Critical aspects of substrate nanopatterning for the ordered growth of GaN nanocolumns.

Precise and reproducible surface nanopatterning is the key for a successful ordered growth of GaN nanocolumns. In this work, we point out the main technological issues related to the patterning process, mainly surface roughness and cleaning, and mask adhesion to the substrate. We found that each of these factors, process-related, has a dramatic impact on the subsequent selective growth of the columns inside the patterned holes. We compare the performance of e-beam lithography, colloidal lithography, and focused ion beam in the fabrication of hole-patterned masks for ordered columnar growth. These results are applicable to the ordered growth of nanocolumns of different materials.

Safety-related issues for high-speed railway bridges

Railway bridges have specific requirements related to safety, which often are critical aspects of design. In this paper the main phenomena are reviewed, namely vertical dynamic effects for impact effect of moving loads and resonance in high-speed, service limit states which affect the safety of running traffic, and lateral dynamic effects.

Biosensors based on vertically interrogated optofluidic sensing cells

El objetivo de la presente tesis doctoral es el desarrollo de un nuevo concepto de biosensor óptico sin marcado, basado en una combinación de técnicas de caracterización óptica de interrogación vertical y estructuras sub-micrométricas fabricadas sobre chips de silicio. Las características más importantes de dicho dispositivo son su simplicidad, tanto desde el punto de vista de medida óptica como de introducción de las muestras a medir en el área sensible, aspectos que suelen ser críticos en la mayoría de sensores encontrados en la literatura. Cada uno de los aspectos relacionados con el diseño de un biosensor, que son fundamentalmente cuatro (diseño fotónico, caracterización óptica, fabricación y fluídica/inmovilización química) son desarrollados en detalle en los capítulos correspondientes. En la primera parte de la tesis se hace una introducción al concepto de biosensor, en qué consiste, qué tipos hay y cuáles son los parámetros más comunes usados para cuantificar su comportamiento. Posteriormente se realiza un análisis del estado del arte en la materia, enfocado en particular en el área de biosensores ópticos sin marcado. Se introducen también cuáles son las reacciones bioquímicas a estudiar (inmunoensayos). En la segunda parte se describe en primer lugar cuáles son las técnicas ópticas empleadas en la caracterización: Reflectometría, Elipsometría y Espectrometría; además de los motivos que han llevado a su empleo. Posteriormente se introducen diversos diseños de las denominadas "celdas optofluídicas", que son los dispositivos en los que se va a producir la interacción bioquímica. Se presentan cuatro dispositivos diferentes, y junto con ellos, se proponen diversos métodos de cálculo teórico de la respuesta óptica esperada. Posteriormente se procede al cálculo de la sensibilidad esperada para cada una de las celdas, así como al análisis de los procesos de fabricación de cada una de ellas y su comportamiento fluídico. Una vez analizados todos los aspectos críticos del comportamiento del biosensor, se puede realizar un proceso de optimización de su diseño. Esto se realiza usando un modelo de cálculo simplificado (modelo 1.5-D) que permite la obtención de parámetros como la sensibilidad y el límite de detección de un gran número de dispositivos en un tiempo relativamente reducido. Para este proceso se escogen dos de las celdas optofluídicas propuestas. En la parte final de la tesis se muestran los resultados experimentales obtenidos. En primer lugar, se caracteriza una celda basada en agujeros sub-micrométricos como sensor de índice de refracción, usando para ello diferentes líquidos orgánicos; dichos resultados experimentales presentan una buena correlación con los cálculos teóricos previos, lo que permite validar el modelo conceptual presentado. Finalmente, se realiza un inmunoensayo químico sobre otra de las celdas propuestas (pilares nanométricos de polímero SU-8). Para ello se utiliza el inmunoensayo de albumina de suero bovino (BSA) y su anticuerpo (antiBSA). Se detalla el proceso de obtención de la celda, la funcionalización de la superficie con los bioreceptores (en este caso, BSA) y el proceso de biorreconocimiento. Este proceso permite dar una primera estimación de cuál es el límite de detección esperable para este tipo de sensores en un inmunoensayo