Diseño y fabricación de dispositivos basados en cristal líquido polimérico

Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de dispositivos de aplicación basados en cristal líquido polimérico. Las propiedades de los cristales líquidos los hacen interesantes para su uso en el desarrollo de dispositivos de seguridad para autenticación de productos y marcas, y detección y prevención de falsificaciones. Asimismo, pueden ser muy útiles para fabricar dispositivos basados en CLs dispersos en polímero, los cuales tienen a su vez múltiples aplicaciones. La orientación de las moléculas de cristal líquido y la birrefringencia son las dos características principales que afectan a las propiedades de estos dispositivos. Un dispositivo de cristal líquido estándar consiste en un sándwich formado por dos sustratos de vidrio transparente, dotados con electrodo de ITO (Indium Tin Oxide) en su superficie interna, que confinan el cristal líquido en su interior. En la primera parte de esta tesis se describen las características más importantes que describen una célula de cristal líquido. Esta introducción básica en necesaria para la correcta comprensión de los capítulos posteriores en los que se detalla el desarrollo concreto de los dispositivos desarrollados en la investigación llevada a cabo. Por ejemplo, en el caso de los dispositivos de seguridad se han eliminado los sustratos de vidrio (en la última fase de su desarrollo) para conseguir dispositivos flexibles. En la segunda parte de la tesis se incluye la descripción completa de los dispositivos fabricados, así como de los protocolos de fabricación seguidos y diseñados específicamente para ello. También se detallan en esta parte los resultados obtenidos, así como las propiedades ópticas y electroópticas en cada caso, y el/los equipos de caracterización utilizados. Utilizando cristal líquido nemático y colorante dicroico, se han desarrollado dispositivos que contienen múltiples imágenes latentes en cada cara del mismo. Utilizando distintas técnicas de alineamiento se consigue crear cualquier tipo de motivo latente, ya sean símbolos sencillos, figuras, logotipos o incluso imágenes con escala de gris. Cuanto más complejo es el dispositivo, mayor es la dificultad para reproducirlo en una eventual falsificación. Para visualizar e identificar los motivos es necesario emplear luz polarizada, por ejemplo, con la ayuda de un sencillo polarizador lineal. Dependiendo de si el polarizador está colocado delante del dispositivo o detrás del él, se mostrarán las imágenes generadas en una u otra cara. Este efecto es posible gracias al colorante dicroico añadido al CL, a la orientación inducida sobre las moléculas, y a la estructura de twist utilizada en los dispositivos. En realidad, para ver el efecto de los dispositivos no es necesario el uso de un polarizador, basta con el reflejo de una superficie dielétrica (percialmente polarizado), o la luz emitida por la pantalla de dispositivos de consumo comunes como un televisor LCD, un monitor de ordenador o un “smartphone”. Por otro lado, utilizando una mezcla entre un CL nemático polimérico y un CL nemático no polimérico es posible fabricar dispositivos LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) con propiedades electroópticas muy interesantes, que funcionan a tensiones de conmutación bajas. El CL polimérico conforma una estructura de red en el interior del sándwich que mantiene confinado al CL nemático en pequeños microdominios. Se han fabricado dispositivos LCPC con conmutación inversa utilizando tanto alineamiento homogéneo como homeotrópico. Debido a que tanto la estructura de CL polimérico como el CL nemático que rellena los microdominios están orientados en una misma dirección de alineamiento preinducida, la luz dispersada por el dispositivo se encuentra polarizada. La dirección de polarización coincide con la dirección de alineamiento. La innovación aportada por esta investigación: un nuevo dispositivo LCPC inverso de respuesta ultrarápida y polarizada basado en la mezcla de dos CL nemáticos y, un dispositivo de seguridad y autenticación, patentado internacionalmente, basado en CL nemáticos dopados con colorante dicroico. Abstract This thesis is centered on the availability to use polymerizable liquid crystals to develop non-display application LC devices. Liquid crystal properties make them useful for the development of security devices in applications of authentication and detection of fakes, and also to achieve polymer dispersed LC devices to be used for different applications that will be studied here. Induced orientation of liquid crystal molecules and birefringence are the two main properties used in these devices. A standard liquid crystal device is a sandwich consisting of two parallel glass substrates carrying a thin transparent ITO (Indium‐Tin‐Oxide) electrode on their inner surfaces with the liquid crystal in the middle. The first part of this thesis will describe the most important parameters describing a liquid crystal cell. This basis is necessary for the understanding of later chapters where models of the liquid crystal devices will be discussed and developed. In the case of security devices the standard structure of an LC device has been modified by eliminating the glass substrates in order to achieve plastic and flexible devices. The second part of the thesis includes a detailed description of the devices achieved and the manufacturing protocols that have been developed ad-hoc. The optical and electrooptical properties and the characterization equipment are described here as well. Employing nematic liquid crystal and dichroic colorants, we have developed devices that show, with the aid of a polarizer, multiple images on each side of the device. By different alignment techniques it is possible to create any kind of symbols, drawings or motifs with a grayscale; the more complex the created device is, the more difficult is to fake it. To identify the motifs it is necessary to use polarized light. Depending on whether the polarizer is located in front of the LC cell or behind it, different motifs from one or the other substrate are shown. The effect arises from the dopant color dye added to the liquid crystal, the induced orientation and the twist structure. In practice, a grazing reflection on a dielectric surface is polarized enough to see the effect. Any LC flat panel display (LCD TV, computer, mobile phone) can obviously be used as backlight as well. On the other hand, by using a mixture of polymerizable and non-polymerizable nematics liquid crystals it is also possible to achieve LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) devices that show really interesting electrooptical characteristics using low switching voltages. Polymerizable LC creates a hollow structure inside the sandwich glass cell that keep nematics liquid crystal confined creating microdomains. Homogeneous and homeotropic alignments have been used to develop inverse switching mode LCPCs. Due to the double LC oriented structure, the outgoing scattered light from these devices is already polarized. The polarization axis coincides with LC molecules director, the alignment direction promoted. The novelties derived from the investigation presented here, new ultrafast inverse LCPC with polarized outgoing scattered light based on oriented nematic LC mixture, and an internationally patented security and authentication device based on nematics (doped with dichroic dye) oriented polymerizable LC.

