Residential self-selection and geographical scales in trip frequency.

Neighbourhood representation and scale used to measure the built environment have been treated in many ways. However, it is anything but clear what representation of neighbourhood is the most feasible in the existing literature. This paper presents an exhaustive analysis of built environment attributes through three spatial scales. For this purpose multiple data sources are integrated, and a set of 943 observations is analysed. This paper simultaneously analyses the influence of two methodological issues in the study of the relationship between built environment and travel behaviour: (1) detailed representation of neighbourhood by testing different spatial scales; (2) the influence of unobserved individual sensitivity to built environment attributes. The results show that different spatial scales of built environment attributes produce different results. Hence, it is important to produce local and regional transport measures, according to geographical scale. Additionally, the results show significant sensitivity to built environment attributes depending on place of residence. This effect, called residential sorting, acquires different magnitudes depending on the geographical scale used to measure the built environment attributes. Spatial scales risk to the stability of model results. Hence, transportation modellers and planners must take into account both effects of self-selection and spatial scales.

Self-validating technique for the measurement of the linewidth enhancement factor in semiconductor lasers

A new method for measuring the linewidth enhancement factor (α-parameter) of semiconductor lasers is proposed and discussed. The method itself provides an estimation of the measurement error, thus self-validating the entire procedure. The α-parameter is obtained from the temporal profile and the instantaneous frequency (chirp) of the pulses generated by gain switching. The time resolved chirp is measured with a polarization based optical differentiator. The accuracy of the obtained values of the α-parameter is estimated from the comparison between the directly measured pulse spectrum and the spectrum reconstructed from the chirp and the temporal profile of the pulse. The method is applied to a VCSEL and to a DFB laser emitting around 1550 nm at different temperatures, obtaining a measurement error lower than ± 8%.

Frequency-dependent opacity calculations for radiation transport simulations

We will present recent developments in the calculation of opacity tables suitable for including in the radiation hydrodynamic code ARWEN [1] to study processes like ICF or X-ray secondary sources. For these calculations we use the code BiG BART in LTE conditions, with self-consistent data generated with the Flexible Atomic Code (FAC) [2]. Non-LTE effects are approximately taken into account by means of the improved RADIOM model [3], which makes use of existing LTE data tables.

Site-controlled Ag nanocrystals grown by molecular beam epitaxy-Towards plasmonic integration technology

We demonstrate site-controlled growth of epitaxial Ag nanocrystals on patterned GaAs substrates by molecular beam epitaxy with high degree of long-range uniformity. The alignment is based on lithographically defined holes in which position controlled InAs quantum dots are grown. The Ag nanocrystals self-align preferentially on top of the InAs quantum dots. No such ordering is observed in the absence of InAs quantum dots, proving that the ordering is strain-driven. The presented technique facilitates the placement of active plasmonic nanostructures at arbitrarily defined positions enabling their integration into complex devices and plasmonic circuits.

Epitaxial self-alignment: A new route to hybrid active plasmonic nanostructures

Concepts of lateral ordering of epitaxial semiconductor quantum dots (QDs) are for the first time transferred to hybrid nanostructures for active plasmonics. We review our recent research on the self-alignment of epitaxial nanocrystals of In and Ag on ordered one-dimensional In(Ga)As QD arrays and isolated QDs by molecular beam epitaxy. By changing the growth conditions the size and density of the metal nanocrystals are easily controlled and the surface plasmon resonance wavelength is tuned over a wide range in order to match the emission wavelength of the QDs. Photoluminescence measurements reveal large enhancement of the emitted light intensity due to plasmon enhanced emission and absorption down to the single QD level.

Simultaneously measuring two ultrashort laser pulses on a single-shot using double-blind frequency-resolved optical gating

We demonstrate a simple self-referenced single-shot method for simultaneously measuring two different arbitrary pulses, which can potentially be complex and also have very different wavelengths. The method is a variation of cross-correlation frequency-resolved optical gating (XFROG) that we call double-blind (DB) FROG. It involves measuring two spectrograms, both of which are obtained simultaneously in a single apparatus. DB FROG retrieves both pulses robustly by using the standard XFROG algorithm, implemented alternately on each of the traces, taking one pulse to be ?known? and solving for the other. We show both numerically and experimentally that DB FROG using a polarization-gating beam geometry works reliably and appears to have no nontrivial ambiguities.

Improvement of the Dynamic Performance of a Buck Converter using Controlled Current Source as an Additional Energy Path

This work is related to the improvement of the dynamic performance of the Buck converter by means of introducing an additional power path that virtually increase s the output capacitance during transients, thus improving the output impedance of the converter. It is well known that in VRM applications, with wide load steps, voltage overshoots and undershoots ma y lead to undesired performance of the load. To solve this problem, high-bandwidth high-switching frequency power converter s can be applied to reduce the transient time or a big output capacitor can be applied to reduce the output impedance. The first solution can degrade the efficiency by increasing switching losses of the MOSFETS, and the second solution is penalizing the cost and size of the output filter. The additional energy path, as presented here, is introduced with the Output Impedance Correction Circuit (OICC) based on the Controlled Current Source (CCS). The OICC is using CCS to inject or extract a current n - 1 times larger than the output capacitor current, thus virtually increasing n times the value of the output capacitance during the transients. This feature allows the usage of a low frequency Buck converter with smaller capacitor but satisfying the dynamic requirements.