estándar. En este caso, se alcanza un valor de 2.3 ng/mL, que es competitivo comparado con otros ensayos similares encontrados en la literatura. La principal conclusión de la tesis es que esta tipología de dispositivos puede ser usada como inmunosensor, y presenta ciertas ventajas respecto a los actualmente existentes. Estas ventajas vienen asociadas, de nuevo, a su simplicidad, tanto a la hora de medir ópticamente, como dentro del proceso de introducción de los bioanalitos en el área sensora (depositando simplemente una gota sobre la micro-nano-estructura). Los cálculos teorícos realizados en los procesos de optimización sugieren a su vez que el comportamiento del sensor, medido en magnitudes como límite de detección biológico puede ser ampliamente mejorado con una mayor compactación de pilares, alcanzandose un valor mínimo de 0.59 ng/mL). The objective of this thesis is to develop a new concept of optical label-free biosensor, based on a combination of vertical interrogation optical techniques and submicron structures fabricated over silicon chips. The most important features of this device are its simplicity, both from the point of view of optical measurement and regarding to the introduction of samples to be measured in the sensing area, which are often critical aspects in the majority of sensors found in the literature. Each of the aspects related to the design of biosensors, which are basically four (photonic design, optical characterization, fabrication and fluid / chemical immobilization) are developed in detail in the relevant chapters. The first part of the thesis consists of an introduction to the concept of biosensor: which elements consists of, existing types and the most common parameters used to quantify its behavior. Subsequently, an analysis of the state of the art in this area is presented, focusing in particular in the area of label free optical biosensors. What are also introduced to study biochemical reactions (immunoassays). The second part describes firstly the optical techniques used in the characterization: reflectometry, ellipsometry and spectrometry; in addition to the reasons that have led to their use. Subsequently several examples of the so-called "optofluidic cells" are introduced, which are the devices where the biochemical interactions take place. Four different devices are presented, and their optical response is calculated by using various methods. Then is exposed the calculation of the expected sensitivity for each of the cells, and the analysis of their fabrication processes and fluidic behavior at the sub-micrometric range. After analyzing all the critical aspects of the biosensor, it can be performed a process of optimization of a particular design. This is done using a simplified calculation model (1.5-D model calculation) that allows obtaining parameters such as sensitivity and the detection limit of a large number of devices in a relatively reduced time. For this process are chosen two different optofluidic cells, from the four previously proposed. The final part of the thesis is the exposition of the obtained experimental results. Firstly, a cell based sub-micrometric holes is characterized as refractive index sensor using different organic fluids, and such experimental results show a good correlation with previous theoretical calculations, allowing to validate the conceptual model presented. Finally, an immunoassay is performed on another typology of cell (SU-8 polymer pillars). This immunoassay uses bovine serum albumin (BSA) and its antibody (antiBSA). The processes for obtaining the cell surface functionalization with the bioreceptors (in this case, BSA) and the biorecognition (antiBSA) are detailed. This immunoassay can give a first estimation of which are the expected limit of detection values for this typology of sensors in a standard immunoassay. In this case, it reaches a value of 2.3 ng/mL, which is competitive with other similar assays found in the literature. The main conclusion of the thesis is that this type of device can be used as immunosensor, and has certain advantages over the existing ones. These advantages are associated again with its simplicity, by the simpler coupling of light and in the process of introduction of bioanalytes into the sensing areas (by depositing a droplet over the micro-nano-structure). Theoretical calculations made in optimizing processes suggest that the sensor Limit of detection can be greatly improved with higher compacting of the lattice of pillars, reaching a minimum value of 0.59 ng/mL).

