Estimación del consumo de potencia en un terminal portátil multimedia basada en la PMU del procesador

Este proyecto se incluye en una línea de trabajo que tiene como objetivo final la optimización de la energía consumida por un dispositivo portátil multimedia mediante la aplicación de técnicas de control realimentado, a partir de una modificación dinámica de la frecuencia de trabajo del procesador y de su tensión de alimentación. La modificación de frecuencia y tensión se realiza a partir de la información de realimentación acerca de la potencia consumida por el dispositivo, lo que supone un problema ya que no suele ser posible la monitorización del consumo de potencia en dispositivos de estas características. Este es el motivo por el que se recurre a la estimación del consumo de potencia, utilizando para ello un modelo de predicción. A partir del número de veces que se producen ciertos eventos en el procesador del dispositivo, el modelo de predicción es capaz de obtener una estimación de la potencia consumida por dicho dispositivo. El trabajo llevado a cabo en este proyecto se centra en la implementación de un modelo de estimación de potencia en el kernel de Linux. La razón por la que la estimación se implementa en el sistema operativo es, en primer lugar para lograr un acceso directo a los contadores del procesador. En segundo lugar, para facilitar la modificación de frecuencia y tensión, una vez obtenida la estimación de potencia, ya que esta también se realiza desde el sistema operativo. Otro motivo para implementar la estimación en el sistema operativo, es que la estimación debe ser independiente de las aplicaciones de usuario. Además, el proceso de estimación se realiza de forma periódica, lo que sería difícil de lograr si no se trabajase desde el sistema operativo. Es imprescindible que la estimación se haga de forma periódica ya que al ser dinámica la modificación de frecuencia y tensión que se pretende implementar, se necesita conocer el consumo de potencia del dispositivo en todo momento. Cabe destacar también, que los algoritmos de control se tienen que diseñar sobre un patrón periódico de actuación. El modelo de estimación de potencia funciona de manera específica para el perfil de consumo generado por una única aplicación determinada, que en este caso es un decodificador de vídeo. Sin embargo, es necesario que funcione de la forma más precisa posible para cada una de las frecuencias de trabajo del procesador, y para el mayor número posible de secuencias de vídeo. Esto es debido a que las sucesivas estimaciones de potencia se pretenden utilizar para llevar a cabo la modificación dinámica de frecuencia, por lo que el modelo debe ser capaz de continuar realizando las estimaciones independientemente de la frecuencia con la que esté trabajando el dispositivo. Para valorar la precisión del modelo de estimación se toman medidas de la potencia consumida por el dispositivo a las distintas frecuencias de trabajo durante la ejecución del decodificador de vídeo. Estas medidas se comparan con las estimaciones de potencia obtenidas durante esas mismas ejecuciones, obteniendo de esta forma el error de predicción cometido por el modelo y realizando las modificaciones y ajustes oportunos en el mismo. ABSTRACT. This project is included in a work line which tries to optimize consumption of handheld multimedia devices by the application of feedback control techniques, from a dynamic modification of the processor work frequency and its voltage. The frequency and voltage modification is performed depending on the feedback information about the device power consumption. This is a problem because normally it is not possible to monitor the power consumption on this kind of devices. This is the reason why a power consumption estimation is used instead, which is obtained from a prediction model. Using the number of times some events occur on the device processor, the prediction model is able to obtain a power consumption estimation of this device. The work done in this project focuses on the implementation of a power estimation model in the Linux kernel. The main reason to implement the estimation in the operating system is to achieve a direct access to the processor counters. The second reason is to facilitate the frequency and voltage modification, because this modification is also done from the operating system. Another reason to implement the estimation in the operating system is because the estimation must be done apart of the user applications. Moreover, the estimation process is done periodically, what is difficult to obtain outside the operating system. It is necessary to make the estimation in a periodic way because the frequency and voltage modification is going to be dynamic, so it needs to know the device power consumption at every time. Also, it is important to say that the control algorithms have to be designed over a periodic pattern of action. The power estimation model works specifically for the consumption profile generated by a single application, which in this case is a video decoder. Nevertheless, it is necessary that the model works as accurate as possible for each frequency available on the processor, and for the greatest number of video sequences. This is because the power estimations are going to be used to modify dynamically the frequency, so the model must be able to work independently of the device frequency. To value the estimation model precision, some measurements of the device power consumption are taken at different frequencies during the video decoder execution. These measurements are compared with the power estimations obtained during that execution, getting the prediction error committed by the model, and if it is necessary, making modifications and settings on this model.

Ludomática, herramienta de aprendizaje

Desde los comienzos de la enseñanza, siempre se han buscado formas innovadoras para transmitir el conocimiento de profesor a alumno. Desde recursos materiales hasta sistemas de enseñanza complejos, todos juegan un papel esencial en el aprendizaje del alumno. Durante el siglo XVII comienzan a desarrollarse nuevas corrientes de enseñanza cuyo objetivo era el aprendizaje ameno del individuo. Hoy en día pueden utilizarse multitud de medios para desarrollar estos métodos pedagógicos, entre ellos, los juegos interactivos. Con el boom de la tecnología y el desarrollo de las tecnologías de la información, los tutores encuentran en los dispositivos electrónicos todo un apoyo para realizar esta tarea, lo cual viene acompañado de una revolución inminente en la enseñanza. El objetivo de este proyecto es la creación de un videojuego educativo que permita tanto aprender más fácilmente a los alumnos como evaluar los conocimientos adquiridos por éstos a los profesores. Se ha creado Ludomática, un videojuego de tipo juego de mesa donde los jugadores tendrán que utilizar sus conocimientos en determinados temas para ganar la partida. El videojuego puede ser configurado con distintas preguntas del tema que se desee y en tres niveles de dificultad. Además, cuenta con la posibilidad de configurar el número de jugadores, de preguntas y de puntuación máxima, con objeto de crear partidas más o menos largas. Ludomática se constituye como una herramienta educativa completa y personalizable, además de atractiva, mediante la cual los profesores pueden innovar su forma de enseñanza y los alumnos pueden aprender divirtiéndose---ABSTRACT---Since the beginning of teaching, professors have always looked for innovative ways to transmit knowledge from teacher to student. From material resources to teaching complex systems, they all play a vital role in student learning. The development of new forms of education aimed to create enjoyable ways to teach started during the XVII century. Nowadays, It’s easy to find multiple elements to develop this pedagogical methods, including interactive games. Because of the “tech boom” and the rise of the Information and Communication Technologies, teachers can have a lot of support in electronic devices to carry out this task, which comes with an inminent revolution of teaching. The objective of this project is to create an educational video game that allows not only learn much more easily for students, but also evaluate the knowledge acquired by these for teachers. Ludomática has been created as a board videogame where players have to use their knowledge in specific topics to win the game. The game can be configured with different questions of the topic desired and three difficulty levels. It also has the ability to set the number of players, questions and maximum score, in order to control the duration of the game. Ludomática constitutes a complete and customizable educational tool, also attractive, whereby teachers can innovate their teaching forms and students can learn while having fun.