Thermal self-focusing instability in the conduction layer of a laser target

Refraction is included in the stability analysis of the corona ablated from a laser target, assuming conduction restricted to a thin layer and absorption at the critical density inside it. A thermal self-focusing instability, with growth rate ~ (ion-electron collision frequency) X (electron-to-ion mass ratio), is found.

Model-based Self-awareness Patterns for Autonomy

Los sistemas técnicos son cada vez más complejos, incorporan funciones más avanzadas, están más integrados con otros sistemas y trabajan en entornos menos controlados. Todo esto supone unas condiciones más exigentes y con mayor incertidumbre para los sistemas de control, a los que además se demanda un comportamiento más autónomo y fiable. La adaptabilidad de manera autónoma es un reto para tecnologías de control actualmente. El proyecto de investigación ASys propone abordarlo trasladando la responsabilidad de la capacidad de adaptación del sistema de los ingenieros en tiempo de diseño al propio sistema en operación. Esta tesis pretende avanzar en la formulación y materialización técnica de los principios de ASys de cognición y auto-consciencia basadas en modelos y autogestión de los sistemas en tiempo de operación para una autonomía robusta. Para ello el trabajo se ha centrado en la capacidad de auto-conciencia, inspirada en los sistemas biológicos, y se ha explorado la posibilidad de integrarla en la arquitectura de los sistemas de control. Además de la auto-consciencia, se han explorado otros temas relevantes: modelado funcional, modelado de software, tecnología de los patrones, tecnología de componentes, tolerancia a fallos. Se ha analizado el estado de la técnica en los ámbitos pertinentes para las cuestiones de la auto-consciencia y la adaptabilidad en sistemas técnicos: arquitecturas cognitivas, control tolerante a fallos, y arquitecturas software dinámicas y computación autonómica. El marco teórico de ASys existente de sistemas autónomos cognitivos ha sido adaptado para servir de base para este análisis de autoconsciencia y adaptación y para dar sustento conceptual al posterior desarrollo de la solución. La tesis propone una solución general de diseño para la construcción de sistemas autónomos auto-conscientes. La idea central es la integración de un meta-controlador en la arquitectura de control del sistema autónomo, capaz de percibir la estado funcional del sistema de control y, si es necesario, reconfigurarlo en tiempo de operación. Esta solución de metacontrol se ha formalizado en cuatro patrones de diseño: i) el Patrón Metacontrol, que define la integración de un subsistema de metacontrol, responsable de controlar al propio sistema de control a través de la interfaz proporcionada por su plataforma de componentes, ii) el patrón Bucle de Control Epistémico, que define un bucle de control cognitivo basado en el modelos y que se puede aplicar al diseño del metacontrol, iii) el patrón de Reflexión basada en Modelo Profundo propone una solución para construir el modelo ejecutable utilizado por el meta-controlador mediante una transformación de modelo a modelo a partir del modelo de ingeniería del sistema, y, finalmente, iv) el Patrón Metacontrol Funcional, que estructura el meta-controlador en dos bucles, uno para el control de la configuración de los componentes del sistema de control, y otro sobre éste, controlando las funciones que realiza dicha configuración de componentes; de esta manera las consideraciones funcionales y estructurales se desacoplan. La Arquitectura OM y el metamodelo TOMASys son las piezas centrales del marco arquitectónico desarrollado para materializar la solución compuesta de los patrones anteriores. El metamodelo TOMASys ha sido desarrollado para la representación de la estructura y su relación con los requisitos funcionales de cualquier sistema autónomo. La Arquitectura OM es un patrón de referencia para la construcción de una metacontrolador integrando los patrones de diseño propuestos. Este meta-controlador se puede integrar en la arquitectura de cualquier sistema control basado en componentes. El elemento clave de su funcionamiento es un modelo TOMASys del sistema decontrol, que el meta-controlador usa para monitorizarlo y calcular las acciones de reconfiguración necesarias para adaptarlo a las circunstancias en cada momento. Un proceso de ingeniería, complementado con otros recursos, ha sido elaborado para guiar la aplicación del marco arquitectónico OM. Dicho Proceso de Ingeniería OM define la metodología a seguir para construir el subsistema de metacontrol para un sistema autónomo a partir del modelo funcional del mismo. La librería OMJava proporciona una implementación del meta-controlador OM que se puede integrar en el control de cualquier sistema autónomo, independientemente del dominio de la aplicación o de su tecnología de implementación. Para concluir, la solución completa ha sido validada con el desarrollo de un robot móvil autónomo que incorpora un meta-controlador con la Arquitectura OM. Las propiedades de auto-consciencia y adaptación proporcionadas por el meta-controlador han sido validadas en diferentes escenarios de operación del robot, en los que el sistema era capaz de sobreponerse a fallos en el sistema de control mediante reconfiguraciones orquestadas por el metacontrolador. ABSTRACT Technical systems are becoming more complex, they incorporate more advanced functionalities, they are more integrated with other systems and they are deployed in less controlled environments. All this supposes a more demanding and uncertain scenario for control systems, which are also required to be more autonomous and dependable. Autonomous adaptivity is a current challenge for extant control technologies. The ASys research project proposes to address it by moving the responsibility for adaptivity from the engineers at design time to the system at run-time. This thesis has intended to advance in the formulation and technical reification of ASys principles of model-based self-cognition and having systems self-handle at runtime for robust autonomy. For that it has focused on the biologically inspired capability of self-awareness, and explored the possibilities to embed it into the very architecture of control systems. Besides self-awareness, other themes related to the envisioned solution have been explored: functional modeling, software modeling, patterns technology, components technology, fault tolerance. The state of the art in fields relevant for the issues of self-awareness and adaptivity has been analysed: cognitive architectures, fault-tolerant control, and software architectural reflection and autonomic computing. The extant and evolving ASys Theoretical Framework for cognitive autonomous systems has been adapted to provide a basement for this selfhood-centred analysis and to conceptually support the subsequent development of our solution. The thesis proposes a general design solution for building self-aware autonomous systems. Its central idea is the integration of a metacontroller in the control architecture of the autonomous system, capable of perceiving the functional state of the control system and reconfiguring it if necessary at run-time. This metacontrol solution has been formalised into four design patterns: i) the Metacontrol Pattern, which defines the integration of a metacontrol subsystem, controlling the domain control system through an interface provided by its implementation component platform, ii) the Epistemic Control Loop pattern, which defines a modelbased cognitive control loop that can be applied to the design of such a metacontroller, iii) the Deep Model Reflection pattern proposes a solution to produce the online executable model used by the metacontroller by model-to-model transformation from the engineering model, and, finally, iv) the Functional Metacontrol pattern, which proposes to structure the metacontroller in two loops, one for controlling the configuration of components of the controller, and another one on top of the former, controlling the functions being realised by that configuration; this way the functional and structural concerns become decoupled. The OM Architecture and the TOMASys metamodel are the core pieces of the architectural framework developed to reify this patterned solution. The TOMASys metamodel has been developed for representing the structure and its relation to the functional requirements of any autonomous system. The OM architecture is a blueprint for building a metacontroller according to the patterns. This metacontroller can be integrated on top of any component-based control architecture. At the core of its operation lies a TOMASys model of the control system. An engineering process and accompanying assets have been constructed to complete and exploit the architectural framework. The OM Engineering Process defines the process to follow to develop the metacontrol subsystem from the functional model of the controller of the autonomous system. The OMJava library provides a domain and application-independent implementation of an OM Metacontroller than can be used in the implementation phase of OMEP. Finally, the complete solution has been validated in the development of an autonomous mobile robot that incorporates an OM metacontroller. The functional selfawareness and adaptivity properties achieved thanks to the metacontrol system have been validated in different scenarios. In these scenarios the robot was able to overcome failures in the control system thanks to reconfigurations performed by the metacontroller.