Contribution to the quality improvement of the antenna measurement using post-processing techniques = Contribución a la mejora de la calidad de medida de antena usando técnicas de post-procesado

One important task in the design of an antenna is to carry out an analysis to find out the characteristics of the antenna that best fulfills the specifications fixed by the application. After that, a prototype is manufactured and the next stage in design process is to check if the radiation pattern differs from the designed one. Besides the radiation pattern, other radiation parameters like directivity, gain, impedance, beamwidth, efficiency, polarization, etc. must be also evaluated. For this purpose, accurate antenna measurement techniques are needed in order to know exactly the actual electromagnetic behavior of the antenna under test. Due to this fact, most of the measurements are performed in anechoic chambers, which are closed areas, normally shielded, covered by electromagnetic absorbing material, that simulate free space propagation conditions, due to the absorption of the radiation absorbing material. Moreover, these facilities can be employed independently of the weather conditions and allow measurements free from interferences. Despite all the advantages of the anechoic chambers, the results obtained both from far-field measurements and near-field measurements are inevitably affected by errors. Thus, the main objective of this Thesis is to propose algorithms to improve the quality of the results obtained in antenna measurements by using post-processing techniques and without requiring additional measurements. First, a deep revision work of the state of the art has been made in order to give a general vision of the possibilities to characterize or to reduce the effects of errors in antenna measurements. Later, new methods to reduce the unwanted effects of four of the most commons errors in antenna measurements are described and theoretical and numerically validated. The basis of all them is the same, to perform a transformation from the measurement surface to another domain where there is enough information to easily remove the contribution of the errors. The four errors analyzed are noise, reflections, truncation errors and leakage and the tools used to suppress them are mainly source reconstruction techniques, spatial and modal filtering and iterative algorithms to extrapolate functions. Therefore, the main idea of all the methods is to modify the classical near-field-to-far-field transformations by including additional steps with which errors can be greatly suppressed. Moreover, the proposed methods are not computationally complex and, because they are applied in post-processing, additional measurements are not required. The noise is the most widely studied error in this Thesis, proposing a total of three alternatives to filter out an important noise contribution before obtaining the far-field pattern. The first one is based on a modal filtering. The second alternative uses a source reconstruction technique to obtain the extreme near-field where it is possible to apply a spatial filtering. The last one is to back-propagate the measured field to a surface with the same geometry than the measurement surface but closer to the AUT and then to apply also a spatial filtering. All the alternatives are analyzed in the three most common near-field systems, including comprehensive noise statistical analyses in order to deduce the signal-to-noise ratio improvement achieved in each case. The method to suppress reflections in antenna measurements is also based on a source reconstruction technique and the main idea is to reconstruct the field over a surface larger than the antenna aperture in order to be able to identify and later suppress the virtual sources related to the reflective waves. The truncation error presents in the results obtained from planar, cylindrical and partial spherical near-field measurements is the third error analyzed in this Thesis. The method to reduce this error is based on an iterative algorithm to extrapolate the reliable region of the far-field pattern from the knowledge of the field distribution on the AUT plane. The proper termination point of this iterative algorithm as well as other critical aspects of the method are also studied. The last part of this work is dedicated to the detection and suppression of the two most common leakage sources in antenna measurements. A first method tries to estimate the leakage bias constant added by the receiver’s quadrature detector to every near-field data and then suppress its effect on the far-field pattern. The second method can be divided into two parts; the first one to find the position of the faulty component that radiates or receives unwanted radiation, making easier its identification within the measurement environment and its later substitution; and the second part of this method is able to computationally remove the leakage effect without requiring the substitution of the faulty component. Resumen Una tarea