Generación automática de la configuración de subestaciones eléctricas según el Estándar IEC 61850 a partir de una herramienta de diseño gráfico

La evolución de las redes eléctricas se dirige hacia lo que se conoce como “Smart Grids” o “Redes Eléctricas Inteligentes”. Estas “Smart Grids” se componen de subestaciones eléctricas, que a su vez se componen de unos dispositivos llamados IEDs (Dispositivos Electrónicos Inteligentes – Intelligent Electronic Devices). El diseño de IEDs se encuentra definido en la norma IEC 61850, que especifica además un Lenguaje de Configuración de Subestaciones (Substation Configuration Language SCL) para la definición de la configuración de subestaciones y sus IEDs. Hoy en día, este estándar internacional no sólo se utiliza para diseñar correctamente IEDs y asegurar su interoperabilidad, sino que también se utiliza para el diseño de otros dispositivos de la red eléctrica, como por ejemplo, medidores inteligentes. Sin embargo, aunque existe una tendencia cada vez mayor del uso de este estándar, la comprensión y el manejo del mismo resulta difícil debido al gran volumen de información que lo compone y del nivel de detalle que utiliza, por lo que su uso para el diseño de IEDs se hace tedioso sin la ayuda de un soporte software. Es por ello que, para facilitar la aplicación del estándar IEC 61850 en el diseño de IEDs se han desarrollado herramientas como “Visual SCL”, “SCL Explorer” o “61850 SCLVisual Design Tool”. En concreto, “61850 SCLVisual Design Tool” es una herramienta gráfica para el modelado de subestaciones electricas, generada mediante el uso de los frameworks Eclipse Modeling Framework (EMF) y Epsilon Generative Modeling Technologies (GMT) y desarrollada por el grupo de investigación SYST de la UPM. El objetivo de este proyecto es añadir una nueva funcionalidad a la herramienta “61850 Visual SCL DesignTool”. Esta nueva funcionalidad consiste en la generación automática de un fichero de configuración de subestaciones eléctricas según el estándar IEC 61850 a partir de de una herramienta de diseño gráfico. Este fichero, se denomina SCD (Substation Configuration Description), y se trata de un fichero XML conforme a un esquema XSD (XML Schema Definition) mediante el que se define el lenguaje de configuración de subestaciones SCL del IEC 61850. Para el desarrollo de este proyecto, es necesario el estudio del lenguaje para la configuración de subestaciones SCL, así como del lenguaje gráfico específico de dominio definido por la herramienta “61850 SCLVisual Design Tool”, la estructura de los ficheros SCD, y finalmente, del lenguaje EGL (Epsilon Generation Language) para la transformación y generación automática de código a partir de modelos EMF. ABSTRACT Electrical networks are evolving to “Smart Grids”. Smart Grids are composed of electrical substations that in turn are composed of devices called IEDs (Intelligent Electronic Devices). The design of IEDs is defined by the IEC 61850 standard, which also specifies a Substation Configuration Languaje (SCL) used to define the configuration of substations and their IEDs. Nowadays, this international standard is not only used to design properly IEDs and guarantee their interoperability, but it is also used to design different electrical network devices, such as, smart meters. However, although the use of this standard is growing, its compression as well as its management, is still difficult due to its large volume of information and its level of detail. As a result, designing IEDs becomes a tedious task without a software support. As a consequence of this, in order to make easier the application of the IEC 61850 standard while designing IEDs, some software tools have been developed, such as: “Visual SCL”, “SCL Explorer” or “61850 SCLVisual Design Tool”. In particular, “61850 SCLVisual Design Tool” is a graphical tool used to make electrical substations models, and developed with the Eclipse Modeling Framework (EMF) and Epsilon Generative Modeling Technologies (GMT) by the research group SYST of the UPM. The aim of this project is to add a new functionality to “61850 Visual SCL DesignTool”. This new functionality consists of the automatic code generation of a substation configuration file according to the IEC 61850 standard. This file is called SCD (Substation Configuration Description), and it is a XML file that follows a XSD (XML Schema Definition) that defines the Substation Configuration Language (SCL) of the IEC 61850. In order to develop this project, it is necessary to study the Substation Configuration Language (SCL), the domain-specific graphical languaje defined by the tool “61850 SCLVisual Design Tool”, the structure of a SCD file, and the Epsilon Generation Language (EGL) used for the automatic code generation from EMF models

Sistema domótico controlado por mensajería instantánea Whatsapp para personas con discapacidad