Self-similar deflagration in laser half-plasmas

The self-similar motion of a half-space plasma, generated by a linear pulse of laser radiation absorbed anomalously at the critical density, has been studied. The resulting plasma structure has been completely determined for [pulse duration (critical density)maximum irradiation] large enough

Pelvic Floor Muscle Training Included in a Pregnancy Exercise Program Is Effective in Primary Prevention of Urinary Incontinence: A Randomized Controlled Trial

AIMS: To investigate the effect of pelvic floor muscle training (PFMT) taught in a general exercise class during pregnancy on the prevention of urinary incontinence (UI) in nulliparous continent pregnant women. METHODS: This was a unicenter two armed randomized controlled trial. One hundred sixty-nine women were randomized by a central computer system to an exercise group (EG) (exercise class including PFMT) (n = 73) or a control group (CG) (n = 96). 10.1% loss to follow-up: 10 from EG and 7 from CG. The intervention consisted of 70-75 sessions (22 weeks, three times per week, 55-60 min/session including 10 min of PFMT). The CG received usual care (which included follow up by midwifes including information about PFMT). Questions on prevalence and degree of UI were posed before (week 10-14) and after intervention (week 36-39) using the International Consultation on Incontinence Questionnaire-Urinary Incontinence Short Form (ICIQ-UI SF). RESULTS: At the end of the intervention, there was a statistically significant difference in favor of the EG. Reported frequency of UI [Never: CG: 54/60.7%, EG: 60/95.2% (P < 0.001)]. Amount of leakage [None: CG: 45/60.7%, EG: 60/95.2% (P < 0.001)]. There was also a statistically significant difference in ICIQ-UI SF Score between groups after the intervention period [CG: 2.7 (SD 4.1), EG: 0.2 (SD 1.2) (P < 0.001)]. The estimated effect size was 0.8. CONCLUSION: PFMT taught in a general exercise class three times per week for at least 22 weeks, without former assessment of ability to perform a correct contraction was effective in primary prevention of UI in primiparous pregnant women.

