Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

Outreach Testing of Ancient Astronomy

This work is an outreach approach to an ubiquitous recent problem in secondary-school education: how to face back the decreasing interest in natural sciences shown by students under ‘pressure’ of convenient resources in digital devices/applications. The approach rests on two features. First, empowering of teen-age students to understand regular natural events around, as very few educated people they meet could do. Secondly, an understanding that rests on personal capability to test and verify experimental results from the oldest science, astronomy, with simple instruments as used from antiquity down to the Renaissance (a capability restricted to just solar and lunar motions). Because lengths in astronomy and daily life are so disparate, astronomy basically involved observing and registering values of angles (along with times), measurements being of two types, of angles on the ground and of angles in space, from the ground. First, the gnomon, a simple vertical stick introduced in Babylonia and Egypt, and then in Greece, is used to understand solar motion. The gnomon shadow turns around during any given day, varying in length and thus angle between solar ray and vertical as it turns, going through a minimum (noon time, at a meridian direction) while sweeping some angular range from sunrise to sunset. Further, the shadow minimum length varies through the year, with times when shortest and sun closest to vertical, at summer solstice, and times when longest, at winter solstice six months later. The extreme directions at sunset and sunrise correspond to the solstices, swept angular range greatest at summer, over 180 degrees, and the opposite at winter, with less daytime hours; in between, spring and fall equinoxes occur, marked by collinear shadow directions at sunrise and sunset. The gnomon allows students to determine, in addition to latitude (about 40.4° North at Madrid, say), the inclination of earth equator to plane of its orbit around the sun (ecliptic), this fundamental quantity being given by half the difference between solar distances to vertical at winter and summer solstices, with value about 23.5°. Day and year periods greatly differing by about 2 ½ orders of magnitude, 1 day against 365 days, helps students to correctly visualize and interpret the experimental measurements. Since the gnomon serves to observe at night the moon shadow too, students can also determine the inclination of the lunar orbital plane, as about 5 degrees away from the ecliptic, thus explaining why eclipses are infrequent. Independently, earth taking longer between spring and fall equinoxes than from fall to spring (the solar anomaly), as again verified by the students, was explained in ancient Greek science, which posited orbits universally as circles or their combination, by introducing the eccentric circle, with earth placed some distance away from the orbital centre when considering the relative motion of the sun, which would be closer to the earth in winter. In a sense, this can be seen as hint and approximation of the elliptic orbit proposed by Kepler many centuries later.

Researching in ancient engineering physical and chemical analysis in hidraulic roman mortars

Around ten years ago investigation of technical and material construction in Ancient Roma has advanced in favour to obtain positive results. This process has been directed to obtaining some dates based in chemical composition, also action and reaction of materials against meteorological assaults or post depositional displacements. Plenty of these dates should be interpreted as a result of deterioration and damage in concrete material made in one landscape with some kind of meteorological characteristics. Concrete mixture like calcium and gypsum mortars should be analysed in laboratory test programs, and not only with descriptions based in reference books of Strabo, Pliny the Elder or Vitruvius. Roman manufacture was determined by weather condition, landscape, natural resources and of course, economic situation of the owner. In any case we must research the work in every facts of construction. On the one hand, thanks to chemical techniques like X-ray diffraction and Optical microscopy, we could know the granular disposition of mixture. On the other hand if we develop physical and mechanical techniques like compressive strength, capillary absorption on contact or water behaviour, we could know the reactions in binder and aggregates against weather effects. However we must be capable of interpret these results. Last year many analyses developed in archaeological sites in Spain has contributed to obtain different point of view, so has provide new dates to manage one method to continue the investigation of roman mortars. If we developed chemical and physical analysis in roman mortars at the same time, and we are capable to interpret the construction and the resources used, we achieve to understand the process of construction, the date and also the way of restoration in future.

Sobre la Arquitectura en la definición del Paisaje

Comúnmente la Arquitectura se manifiesta en los edificios como un hecho de la realidad que tiene siempre carácter contemporáneo y ése debe ser el valor supremo de un arte que no distingue entre antiguo y moderno, por afectar al presente y ser contemporáneo como experiencia. Los objetos se insertan irremediablemente en su medio e incluso llegan a definirlo en ocasiones: así, arquitectura y paisaje, aparecerán a veces confundidos con diferencias difíciles de determinar. El término “paisaje” es relativamente moderno y se deriva de ciertas representaciones gráficas o pictóricas producidas en Occidente en época algo posterior al Renacimiento. No obstante, el hecho de que una palabra se pueda escribir o se cite no quiere decir que la realidad a la que responde no pueda existir, pues lo escrito es solamente un medio de expresión, y es obvio que existen otros quizá más antiguos y de idéntica importancia, pues la propia escritura no es más que el reflejo de un fenómeno que ya se ha producido con anterioridad. Parece así que el testimonio de la realidad viene dado por distintos contextos en lo que suele llamarse “cultura” de modo que las culturas pueden tener aspectos de gran interés mediante diferentes sistemas de expresión variados sin que eso tenga que pasar forzosamente por el filtro de un alfabeto y una escritura. A tenor de los primeros descubrimientos, parece que la cuestión de escribir tuvo originalmente un carácter de constatación de apunte contable y tampoco se puede establecer con certeza si algunos utilizaron la escritura como el so-porte adecuado para referir mitos o historias, pues la Arqueología no ha proporcionado sino testimonios fragmentarios; de lo que si está repleta sin duda la historia es de apuntes contables. Otra cuestión que suscita dudas es la propia definición de escritura, pues parece que los más antiguos modos de expresión escrita se reducen a pictogramas que resultan aún indescifrables. Lenguas y toponimia son también herramientas muy útiles para bucear en el pasado, pero aún así persisten dudas en las escrituras que pro-vienen