El presente PFC tiene como objetivo el desarrollo de un gestor domótico basado en el dictado de voz de la red social WhatsApp. Dicho gestor no solo sustituirá el concepto dañino de que la integración de la domótica hoy en día es cara e inservible sino que acercará a aquellas personas con una discapacidad a tener una mejora en la calidad de vida. Estas personas, con un simple comando de voz a su aplicación WhatsApp de su terminal móvil, podrán activar o desactivar todos los elementos domóticos que su vivienda tenga instalados, “activar lámpara”, “encender Horno”, “abrir Puerta”… Todo a un muy bajo precio y utilizando tecnologías OpenSource El objetivo principal de este PFC es ayudar a la gente con una discapacidad a tener mejor calidad de vida, haciéndose independiente en las labores del hogar, ya que será el hogar quien haga las labores. La accesibilidad de este servicio, es por tanto, la mayor de las metas. Para conseguir accesibilidad para todas las personas, se necesita un servicio barato y de fácil aprendizaje. Se elige la red social WhatsApp como interprete, ya que no necesita de formación al ser una aplicación usada mayoritariamente en España y por la capacidad del dictado de voz, y se eligen las tecnologías OpenSource por ser la gran mayoría de ellas gratuitas o de pago solo el hardware. La utilización de la Red social WhatsApp se justifica por sí sola, en septiembre de 2015 se registraron 900 millones de usuarios. Este dato es fruto, también, de la reciente adquisición por parte de Facebook y hace que cumpla el primer requisito de accesibilidad para el servicio domotico que se presenta. Desde hace casi 5 años existe una API liberada de WhatsApp, que la comunidad OpenSource ha utilizado, para crear sus propios clientes o aplicaciones de envío de mensajes, usando la infraestructura de la red social. La empresa no lo aprueba abiertamente, pero la liberación de la API fue legal y su uso también lo es. Por otra parte la empresa se reserva el derecho de bloquear cuentas por el uso fraudulento de su infraestructura. Las tecnologías OpenSource utilizadas han sido, distribuciones Linux (Raspbian) y lenguajes de programación PHP, Python y BASHSCRIPT, todo cubierto por la comunidad, ofreciendo soporte y escalabilidad. Es por ello que se utiliza, como matriz y gestor domotico central, una RaspberryPI. Los servicios que el gestor ofrece en su primera versión incluyen el control domotico de la iluminación eléctrica general o personal, el control de todo tipo de electrodomésticos, el control de accesos para la puerta principal de entrada y el control de medios audiovisuales. ABSTRACT. This final thesis aims to develop a domotic manager based on the speech recognition capacity implemented in the social network, WhatsApp. This Manager not only banish the wrong idea about how expensive and useless is a domotic installation, this manager will give an opportunity to handicapped people to improve their quality of life. These people, with a simple voice command to their own WhatsApp, could enable or disable all the domotics devices installed in their living places. “On Lamp”, “ON Oven”, “Open Door”… This service reduce considerably the budgets because the use of OpenSource Technologies. The main achievement of this thesis is help handicapped people improving their quality of life, making independent from the housework. The house will do the work. The accessibility is, by the way, the goal to achieve. To get accessibility to a width range, we need a cheap, easy to learn and easy to use service. The social Network WhatsApp is one part of the answer, this app does not need explanation because is used all over the world, moreover, integrates the speech recognition capacity. The OpenSource technologies is the other part of the answer due to the low costs or, even, the free costs of their implementations. The use of the social network WhatsApp is explained by itself. In September 2015 were registered around 900 million users, of course, the recent acquisition by Facebook has helped in this astronomic number and match the first law of this service about the accessibility. Since five years exists, in the internet, a free WhatsApp API. The OpenSource community has used this API to develop their own messaging apps or desktop-clients, using the WhatsApp infrastructure. The company does not approve officially, however le API freedom is legal and the use of the API is legal too. On the other hand, the company can block accounts who makes a fraudulent use of his infrastructure. OpenSource technologies used in this thesis are: Linux distributions (Raspbian) and programming languages PHP, Python and BASHCSRIPT, all of these technologies are covered by the community offering support and scalability. Due to that, it is used a RaspberryPI as the Central Domotic Manager. The domotic services that currently this manager achieve are: Domotic lighting control, electronic devices control, access control to the main door and Media Control.

Desarrollo de un datalink con el chip CC1110 de Texas Instruments para UAVs

Se trata de estudiar el comportamiento de un sistema basado en el chip CC1110 de Texas Instruments, para aplicaciones inalámbricas. Los dispositivos basados en este tipo de chips tienen actualmente gran profusión, dada la demanda cada vez mayor de aplicaciones de gestión y control inalámbrico. Por ello, en la primera parte del proyecto se presenta el estado del arte referente a este aspecto, haciendo mención a los sistemas operativos embebidos, FPGAs, etc. También se realiza una introducción sobre la historia de los aviones no tripulados, que son el vehículo elegido para el uso del enlace de datos. En una segunda parte se realiza el estudio del dispositivo mediante una placa de desarrollo, verificando y comprobando mediante el software suministrado, el alcance del mismo. Cabe resaltar en este punto que el control con la placa mencionada se debe hacer mediante programación de bajo nivel (lenguaje C), lo que aporta gran versatilidad a las aplicaciones que se pueden desarrollar. Por ello, en una tercera parte se realiza un programa funcional, basado en necesidades aportadas por la empresa con la que se colabora en el proyecto (INDRA). Este programa es realizado sobre el entorno de Matlab, muy útil para este tipo de aplicaciones, dada su versatilidad y gran capacidad de cálculo con variables. Para terminar, con la realización de dichos programas, se realizan pruebas específicas para cada uno de ellos, realizando pruebas de campo en algunas ocasiones, con vehículos los más similares a los del entorno real en el que se prevé utilizar. Como implementación al programa realizado, se incluye un manual de usuario con un formato muy gráfico, para que la toma de contacto se realice de una manera rápida y sencilla. Para terminar, se plantean líneas futuras de aplicación del sistema, conclusiones, presupuesto y un anexo con los códigos de programación más importantes. Abstract In this document studied the system behavior based on chip CC1110 of Texas Instruments, for wireless applications. These devices currently have profusion. Right the increasing demand for control and management wireless applications. In the first part of project presents the state of art of this aspect, with reference to the embedded systems, FPGAs, etc. It also makes a history introduction of UAVs, which are the vehicle for use data link. In the second part is studied the device through development board, verifying and checking with provided software the scope. The board programming is C language; this gives a good versatility to develop applications. Thus, in third part performing a functionally program, it based on requirements provided by company with which it collaborates, INDRA Company. This program is developed with Matlab, very useful for such applications because of its versatility and ability to use variables. Finally, with the implementation of such programs, specific tests are performed for each of them, field tests are performed in several cases, and vehicles used for this are the most similar to the actual environment plain to use. Like implementing with the program made, includes a graphical user manual, so your understanding is conducted quickly and easily. Ultimately, present future targets for system applications, conclusions, budget and annex of the most important programming codes.