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

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

Habitat management for conservation of pollinators in agro-ecosystems of Central Spain

La gestión de hábitat orientada a la conservación de polinizadores en los agro-ecosistemas requiere una selección de especies vegetales atendiendo fundamentalmente a dos criterios: i) el potencial atractivo de sus flores a los polinizadores; y ii) la simplicidad en su manejo agronómico. Además de estas premisas, es necesario considerar la capacidad invasora de estas especies vegetales, debido a que algunas de las más atractivas pueden resultar invasoras en determinados agro-ecosistemas. Por lo tanto, es preciso determinar qué especies vegetales son las más indicadas para ser implementadas en cada agro-ecosistema. En la presente tesis doctoral se plantea la búsqueda de las especies vegetales adecuadas para atraer polinizadores en los agro-ecosistemas del centro de España. En una primera aproximación, se ha evaluado la atracción y expansión espacial (potencial invasivo) de seis plantas perennes de la familia Lamiaceae (aromáticas), elegidas por ser nativas de la región mediterránea. La elección de las especies vegetales se ha llevado a cabo con el fin de crear márgenes funcionales basados en la mezcla de especies vegetales con distintos periodos de floración, de modo que prolonguen la disponibilidad de recursos florales en el tiempo. Tras un primer año dedicado al establecimiento de las especies aromáticas, en los dos años siguientes se ha estudiado la atracción individual y combinada de las especies vegetales sobre los polinizadores, y como ésta se ve afectada por la densidad y la morfología floral, utilizando para ello un diseño experimental en bloques al azar. Los resultados de este estudio han puesto de manifiesto que la morfología floral no tuvo influencia sobre la atracción de las especies vegetales, pero si la densidad floral, puesto que las especies vegetales con mayor densidad de flores (Nepeta tuberosa e Hyssopus officinalis) han mostrado mayor atracción a polinizadores. Cabe destacar que de las seis especies consideradas, dos especies de verano (Melissa officinalis y Thymbra capitata) no han contribuido de forma efectiva a la atracción de la mezcla hacia los polinizadores, mostrando una reducción significativa de este parámetro respecto a las otras especies aromáticas a lo largo del verano. Se ha observado que ninguna de las especies aromáticas evaluadas ha mostrado tendencia invasora a lo largo del estudio. En base a estos resultados, se puede concluir que entre las especies aromáticas estudiadas, N. tuberosa, H. officinalis y Salvia verbenaca son las que ofrecen mayor potencial para ser utilizadas en la conservación de polinizadores. De forma similar al caso de las plantas aromáticas, se ha llevado a cabo una segunda experimentación que incluía doce plantas anuales con floración de primavera, en la que se evaluó la atracción a polinizadores y su comportamiento agronómico. Este estudio con especies herbáceas se ha prolongado durante dos años, utilizando un diseño experimental de bloques aleatorios. Las variables analizadas fueron: el atractivo de las distintas especies vegetales a los polinizadores, su eficiencia de atracción (calculada como una combinación de la duración de la floración y las visitas de insectos), su respuesta a dos tipos de manejo agronómico (cultivo en mezcla frente a monocultivo; laboreo frente a no-laboreo) y su potencial invasivo. Los resultados de esta segunda experimentación han mostrado que las flores de Borago officinalis, Echium plantagineum, Phacelia tanacetifolia y Diplotaxis tenuifolia son atractivas a las abejas, mientras que las flores de Calendula arvensis, Coriandrum sativum, D. tenuifolia y Lobularia maritima son atractivas a los sírfidos. Con independencia del tipo de polinizadores atraídos por cada especie vegetal, se ha observado una mayor eficiencia de atracción en parcelas con monocultivo de D. tenuifolia respecto a las parcelas donde se cultivó una mezcla de especies herbáceas, si bien en estas últimas se observó mayor eficiencia de atracción que en la mayoría de parcelas mono-específicas. Respecto al potencial invasivo de las especies herbáceas, a pesar de que algunas de las más atractivas a polinizadores (P. tanacetifolia and C. arvensis) mostraron tendencia a un comportamiento invasor, su capacidad de auto-reproducción se vio reducida con el laboreo. En resumen, D. tenuifolia es la única especie que presentó una alta eficiencia de atracción a distintos tipos de polinizadores, conjuntamente con una alta capacidad de auto-reproducción pero sin mostrar carácter invasor. Comparando el atractivo de las especies vegetales utilizadas en este estudio sobre los polinizadores, D. tenuifolia es la especie más recomendable para su cultivo orientado a la atracción de polinizadores en agro-ecosistemas en el centro de España. Esta especie herbácea, conocida como rúcula, tiene la ventaja añadida de ser una especie comercializada para el consumo humano. Además de su atractivo a polinizadores, deben considerarse otros aspectos relacionados con la fisiología y el comportamiento de esta especie vegetal en los agro-ecosistemas antes de recomendar su cultivo. Dado que el cultivo en un campo agrícola de una nueva especie vegetal implica unos costes de producción, por ejemplo debidos a la utilización de agua de riego, es necesario evaluar el incremento en dichos costes en función de demanda hídrica específica de esa especie vegetal. Esta variable es especialmente importante en zonas dónde se