importante en el diseño de una antena es llevar a cabo un análisis para averiguar las características de la antena que mejor cumple las especificaciones fijadas por la aplicación. Después de esto, se fabrica un prototipo de la antena y el siguiente paso en el proceso de diseño es comprobar si el patrón de radiación difiere del diseñado. Además del patrón de radiación, otros parámetros de radiación como la directividad, la ganancia, impedancia, ancho de haz, eficiencia, polarización, etc. deben ser también evaluados. Para lograr este propósito, se necesitan técnicas de medida de antenas muy precisas con el fin de saber exactamente el comportamiento electromagnético real de la antena bajo prueba. Debido a esto, la mayoría de las medidas se realizan en cámaras anecoicas, que son áreas cerradas, normalmente revestidas, cubiertas con material absorbente electromagnético. Además, estas instalaciones se pueden emplear independientemente de las condiciones climatológicas y permiten realizar medidas libres de interferencias. A pesar de todas las ventajas de las cámaras anecoicas, los resultados obtenidos tanto en medidas en campo lejano como en medidas en campo próximo están inevitablemente afectados por errores. Así, el principal objetivo de esta Tesis es proponer algoritmos para mejorar la calidad de los resultados obtenidos en medida de antenas mediante el uso de técnicas de post-procesado. Primeramente, se ha realizado un profundo trabajo de revisión del estado del arte con el fin de dar una visión general de las posibilidades para caracterizar o reducir los efectos de errores en medida de antenas. Después, se han descrito y validado tanto teórica como numéricamente nuevos métodos para reducir el efecto indeseado de cuatro de los errores más comunes en medida de antenas. La base de todos ellos es la misma, realizar una transformación de la superficie de medida a otro dominio donde hay suficiente información para eliminar fácilmente la contribución de los errores. Los cuatro errores analizados son ruido, reflexiones, errores de truncamiento y leakage y las herramientas usadas para suprimirlos son principalmente técnicas de reconstrucción de fuentes, filtrado espacial y modal y algoritmos iterativos para extrapolar funciones. Por lo tanto, la principal idea de todos los métodos es modificar las transformaciones clásicas de campo cercano a campo lejano incluyendo pasos adicionales con los que los errores pueden ser enormemente suprimidos. Además, los métodos propuestos no son computacionalmente complejos y dado que se aplican en post-procesado, no se necesitan medidas adicionales. El ruido es el error más ampliamente estudiado en esta Tesis, proponiéndose un total de tres alternativas para filtrar una importante contribución de ruido antes de obtener el patrón de campo lejano. La primera está basada en un filtrado modal. La segunda alternativa usa una técnica de reconstrucción de fuentes para obtener el campo sobre el plano de la antena donde es posible aplicar un filtrado espacial. La última es propagar el campo medido a una superficie con la misma geometría que la superficie de medida pero más próxima a la antena y luego aplicar también un filtrado espacial. Todas las alternativas han sido analizadas en los sistemas de campo próximos más comunes, incluyendo detallados análisis estadísticos del ruido con el fin de deducir la mejora de la relación señal a ruido lograda en cada caso. El método para suprimir reflexiones en medida de antenas está también basado en una técnica de reconstrucción de fuentes y la principal idea es reconstruir el campo sobre una superficie mayor que la apertura de la antena con el fin de ser capaces de identificar y después suprimir fuentes virtuales relacionadas con las ondas reflejadas. El error de truncamiento que aparece en los resultados obtenidos a partir de medidas en un plano, cilindro o en la porción de una esfera es el tercer error analizado en esta Tesis. El método para reducir este error está basado en un algoritmo iterativo para extrapolar la región fiable del patrón de campo lejano a partir de información de la distribución del campo sobre el plano de la antena. Además, se ha estudiado el punto apropiado de terminación de este algoritmo iterativo así como otros aspectos críticos del método. La última parte de este trabajo está dedicado a la detección y supresión de dos de las fuentes de leakage más comunes en medida de antenas. El primer método intenta realizar una estimación de la constante de fuga del leakage añadido por el detector en cuadratura del receptor a todos los datos en campo próximo y después suprimir su efecto en el patrón de campo lejano. El segundo método se puede dividir en dos partes; la primera de ellas para encontrar la posición de elementos defectuosos que radian o reciben radiación indeseada, haciendo más fácil su identificación dentro del entorno de medida y su posterior substitución. La segunda parte del método es capaz de eliminar computacionalmente el efector del leakage sin necesidad de la substitución del elemento defectuoso.