Integración MPlayer-OpenSVC en el procesador multinúcleo OMAP3530

La constante evolución de dispositivos portátiles multimedia que se ha producido en la última década ha provocado que hoy en día se disponga de una amplia variedad de dispositivos con capacidad para reproducir contenidos multimedia. En consecuencia, la reproducción de esos contenidos en dichos terminales lleva asociada disponer de procesadores que soporten una alta carga computacional, ya que las tareas de descodificación y presentación de video así lo requieren. Sin embargo, un procesador potente trabajando a elevadas frecuencias provoca un elevado consumo de la batería, y dado que se pretende trabajar con dispositivos portátiles, la vida útil de la batería se convierte en un asunto de especial importancia. La problemática que se plantea se ha convertido en una de las principales líneas de investigación del Grupo de Investigación GDEM (Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico). En esta línea de trabajo, se persigue cómo optimizar el consumo de energía en terminales portables desde el punto de vista de la reducción de la calidad de experiencia del usuario a cambio de una mayor autonomía del terminal. Por tanto, para lograr esa reducción de la calidad de experiencia mencionada, se requiere un estándar de codificación de vídeo que así lo permita. El Grupo de Investigación GDEM cuenta con experiencia en el estándar de vídeo escalable H.264/SVC, el cual permite degradar la calidad de experiencia en función de las necesidades/características del dispositivo. Más concretamente, un video escalable contiene embebidas distintas versiones del video original que pueden ser descodificadas en diferentes resoluciones, tasas de cuadro y calidades (escalabilidades espacial, temporal y de calidad respectivamente), permitiendo una adaptación rápida y muy flexible. Seleccionado el estándar H.264/SVC para las tareas de vídeo, se propone trabajar con Mplayer, un reproductor de vídeos de código abierto (open source), al cual se le ha integrado un descodificador para vídeo escalable denominado OpenSVC. Por último, como dispositivo portable se trabajará con la plataforma de desarrollo BeagleBoard, un sistema embebido basado en el procesador OMAP3530 que permite modificar la frecuencia de reloj y la tensión de alimentación dinámicamente reduciendo de este modo el consumo del terminal. Este procesador a su vez contiene integrados un procesador de propósito general (ARM Cortex-A8) y un procesador digital de señal (DSP TMS320C64+TM). Debido a la alta carga computacional de la descodificación de vídeos escalables y la escasa optimización del ARM para procesamiento de datos, se propone llevar a cabo la ejecución de Mplayer en el ARM y encargar la tarea de descodificación al DSP, con la finalidad de reducir el consumo y por tanto aumentar la vida útil del sistema embebido sobre el cual se ejecutará la aplicación desarrollada. Una vez realizada esa integración, se llevará a cabo una caracterización del descodificador alojado en el DSP a través de una serie de medidas de rendimiento y se compararán los resultados con los obtenidos en el proceso de descodificación realizado únicamente en el ARM. ABSTRACT During the last years, the multimedia portable terminals have gradually evolved causing that nowadays a several range of devices with the ability of playing multimedia contents are easily available for everyone. Consequently, those multimedia terminals must have high-performance processors to play those contents because the coding and decoding tasks demand high computational load. However, a powerful processor performing to high frequencies implies higher battery consumption, and this issue has become one of the most important problems in the development cycle of a portable terminal. The power/energy consumption optimization on multimedia terminals has become in one the most significant work lines in the Electronic and Microelectronic Research Group of the Universidad Politécnica de Madrid. In particular, the group is researching how to reduce the user‟s Quality of Experience (QoE) quality in exchange for increased battery life. In order to reduce the Quality of Experience (QoE), a standard video coding that allows this operation is required. The H.264/SVC allows reducing the QoE according to the needs/characteristics of the terminal. Specifically, a scalable video contains different versions of original video embedded in an only one video stream, and each one of them can be decoded in different resolutions, frame rates and qualities (spatial, temporal and quality scalabilities respectively). Once the standard video coding is selected, a multimedia player with support for scalable video is needed. Mplayer has been proposed as a multimedia player, whose characteristics (open-source, enormous flexibility and scalable video decoder called OpenSVC) are the most suitable for the aims of this Master Thesis. Lastly, the embedded system BeagleBoard, based on the multi-core processor OMAP3530, will be the development platform used in this project. The multimedia terminal architecture is based on a commercial chip having a General Purpose Processor (GPP – ARM Cortex A8) and a Digital Signal Processor (DSP, TMS320C64+™). Moreover, the processor OMAP3530 has the ability to modify the operating frequency and the supply voltage in a dynamic way in order to reduce the power consumption of the embedded system. So, the main goal of this Master Thesis is the integration of the multimedia player, MPlayer, executed at the GPP, and scalable video decoder, OpenSVC, executed at the DSP in order to distribute the computational load associated with the scalable video decoding task and to reduce the power consumption of the terminal. Once the integration is accomplished, the performance of the OpenSVC decoder executed at the DSP will be measured using different combinations of scalability values. The obtained results will be compared with the scalable video decoding performed at the GPP in order to show the low optimization of this kind of architecture for decoding tasks in contrast to DSP architecture.

On-Chip Thermal Monitoring: Design, Placement and Interconnection of Temperature Sensors

