזואליזציה

דרישות נוספות:

נדרש ידע בפייתון

מקורות:

1. An adaptive machine learning algorithm for the resource-constrained classification problem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095219762200731X
2. The foundations of cost-sensitive learning https://cseweb.ucsd.edu//~elkan/rescale.pdf

הרקע לפרויקט:

שיטות קיימות לסינכרון שעונים על גבי שבב (למשל, עצי שעונים) הן ריכוזיות ואינן סקלביליות: הפרשי הזמן בין שני שעונים של יחידות סמוכות הוא פרופורציוני לגודל השבב. אנו חוקרים שיטות בהן הפצת השעון נעשית באופן מבוזר (ולא ריכוזי). התהליך של תכנון חומרה לסינכרון שעונים לרוב מתחיל בניסוח אלגוריתם מבוזר תאורטי, ניתוח תאורטי, מימוש האלגוריתמים בחומרה, ולבסוף הדגמה באמצעות סימולציות שאכן המימוש תואם את התאוריה.

מטרת הפרויקט:

בפרוייקט זה נעשה תהליך הפוך! אנו נלמד את שיטת הפצת השעון במאמר המצורף, נחלץ ממנו את אלגוריתם מבוזר ה"חבוי" בו, ננתחו, ונממשו שוב בראייה האלגוריתמית אותה נפתח. כמובן, עלינו לשחזר את תוצאות המעגל המקורי במימושינו.

תכולת הפרויקט:

1. למידת המאמר המצורף.
2. חילוץ אלגוריתם מבוזר "רציף".
3. תכנון אלגוריתם מבוזר "בדיד".
4. ניתוח תאורטי של האלגוריתם (ניתוח זמן התכנסות, הפרש שעונים לוקאלי וגלובלי מושג, וכו').
5. מימוש האלגוריתם בתכן ספרתי.
6. שחזור תוצאות המאמר.
7. ריכוז וסיכום התוצאות בפורמט של מאמר.

קורסי קדם:

• 83681 חומרה מכילה מטסטביליות
• 83612 מעגלי ומערכות VLSI דיגיטליים

מקורות:

S. Fairbanks and S. Moore, "Self-timed circuitry for global clocking," 11th IEEE International Symposium on Asynchronous Circuits and Systems, 2005, pp. 86-96, doi: 10.1109/ASYNC.2005.29. (https://www.cl.cam.ac.uk/~swm11/papers/async2005.pdf)