presentan sequías recurrentes como es el caso del centro y sur-este de la península Ibérica. Este razonamiento ha motivado un estudio sobre los efectos del estrés hídrico por sequía y el estrés por déficit moderado y severo de riego sobre el crecimiento y floración de la especie D. tenuifolia, así como sobre la atracción a polinizadores. Los resultados muestran que tanto el crecimiento y floración de D. tenuifolia como su atracción a polinizadores no se ven afectados si la falta de riego se produce durante un máximo de 4 días. Sin embargo, si la falta de riego se extiende a lo largo de 8 días o más, se observa una reducción significativa en el crecimiento vegetativo, el número de flores abiertas, el área total y el diámetro de dichas flores, así como en el diámetro y longitud del tubo de la corola. Por otro lado, el estudio pone de manifiesto que un déficit hídrico regulado permite una gestión eficiente del agua, la cual, dependiendo del objetivo final del cultivo de D. tenuifolia (para consumo o solo para atracción de polinizadores), puede reducir su consumo entre un 40 y un 70% sin afectar al crecimiento vegetativo y desarrollo floral, y sin reducir significativamente el atractivo a los polinizadores. Finalmente, esta tesis aborda un estudio para determinar cómo afecta el manejo de hábitat a la producción de los cultivos. En concreto, se ha planteado una experimentación que incluye márgenes mono-específicos y márgenes con una mezcla de especies atractivas a polinizadores, con el fin de determinar su efecto sobre la producción del cultivo de cilantro (C. sativum). La elección del cultivo de cilantro se debe a que requiere la polinización de insectos para su reproducción (aunque, en menor medida, puede polinizarse también por el viento), además de la facilidad para estimar su producción en condiciones semi-controladas de campo. El diseño experimental consistía en la siembra de márgenes mono-específicos de D. tenuifolia y márgenes con mezcla de seis especies anuales situados junto al cultivo de cilantro. Estos cultivos con márgenes florales fueron comparados con controles sin margen floral. Además, un segundo grupo de plantas de cilantro situadas junto a todos los tratamientos, cuyas flores fueron cubiertas para evitar su polinización, sirvió como control para evaluar la influencia de los polinizadores en la producción del cultivo. Los resultados muestran que la presencia de cualquiera de los dos tipos de margen floral mejora el peso y el porcentaje de germinación de las semillas de cilantro frente al control sin margen. Si se comparan los dos tipos de margen, se ha observado un mayor número de semillas de cilantro junto al margen con mezcla de especies florales respecto al margen mono-específico, probablemente debido al mayor número visitas de polinizadores. Puesto que el experimento se realizó en condiciones de campo semi-controladas, esto sugiere que las visitas de polinizadores fueron el factor determinante en los resultados. Por otro lado, los resultados apuntan a que la presencia de un margen floral (ya sea mono-especifico o de mezcla) en cultivos de pequeña escala puede aumentar la producción de cilantro en más de un 200%, al tiempo que contribuyen a la conservación de los polinizadores. ABSTRACT Habitat management, aimed to conserve pollinators in agro-ecosystems, requires selection of the most suitable plant species in terms of their attractiveness to pollinators and simplicity of agronomic management. However, since all flowers are not equally attractive to pollinators and many plant species can be weedy or invasive in the particular habitat, it is important to test which plant species are the most appropriate to be implemented in specific agro-ecosystems. For that reason, this PhD dissertation has been focused on determination of the most appropriate aromatic and herbaceous plants for conservation of pollinators in agro-ecosystems of Central Spain. Therefore, in a first approximation, spatial expansion (i.e. potential weediness) and attractiveness to pollinators of six aromatic perennial plants from the Lamiaceae family, native and frequent in the Mediterranean region, were evaluated. Preliminary plant selection was based on designing a functional mixed margins consisting of plants attractive to pollinators and with different blooming periods, in order to extend the availability of floral resources in the field. After a year of vegetative growth, the next two years the plant species were studied in a randomized block design experiment in order to estimate their attractiveness to pollinators in Central Spain and to investigate whether floral morphology and density affect attractiveness to pollinators. The final aim of the study was to evaluate how their phenology and attractiveness to pollinators can affect the functionality of a flowering mixture of these plants. In addition, the spatial expansion, i.e. potential weediness, of the selected plant species was estimated under field conditions, as the final purpose of the studied plants is to be implemented within agro-ecosystems. The results of the experiment showed that floral morphology did not affect the attractiveness of plants to pollinators, but floral density did, as plant species with higher floral density (i.e. Nepeta tuberosa and Hyssopus officinalis) showed significantly higher attractiveness to pollinators. In addition, of six plant species, two summer species (Melissa officinalis and Thymbra capitata) did not efficiently contribute to the attractiveness of the mixture to pollinators, which reduced its attractiveness during the summer period. Finally, as