La temperatura es una preocupación que juega un papel protagonista en el diseño de circuitos integrados modernos. El importante aumento de las densidades de potencia que conllevan las últimas generaciones tecnológicas ha producido la aparición de gradientes térmicos y puntos calientes durante el funcionamiento normal de los chips. La temperatura tiene un impacto negativo en varios parámetros del circuito integrado como el retardo de las puertas, los gastos de disipación de calor, la fiabilidad, el consumo de energía, etc. Con el fin de luchar contra estos efectos nocivos, la técnicas de gestión dinámica de la temperatura (DTM) adaptan el comportamiento del chip en función en la información que proporciona un sistema de monitorización que mide en tiempo de ejecución la información térmica de la superficie del dado. El campo de la monitorización de la temperatura en el chip ha llamado la atención de la comunidad científica en los últimos años y es el objeto de estudio de esta tesis. Esta tesis aborda la temática de control de la temperatura en el chip desde diferentes perspectivas y niveles, ofreciendo soluciones a algunos de los temas más importantes. Los niveles físico y circuital se cubren con el diseño y la caracterización de dos nuevos sensores de temperatura especialmente diseñados para los propósitos de las técnicas DTM. El primer sensor está basado en un mecanismo que obtiene un pulso de anchura variable dependiente de la relación de las corrientes de fuga con la temperatura. De manera resumida, se carga un nodo del circuito y posteriormente se deja flotando de tal manera que se descarga a través de las corrientes de fugas de un transistor; el tiempo de descarga del nodo es la anchura del pulso. Dado que la anchura del pulso muestra una dependencia exponencial con la temperatura, la conversión a una palabra digital se realiza por medio de un contador logarítmico que realiza tanto la conversión tiempo a digital como la linealización de la salida. La estructura resultante de esta combinación de elementos se implementa en una tecnología de 0,35 _m. El sensor ocupa un área muy reducida, 10.250 nm2, y consume muy poca energía, 1.05-65.5nW a 5 muestras/s, estas cifras superaron todos los trabajos previos en el momento en que se publicó por primera vez y en el momento de la publicación de esta tesis, superan a todas las implementaciones anteriores fabricadas en el mismo nodo tecnológico. En cuanto a la precisión, el sensor ofrece una buena linealidad, incluso sin calibrar; se obtiene un error 3_ de 1,97oC, adecuado para tratar con las aplicaciones de DTM. Como se ha explicado, el sensor es completamente compatible con los procesos de fabricación CMOS, este hecho, junto con sus valores reducidos de área y consumo, lo hacen especialmente adecuado para la integración en un sistema de monitorización de DTM con un conjunto de monitores empotrados distribuidos a través del chip. Las crecientes incertidumbres de proceso asociadas a los últimos nodos tecnológicos comprometen las características de linealidad de nuestra primera propuesta de sensor. Con el objetivo de superar estos problemas, proponemos una nueva técnica para obtener la temperatura. La nueva técnica también está basada en las dependencias térmicas de las corrientes de fuga que se utilizan para descargar un nodo flotante. La novedad es que ahora la medida viene dada por el cociente de dos medidas diferentes, en una de las cuales se altera una característica del transistor de descarga |la tensión de puerta. Este cociente resulta ser muy robusto frente a variaciones de proceso y, además, la linealidad obtenida cumple ampliamente los requisitos impuestos por las políticas DTM |error 3_ de 1,17oC considerando variaciones del proceso y calibrando en dos puntos. La implementación de la parte sensora de esta nueva técnica implica varias consideraciones de diseño, tales como la generación de una referencia de tensión independiente de variaciones de proceso, que se analizan en profundidad en la tesis. Para la conversión tiempo-a-digital, se emplea la misma estructura de digitalización que en el primer sensor. Para la implementación física de la parte de digitalización, se ha construido una biblioteca de células estándar completamente nueva orientada a la reducción de área y consumo. El sensor resultante de la unión de todos los bloques se caracteriza por una energía por muestra ultra baja (48-640 pJ) y un área diminuta de 0,0016 mm2, esta cifra mejora todos los trabajos previos. Para probar esta afirmación, se realiza una comparación exhaustiva con más de 40 propuestas de sensores en la literatura científica. Subiendo el nivel de abstracción al sistema, la tercera contribución se centra en el modelado de un sistema de monitorización que consiste de un conjunto de sensores distribuidos por la superficie del chip. Todos los trabajos anteriores de la literatura tienen como objetivo maximizar la precisión del sistema con el mínimo número de monitores. Como novedad, en nuestra propuesta se introducen nuevos parámetros de calidad aparte del número de sensores, también se considera el consumo de energía, la frecuencia de muestreo, los costes de interconexión y la posibilidad de elegir diferentes tipos de monitores. El modelo se introduce en un algoritmo de recocido simulado que recibe la información térmica de un sistema, sus propiedades físicas, limitaciones de área, potencia e interconexión y una colección de tipos de monitor; el algoritmo proporciona el tipo seleccionado de monitor, el número de monitores, su posición y la velocidad de muestreo _optima. Para probar la validez del algoritmo, se presentan varios casos de estudio para el procesador Alpha 21364 considerando distintas restricciones. En comparación con otros trabajos previos en la literatura, el modelo que aquí se presenta es el más completo. Finalmente, la última contribución se dirige al nivel de red, partiendo de un conjunto de monitores de temperatura de posiciones conocidas, nos concentramos en resolver el problema de la conexión de los sensores de una forma eficiente en área y consumo. Nuestra primera propuesta en este campo es la introducción de un nuevo nivel en la jerarquía de interconexión, el nivel de trillado (o threshing en inglés), entre los monitores y los buses tradicionales de periféricos. En este nuevo nivel se aplica selectividad de datos para reducir la cantidad de información que se envía al controlador central. La idea detrás de este nuevo nivel es que en este tipo de redes la mayoría de los datos es inútil, porque desde el punto de vista del controlador sólo una pequeña cantidad de datos |normalmente sólo los valores extremos| es de interés. Para cubrir el nuevo nivel, proponemos una red de monitorización mono-conexión que se basa en un esquema de señalización en el dominio de tiempo. Este esquema reduce significativamente tanto la actividad de conmutación sobre la conexión como el consumo de energía de la red. Otra ventaja de este esquema es que los datos de los monitores llegan directamente ordenados al controlador. Si este tipo de señalización se aplica a sensores que realizan conversión tiempo-a-digital, se puede obtener compartición de recursos de digitalización tanto en tiempo como en espacio, lo que supone un importante ahorro de área y consumo. Finalmente, se presentan dos prototipos de sistemas de monitorización completos que de manera significativa superan la características de trabajos anteriores en términos de área y, especialmente, consumo de energía. Abstract Temperature is a first class design concern in modern integrated circuits. The important increase in power densities associated to recent technology evolutions has lead to the apparition of thermal gradients and hot spots during run time operation. Temperature impacts several circuit parameters such as speed, cooling budgets, reliability, power consumption, etc. In order to fight against these negative effects, dynamic thermal management (DTM) techniques adapt the behavior of the chip relying on the information of a monitoring system that provides run-time thermal information of the die surface. The field of on-chip temperature monitoring has drawn the attention of the scientific community in the recent years and is the object of study of this thesis. This thesis approaches the matter of on-chip temperature monitoring from different perspectives and levels, providing solutions to some of the most important issues. The physical and circuital levels are covered with the design and characterization of two novel temperature sensors specially tailored for DTM purposes. The first sensor is based upon a mechanism that obtains a pulse with a varying width based on the variations of the leakage currents on the temperature. In a nutshell, a circuit node is charged and subsequently left floating so that it discharges away through the subthreshold currents of a transistor; the time the node takes to discharge is the width of the pulse. Since the width of the pulse displays an exponential dependence on the temperature, the conversion into a digital word is realized by means of a logarithmic counter that performs both the timeto- digital conversion and the linearization of the output. The structure resulting from this combination of elements is implemented in a 0.35_m technology and is characterized by very reduced area, 10250 nm2, and power consumption, 1.05-65.5 nW at 5 samples/s, these figures outperformed all previous works by the time it was first published and still, by the time of the publication of this thesis, they outnumber all previous implementations in the same technology node. Concerning the accuracy, the sensor exhibits good linearity, even without calibration it displays a 3_ error of 1.97oC, appropriate to deal with DTM applications. As explained, the sensor is completely compatible with standard CMOS processes, this fact, along with its tiny area and power overhead, makes it specially suitable for the integration in a DTM monitoring system with a collection of on-chip monitors distributed across the chip. The exacerbated process fluctuations carried along with recent technology nodes jeop-ardize the linearity characteristics of the first sensor. In order to overcome these problems, a new temperature inferring technique is proposed. In this case, we also rely on the thermal dependencies of leakage currents that are used to discharge a floating node, but now, the result comes from the ratio of two different measures, in one of which we alter a characteristic of the discharging transistor |the gate voltage. This ratio proves to be very robust against process variations and displays a more than suficient linearity on the temperature |1.17oC 3_ error considering process variations and performing two-point calibration. The implementation of the sensing part based on this new technique implies several issues, such as the generation of process variations independent voltage reference, that are analyzed in depth in the thesis. In order to perform the time-to-digital conversion, we employ the same digitization structure the former sensor used. A completely new standard cell library targeting low area and power overhead is built from scratch to implement the digitization part. Putting all the pieces together, we achieve a complete sensor system that is characterized by ultra low energy per conversion of 48-640pJ and area of 0.0016mm2, this figure outperforms all previous works. To prove this statement, we perform a thorough comparison with over 40 works from the scientific literature. Moving up to the system level, the third contribution is centered on the modeling of a monitoring system consisting of set of thermal sensors distributed across the chip. All previous works from the literature target maximizing the accuracy of the system with the minimum number of monitors. In contrast, we introduce new metrics of quality apart form just the number of sensors; we consider the power consumption, the sampling frequency, the possibility to consider different types of monitors and the interconnection costs. The model is introduced in a simulated annealing algorithm that receives the thermal information of a system, its physical properties, area, power and interconnection constraints and a collection of monitor types; the algorithm yields the selected type of monitor, the number of monitors, their position and the optimum sampling rate. We test the algorithm with the Alpha 21364 processor under several constraint configurations to prove its validity. When compared to other previous works in the literature, the modeling presented here is the most complete. Finally, the last contribution targets the networking level, given an allocated set of temperature monitors, we focused on solving the problem of connecting them in an efficient way from the area and power perspectives. Our first proposal in this area is the introduction of a new interconnection hierarchy level, the threshing level, in between the monitors and the traditional peripheral buses that applies data selectivity to reduce the amount of information that is sent to the central controller. The idea behind this new level is that in this kind of networks most data are useless because from the controller viewpoint just a small amount of data |normally extreme values| is of interest. To cover the new interconnection level, we propose a single-wire monitoring network based on a time-domain signaling scheme that significantly reduces both the switching activity over the wire and the power consumption of the network. This scheme codes the information in the time domain and allows a straightforward obtention of an ordered list of values from the maximum to the minimum. If the scheme is applied to monitors that employ TDC, digitization resource sharing is achieved, producing an important saving in area and power consumption. Two prototypes of complete monitoring systems are presented, they significantly overcome previous works in terms of area and, specially, power consumption.