La metáfora. Herramienta característica de renovación arquitectónica tras el movimiento moderno

Esta tesis estudia el papel de la metáfora como instrumento arquitectónico en el debate y las propuestas para superar la ortodoxia de la arquitectura moderna a partir de mediados del siglo XX. En arquitectura, la utilización del procedimiento que constituye la metáfora se apoya en una consideración semántica de la arquitectura y se ha usado constantemente a lo largo de la historia para desarrollar nuevas propuestas, basándose en la comparación con modelos conocidos. En este trabajo se examina la notable presencia que adquirió este instrumento en las propuestas críticas a la arquitectura moderna ortodoxa, debido a la importancia que tuvieron los aspectos semánticos en el debate sobre la continuidad y vigencia de los postulados de la arquitectura moderna. Con este estudio se ha indagado sobre las razones y la frecuencia con las que aquellos arquitectos que adoptaron una actitud crítica hacia la arquitectura moderna se refirieron a las relaciones metafóricas en sus propuestas alternativas. Para mostrar cómo las metáforas formaron parte de los mecanismos de cambio de la arquitectura en este periodo, recuperando un mayor potencial creativo para abordar los proyectos arquitectónicos, se han estudiado una serie de ejemplos pertinentes y relevantes. En cada uno de los capítulos se han analizado las objeciones más importantes que fueron planteadas frente a la arquitectura moderna por un arquitecto o grupo de arquitectos, seleccionados entre aquéllos que tomaron parte en este debate, y se estudia la inclusión de la metáfora en las alternativas que propusieron en cada caso. Además de una actitud crítica con la arquitectura moderna, todos los arquitectos seleccionados comparten una consideración semántica de la arquitectura y han expuesto sus ideas y posturas tanto en obras proyectadas y construidas, como en escritos o comentarios sobre su manera de entender y proyectar arquitectura. Esta doble producción ha permitido analizar, comparativamente, el papel de la metáfora en sus enfoques y propuestas críticas y en la realización de sus obras como alternativas a las mismas. Al mismo tiempo, la investigación profundiza en el conocimiento de la utilización de la metáfora como herramienta arquitectónica. A través del recorrido por las distintas maneras de entender este instrumento que pueden observarse en algunos de los arquitectos de la segunda mitad del siglo XX, se exponen tanto las posibilidades como los aspectos más críticos de la utilización de la metáfora en arquitectura. La variada utilización de la noción de metáfora en arquitectura se ve reflejada en las diversas consideraciones que hacen de la misma los arquitectos estudiados. La tesis se ha ocupado de distinguir cada uno de estos enfoques, haciéndose eco de la pluralidad con la que puede abordarse el concepto de metáfora de manera general y en arquitectura en particular. Así, algunos arquitectos del Team 10, la utilizan como un instrumento de ampliación y renovación semántica de la arquitectura moderna, que propone una síntesis de lo viejo y lo nuevo. Para Robert Venturi, se trata de un recurso con capacidad de persuadir y recrear, renovando semánticamente la arquitectura. Charles Jencks considera que es un procedimiento semántico esencial de la arquitectura, olvidado por los arquitectos modernos, cuya recuperación supone un rasgo diferencial de la arquitectura posmoderna respecto a la moderna. Para Aldo Rossi, es una manera de materializar las relaciones analógicas que constituyen su propuesta para proyectar una arquitectura de racionalismo exaltado frente a un racionalismo convencional. Peter Eisenman la valora porque inventa otras arquitecturas diferentes a las preconcebidas anteriormente, a pesar de que rechaza su capacidad representativa y expresiva. Rafael Moneo la utiliza para contraponerse al determinismo, como instrumento de innovación de la forma arquitectónica que construye una dinámica entre la contingencia y la necesidad. Finalmente, para Frank Gehry supone un procedimiento creativo y subjetivo con el que enfrentarse tanto a la arquitectura moderna como a la posmoderna con una arquitectura nueva y abierta a referencias inusuales. De esta manera, a través de los distintos capítulos, el estudio pretende componer un mosaico de posturas que manifieste los vínculos y las diferencias existentes entre estos arquitectos con relación a los temas estudiados: crítica y alternativas a la arquitectura moderna, semántica de la arquitectura, metáfora y otros conceptos relacionados. A su vez, la aparición continuada de la metáfora en los diferentes capítulos, y de los temas con los que está relacionada, manifiesta el protagonismo de esta herramienta arquitectónica en las propuestas de evolución y cambio de la arquitectura del periodo estudiado. ABSTRACT This thesis studies the role of the metaphor as an architectural tool in the debate and proposals to overcome the orthodoxy of modern architecture that took place since the middle part of the Twentieth Century. In architecture, the usage of the process which the metaphor constitutes is based in a semantic consideration of architecture and historically it has been used many times to develop new proposals, always based in the comparison with known models. This work examines the significant presence that this tool acquired in the proposals critical with orthodox modern architecture, due to the importance that the semantic aspects had in the debate on the continuity and validity of modern architecture’s postulates. This study also looks into the motives and frequency that those architects which adopted a critical attitude towards modern architecture alluded to the metaphorical relations in their alternative proposals. To demonstrate how during that period metaphors were imbued in the mechanisms of change of architecture, recovering a higher creative potential to approach architectural projects, a series of pertinent and relevant examples are studied. Each chapter examines the most important objections on modern architecture made by an architect or group of architects, selected among those who participated in this debate, and studies the inclusion of metaphor in the alternatives proposed in each case. Besides a critical attitude towards modern architecture, all the selected architects share a semantic consideration of architecture and have exposed their ideas and postures through projected and finalized works as in writings or commentaries on their way of understanding and projecting architecture. This double production allowed to analyse, in a comparatively manner, the role of metaphor in their approaches and critical proposals as in the execution of their works. At the same time, the research conducted further analyses the body of knowledge on the usage of metaphor as an architectural tool. By looking over the different ways some of the architects of the second half of the Twentieth Century understood this tool, both the possibilities and the most critical aspects of the usage of the metaphor in architecture can be exposed. The various usages of the notion of metaphor in architecture are reflected in the multiple considerations done about it by the selected architects. This thesis differentiates each one of those approaches, echoing the plurality with which the concept of metaphor can be addressed both in broader terms and more particularly in architecture. In this sense, some architects of Team 10 used it as a mean of semantic extension and renewal of modern architecture, proposing a synthesis between the old and the new. For Robert Venturi it is a resource with the capacity to persuade and recreate, semantically renewing architecture. Charles Jencks considers it an essential semantic procedure of architecture, forgotten by the modern architects, and which recovery represents a differential trait of post-modern architecture in relation to modern architecture. For Aldo Rossi, is a way of materializing the analogical relations which represent his proposal to project architecture of exalted rationalism as opposed to a more conventional rationalism. Peter Eisenman values it because it invents other architectures different from the preconceived before, even if he refuses its representational and expressive capacity. Rafael Moneo uses it to counter determinism, as an innovation tool of the architectonical form which generates dynamics between contingency and necessity. Finally, for Frank Gehry it supposes a creative and subjective process to face both modern architecture and post-modern architecture with a new architecture open to unusual references. As such, through its different chapters, this study aims to compose a mosaic of postures which expresses the links and the differences between those architects in relation to the topics examined: criticism and alternatives to modern architecture, semantics of architecture, metaphor and other related concepts. At the same time, the continuous presence of the metaphor in the different chapters, and of the issues it relates to, shows the importance of this tool in the proposals of evolution and change of architecture in the period considered.