de las representaciones primordiales: la propia escritura en sus orígenes parece alimentarse de las propias intuiciones inmediatas de la representación, algo que evolucionaría representando esa realidad urgente e inmediata del control o el abastecimiento que luego se convertirían en los fragmentos de texto que han podido conservarse. Es notorio, sin embargo, que ese conjunto enorme de convenios gráficos estaba sujeto a la palabra y la desaparición de las culturas determinó también la desaparición consecuente de sus lenguas, y esos signos - fueran o no escritura - han pasado definitivamente a las zonas oscuras del conocimiento. Escribir supone también disponer de capacidad de abstracción gráfica que diferencie la palabra y la cosa, y es posible que la razón que llevara a ese descubrimiento fuera simplemente el de una economía de signos, pues escritura y lenguaje son limitados por definición, mientras que las cosas del mundo son innumerables: ningún idioma contiene todas las palabras para describir todo lo que puede aparecer. Aparentemente, ese el motivo por el cual existe un localismo – un término específico que refiere algo que existe en un lugar y no en otros - en lo que se refiere a dar el nombre a la cosa y también fuente de paradigma entre los pueblos que se consideran primitivos y los que se consideran civilizados. Debe tenerse en cuenta también que esa transposición se da en ambos sentidos, de modo que las culturas más aisladas también incorporan conceptos que carecen de una explicación racional consistente. Las mitologías son así eternas, pues sirven para explicar realidades que carecen de un entendimiento alcanzable y está también bastante claro que los lenguajes resultan ser un enigma, como realidad autónoma que queda en-cerrada y se explica en sí misma. Parece también que los primeros en escribir las consonantes aisladas fueron los pueblos semíticos occidentales de las orillas del Mediterráneo, pueblos que crearon un alfabeto silábico que llegó a ser utilizado incluso por los tartesios en el sur de la península ibérica como el primer alfabeto de toda Europa occidental. Resulta patente que el término “paisaje” se ha nutrido siempre de representaciones, bien escritas o artísticas, pero queda también claro que esas representaciones se suponen derivadas de la creencia en una idea de paisaje como algo que se ve representado en sí mismo, es decir, como la imagen de una realidad externa situada fuera del individuo. Eso es un hecho trascendente, pues el paisaje requiere lejanía de la cosa, de modo que el actor – aún sabiéndose inserto en su paisaje – es incapaz de percibirlo desde dentro. En el paisaje ocurre igual que en un teatro o en una representación: los actores son conscientes de su papel y su posible cometido, pero no son los que realmente pueden disfrutar de la eficacia o de la propia presencia de la obra, pues forman parte de ella. La idea de paisaje proviene de una lectura externa a la de los propios protagonistas del drama, de modo que si quieren ser un crítico del paisaje se debe abandonar la representación para mirar el espectáculo desde una distancia adecuada, al fin y a cabo externa. De ese modo, aparece la primera constatación del hecho del paisaje como una realidad construida por objetos y personajes, pero, sobre todo, es una realidad construida por miradas. Llama también la atención otorgada en las lecturas de los especialistas hacia esa referencia externa - artística si se quiere - sobre el término “paisaje”, de modo que la bibliografía no especializada sobre el particular siempre acaba en tratados de pintura o poesía. Parece sin embargo que el hombre y sus paisajes son realidades indisolubles desde la propia aparición de la especie, de modo que llevar la cuestión hacia términos exclusivamente esteticistas parece una posición parcial. Hombre y medio han formado siempre una sola unidad, aunque esa unidad se haya convertido en determinados casos en sinónimo de depredación y destrozo. Sin embargo, esa destrucción crea igualmente un paisaje como desolación que es resultado del propio quehacer del hombre: elementos que también poseen un contenido sustancial de memoria en los paisajes industriales como un momento de la Historia previo a la automatización y a la globalización de la vida actuales. Quizá el concepto más interesante desde el punto de vista teórico sea precisamente el de esa cualidad del paisaje como mirada, algo externo producido por el contemplador en un momento ajeno a la pertenencia, una mirada que no es tan sólo estética sino comprensiva, gozosa, activa o analítica - pues existen tantas maneras de mirar como sujetos - sin que pueda definirse con precisión esa contemplación más que en términos que alcanzan la propia individualidad. En términos poéticos, también podría establecerse como ese conjunto de miradas individuales crean también una estructura que hace que ese paisaje se valore y se comprenda, de modo que desde ese punto de vista ese paisaje supone una creación colectiva. Con respeto o como depredador, el hombre se ha instalado en su medio, y al hacerlo, ha dejado huellas dentro del propio paisaje que hacen que tome una determinada significación. Naturalmente, existe una teoría que distingue entre “país” y “paisaje”, asumiendo para el primero la noción exclusiva de territorio en la cual el hombre no tiene papel estético alguno. He intentado muchas veces comprender esa posición, sin acabar de entender el planteamiento que la sustenta: parece que la visión de la cosa estará siempre humanizada, aún en las zonas “vírgenes” o intactas, pues la propia visión hace que el objeto se modifique en su propia unidad perceptiva, creando una curiosa indeterminación que lleva a los conocidos equívocos entre imagen real y representación. Efectivamente, la visión de la cosa requiere de una cultura y unos medios que la informan, de modo que un texto, una pintura, una descripción o una fotografía quedarán ya humanizadas por el propio hecho de ser informadas, pues ello otorga una forma a priori. De ese modo, el paisaje figura inscrito en una función que establece tanto aspectos de un paisaje posible como aspectos del paisaje descrito y solamente podrá hablarse sobre la potencialidad del estado final de ese paisaje y nada del propio paisaje en sí, mientras ese paisaje no quede humanizado por el propio observador. Esta cuestión obliga a elegir una definición de paisaje alejada de presupuestos esteticistas para acercarla a los puramente culturales, de modo que no existe otra vía para la investigación que contemplar esa realidad física en función de las coordenadas del hombre que la habita, dotada del contenido correspondiente a esa revelación. Lejos de las posiciones de la geomorfología, el término “paisaje” implicará así unas condiciones determinadas de contemplación por parte de un sujeto por el cual el espectáculo queda humanizado en dicho acto.Cabe pensar también si no es cierto que todos los paisajes requieren de esa condición humanizada, pues aunque no estén habitados están siempre ocupados por esa mirada que los habita, al igual que un escenario sin público que carece de vigencia. A partir de ahí se sitúan las coordenadas en donde este trabajo configura la presencia de la