Ultra high frequency thin film saw devices

Durante los últimos años el flujo de datos en la transmisión que tiene lugar en los sistemas de comunicación ha aumentado considerablemente de forma que día a día se requieren más aplicaciones trabajando en un rango de frecuencias muy alto (3-30 GHz). Muchos de estos sistemas de comunicación incluyen dispositivos de onda acústica superficial (SAW) y por tanto se hace necesario el aumento de frecuencia a la que éstos trabajan. Pero este incremento de frecuencia de los dispositivos SAW no sólo es utilizado en los sistemas de comunicación, varios tipos de sensores, por ejemplo, aumentan su sensibilidad cuando la frecuencia a la que trabajan también lo hace. Tradicionalmente los dispositivos SAW se han fabricado sobre cuarzo, LiNbO3 y LiTaO3 principalmente. Sin embargo la principal limitación de estos materiales es su velocidad SAW. Además, debido a la alta temperatura a la que se depositan no pueden ser integrados en la tecnología de fabricación CMOS. El uso de la tecnología de capa delgada, en la que un material piezoeléctrico es depositado sobre un substrato, se está utilizando en las últimas décadas para incrementar la velocidad SAW de la estructura y poder obtener dispositivos trabajando en el rango de frecuencias requerido en la actualidad. Por otra parte, esta tecnología podría ser integrada en el proceso de fabricación CMOS. Durante esta tesis nos hemos centrado en la fabricación de dispositivos SAW trabajando a muy alta frecuencia. Para ello, utilizando la tecnología de capa delgada, hemos utilizado la estructura nitruro de aluminio (AlN) sobre diamante que permite conseguir velocidades SAW del sustrato que no se pueden alcanzar con otros materiales. El depósito de AlN se realizó mediante sputtering reactivo. Durante esta tesis se han realizado diferentes experimentos para optimizar dicho depósito de forma que se han obtenido los parámetros óptimos para los cuales se pueden obtener capas de AlN de alta calidad sobre cualquier tipo de sustrato. Además todo el proceso se realizó a baja temperatura para que el procesado de estos dispositivos pueda ser compatible con la tecnología CMOS. Una vez optimizada la estructura AlN/diamante, mediante litografía por haz de electrones se fabricaron resonadores SAW de tamaño nanométrico que sumado a la alta velocidad resultante de la combinación AlN/diamante nos ha permitido obtener dispositivos trabajando en el rango de 10-28 GHz con un alto factor de calidad y rechazo fuera de la banda. Estás frecuencias y prestaciones no han sido alcanzadas por el momento en resonadores de este tipo. Por otra parte, se han utilizado estos dispositivos para fabricar sensores de presión de alta sensibilidad. Estos dispositivos son afectados altamente por los cambios de temperatura. Se realizó también un exhaustivo estudio de cómo se comportan en temperatura estos resonadores, entre -250ºC y 250ºC (rango de temperaturas no estudiado hasta el momento) diferenciándose dos regiones una a muy baja temperatura en la que el dispositivo muestra un coeficiente de retraso en frecuencia (TCF) relativamente bajo y otra a partir de los -100ºC en la que el TCF es similar al observado en la bibliografía. Por tanto, durante esta tesis se ha optimizado el depósito de AlN sobre diamante para que sea compatible con la tecnología CMOS y permita el procesado de dispositivos trabajando a muy alta frecuencia con altas prestaciones para comunicaciones y sensores. ABSTRACT The increasing volume of information in data transmission systems results in a growing demand of applications working in the super-high-frequency band (3–30 GHz). Most of these systems work with surface acoustic wave (SAW) devices and thus there is a necessity of increasing their resonance frequency. Moreover, sensor application includes this kind of devices. The sensitivity of them is proportional with its frequency. Traditionally, quartz, LiNbO3 and LiTaO3 have been used in the fabrication of SAW devices. These materials suffer from a variety of limitations and in particular they have low SAW velocity as well as being incompatible with the CMOS technology. In order to overcome these problems, thin film technology, where a piezoelectric material is deposited on top of a substrate, has been used during the last decades. The piezoelectric/substrate structure allows to reach the frequencies required nowadays and could be compatible with the mass electronic production CMOS technology. This thesis work focuses on the fabrication of SAW devices working in the super-high-frequency range. Thin film technology has been used in order to get it, especially aluminum nitride (AlN) deposited by reactive sputtering on diamond has been used to increase the SAW velocity. Different experiments were carried out to optimize the parameters for the deposit of high quality AlN on any kind of substrates. In addition, the system was optimized under low temperature and thus this process is CMOS compatible. Once the AlN/diamond was optimized, thanks to the used e-beam lithography, nanometric SAW resonators were fabricated. The combination of the structure and the size of the devices allow the fabrication of devices working in the range of 10-28 GHz with a high quality factor and out of band rejection. These high performances and frequencies have not been reached so far for this kind of devices. Moreover, these devices have been used as high sensitivity pressure sensors. They are affected by temperature changes and thus a wide temperature range (-250ºC to 250ºC) study was done. From this study two regions were observed. At very low temperature, the temperature coefficient of frequency (TCF) is low. From -100ºC upwards the TCF is similar to the one appearing in the literature. Therefore, during this thesis work, the sputtering of AlN on diamond substrates was optimized for the CMOS compatible fabrication of high frequency and high performance SAW devices for communication and sensor application.