Land cover dynamics and climate change implications on water resources in South Pacific Costa Rica

Water is fundamental to human life and the availability of freshwater is often a constraint on human welfare and economic development. Consequently, the potential effects of global changes on hydrology and water resources are considered among the most severe and vital ones. Water scarcity is one of the main problems in the rural communities of Central America, as a result of an important degradation of catchment areas and the over-exploitation of aquifers. The present Thesis is focused on two critical aspects of global changes over water resources: (1) the potential effects of climate change on water quantity and (2) the impacts of land cover and land use changes on the hydrological processes and water cycle. Costa Rica is among the few developing countries that have recently achieved a land use transition with a net increase in forest cover. Osa Region in South Pacific Costa Rica is an appealing study site to assess water supply management plans and to measure the effects of deforestation, forest transitions and climate change projections reported in the region. Rural Community Water Supply systems (ASADAS) in Osa are dealing with an increasing demand of freshwater due to the growing population and the change in the way of life in the rural livelihoods. Land cover mosaics which have resulted from the above mentioned processes are characterized by the abandonment of marginal farmland with the spread over these former grasslands of high return crops and the expansion of secondary forests due to reforestation initiatives. These land use changes have a significant impact on runoff generation in priority water-supply catchments in the humid tropics, as evidenced by the analysis of the Tinoco Experimental Catchment in the Southern Pacific area of Costa Rica. The monitoring system assesses the effects of the different land uses on the runoff responses and on the general water cycle of the basin. Runoff responses at plot scale are analyzed for secondary forests, oil palm plantations, forest plantations and grasslands. The Oil palm plantation plot presented the highest runoff coefficient (mean RC=32.6%), twice that measured under grasslands (mean RC=15.3%) and 20-fold greater than in secondary forest (mean RC=1.7%). A Thornthwaite-type water balance is proposed to assess the impact of land cover and climate change scenarios over water availability for rural communities in Osa Region. Climate change projections were obtained by the downscaling of BCM2, CNCM3 and ECHAM5 models. Precipitation and temperature were averaged and conveyed by the A1B, A2 and B1 IPCC climate scenario for 2030, 2060 and 2080. Precipitation simulations exhibit a positive increase during the dry season for the three scenarios and a decrease during the rainy season, with the highest magnitude (up to 25%) by the end of the 21st century under scenario B1. Monthly mean temperature simulations increase for the three scenarios throughout the year with a maximum increase during the dry season of 5% under A1B and A2 scenarios and 4% under B1 scenario. The Thornthwaite-type Water Balance model indicates important decreases of water surplus for the three climate scenarios during the rainy season, with a maximum decrease on May, which under A1B scenario drop up to 20%, under A2 up to 40% and under B1 scenario drop up to almost 60%. Land cover scenarios were created taking into account current land cover dynamics of the region. Land cover scenario 1 projects a deforestation situation, with forests decreasing up to 15% due to urbanization of the upper catchment areas; land cover scenario 2 projects a forest recovery situation where forested areas increase due to grassland abandonment on areas with more than 30% of slope. Deforestation scenario projects an annual water surplus decrease of 15% while the reforestation scenario projects a water surplus increase of almost 25%. This water balance analysis indicates that climate scenarios are equal contributors as land cover scenarios to future water resource estimations.