arquitectura en la definición del paisaje, una premisa que parece ya venir otorgada desde el principio, pues esa misma mirada del espectador ya está dotando de un sentido de orden y jerarquía a la contemplación, unas cualidades que están en la base de toda actividad arquitectónica, De hecho la propia definición de “monumento natural” - en si misma una contradicción – expresa ese conflicto, dotado de un fenómeno de admiración y solape entre cultura y naturaleza, como conceptos enfrentados desde su origen. La conclusión sobre el dilema propuesta en la tesis no ha sido otra que suponer que esas dos realidades que son la cultura y el paisaje se han solapado desde el principio de los tiempos del hombre formando un binomio indeslindable. Se ha dicho antes que el proceso de invasión del territorio por el hombre es significativo, y esa significación es la que origina una creación autónoma que se aísla como un concepto abstracto de los entes naturales, tomándolos como material de trabajo, y estableciendo una oposición conceptual en la realidad perforada e interpretada por el hombre que viene a oponerse a lo que supone la caja cerrada e ignota del enigma del mundo. La cuestión de la significación del hombre sobre el territorio se subsume en la creación de unos productos que permanecen y que son testimonio de la propia cultura, de forma que la cantidad de rastro que el hombre deja sobre el territorio contribuye en mayor medida a la cualificación del paisaje como concepto. Eso lleva a establecer que cualquier paisaje - por el mero hecho de serlo y ser definido así – es ya cultural, puesto que está configurado por los productos de la cultura. Las palabras que puedan quedar encerradas en las piedras de los monumentos o de las ciudades son las de los hombres que trabajaron allí, y también las de los que las habitaron: más aún, el propio sentido del paisaje y su conservación vienen determinados por la presencia del hombre como único interprete de conceptos como ecología o conservación, algo que se pone de manifiesto también en la espantosa devastación que producen los fenómenos propios de la naturaleza. La historia natural, al igual que la vida, están conformadas por éxito y devastación, sin que uno y otra tengan especial preferencia, pues la preferencia se alimenta de otra clase de conceptos. La cuestión de atribuir valores morales al mundo natural es algo muy antiguo, y quizá sea la fuente o el manantial de las primeras religiones, una cuestión que se une a la indefectible noción de mortalidad que define la existencia del hombre frente a la inmanencia de la naturaleza. Esa propia naturaleza está dotada intuitivamente de un carácter “inocente” suponiendo que la inocencia es lo opuesto a la sabiduría. La cuestión es bien otra, ya que la naturaleza no posee ni siquiera algo que pueda definirse como “carácter”, en el sentido personal del término. La cuestión no cae, evidentemente, del lado de las definiciones o de las cualidades, sino del propio análisis de la realidad que el hombre va construyendo, destruyendo, embelleciendo o perjudicando para definir el territorio que habita, interponiendo a su manera recursos, instalaciones y en definitiva todos los testimonios posibles como principal manifestación de su esencia. Entre los artefactos que el hombre produce, uno de los más persistentes y más conspicuamente descritos es el de la arquitectura - entendida aquí en un sentido amplio - es decir, como el conjunto de modificaciones del espacio y del territorio. El espacio se puede modificar de muchos modos, pero en cualquiera de los casos constituye una de las huellas más características que el hombre establece como manifestación física de su propio ser discursivo. También la arquitectura ha demostrado ser una de los fenómenos más persistentes, incluso más que la propia lengua que la origina en su discurso primero antes que pueda ac-cederse a una idea sobre la conformación del material. Es paradigmático que el episodio descrito sobre la Torre de Babel en la Biblia la cuestión de la ambición de los hombres frente a Dios, representada precisamente en una arquitectura, se asimile a la discusión sobre el lenguaje primordial. La cuestión no es baladí, pues el fenómeno de la creación es algo que se concede exclusivamente a los dioses, que por esa razón habitan los territorios a los que los hombres no pueden llegar; territorios de albergue en los que las mitologías sitúan a dioses y demonios, con amplios espacios intermedios donde situar a las divinidades menores, héroes o seres híbridos en los que la coyunda de los dioses con los humanos produce sujetos que alivian el sentido de la mortalidad. El comentario del Génesis también concede un valor a la técnica, al mito de Prometeo y al fuego como creador de excelencia. Frente al progreso prometeico, se postula el valor divino, y la única forma posible de paliar ese progreso es la confusión del lenguaje, pues eso será lo que produzca la dispersión y la falta de acuerdo. La cuestión también puede explicar esa afición tan común por lo canónico en arquitectura que se mantiene a lo largo de grandes períodos, al igual que una gran máquina de inercia. Parece que los conceptos primordiales de la arquitectura basados en elementos simples como el hito, el dintel, lo recto y lo curvo, la rampa o la escalera, y el uso distinto o cualificado que se otorga a la piedra, el ladrillo, la madera o el metal como componentes primordiales del material arquitectónico se haya mantenido a lo largo de muchos milenios sin apenas cambios, al igual que ocurre con las costumbres alimenticias que siguen una progresión ascendente a través de lo crudo, lo asado y lo cocido, hasta obtener distintos grados de refina-miento, pero que siempre se sustentan en la sensación primigenia. El descubrimiento de la arquitectura proviene de un cierto manejo de las dimensiones, y consiguientemente de la geometría. Pero la geometría es cosa abstracta al igual que el lenguaje, de modo que para poder realizar arquitectura se hace necesaria esa capacidad de abstracción primera que luego permite la realización de un dispositivo. La realidad y su número exhiben un divorcio, al igual que las cosas y sus nombres exhiben el suyo, y el análisis numérico es solamente una forma de ver la realidad, una forma rigurosa y exacta – aunque parcial - que solamente representa el modelo ideal al cual la realidad se aproxima en mayor o menor medida: esa aproximación matemática hace que el universo pueda condensarse parcialmente en números, al igual que la realidad puede condensarse en nombres, pero ni el nombre ni el número reflejarán el mundo en toda su complejidad. El número es quizá solamente un medio de describir las cosas, como lo serían las formas puras que responden a una configuración matemática que pueda producirse en teoría en cualquier parte del Universo. Sin embargo, para el ejercicio de la arquitectura es preciso acudir a esa simplificación que exige la visión abstracta del plano como una sección cierta realidad como un corte abstracto del elemento considerado. Con su traza o sin ella, con la propia expresión matemática que lo describa o sin precisarla, esa intuición del plano como elemento generador del espacio es anterior a aquella expresión, al