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dc.creatorPordeus, Leonardo Faix-
dc.date.accessioned2025-02-17T20:23:02Z-
dc.date.available2025-02-17T20:23:02Z-
dc.date.issued2024-12-19-
dc.identifier.citationPORDEUS, Leonardo Faix. Proposição de uma arquitetura para árvores de decisão orientada a notificações - ADON. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.pt_BR
dc.identifier.urihttp://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35988-
dc.description.abstractThe increasing complexity of machine learning models requires evolving computing systems towards more efficient processing capabilities in terms of resource utilisation, energy consumption, and performance. This need has motivated research and the development of specialised hardware solutions to support those models. Due to their acceleration potential, a set of literature research focuses on implementing decision tree algorithms, namely ensemble methods, such as Random Forest and Gradient Boosting, on reconfigurable logic devices (FPGAs). However, the limited size of these platforms restricts the number of decision trees that can be allocated, compromising the algorithm’s efficiency and hardware performance. In addition, the structural and temporal redundancies inherent in these algorithm’s evaluations lead to inefficiencies in execution time and FPGA hardware synthesis size. These inefficiencies occur mainly due to decision tree structures composed essentially of ‘ifthen’ logical evaluations that require repeated assessment at various tree nodes. However, these algorithms would be especially suitable for benefiting from the concepts and properties of the Notification Oriented Paradigm (NOP), which avoids such redundancies and, moreover, allows fine-grained parallelism in FPGA. This thesis proposes the Notification-Oriented Decision Tree Architecture (NODTA), a novel architecture that integrates NOP principles for decision tree composition and execution, particularly emphasising Random Forest and Gradient Boosting. NODTA implements a unique notification chaining mechanism by adapting and extending NOP concepts. Its digital hardware implementation, NODTA-DH, presents enhanced inference acceleration and hardware efficiency. Experiments comparing the NODTADH performance against current state-of-the-art hardware implementation of decision trees, specifically using the open-source hls4ml library, present significant improvements. In this scenario, NODTA-DH’s logical model eliminates the redundancies in decision tree algorithms and achieves up to 70.5% reduction in LUT usage and 94.8% in FF requirements. Moreover, the inference phase showed a 13.02 times performance improvement through reduced processing time and enhanced classification rates. These results establish NODTA-DH as a viable solution for hardware implementation of decision tree-based algorithms, offering better performance and resource utilisation.pt_BR
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Tecnológica Federal do Paranápt_BR
dc.rightsopenAccesspt_BR
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/pt_BR
dc.subjectProgramação paralela (Computação)pt_BR
dc.subjectArquitetura de computadorpt_BR
dc.subjectÁrvores de decisãopt_BR
dc.subjectArranjos de lógica programável em campopt_BR
dc.subjectAprendizado do computadorpt_BR
dc.subjectAlgoritmo de boostingpt_BR
dc.subjectRedes neurais (Computação)pt_BR
dc.subjectParallel programming (Computer science)pt_BR
dc.subjectComputer architecturept_BR
dc.subjectDecision treespt_BR
dc.subjectField programmable gate arrayspt_BR
dc.subjectMachine learningpt_BR
dc.subjectBoosting (Algorithms)pt_BR
dc.subjectNeural networks (Computer science)pt_BR
dc.titleProposição de uma arquitetura para árvores de decisão orientada a notificações - ADONpt_BR
dc.title.alternativeProposal of a notification-oriented decision tree architecture - NODTApt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR
dc.description.resumoO aumento da complexidade dos modelos de machine learning tem exigido uma evolução dos sistemas computacionais associados, no que diz respeito a processamento mais eficiente, em termos de uso de recursos, consumo de energia e desempenho. Essa necessidade tem motivado pesquisas e o desenvolvimento de soluções especializadas para suportar tais modelos diretamente em hardware. Neste contexto, a execução de modelos baseados em algoritmos de árvores de decisão e derivados do tipo ensemble, como Random Forest e Gradient Boosting, em dispositivos de lógica reconfigurável (FPGAs) é alvo destas pesquisas dado o seu potencial de aceleração. No entanto, o tamanho limitado dessas plataformas restringe a quantidade de árvores de decisão que podem ser alocadas, comprometendo a eficiência e o desempenho destes algoritmos em hardware. Isto se agrava com o fato de que as avaliações presentes nestes algoritmos frequentemente apresentam importantes redundâncias estruturais e temporais, que resultam em ineficiência em relação ao tempo de execução e ao tamanho do hardware a ser sintetizado nos dispositivos FPGAs. Esta característica ocorre principalmente devido às estruturas das árvores de decisão compostas essencialmente por avaliações lógicas do tipo ‘se-então’, que são repetidamente reavaliadas em diferentes pontos da árvore. Entretanto, esses algoritmos seriam especialmente propícios para se beneficiar dos conceitos e propriedades do Paradigma Orientado a Notificações (PON) que evitam tais redundâncias e, ademais, permitem paralelismo fino em FPGA. Esta tese propõe a Arquitetura para Árvores de Decisão Orientada a Notificações (ADON), uma arquitetura distinta que integra os princípios do PON para a composição e execução de árvores de decisão, com destaque para Random Forest e Gradient Boosting. A ADON, a partir da conformação e ampliação de conceitos oriundos do PON, tem um encadeamento próprio de notificações, permitindo a sua implementação e validação em hardware digital, em forma denominada de ADON-HD, alcançando a aceleração do processo de inferência e melhor uso do hardware. Experimentos realizados comparam o desempenho da implementação da ADON-HD em relação ao estado da arte de execução de árvores de decisão em hardware, precisamente utilizando a biblioteca open-source hls4ml. Neste cenário, foi verificado que inclusive devido à sua capacidade de eliminação das redundâncias presentes nos algoritmos de árvores de decisão, o uso da ADON-HD permitiu a redução da quantidade de recursos de hardware de até 70,5% menos LUTs e 94,8% menos Ffs, além da melhora no desempenho de até 13,02 vezes na fase de inferência pela diminuição do tempo de processamento e aumento na taxa de classificação. A partir dos resultados obtidos, a ADON-HD é confirmada como uma alternativa promissora para a execução dos algoritmos derivados de árvores de decisão em hardware, proporcionando um melhor desempenho e uso dos recursos disponíveis.pt_BR
dc.degree.localCuritibapt_BR
dc.publisher.localCuritibapt_BR
dc.creator.IDhttps://orcid.org/0000-0001-6864-2665pt_BR
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/6450656571882786pt_BR
dc.contributor.advisor1Simão, Jean Marcelo-
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-2139-1261pt_BR
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3593420323268103pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Linhares, Robson Ribeiro-
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0002-4256-3819pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0625140430173288pt_BR
dc.contributor.referee1Lazzaretti, André Eugênio-
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0003-1861-3369pt_BR
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7649611874688878pt_BR
dc.contributor.referee2Oliveira, Andre Schneider de-
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0002-8295-366Xpt_BR
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/4006878042502781pt_BR
dc.contributor.referee3Fröhlich, Antonio Augusto Medeiros-
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0002-4063-1339pt_BR
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/7644756660823271pt_BR
dc.contributor.referee4Panetto, Hervé-
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0002-5537-2261pt_BR
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/8951585800896455pt_BR
dc.contributor.referee5Stadzisz, Paulo Cézar-
dc.contributor.referee5IDhttps://orcid.org/0000-0003-2151-6754pt_BR
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/5203792575176289pt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrialpt_BR
dc.publisher.initialsUTFPRpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAOpt_BR
dc.subject.capesEngenharia Elétricapt_BR
Aparece nas coleções:CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial

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