La gestión de la sequía: contribuciones para su evaluación

La sequía afecta a todos los sectores de la sociedad y se espera que su frecuencia e intensidad aumente debido al cambio climático. Su gestión plantea importantes retos en el futuro. El enfoque de riesgo, que promueve una respuesta proactiva, se identifica como un marco de gestión apropiado que se está empezando a consolidar a nivel internacional. Sin embargo, es necesario contar con estudios sobre las características de la gestión de la sequía bajo este enfoque y sus implicaciones en la práctica. En esta tesis se evalúan diversos elementos que son relevantes para la gestión de la sequía, desde diferentes perspectivas, con especial énfasis en el componente social de la sequía. Para esta investigación se han desarrollado cinco estudios: (1) un análisis de las leyes de emergencia aprobadas durante la sequía 2005-2008 en España; (2) un estudio sobre la percepción de la sequía de los agricultores a nivel local; (3) una evaluación de las características y enfoque de gestión en seis casos de estudio a nivel europeo; (4) un análisis sistemático de los estudios de cuantificación de la vulnerabilidad a la sequía a nivel global; y (5) un análisis de los impactos de la sequía a partir en una base de datos europea. Los estudios muestran la importancia de la capacidad institucional como un factor que promueve y facilita la adopción del enfoque de riesgo. Al mismo tiempo, la falta de estudios de vulnerabilidad, el escaso conocimiento de los impactos y una escasa cultura de la evaluación post-sequía destacan como importantes limitantes para aprovechar el conocimiento que se genera en la gestión de un evento. A través del estudio de las leyes de sequía se evidencia la existencia de incoherencias entre cómo se define el problema de la sequía y las soluciones que se plantean, así como el uso de un discurso de securitización para perseguir objetivos más allá de la gestión de la sequía. El estudio de percepción permite identificar la existencia de diferentes problemas y percepciones de la sequía y muestra cómo los regantes utilizan principalmente los impactos para identificar y caracterizar la severidad de un evento, lo cual difiere de las definiciones predominantes a otros niveles de gestión. Esto evidencia la importancia de considerar la diversidad de definiciones y percepciones en la gestión, para realizar una gestión más ajustada a las necesidades de los diferentes sectores y colectivos. El análisis de la gestión de la sequía en seis casos de estudio a nivel europeo ha permitido identificar diferentes niveles de adopción del enfoque de riesgo en la práctica. El marco de análisis establecido, que se basa en seis dimensiones de análisis y 21 criterios, ha resultado ser una herramienta útil para diagnosticar los elementos que funcionan y los que es necesario mejorar en relación a la gestión del riesgo a la sequía. El análisis sistemático de los estudios de vulnerabilidad ha evidenciado la heterogeneidad en los marcos conceptuales utilizados así como debilidades en los factores de vulnerabilidad que se suelen incluir, en muchos casos derivada de la falta de datos. El trabajo sistemático de recolección de información sobre impactos de la sequía ha evidenciado la escasez de información sobre el tema a nivel europeo y la importancia de la gestión de la información. La base de datos de impactos desarrollada tiene un gran potencial como herramienta exploratoria y orientativa del tipo de impactos que produce la sequía en cada región, pero todavía presenta algunos retos respecto a su contenido, proceso de gestión y utilidad práctica. Existen importantes limitaciones vinculadas con el acceso y la disponibilidad de información y datos relevantes vinculados con la gestión de la sequía y todos sus componentes. La participación, los niveles de gestión, la perspectiva sectorial y las relaciones entre los componentes de gestión del riesgo considerados constituyen aspectos críticos que es necesario mejorar en el futuro. Así, los cinco artículos en su conjunto presentan ejemplos concretos que ayudan a conocer mejor la gestión de la sequía y que pueden resultar de utilidad para políticos, gestores y usuarios. ABSTRACT Drought affects all sectors and their frequency and intensity is expected to increase due to climate change. Drought management poses significant challenges in the future. Undertaking a drought risk management approach promotes a proactive response, and it is starting to consolidate internationally. However, it is still necessary to conduct studies on the characteristics of drought risk management and its practical implications. This thesis provides an evaluation of various relevant aspects of drought management from different perspectives and with special emphasis on the social component of droughts. For the purpose of this research a number of five studies have been carried out: (1) analysis of the emergency laws adopted during the 2005-2008 drought in Spain; (2) study of farmers perception of drought at a local level; (3) assessment of the characteristics and drought management issues in six case studies across Europe; (4) systematic analysis of drought vulnerability assessments; and (5) analysis of drought impacts from an European impacts text-based database. The results show the importance of institutional capacity as a factor that promotes and facilitates the adoption of a risk approach. In contrast, the following issues are identified as the main obstacles to take advantage of the lessons learnt: (1) lack of vulnerability studies, (2) limited knowledge about the impact and (3) limited availability of post-drought assessments Drought emergency laws evidence the existence of inconsistencies between drought problem definition and the measures proposed as solutions. Moreover, the securitization of the discourse pursue goals beyond management drought. The perception of drought by farmers helps to identify the existence of several definitions of drought. It also highlights the importance of impacts in defining and characterizing the severity of an event. However, this definition differs from the one used at other institutional and management level. As a conclusion, this remarks the importance of considering the diversity of definitions and perceptions to better tailor drought management to the needs of different sectors and stakeholders. The analysis of drought management in six case studies across Europe show different levels of risk adoption approach in practice. The analytical framework proposed is based on six dimensions and 21 criteria. This method has proven to be a useful tool in diagnosing the elements that work and those that need to be improved in relation to drought risk management. The systematic analysis of vulnerability assessment studies demonstrates the heterogeneity of the conceptual frameworks used. Driven by the lack of relevant data, the studies point out significant weaknesses of the vulnerabilities factors that are typically included The heterogeneity of the impact data collected at European level to build the European Drought Impact Reports Database (EDII) highlights the importance of information management. The database has great potential as exploratory tool and provides indicative useful information of the type of impacts that occurred in a particular region. However, it still presents some challenges regarding their content, the process of data collection and management and its usefulness. There are significant limitations associated with the access and availability of relevant information and data related to drought management and its components. The following improvement areas on critical aspects have been identified for the near future: participation, levels of drought management, sectorial perspective and in-depth assessment of the relationships between the components of drought risk management The five articles presented in this dissertation provides concrete examples of drought management evaluation that help to better understand drought management from a risk-based perspective which can be useful for policy makers, managers and users.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Design Parameter Analysis of Point Absorber WEC via an Evolutionary-Algorithm-Based Dimensioning Tool