igual que el habla fue anterior a la escritura, pues solamente se produjo a través de ella y como refuerzo y sustituto de la memoria. Existen así abstracciones de la memoria que aparecen derivadas de los signos de la naturaleza aparecidos solamente de forma eventual y fragmentaría: así ocurre con la línea, el cuadrado y el círculo, formas iniciales y abstractas sonsacadas en cierta medida de la observación que dan origen a los primeros signos de la arquitectura primordial, de modo que cuadrados y círculos, elevados a prismas y superficies esféricas o esferoides aparecen en tumbas y edificios elementales de los primeros tiempos mediante una geometría primordial que se superpone al paisaje en el que se inserta. Es cierto también que esas formas se encuentran ya aproximadas en objetos que se encuentran en el medio físico, líneas en extremidades, ramas y miembros; ángulos rectos en algunos cristales que se observan mediante corte o formas circulares en astros y cráteres, pero esa realidad solamente presenta su forma aproximada y no su abstracción pura, de igual modo que el jeroglífico propondrá al ave rapaz para representar la idea de vigilancia y la buena vista, o incluso que la imagen del propio ojo sustituya la idea del Dios que todo lo ve en las culturas anti-guas. La elección fue resuelta, después de muchos intentos y aproximaciones, con la adopción del ángulo recto como un artificio fácil para el replanteo a través del triángulo sagrado 3:4:5 que ya se utilizó para construir las pirámides de Egipto, y que dio origen también a la mayor parte del urbanismo antiguo, coexistiendo con la forma circular primordial en el tipo denominado “tholo”. Aquella trama cuadrangular era uno de los patrones de relleno del espacio más comunes y compactos, y esa fue probablemente la razón por la que en tiempos muy posteriores fuera adoptada como una forma eficaz permanente de organización frente al desorden topológico que procura el conjunto de asociación de plantas circulares. Otra cuestión paradigmática es que esos conceptos primordiales e ignotos - que convergen en el mismo origen de las civilizaciones - se conviertan luego en algo canónico, a través del uso. El canon en sí mismo es algo ideal, como una norma aplicable a objetos de una realidad que ha sido creada solamente como indicio del ca-non, algo abstracto que tiene proporciones estrictas que son siempre las mismas y no obedece a criterios racionales: será absurdo sin embargo buscar el canon griego entre los templos de época como algunos lo hicieron, pues los edificios solamente se aproximan a los ejemplos canónicos y por esa razón se habla del “dórico del Partenón” que es diferente del de Egina o del de Paestum, siendo todos ellos evidentemente dóricos. Sin embargo, esa idea resulta útil al tratadista, al teórico de la arquitectura y al historiador, aun-que solamente refleje una vaga idea de lo que sucede más allá del tratado. Otra cuestión es la sutileza de los ejemplos de arquitectura, y del mismo modo que los cuerpos de los seres vivos jamás son simétricos, aunque respondan a un diseño simétrico general derivado de las condiciones de la división celular, los edificios supuestamente canónicos en los que los especialistas se inspiraron para definir los órdenes clásicos no disponen de esa simetría modular exacta, sino que adaptan un modelo general al lugar siempre cambiante del emplazamiento, es decir, se adaptan con habilidad a la vez que configuran el paisaje en el que se insertan. La luz de los distintos intercolumnios del Partenón es ligeramente distinta, aunque guarde un evidente sentido de simetría axial, de manera que aquellos “órdenes” que formaron la Teoría de la Arquitectura no son más que una bella interpretación sectorial de la arquitectura antigua elaborada por los tratadistas del Renacimiento y, posteriormente, por los neoclásicos. Parece, sin embargo, que ese ansia por el canon como claridad de lenguaje es algo consustancial al desarrollo de la arquitectura, una lingua franca que tiende a evitar la dispersión producida entre los mortales por los dioses antiguos, de modo que si no era posible llegar al cielo de los dioses se procuró que el lenguaje de la Tierra fuera al menos inteligible para poder entenderse entre los hombres. Parece que la estructura del poder siempre requirió de un determinado nivel de organización, y también que las instrucciones se entendieran con claridad: parece que en nuestros tiempos esos antiguos cánones se han sustituido por la obediencia a normas abstractas, dictadas por instituciones también algo abstractas y que tienen nombres divertidos compuestos por siglas, aunque no se conozca bien su virtud. El canon actual está constituido por “normas” que dejan tranquilos a algunos, aunque parece quizá que todo ese entramado formal que sirve como anestesia para el cuerpo social procura también la destrucción de los bosques en formas de montañas ingentes de papel burocrático. Durante muchos siglos las normas fueron otras, en la forma de un canon del cual nadie podía escapar: aún así, mediante la utilización de cánones o sin ellos, la arquitectura prosperó en la civilización desde los primeros refugios cavernarios o los abrigos primigenios y de ese modo fue configurando la realidad, es decir, el paisaje. Como antes se dijo, ese es un viaje de ida y vuelta en el cual ambos se confundían y subsumían: el manejo de las formas y lenguajes de la arquitectura posibilitaría con el tiempo la distinción entre el campo en donde reina el caos y la ciudad, en donde reina teóricamente el orden, creando un divorcio que duraría milenios y que aún persiste. Esa oposición generaría también una forma de paisaje y una serie de usos simbólicos y sagrados de los elementos de la arquitectura - como son puertas y murallas - que se han mantenido conceptualmente aunque hoy las ciudades ya no posean murallas físicas, ni puertas que se cierran con la llegada de la noche. En ese sentido, la arquitectura ha podido definir el paisaje, entendiendo la arquitectura no solamente como los edificios en sí, sino como el hecho de la manifestación del hombre sobre el territorio, de modo que no podrá hablarse de paisaje sin su arquitectura, del mismo modo que no puede hablarse de paisaje sin hombres. Por esta razón, la Tesis habla sobre Arquitectura y Paisaje, pero más particularmente sobre el hecho de la arquitectura en la definición del paisaje, es decir, de como los hechos arquitectónicos van a determinar o no la cualidad y la calificación de un paisaje. Deberá partirse en primer lugar de una definición de lo que se entiende y se ha entendido comúnmente por paisaje: igualmente, y habida cuenta del contexto en el que sitúa el propio trabajo de tesis, la cuestión solamente se circunscribirá a lo que se entiende como cultura occidental, pues el desarrollo de la civilización presenta siempre un color local que hace que el análisis de un fenómeno de esta envergadura tenga distintas connotaciones en las distintas áreas de civilización. De igual modo, y habida cuenta también que el paisaje se construye a través de todas las manifestaciones culturales, se hará a veces necesario indagar en otras disciplinas no arquitectónicas para comprender el alcance de algunos casos en