none of the plants showed weedy behaviour under field conditions, the attractive plant species, i.e. N. tuberosa, H. officinalis and the early spring flowering Salvia verbenaca, showed good potential to conserve the pollinators. Similarly, in a second approximation, the attractiveness to pollinators and agronomic behaviour of twelve herbaceous plants blooming in spring were studied. This experiment was conducted over two years in a randomized block design in order to evaluate attractiveness of preselected plant species to pollinators, as well as their attractiveness efficiency (a combination of duration of flowering and insect visitation), their response to two different agronomic management practices (growing in mixed vs. mono-specific plots; tillage vs. no-tillage), and their potential weediness. The results of this experiment showed that the flowers of Borago officinalis, Echium plantagineum, Phacelia tanacetifolia and Diplotaxis tenuifolia were attractive to bees, while Calendula arvensis, Coriandrum sativum, D. tenuifolia and Lobularia maritima were attractive to hoverflies. In addition, floral mixture resulted in lower attractiveness efficiency to pollinators than mono-specific D. tenuifolia, but higher than most of the mono-specific stands. On the other hand, although some of the most attractive plant species (e.g. P. tanacetifolia and C. arvensis) showed potential weediness, their self-seeding was reduced by tillage. After comparing attractiveness efficiency of various herbaceous species to pollinators and their potential weediness, the results indicated that D. tenuifolia showed the highest attractiveness efficiency to pollinators and efficient self-reproduction, making it highly recommended to attract bees and hoverflies in agro-ecosystems of Central Spain. In addition, this plant, commonly known as wild rocket, has a supplementary economic value as a commercialized crop. The implementation of a new floral margin in agro-ecosystems means increased production costs, especially in regions with frequent and long droughts (as it is Central and South-East area of Iberian Peninsula), where the principal agricultural cost is irrigation. Therefore, before recommending D. tenuifolia for sustainable habitat management within agro-ecosystems, it is necessary to study the effect of drought stress and moderate and severe deficit irrigation on its growth, flower development and attractiveness to pollinators. The results of this experiment showed that in greenhouse conditions, potted D. tenuifolia could be without irrigation for 4 days without affecting its growth, flowering and attractiveness to pollinators. However, lack of irrigation for 8 days or longer significantly reduced the vegetative growth, number of open flowers, total floral area, flower diameter, corolla tube diameter and corolla tube length of D. tenuifolia. This study showed that regulated deficit irrigation can improve water use efficiency, and depending on the purpose of growing D. tenuifolia, as a crop or as a beneficial plant to attract pollinators, it can reduce water consumption by 40% to 70% without affecting its vegetative and floral development and without reducing its attractiveness to pollinators. Finally, the following experiment was developed in order to understand how habitat management can influence on the agricultural production. For this purpose, it was evaluated if the vicinity of mixed and mono-specific field margins, preselected to conserve pollinators within agro-ecosystems, can improve seed production in coriander (C. sativum). The selection of this plant species for the experiment was based on its necessity for insect pollination for production of seeds (even though some pollen can be transmitted from one flower to another by wind) and the fact that under semi-controlled field conditions established in the field it is possible to estimate its total seed production. Since D. tenuifolia is attractive for both bees and hoverflies in Central Spain, the main objective of this experiment was to estimate the impact of two different types of field margins, i.e. mono-specific margin with D. tenuifolia and mixed margin with six herbaceous species, on the seed production of potted coriander. For that reason, it was tested: i) if open pollination (control without proximate field margin and treatments with nearby mono-specific and mixed margin) increases the seed production of coriander when compared with no-pollination (covered inflorescences of coriander) under field conditions; ii) if frequency of pollinator visitation to the flowers of coriander was higher in the presence of field margins than in the control without field margin; and iii) if seed production was higher in the presence of field margins than in control plants of coriander without field margin. The results showed that the proximity of both types of floral margins (mixed and mono-specific) improved the seed quality of coriander plants, as seed weight and germination rate were higher than in control plants without field margin. Furthermore, the number of seeds produced was significantly higher in coriander plants grown near mixed margins than near mono-specific margin, probably due to an increase in pollinator visits. Since the experiment was conducted under semi-controlled field conditions, it can be concluded that pollinator visits was the main factor that biased the results, and that presence of both mixed or mono-specific (D. tenuifolia) margins can improve the production of coriander for more than 200% in small-scale gardens and, in addition, conserve the local pollinators.