Wave energy conversion has an essential difference from other renewable energies since the dependence between the devices design and the energy resource is stronger. Dimensioning is therefore considered a key stage when a design project of Wave Energy Converters (WEC) is undertaken. Location, WEC concept, Power Take-Off (PTO) type, control strategy and hydrodynamic resonance considerations are some of the critical aspects to take into account to achieve a good performance. The paper proposes an automatic dimensioning methodology to be accomplished at the initial design project stages and the following elements are described to carry out the study: an optimization design algorithm, its objective functions and restrictions, a PTO model, as well as a procedure to evaluate the WEC energy production. After that, a parametric analysis is included considering different combinations of the key parameters previously introduced. A variety of study cases are analysed from the point of view of energy production for different design-parameters and all of them are compared with a reference case. Finally, a discussion is presented based on the results obtained, and some recommendations to face the WEC design stage are given.

Análisis cuantitativo y cualitativo de los momentos críticos en baloncesto = Quantitative and qualitative analysis of the critical moments in basketball

El MC en baloncesto es aquel fenómeno relacionado con el juego que presenta unas características particulares determinadas por la idiosincrasia de un equipo y puede afectar a los protagonistas y por ende al devenir del juego. En la presente Tesis se ha estudiado la incidencia del MC en Liga A.C.B. de baloncesto y para su desarrollo en profundidad se ha planteado dos investigaciones una cuantitativa y otra cualitativa cuya metodología se detalla a continuación: La investigación cuantitativa se ha basado en la técnica de estudio del “Performance analysis”, para ello se han estudiado cuatro temporadas de la Liga A.C.B. (del 2007/08 al 2010/11), tal y como refleja en la bibliografía consultada se han tomado como momentos críticos del juego a los últimos cinco minutos de partidos donde la diferencia de puntos fue de seis puntos y todos los Tiempos Extras disputados, de tal manera que se han estudiado 197 momentos críticos. La contextualización del estudio se ha hecho en función de la variables situacionales “game location” (local o visitante), “team quality” (mejores o peores clasificados) y “competition” (fases de LR y Playoff). Para la interpretación de los resultados se han realizado los siguientes análisis descriptivos: 1) Análisis Discriminante, 2) Regresión Lineal Múltiple; y 3) Análisis del Modelo Lineal General Multivariante. La investigación cualitativa se ha basado en la técnica de investigación de la entrevista semiestructurada. Se entrevistaron a 12 entrenadores que militaban en la Liga A.C.B. durante la temporada 2011/12, cuyo objetivo ha sido conocer el punto de vista que tiene el entrenador sobre el concepto del MC y que de esta forma pudiera dar un enfoque más práctico basado en su conocimiento y experiencia acerca de cómo actuar ante el MC en el baloncesto. Los resultados de ambas investigaciones coinciden en señalar la importancia del MC sobre el resultado final del juego. De igual forma, el concepto en sí entraña una gran complejidad por lo que se considera fundamental la visión científica de la observación del juego y la percepción subjetiva que presenta el entrenador ante el fenómeno, para la cual los aspectos psicológicos de sus protagonistas (jugadores y entrenadores) son determinantes. ABSTRACT The Critical Moment (CM) in basketball is a related phenomenon with the game that has particular features determined by the idiosyncrasies of a team and can affect the players and therefore the future of the game. In this Thesis we have studied the impact of CM in the A.C.B. League and from a profound development two investigations have been raised, quantitative and qualitative whose methodology is as follows: The quantitative research is based on the technique of study "Performance analysis", for this we have studied four seasons in the A.C.B. League (2007/08 to 2010/11), and as reflected in the literature the Critical Moments of the games were taken from the last five minutes of games where the point spread was six points and all overtimes disputed, such that 197 critical moments have been studied. The contextualization of the study has been based on the situational variables "game location" (home or away), "team quality" (better or lower classified) and "competition" (LR and Playoff phases). For the interpretation of the results the following descriptive analyzes were performed: 1) Discriminant Analysis, 2) Multiple Linear Regression Analysis; and 3) Analysis of Multivariate General Linear Model. Qualitative research is based on the technique of investigation of a semi-structured interview. 12 coaches who belonged to the A.C.B. League were interviewed in seasons 2011/12, which aimed to determine the point of view that the coach has on the CM concept and thus could give a more practical approach based on their knowledge and experience about how to deal with the CM in basketball. The results of both studies agree on the importance of the CM on the final outcome of the game. Similarly, the concept itself is highly complex so the scientific view of the observation of the game is considered essential as well as the subjective perception the coach presents before the phenomenon, for which the psychological aspects of their characters (players and coaches) are crucial.