los cuales los restos arquitectónicos han desaparecido, o en los que subsisten escasas trazas. Una definición tan amplia de la Arquitectura llevaría a escribir un relato sobre toda la cultura occidental y por ese motivo solamente se han esbozado ideas sobre la aparición de esos signos sobre el paisaje basados en elementos antiguos y primigenios que se repiten con insistencia y van dando lugar al variado repertorio de la arquitectura occidental cómo conformación de ideas sobre el me-dio y sobre el mundo que se percibe y se habita. ABSTRACT About Architecture in defining Landscape. Abstract Architecture is commonly manifested in buildings as a fact of reality that has always a contemporary character and that should be the highest value of an art that does not distinguish between ancient and modern, to affect the present and be contemporary as experience. Objects are inserted irremediably in their midst and even sometimes come to define it: thus, architecture and landscape, appear sometimes confused with differences difficult to determine. However, the term "landscape" is relatively modern and is derived from certain graphical or pictorial representations produced in the West in some subsequent period to the Renaissance. The fact that a word can be written or quoting does not mean that the reality that can not be answered, because the writing is only a mean of expression, and it is obvious that there are other and perhaps older equally important, because the writing itself is nothing more than the reflection of a phenomenon that has occurred before. It thus appears that the testimony of reality is given by different contexts in what is called "culture", so that cultures can have aspects of great interest by many different expression systems without this necessarily have to pass through the filter of alphabet and writing. Under the initial findings, it appears that the question of writing originally had a character and finding accounting entries, and it can not be established with certainty whether some used writing as the support appropriate to refer myths or stories, because archaeology has provided only fragmentary evidence. Another issue that raises questions is what can properly be defined as writing, it seems that the oldest modes are reduced to writing pictograms are still indecipherable. Languages and place names are also very useful tools for diving in the past, but still questions remain in the scriptures that come from the primordial representations: either it is very well defined what the own writing in its origins: the beginnings seem to feed on immediate intuitions of representation, which would evolve representing reality that urgent and immediate control or supply which is then inherited into fragments. It is noteworthy, however, that this huge set of graphics agreements was subject to the word and the disappearance of cultures determined also the consequent disappearance of their languages, and those signs - whether or not they write - have passed definitively to dark areas of knowledge. Writings supposed also the capacity of abstraction graph differentiates the word and the thing, and it is possible that the reason to carry this discovery was simply that of an economy of signs, for writing and language are limited by definition, while the things of the world are innumerable: no language contains all words to describe all that may appear. Apparently, that's why there is a localism - a specific term that refers to something that exists in one place and not in others - in regards to name the thing and also the source of paradigm among peoples are considered primitive and civilized. It should be noted also that transposition occurs in both directions, so that the most isolated cultures also incorporate concepts that lack a consistent rational explanation. Mythologies are eternal and therefore serve to explain realities that lack an understanding achievable and also pretty clear that languages happen to be an enigma, as an autonomous reality that is enclosed and explains itself. It also seems that the first to write consonants were isolated western Semitic peoples from the shores of the Mediterranean, peoples who created a syllabic alphabet came to be used even by tartesios in southern Iberia as the first alphabet in Western Europe. It is clear that the term "landscape" has always nurtured representations, either written or artis-tic, but it is also clear that these representations are assumed arising from belief in an idea of landscape as something that is represented in itself, as the image of a reality external located outside the individual. That is an important fact because the landscape requires remoteness of the thing, so that the actor - even knowing insert in landscape - is unable to perceive from within. The landscape is just as in a theatre or a performance: the actors are aware of their role and their possible role, but they are not the ones who can really enjoy the efficiency or the presence of the work itself, as part of it. The idea comes from an external landscape reading the principles of players in the drama, so if you want to be a critic of the landscape should leave the actual representation to watch the spectacle from a safe distance, finally external. Thus, the first finding of fact of the landscape appears as a reality constructed by objects and characters, but above all, a reality constructed by looks. Also noteworthy given the readings of specialists to the external reference - art if it could be - on the term "landscape", so no specialized literature on the subject always ends in treatises on painting or poetry. It seems however that the man and his landscapes are inseparable realities from the very onset of the species, so bring the issue into terms exclusively aesthetics seems a partial position. Man and environment have always been a single unit, but that unit has become synonymous with certain cases predation and destruction. Nevertheless, this destruction also creates a landscape as desolation that results from proper task of man elements that also have substantial contents of memory in industrial landscapes as a time of pre-automation history and globalization of current life. Perhaps the most interesting from a theoretical point of view is precisely that quality of landscape as something external produced by the viewer in a strange time of membership, a look that is not only aesthetic but sympathetic, joyful, active concept or analytical - because there are so many ways to look as subjects - it may not be precisely defined that contemplation rather than in terms that reach one's individuality. In poetic terms, it could also be set as the set of individual gazes also create a structure that makes this landscape is valued and understood, so from that point of view that landscape is a collective creation. With respect or as a predator, man has settled in his environment and in doing so has left traces in the landscape itself that make take a certain significance. Naturally, there is a theory that distinguishes what is "home" and what is "nature" providing for the first notion of the exclusive territory in which man has no aesthetic role. I tried many times to