Electronic, structural, and optical properties of the host and Cr-doped cadmium thioindate

The cadmium thioindate spinel CdIn2S4 semiconductor has potential applications for optoelectronic devices. We present a theoretical study of the structural and optoelectronic properties of the host and of the Cr-doped ternary spinel. For the host spinel, we analyze the direct or indirect character of the energy bandgap, the change of the energy bandgap with the anion displacement parameter and with the site cation distribution, and the optical properties. The main effect of the Cr doping is the creation of an intermediate band within the energy bandgap. The character and the occupation of this band are analyzed for two substitutions: Cr by In and Cr by Cd. This band permits more channels for the photon absorption. The optical properties are obtained and analyzed. The absorption coefficients are decomposed into contributions from the different absorption channels and from the inter-and intra-atomic components.

Suitability of artificial neural networks for designing LoC circuits

he simulation of complex LoC (Lab-on-a-Chip) devices is a process that requires solving computationally expensive partial differential equations. An interesting alternative uses artificial neural networks for creating computationally feasible models based on MOR techniques. This paper proposes an approach that uses artificial neural networks for designing LoC components considering the artificial neural network topology as an isomorphism of the LoC device topology. The parameters of the trained neural networks are based on equations for modeling microfluidic circuits, analogous to electronic circuits. The neural networks have been trained to behave like AND, OR, Inverter gates. The parameters of the trained neural networks represent the features of LoC devices that behave as the aforementioned gates. This would mean that LoC devices universally compute.

Electronic properties of doped magnesium thioindate ternary spinel in the normal and in the inverse structure

We present a theoretical study of the structural and electronic properties of the M-doped MgIn2S4 ternary spinel semiconductor with M = V, Cr, and Mn. All substitutions, in the normal and in the inverse structure, are analyzed. Some of these possible substitutions present intermediate-band states in the band gap with a different occupation for a spin component. It increases the possibilities of inter-band transitions and could be interesting for applications in optoelectronic devices. The contribution to, and the electronic configuration of, these intermediate bands for the octahedral and tetrahedral sites is analyzed and discussed. The study of the substitutional energies indicates that these substitutions are favorable. Comparison between the pure and doped hosts absorption coefficients shows that this deeper band opens up more photon absorption channels and could therefore increase the solar-light absorption with respect to the host.

Electronic and optical properties of substitutional V, Cr and Ir impurities in Cu2ZnSnS4

The substitution of cation atoms by V, Cr and It in the natural and synthetic quaternary Cu2ZnSnS4 semiconductor is analyzed using first-principles methods. In most of the substitutions, the electronic structure of these modified CZTS is characterized for intermediate bands with different occupation and position within of the energy band gap. A study of the symmetry and composition of these intermediate bands is carried out for all substitutions. These bands permit additional photon absorption and emission channels depending on their occupation. The optical properties are obtained and analyzed. The absorption coefficients are split into contributions from the different absorption channels and from the inter- and intra-atomic components. The sub bandgap transitions are significant in many cases because the anion states contribute to the valence, conduction and intermediates bands. These properties could therefore be used for novel optoelectronic devices.

Design and Simulation of Deep Nanometer SRAM Cells under Energy, Mismatch, and Radiation Constraints