Self assembled and ordered group III nitride nanocolumnar structures for light emitting applications

El objetivo de este trabajo es un estudio profundo del crecimiento selectivo de nanoestructuras de InGaN por epitaxia de haces moleculares asistido por plasma, concentrandose en el potencial de estas estructuras como bloques constituyentes en LEDs de nueva generación. Varias aproximaciones al problema son discutidas; desde estructuras axiales InGaN/GaN, a estructuras core-shell, o nanoestructuras crecidas en sustratos con orientaciones menos convencionales (semi polar y no polar). La primera sección revisa los aspectos básicos del crecimiento auto-ensamblado de nanocolumnas de GaN en sustratos de Si(111). Su morfología y propiedades ópticas son comparadas con las de capas compactas de GaN sobre Si(111). En el caso de las columnas auto-ensambladas de InGaN sobre Si(111), se presentan resultados sobre el efecto de la temperatura de crecimiento en la incorporación de In. Por último, se discute la inclusión de nanodiscos de InGaN en las nanocolumnas de GaN. La segunda sección revisa los mecanismos básicos del crecimiento ordenado de nanoestructuras basadas en GaN, sobre templates de GaN/zafiro. Aumentando la relación III/V localmente, se observan cambios morfológicos; desde islas piramidales, a nanocolumnas de GaN terminadas en planos semipolares, y finalmente, a nanocolumnas finalizadas en planos c polares. Al crecer nanodiscos de InGaN insertados en las nanocolumnas de GaN, las diferentes morfologias mencionadas dan lugar a diferentes propiedades ópticas de los nanodiscos, debido al diferente carácter (semi polar o polar) de los planos cristalinos involucrados. La tercera sección recoge experimentos acerca de los efectos que la temperatura de crecimiento y la razón In/Ga tienen en la morfología y emisión de nanocolumnas ordenadas de InGaN crecidas sobre templates GaN/zafiro. En el rango de temperaturas entre 650 y 750 C, la incorporacion de In puede modificarse bien por la temperatura de crecimiento, o por la razón In/Ga. Controlar estos factores permite la optimización de la longitud de onda de emisión de las nanocolumnas de InGaN. En el caso particular de la generación de luz blanca, se han seguidos dos aproximaciones. En la primera, se obtiene emisión amarilla-blanca a temperatura ambiente de nanoestructuras donde la región de InGaN consiste en un gradiente de composiciones de In, que se ha obtenido a partir de un gradiente de temperatura durante el crecimiento. En la segunda, el apilamiento de segmentos emitiendo en azul, verde y rojo, consiguiendo la integración monolítica de estas estructuras en cada una de las nanocolumnas individuales, da lugar a emisores ordenados con un amplio espectro de emisión. En esta última aproximación, la forma espectral puede controlarse con la longitud (duración del crecimiento) de cada uno de los segmentos de InGaN. Más adelante, se presenta el crecimiento ordenado, por epitaxia de haces moleculares, de arrays de nanocolumnas que son diodos InGaN/GaN cada una de ellas, emitiendo en azul (441 nm), verde (502 nm) y amarillo (568 nm). La zona activa del dispositivo consiste en una sección de InGaN, de composición constante nominalmente y longitud entre 250 y 500 nm, y libre de defectos extendidos en contraste con capas compactas de InGaN de similares composiciones y espesores. Los espectros de electroluminiscencia muestran un muy pequeño desplazamiento al azul al aumentar la corriente inyectada (desplazamiento casi inexistente en el caso del dispositivo amarillo), y emisiones ligeramente más anchas que en el caso del estado del arte en pozos cuánticos de InGaN. A continuación, se presenta y discute el crecimiento ordenado de nanocolumnas de In(Ga)N/GaN en sustratos de Si(111). Nanocolumnas ordenadas emitiendo desde el ultravioleta (3.2 eV) al infrarrojo (0.78 eV) se crecieron sobre sustratos de Si(111) utilizando una capa compacta (“buffer”) de GaN. La morfología y eficiencia de emisión de las nanocolumnas emitiendo en el rango espectral verde pueden ser mejoradas ajustando las relaciones In/Ga y III/N, y una eficiencia cuántica interna del 30% se deriva de las medidas de fotoluminiscencia en nanocolumnas optimizadas. En la siguiente sección de este trabajo se presenta en detalle el mecanismo tras el crecimiento ordenado de nanocolumnas de InGaN/GaN emitiendo en el verde, y sus propiedades ópticas. Nanocolumnas de InGaN/GaN con secciones largas de InGaN (330-830 nm) se crecieron tanto en sustratos GaN/zafiro como GaN/Si(111). Se encuentra que la morfología y la distribución espacial del In dentro de las nanocolumnas dependen de las relaciones III/N e In/Ga locales en el frente de crecimiento de las nanocolumnas. La dispersión en el contenido de In entre diferentes nanocolumnas dentro de la misma muestra es despreciable, como indica las casi identicas formas espectrales de la catodoluminiscencia de una sola nanocolumna y del conjunto de ellas. Para las nanocolumnas de InGaN/GaN crecidas sobre GaN/Si(111) y emitiendo en el rango espectral verde, la eficiencia cuántica interna aumenta hasta el 30% al disminuir la temperatura de crecimiento y aumentar el nitrógeno activo. Este comportamiento se debe probablemente a la formación de estados altamente localizados, como indica la particular evolución de la energía de fotoluminiscencia con la temperatura (ausencia de “s-shape”) en muestras con una alta eficiencia cuántica interna. Por otro lado, no se ha encontrado la misma dependencia entre condiciones de crecimiento y efiencia cuántica interna en las nanoestructuras InGaN/GaN crecidas en GaN/zafiro, donde la máxima eficiencia encontrada ha sido de 3.7%. Como alternativa a las nanoestructuras axiales de InGaN/GaN, la sección 4 presenta resultados sobre el crecimiento y caracterización de estructuras core-shell de InGaN/GaN, re-crecidas sobre arrays de micropilares de GaN fabricados por ataque de un template GaN/zafiro (aproximación top-down). El crecimiento de InGaN/GaN es conformal, con componentes axiales y radiales en el crecimiento, que dan lugar a la estructuras core-shell con claras facetas hexagonales. El crecimiento radial (shell) se ve confirmado por medidas de catodoluminiscencia con resolución espacial efectuadas en un microscopio electrónico de barrido, asi como por medidas de microscopía de transmisión de electrones. Más adelante, el crecimiento de micro-pilares core-shell de InGaN se realizó en pilares GaN (cores) crecidos selectivamente por epitaxia de metal-orgánicos en fase