understand this position, without understanding the approach that supports: it seems that the vision of the thing is always humane, even in the "virgin" or untouched areas, as the vision itself makes the object modified in its own perceptual unit, creating a curious indeterminacy leading to the known misunderstandings between real image and representation. Indeed, the vision of the thing requires a culture and means that the report, so that a text, a picture, a description or photograph will be humanized by the very fact of being informed, as this provides a way a priori. Thus, the landscape provides a function that sets both aspects of a potential landscape as described aspects of the landscape and can only talk about the potential of the final state of the landscape, while the landscape remains humanized by the observer himself. This question forces to choose a definition of remote landscape budgets purely cultural, so there is another way for research to contemplate that physical reality in terms of the coordinates of the man who inhabits gifted content corresponding to that revelation. Far from the positions of the geomorphology, the term "landscape" and involve a certain condition by contemplation of a subject for which the show is humanized in the act. It should also consider, in the light of the above, if it is not true that all landscapes require that humanized condition, because although they are not inhabited they are always occupied by the look that dwells, like a stage without audience produces no consistent effect. From there the coordinates where this work sets the presence of architecture in defining landscape, a premise which seems to come from the beginning given lie, because that same look is already giving the viewer a sense of order and hierarchy to contemplation, qualities that are at the basis of all architectural activity, in fact the very definition of "natural monument" - in itself a contradiction - expresses this conflict, which has a phenomenon of admiration and overlap between culture and nature as concepts faced since its inception. The conclusion on the dilemma proposed in the thesis has not been another to assume that these two realities are the culture and landscape have overlapped since the beginning of man time forming a pair. It has been said before that the process of invasion of the territory by man is significant, and that meaning is the originating autonomous creation that is isolated as an abstract concept of nature, taking them as working material, and establishing a conceptual opposition in reality and punched by the man who comes to oppose representing the closed and unknown to the enigma of the world interpreted. The question of the significance of the man on the land is subsumed in the creation of products that remain and are testimony of their own culture, so that the trace amount that the man leaves the territory contributes most to the qualification landscape as a concept. That brought into any landscape - by the mere fact of being and being well defined - is already cultural, as it is configured by culture products. The words that can be locked in the stones of the monuments or cities are those of the men who worked there, and also of those who inhabited: even more, the sense of the landscape itself and its conservation are determined by the presence of man as the sole interpreter of concepts such as ecology or conservation, something which becomes manifest also in the awful devastation that produce the phenomena of nature. The natural history, like life, are shaped by success and devastation without special preference, the preference is used for feeding on other kinds of concepts. The question of moral values attributed to the natural world is very ancient, and may be the source or the source of the first religions, an issue that joins the unfailing notion of mortality that defines the existence of man against immanence of nature. That nature is endowed intuitively an "innocent" character assuming that innocence is the opposite of wisdom. The other issue is well, since nature does not even have what is defined as "character" because that is something that serves to qualify beings, but not objects. The question does not fall clearly on the side of the definitions or qualities, but from the analysis of the reality that man is building, destroying or damaging to define the territory, interposing his way resources facilities and possible witness as the main manifestation of its essence. Among the artifacts that man produces one of the most persistent and most conspicuously disclosed is architecture as a way of modification of space and territory. The space can be modified in many ways, but in either case is one of the most characteristic traces that man establishes as a physical manifestation of his own discourse being. Architecture has also proven to be one of the most persistent phenomena, even more than their own language that originates in his speech first. The paradigm wrote in the episode described on the Tower of Babel in the Bible shows the question of ambition of men before God - represented precisely in architecture - is assimilated to the discussion about the primary language. The issue is not trivial, since the phenomenon of creation is something that is granted exclusively to the gods, for that reason inhabit the territories to which men can not reach; territories where the hostel located mythologies gods and demons, with large gaps where to place the minor deities, heroes or hybrid beings where the yoke of the gods with human subjects produces relieving sense of mortality. The commentary on Genesis also gives a value to the art, the myth of Prometheus and fire as creator of excellence. In front of promethean progress, divine value is postulated, and the only possible way to alleviate this progress is the confusion of language, because that is what will produce the dispersion and lack of agreement. The issue may also explain such a common passion for the canonical architecture maintained throughout long periods, like a great machine inertia. It seems that the main concepts of architecture based on simple elements like milestone, lintels, straight and curved stairs or ramps, or other qualified and used are granted to the stone, brick, wood or metal as the primary components of the architectural material maintained throughout many millennia are almost unchanged, as is the case with the eating habits that follow a progression through the raw, the cooked and roasted or fried until obtain different degrees of refinement, but always are based on the primal feeling. The discovery of the architecture comes from a management dimensions, and consequently the geometry. But the geometry is abstract thing like the language so that to make architecture that first absorption capacity which then allows the realization of a device is necessary. Reality and its number exhibit a divorce, like things and their names displayed his; numerical analysis is just one way of seeing reality, rigorous and accurate - though partial - only represents the ideal model to which reality is coming to a greater or lesser extent: the mathematical approach makes the universe can condense