On the automatic integration of hardware accelerators into FPGA-based embedded systems

This paper proposes an automatic framework for the seamless integration of hardware accelerators, starting from an OpenMP-based application and an XML file describing the HW/SW partitioning. It extends a fully software architecture by generating and integrating the cores, along with the proper interfaces, and the code for scheduling and synchronization. Experimental results show that it is possible to validate different solutions only by varying the input code.

Implementation techniques for evolvable HW systems: virtual vs. dynamic reconfiguration

Adaptive hardware requires some reconfiguration capabilities. FPGAs with native dynamic partial reconfiguration (DPR) support pose a dilemma for system designers: whether to use native DPR or to build a virtual reconfigurable circuit (VRC) on top of the FPGA which allows selecting alternative functions by a multiplexing scheme. This solution allows much faster reconfiguration, but with higher resource overhead. This paper discusses the advantages of both implementations for a 2D image processing matrix. Results show how higher operating frequency is obtained for the matrix using DPR. However, this is compensated in the VRC during evolution due to the comparatively negligible reconfiguration time. Regarding area, the DPR implementation consumes slightly more resources due to the reconfiguration engine, but adds further more capabilities to the system.

Method to analyze the influence of hysteresis in optical arithmetic units

A new method to analyze the influence of possible hysteresis cycles in devices employed for optical computing architectures is reported. A simple full adder structure is taken as the basis for this method. Single units, called optical programmable logic cells, previously reported by the authors, compose this structure. These cells employ, as basic devices, on-off and SEED-like components. Their hysteresis cycles have been modeled by numerical analysis. The influence of the different characteristic cycles is studied with respect to the obtained possible errors at the output. Two different approaches have been adopted. The first one shows the change in the arithmetic result output with respect to the different values and positions of the hysteresis cycle. The second one offers a similar result, but in a polar diagram where the total behavior of the system is better analyzed.

Digital chaos synchronization in optical networks

A new method to obtain digital chaos synchronization between two systems is reported. It is based on the use of Optically Programmable Logic Cells as chaos generators. When these cells are feedbacked, periodic and chaotic behaviours are obtained. They depend on the ratio between internal and external delay times. Chaos synchronization is obtained if a common driving signal feeds both systems. A control to impose the same boundary conditions to both systems is added to the emitter. New techniques to analyse digital chaos are presented. The main application of these structures is to obtain secure communications in optical networks.

A model of the mammalian retina and the visual cortex. Disorders of vision

A model of the mammalian retina and the behavior of the first layers in the visual cortex is reported. The building blocks are optically programmable logic cells. A model of the retina, similar to the one reported by Dowling (1987) is presented. From the model of the visual cortex obtained, some types of symmetries and asymmetries are possible to be detected

Digital chaotic output from an optically processing element

Digital chaotic behavior in an optically processing element is reported. It is obtained as the result of processing two fixed trains of bits. The process is performed with an optically programmable logic gate, previously reported as a possible main block for optical computing. Outputs for some specific conditions of the circuit are given. Digital chaos is obtained using a feedback configuration. Period doublings in a Feigenbaum‐like scenario are obtained. A new method to characterize this type of digital chaos is reported.

Image processing based on a model of the mammalian retina

A first study in order to construct a simple model of the mammalian retina is reported. The basic elements for this model are Optical Programmable Logic Cells, OPLCs, previously employed as a functional element for Optical Computing. The same type of circuit simulates the five types of neurons present in the retina. Different responses are obtained by modifying either internal or external connections. Two types of behaviors are reported: symmetrical and non-symmetrical with respect to light position. Some other higher functions, as the possibility to differentiate between symmetric and non-symmetric light images, are performed by another simulation of the first layers of the visual cortex. The possibility to apply these models to image processing is reported.