La fiabilidad está pasando a ser el principal problema de los circuitos integrados según la tecnología desciende por debajo de los 22nm. Pequeñas imperfecciones en la fabricación de los dispositivos dan lugar ahora a importantes diferencias aleatorias en sus características eléctricas, que han de ser tenidas en cuenta durante la fase de diseño. Los nuevos procesos y materiales requeridos para la fabricación de dispositivos de dimensiones tan reducidas están dando lugar a diferentes efectos que resultan finalmente en un incremento del consumo estático, o una mayor vulnerabilidad frente a radiación. Las memorias SRAM son ya la parte más vulnerable de un sistema electrónico, no solo por representar más de la mitad del área de los SoCs y microprocesadores actuales, sino también porque las variaciones de proceso les afectan de forma crítica, donde el fallo de una única célula afecta a la memoria entera. Esta tesis aborda los diferentes retos que presenta el diseño de memorias SRAM en las tecnologías más pequeñas. En un escenario de aumento de la variabilidad, se consideran problemas como el consumo de energía, el diseño teniendo en cuenta efectos de la tecnología a bajo nivel o el endurecimiento frente a radiación. En primer lugar, dado el aumento de la variabilidad de los dispositivos pertenecientes a los nodos tecnológicos más pequeños, así como a la aparición de nuevas fuentes de variabilidad por la inclusión de nuevos dispositivos y la reducción de sus dimensiones, la precisión del modelado de dicha variabilidad es crucial. Se propone en la tesis extender el método de inyectores, que modela la variabilidad a nivel de circuito, abstrayendo sus causas físicas, añadiendo dos nuevas fuentes para modelar la pendiente sub-umbral y el DIBL, de creciente importancia en la tecnología FinFET. Los dos nuevos inyectores propuestos incrementan la exactitud de figuras de mérito a diferentes niveles de abstracción del diseño electrónico: a nivel de transistor, de puerta y de circuito. El error cuadrático medio al simular métricas de estabilidad y prestaciones de células SRAM se reduce un mínimo de 1,5 veces y hasta un máximo de 7,5 a la vez que la estimación de la probabilidad de fallo se mejora en varios ordenes de magnitud. El diseño para bajo consumo es una de las principales aplicaciones actuales dada la creciente importancia de los dispositivos móviles dependientes de baterías. Es igualmente necesario debido a las importantes densidades de potencia en los sistemas actuales, con el fin de reducir su disipación térmica y sus consecuencias en cuanto al envejecimiento. El método tradicional de reducir la tensión de alimentación para reducir el consumo es problemático en el caso de las memorias SRAM dado el creciente impacto de la variabilidad a bajas tensiones. Se propone el diseño de una célula que usa valores negativos en la bit-line para reducir los fallos de escritura según se reduce la tensión de alimentación principal. A pesar de usar una segunda fuente de alimentación para la tensión negativa en la bit-line, el diseño propuesto consigue reducir el consumo hasta en un 20 % comparado con una célula convencional. Una nueva métrica, el hold trip point se ha propuesto para prevenir nuevos tipos de fallo debidos al uso de tensiones negativas, así como un método alternativo para estimar la velocidad de lectura, reduciendo el número de simulaciones necesarias. Según continúa la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos, se incluyen nuevos mecanismos que permiten facilitar el proceso de fabricación, o alcanzar las prestaciones requeridas para cada nueva generación tecnológica. Se puede citar como ejemplo el estrés compresivo o extensivo aplicado a los fins en tecnologías FinFET, que altera la movilidad de los transistores fabricados a partir de dichos fins. Los efectos de estos mecanismos dependen mucho del layout, la posición de unos transistores afecta a los transistores colindantes y pudiendo ser el efecto diferente en diferentes tipos de transistores. Se propone el uso de una célula SRAM complementaria que utiliza dispositivos pMOS en los transistores de paso, así reduciendo la longitud de los fins de los transistores nMOS y alargando los de los pMOS, extendiéndolos a las células vecinas y hasta los límites de la matriz de células. Considerando los efectos del STI y estresores de SiGe, el diseño propuesto mejora los dos tipos de transistores, mejorando las prestaciones de la célula SRAM complementaria en más de un 10% para una misma probabilidad de fallo y un mismo consumo estático, sin que se requiera aumentar el área. Finalmente, la radiación ha sido un problema recurrente en la electrónica para aplicaciones espaciales, pero la reducción de las corrientes y tensiones de los dispositivos actuales los está volviendo vulnerables al ruido generado por radiación, incluso a nivel de suelo. Pese a que tecnologías como SOI o FinFET reducen la cantidad de energía colectada por el circuito durante el impacto de una partícula, las importantes variaciones de proceso en los nodos más pequeños va a afectar su inmunidad frente a la radiación. Se demuestra que los errores inducidos por radiación pueden aumentar hasta en un 40 % en el nodo de 7nm cuando se consideran las variaciones de proceso, comparado con el caso nominal. Este incremento es de una magnitud mayor que la mejora obtenida mediante el diseño de células de memoria específicamente endurecidas frente a radiación, sugiriendo que la reducción de la variabilidad representaría una mayor mejora. ABSTRACT Reliability is becoming the main concern on integrated circuit as the technology goes beyond 22nm. Small imperfections in the device manufacturing result now in important random differences of the devices at electrical level which must be dealt with during the design. New processes and materials, required to allow the fabrication of the extremely short devices, are making new effects appear resulting ultimately on increased static power consumption, or higher vulnerability to radiation SRAMs have become the most vulnerable part of electronic systems, not only they account for more than half of the chip area of nowadays SoCs and microprocessors, but they are critical as soon as different variation sources are regarded, with failures in a single cell making the whole memory fail. This thesis addresses the different challenges that SRAM design has in the smallest technologies. In a common scenario of increasing variability, issues like energy consumption, design aware of the technology and radiation hardening are considered. First, given the increasing magnitude of device variability in the smallest nodes, as well as new sources of variability appearing as a consequence of new devices and shortened lengths, an accurate modeling of the variability is crucial. We propose to extend the injectors method that models variability at circuit level, abstracting its physical sources, to better model sub-threshold slope and drain induced barrier lowering that are gaining importance in FinFET technology. The two new proposed injectors bring an increased accuracy of figures of merit at different abstraction levels of electronic design, at transistor, gate and circuit levels. The mean square error estimating performance and stability metrics of SRAM cells is reduced by at least 1.5 and up to 7.5 while the yield estimation is improved by orders of magnitude. Low power design is a major constraint given the high-growing market of mobile devices that run on battery. It is also relevant because of the increased power densities of nowadays systems, in order to reduce the thermal dissipation and its impact on aging. The traditional approach of reducing the voltage to lower the energy consumption if challenging in the case of SRAMs given the increased impact of process variations at low voltage supplies. We propose a cell design that makes use of negative bit-line write-assist to overcome write failures as the main supply voltage is lowered. Despite using a second power source for the negative bit-line, the design achieves an energy reduction up to 20% compared to a conventional cell. A new metric, the hold trip point has been introduced to deal with new sources of failures to cells using a negative bit-line voltage, as well as an alternative method to estimate cell speed, requiring less simulations. With the continuous reduction of device sizes, new mechanisms need to be included to ease the fabrication process and to meet the performance targets of the successive nodes. As example we can consider the compressive or tensile strains included in FinFET technology, that alter the mobility of the transistors made out of the concerned fins. The effects of these mechanisms are very dependent on the layout, with transistor being affected by their neighbors, and different types of transistors being affected in a different way. We propose to use complementary SRAM cells with pMOS pass-gates in order to reduce the fin length of nMOS devices and achieve long uncut fins for the pMOS devices when the cell is included in its corresponding array. Once Shallow Trench isolation and SiGe stressors are considered the proposed design improves both kinds of transistor, boosting the performance of complementary SRAM cells by more than 10% for a same failure probability and static power consumption, with no area overhead. While radiation has been a traditional concern in space electronics, the small currents and voltages used in the latest nodes are making them more vulnerable to radiation-induced transient noise, even at ground level. Even if SOI or FinFET technologies reduce the amount of energy transferred from the striking particle to the circuit, the important process variation that the smallest nodes will present will affect their radiation hardening capabilities. We demonstrate that process variations can increase the radiation-induced error rate by up to 40% in the 7nm node compared to the nominal case. This increase is higher than the improvement achieved by radiation-hardened cells suggesting that the reduction of process variations would bring a higher improvement.

Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.