on numbers, like reality may condense on names, but neither the name nor the number will reflect in all its complexity. The number is only a means of describing things, such as the pure forms that match setup a mathematical theory that occurs anywhere in the universe. However, for the practice of architecture is necessary to go to the simplification that requires abstract view of a section plane of reality, as an abstract element considered cutting. With its trace or not, with the mathematical expression that describes what or without clarify, this intuition of the plane as a generator of space predates his own expression, like speech preceded the writing, which only occurred through it and as reinforcement and replacement of memory. There are abstractions of memory displayed on the signs of nature only on casual and fragmentary, such as line, square and circle: those initials and abstract forms located in abstraction give rise to the first signs of primordial architecture, so that squares and circles, lifting two prisms and spheroids or spherical surfaces appear in tombs and elementary buildings the first few times, and that primordial geometry overlaps the landscape in which it is inserted. It is also true that these forms are approximate objects found in the physical environment, limb lines, branches and limbs; straight in some crystals angles observed by cutting or circular in stars and craters forms, but only the approximate shape and not its abstraction, just as the hieroglyphic of a falcon to represent the idea of surveillance presents the good view, or even the image of the eye itself replace the idea of the all-seeing God. The election was resolved, after many attempts and approaches, with the adoption of the right angle as an easy trick for stake through the sacred triangle 3:4:5 already used to build the pyramids of Egypt, and also gave rise to most of the old urbanism tend coexist with the primary circular form type called "Tholo". That frame homer was one of the fill patterns of common and compact space, and that was probably the reason why in much later times was adopted as a permanent effective form of organization against the topological disorder that seeks the set of association circular plants. Another issue is that these paradigmatic and unknown primary concepts - that converge at the origin of civilizations - then become something canon, through use. The canon itself is something ideal, as a rule for objects of a reality that has been created only as an indication of the ca-non, something abstract that has strict proportions are always the same and not due to rational criteria: be absurd however seek the Greek canon among the temples of time as some did, because the buildings only approximate the canonical examples and for that reason we speak of "doric from Parthenon" which is different from Aegina or Paestum, being all clearly doric. However, this idea is useful to scholar, the architectural theorist and historian, although it reflects only a vague idea of what happens beyond the book. Another issue is the subtlety of the examples of architecture, just as the bodies of living beings are never symmetrical, even if they involve a general symmetrical design derived from the conditions of cell division, the supposedly canonical buildings where specialists were inspired to define the classical orders do not have that exact modular symmetry, but a general model adapted to the ever changing location of the site shaping the landscape in which they are inserted. The light of the various bays of the Parthenon is slightly different, but keep a clear sense of axial symmetry, so that those "orders" that formed the theory of architecture are just a beautiful sectoral interpretation of ancient architecture developed by writers of the Renaissance and later by neoclassical. It seems, however, that craving for clarity of language canon as is inherent to the development of architecture, a lingua franca that tends to avoid scattering among mortals by the ancient gods, so if it was not possible the heaven of the gods sought the language of the Earth was at least intelligible to be understood. Power structure has always required a certain level of organization, and the instructions are clearly understood: it seems that in our times these ancient canons were replaced by obedience to abstract rules, issued by institutions also somewhat abstract and have funny names made up acronym, although not well known virtue. The current canon consists of "rules" that leave some quiet, although it seems that maybe all that interweaves-do formally serving as anaesthesia for the social body also seeks the destruction of forests in forms of huge mountains of bureaucratic paper. For many centuries were other rules, in the form of a canon which no one could escape: still using royalties or without them, civilization flourished in architecture from the earliest cave shelters or shelters and the primordial reality was setting mode in landscape. As noted above, this is a return trip in which both confused and subsumed: the management of forms and languages of architecture over time would allow the distinction between the field where chaos reigns and city, where order reigns theoretically creating a divorce that lasted millennia and still persists. This opposition also generate a form of landscape and a series of symbolic and sacred uses of architectural elements - such as doors and walls - which have remained conceptually although today the cities no longer having physical walls or doors close during the night. In this sense, the architecture could define the landscape, architecture is not only understood as the buildings themselves, but the fact of the manifestation of the man on the premises, so you can not speak without his landscape architecture, the same so we can not speak of landscape without men. For this reason, the thesis discusses architecture and landscape, but more particularly to the fact of architecture in defining landscape, as the facts of architectural or not will determine the quality and qualification of a landscape. One should begin first a definition of what is understood and has been commonly understood by landscape: equally, and given the context in which it places the own thesis work, the issue only be limited to what is understood as western culture, for the development of civilization always has a local colour that makes the analysis of a phenomenon of this magnitude have different connotations in different areas of civilization. Similarly, and given also that the landscape is constructed through all cultural manifestations, will sometimes necessary to investigate other non-architectural disciplines to understand the scope of some cases in which the architectural remains have disappeared, or the remaining few traces. Such a broad definition of architecture take to write a story about all of Western culture and for this reason only been sketched ideas about the appearance of these signs on the landscape based on ancient and primitive elements are repeated insistently and leading the varied repertoire of Western architecture shaping ideas about how the media and the world is perceived and inhabited.