Quasi chaotic digital behaviour in an optically processing

Digital chaotic behavior in an optically processing element is reported. It is obtained as the result of processing two fixed train of bits. The process is performed with an Optically Programmable Logic Gate. Possible outputs for some specific conditions of the circuit are given. These outputs have some fractal characteristics, when input variations are considered. Digital chaotic behavior is obtained by using a feedback configuration. A random-like bit generator is presented.

Secure transmission of information by digital chaotic signals

Protecting signals is one of the main tasks in information transmission. A large number of different methods have been employed since many centuries ago. Most of them have been based on the use of certain signal added to the original one. When the composed signal is received, if the added signal is known, the initial information may be obtained. The main problem is the type of masking signal employed. One possibility is the use of chaotic signals, but they have a first strong limitation: the need to synchronize emitter and receiver. Optical communications systems, based on chaotic signals, have been proposed in a large number of papers. Moreover, because most of the communication systems are digital and conventional chaos generators are analogue, a conversion analogue-digital is needed. In this paper we will report a new system where the digital chaos is obtained from an optically programmable logic structure. This structure has been employed by the authors in optical computing and some previous results in chaotic signals have been reported. The main advantage of this new system is that an analogue-digital conversion is not needed. Previous works by the authors employed Self-Electrooptical Effect Devices but in this case more conventional structures, as semiconductor laser amplifiers, have been employed. The way to analyze the characteristics of digital chaotic signals will be reported as well as the method to synchronize the chaos generators located in the emitter and in the receiver.

A self-adaptive image processing application based on evolvable and scalable hardware

Evolvable Hardware (EH) is a technique that consists of using reconfigurable hardware devices whose configuration is controlled by an Evolutionary Algorithm (EA). Our system consists of a fully-FPGA implemented scalable EH platform, where the Reconfigurable processing Core (RC) can adaptively increase or decrease in size. Figure 1 shows the architecture of the proposed System-on-Programmable-Chip (SoPC), consisting of a MicroBlaze processor responsible of controlling the whole system operation, a Reconfiguration Engine (RE), and a Reconfigurable processing Core which is able to change its size in both height and width. This system is used to implement image filters, which are generated autonomously thanks to the evolutionary process. The system is complemented with a camera that enables the usage of the platform for real time applications.

Digital chaos synchronization in optical networks

A possible approach to the synchronization of chaotic circuits is reported. It is based on an Optically Programmable Logic Cell and as a consequence its output is digital, its application to cryptography in Optical Communications comes directly from its properties. The model here presented is based on a computer simulation.

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

A self-timed multipurpose delay sensor for field programmable gate arrays (FPGAs)

This paper presents a novel self-timed multi-purpose sensor especially conceived for Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). The aim of the sensor is to measure performance variations during the life-cycle of the device, such as process variability, critical path timing and temperature variations. The proposed topology, through the use of both combinational and sequential FPGA elements, amplifies the time of a signal traversing a delay chain to produce a pulse whose width is the sensor’s measurement. The sensor is fully self-timed, avoiding the need for clock distribution networks and eliminating the limitations imposed by the system clock. One single off- or on-chip time-to-digital converter is able to perform digitization of several sensors in a single operation. These features allow for a simplified approach for designers wanting to intertwine a multi-purpose sensor network with their application logic. Employed as a temperature sensor, it has been measured to have an error of ±0.67 °C, over the range of 20–100 °C, employing 20 logic elements with a 2-point calibration.

Cost and energy efficient reconfigurable embedded platform using Spartan-6 FPGAs

Modern FPGAs with run-time reconfiguration allow the implementation of complex systems offering both the flexibility of software-based solutions combined with the performance of hardware. This combination of characteristics, together with the development of new specific methodologies, make feasible to reach new points of the system design space, and make embedded systems built on these platforms acquire more and more importance. However, the practical exploitation of this technique in fields that traditionally have relied on resource restricted embedded systems, is mainly limited by strict power consumption requirements, the cost and the high dependence of DPR techniques with the specific features of the device technology underneath. In this work, we tackle the previously reported problems, designing a reconfigurable platform based on the low-cost and low-power consuming Spartan-6 FPGA family. The full process to develop the platform will be detailed in the paper from scratch. In addition, the implementation of the reconfiguration mechanism, including two profiles, is reported. The first profile is a low-area and low-speed reconfiguration engine based mainly on software functions running on the embedded processor, while the other one is a hardware version of the same engine, implemented in the FPGA logic. This reconfiguration hardware block has been originally designed to the Virtex-5 family, and its porting process will be also described in this work, facing the interoperability problem among different families.