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A study of the mechanical properties of adobe bricks collected from houses and land dividing walls in Aveiro district, Portugal, representative of existing traditional constructions, was conducted. Cylindrical adobe specimens were subjected to simple compression and splitting tests. From these tests it was possible to evaluate the strength capacity, stiffness and deformation evolution for increasing loading. Correlations between the evaluated properties were determined, and the results obtained for houses and land dividing walls were compared. This study contributes for the characterization of adobes traditionally used in Aveiro district, and provides reference values that can be considered in rehabilitation processes

Adobe's Mechanical Characterization in Ancient Constructions: The Case of Aveiro's Region

Adobe is commonly found in Aveiro's ancient constructions. Preservation and rehabilitation of those constructions, some of them with architectural and historical interest, has been forgotten for many years. As a result, in Aveiro region, the majority of existing constructions in adobe is structurally weak, and, in several cases, they are in the threshold of ruin. Rehabilitation and/or strengthening urge. Despite some efforts has been made, a great difficulty for technicians working on the rehabilitation of these constructions relies on the lack of knowledge on adobe's mechanical behaviour. In fact, in order to properly describe the structural behaviour of those constructions, there is a need to investigate the mechanical behaviour of adobe. Hence, this paper is based on a study intended to characterise the behaviour of adobe brick units. Specimens were prepared from selected representative constructions of the Aveiro region. The prepared specimens were tested in order to evaluate their mechanical behaviour in compression and tension

Economics of Wheat in Egypt

Este estudio pretende estimar la eficiencia y la productividad de las principales provincias de la producción de trigo en Egipto. Los datos utilizados en este estudio son datos de panel a nivel de provincias del período 1990-2012, obtenidos del Ministerio de Agricultura y Recuperación Tierras, y de la Agencia Central de Movilización Pública y Estadística, Egipto. Se aplica el enfoque de fronteras estocásticas para medir la eficiencia (función de producción de Cobb-Douglas) y se emplean las especificaciones de Battese y Coelli (1992) y (1995). También se utiliza el índice de Malmquist como una aproximación no paramétrica (Análisis de Envolvente de Datos) para descomponer la productividad total de los factores de las principales provincias productoras de trigo en Egipto en cambio técnico y cambio de eficiencia. El coeficiente de tierra es positivo y significativo en los dos especificaciones Battese y Coelli (1992) y (1995), lo que implica que aumentar la tierra para este cultivo aumentaría significativamente la producción de trigo. El coeficiente de trabajo es positivo y significativo en la especificación de Battese y Coelli (1992), mientras que es positivo y no significativo en la especificación de Battese y Coelli (1995). El coeficiente de la maquinaria es negativo y no significativo en las dos especificaciones de Battese y Coelli (1992) y (1995). El coeficiente de cambio técnico es positivo y no significativo en la especificación de Battese y Coelli (1992), mientras que es positiva y significativo en la especificación de Battese y Coelli (1995). Las variables de efectos del modelo de ineficiencia Battese y Coelli (1995) indican que no existe impacto de las diferentes provincias en la producción de trigo en Egipto; la ineficiencia técnica de la producción de trigo tendió a disminuir durante el período de estudio; y no hay ningún impacto de género en la producción de trigo en Egipto. Los niveles de eficiencia técnica varían entre las diferentes provincias para las especificaciones de Battese y Coelli (1992) y (1995); el nivel mínimo medio de eficiencia técnica es 91.61% en la provincia de Fayoum, mientras que el nivel máximo medio de la eficiencia técnica es 98.69% en la provincia de Dakahlia. La eficiencia técnica toma un valor medio de 95.37%, lo que implica poco potencial para mejorar la eficiencia de uso de recursos en la producción de trigo. La TFPCH de la producción de trigo en Egipto durante el período 1990-2012 tiene un valor menor que uno y muestra un declive. Esta disminución es debida más al componente de cambio técnico que al componente de cambio de eficiencia. La disminución de TFPCH mejora con el tiempo. La provincia de Menoufia tiene la menor disminución en TFPCH, 6.5%, mientras que dos provincias, Sharkia y Dakahlia, son las que más disminuyen en TFPCH, 13.1%, en cada uno de ellas. Menos disminución en TFPCH ocurre en el período 2009-2010, 0.3%, mientras que más disminución se produce en TFPCH en el período 1990-1991, 38.9%. La disminución de la PTF de la producción de trigo en Egipto se atribuye principalmente a la mala aplicación de la tecnología. ABSTRACT The objectives of this study are to estimate the efficiency and productivity of the main governorates of wheat production in Egypt. The data used in this study is a panel data at the governorates level, it represents the time period 1990-2012 and taken from the Ministry of Agriculture and Land Reclamation, and the Central Agency for Public Mobilization and Statistics, Egypt. We apply the stochastic frontier approach for efficiency measurement (Cobb-Douglas production function) and the specifications of Battese and Coelli (1992) and (1995) are employed. Also we use Malmquist TFP index as a non-parametric approach (DEA) to decompose total factor productivity of the main governorates of wheat production in Egypt into technical change and efficiency change. The coefficient of land is positive and significant at Battese and Coelli (1992) and (1995) specifications, implying that increasing the wheat area could significantly enhance the production of wheat. The coefficient of labor is positive and significant at Battese and Coelli (1992) specification, while it is positive and insignificant at Battese and Coelli (1995) specification. The coefficient of machinery is negative and insignificant at the specifications of Battese and Coelli (1992) and (1995). The technical change coefficient is positive and insignificant at Battese and Coelli (1992) specification, while it is positive and significant at Battese and Coelli (1995) specification. The variables of the inefficiency effect model indicate that there is no impact from the location of the different governorates on wheat production in Egypt, the technical inefficiency of wheat production tended to decrease through the period of study, and there is no impact from the gender on wheat production in Egypt. The levels of technical efficiency vary among the different governorates for the specifications of Battese and Coelli (1992) and (1995); the minimum mean level of technical efficiency is 91.61% at Fayoum governorate, while the maximum mean level of technical efficiency is 98.69% at Dakahlia governorate. The technical efficiency takes an average value of 95.37%, this implying that little potential exists to improve resource use efficiency in wheat production. The TFPCH of wheat production in Egypt during the time period 1990-2012 has a value less than one and shows a decline; this decline is due mainly to the technical change component than the efficiency change component. The decline in TFPCH is generally improves over time. Menoufia governorate has the least declining in TFPCH by 6.5%, while two governorates, Sharkia and Dakahlia have the most declining in TFPCH by 13.1% for each of them. The least declining in TFPCH occurred at the period 2009- 2010 by 0.3%, while the most declining in TFPCH occurred at the period 1990-1991 by 38.9%. The declining in TFP of wheat production in Egypt is attributed mainly to poor application of technology.