vapor. Con el crecimiento de InGaN se forman estructuras core-shell con emisión alrededor de 3 eV. Medidas de catodoluminiscencia resuelta espacialmente indican un aumento en el contenido de indio del shell en dirección a la parte superior del pilar, que se manifiesta en un desplazamiento de la emisión de 3.2 eV en la parte inferior, a 3.0 eV en la parte superior del shell. Este desplazamiento está relacionado con variaciones locales de la razón III/V en las facetas laterales. Finalmente, se demuestra la fabricación de una estructura pin basada en estos pilares core-shell. Medidas de electroluminiscencia resuelta espacialmente, realizadas en pilares individuales, confirman que la electroluminiscencia proveniente del shell de InGaN (diodo lateral) está alrededor de 3.0 eV, mientras que la emisión desde la parte superior del pilar (diodo axial) está alrededor de 2.3 eV. Para finalizar, se presentan resultados sobre el crecimiento ordenado de GaN, con y sin inserciones de InGaN, en templates semi polares (GaN(11-22)/zafiro) y no polares (GaN(11-20)/zafiro). Tras el crecimiento ordenado, gran parte de los defectos presentes en los templates originales se ven reducidos, manifestándose en una gran mejora de las propiedades ópticas. En el caso de crecimiento selectivo sobre templates con orientación GaN(11-22), no polar, la formación de nanoestructuras con una particular morfología (baja relación entre crecimiento perpedicular frente a paralelo al plano) permite, a partir de la coalescencia de estas nanoestructuras, la fabricación de pseudo-templates no polares de GaN de alta calidad. ABSTRACT The aim of this work is to gain insight into the selective area growth of InGaN nanostructures by plasma assisted molecular beam epitaxy, focusing on their potential as building blocks for next generation LEDs. Several nanocolumn-based approaches such as standard axial InGaN/GaN structures, InGaN/GaN core-shell structures, or InGaN/GaN nanostructures grown on semi- and non-polar substrates are discussed. The first section reviews the basics of the self-assembled growth of GaN nanocolumns on Si(111). Morphology differences and optical properties are compared to those of GaN layer grown directly on Si(111). The effects of the growth temperature on the In incorporation in self-assembled InGaN nanocolumns grown on Si(111) is described. The second section reviews the basic growth mechanisms of selectively grown GaNbased nanostructures on c-plane GaN/sapphire templates. By increasing the local III/V ratio morphological changes from pyramidal islands, to GaN nanocolumns with top semi-polar planes, and further to GaN nanocolumns with top polar c-planes are observed. When growing InGaN nano-disks embedded into the GaN nanocolumns, the different morphologies mentioned lead to different optical properties, due to the semipolar and polar nature of the crystal planes involved. The third section reports on the effect of the growth temperature and In/Ga ratio on the morphology and light emission characteristics of ordered InGaN nanocolumns grown on c-plane GaN/sapphire templates. Within the growth temperature range of 650 to 750oC the In incorporation can be modified either by the growth temperature, or the In/Ga ratio. Control of these factors allows the optimization of the InGaN nanocolumns light emission wavelength. In order to achieve white light emission two approaches are used. First yellow-white light emission can be obtained at room temperature from nanostructures where the InGaN region is composition-graded by using temperature gradients during growth. In a second approach the stacking of red, green and blue emitting segments was used to achieve the monolithic integration of these structures in one single InGaN nanocolumn leading to ordered broad spectrum emitters. With this approach, the spectral shape can be controlled by changing the thickness of the respective InGaN segments. Furthermore the growth of ordered arrays of InGaN/GaN nanocolumnar light emitting diodes by molecular beam epitaxy, emitting in the blue (441 nm), green (502 nm), and yellow (568 nm) spectral range is reported. The device active region, consisting of a nanocolumnar InGaN section of nominally constant composition and 250 to 500 nm length, is free of extended defects, which is in strong contrast to InGaN layers (planar) of similar composition and thickness. Electroluminescence spectra show a very small blue shift with increasing current, (almost negligible in the yellow device) and line widths slightly broader than those of state-of-the-art InGaN quantum wells. Next the selective area growth of In(Ga)N/GaN nanocolumns on Si(111) substrates is discussed. Ordered In(Ga)N/GaN nanocolumns emitting from ultraviolet (3.2 eV) to infrared (0.78 eV) were then grown on top of GaN-buffered Si substrates. The morphology and the emission efficiency of the In(Ga)N/GaN nanocolumns emitting in the green could be substantially improved by tuning the In/Ga and total III/N ratios, where an estimated internal quantum efficiency of 30 % was derived from photoluminescence data. In the next section, this work presents a study on the selective area growth mechanisms of green-emitting InGaN/GaN nanocolumns and their optical properties. InGaN/GaN nanocolumns with long InGaN sections (330-830nm) were grown on GaN/sapphire and GaN-buffered Si(111). The nanocolumn’s morphology and spatial indium distribution is found to depend on the local group (III)/N and In/Ga ratios at the nanocolumn’s top. A negligible spread of the average indium incorporation among different nanostructures is found as indicated by similar shapes of the cathodoluminescence spectra taken from single nanocolumns and ensembles of nanocolumns. For InGaN/GaN nanocolumns grown on GaN-buffered Si(111), all emitting in the green spectral range, the internal quantum efficiency increases up to 30% when decreasing growth temperature and increasing active nitrogen. This behavior is likely due to the formation of highly localized states, as indicated by the absence of a complete s-shape behavior of the PL peak position with temperature (up to room temperature) in samples with high internal quantum efficiency. On the other hand, no dependence of the internal quantum efficiency on the growth conditions is found for InGaN/GaN nanostructures grown on GaN/sapphire, where the maximum achieved efficiency is 3.7%. As alternative to axial InGaN/GaN nanostructures, section 4 reports on the growth and characterization of InGaN/GaN core-shell structures on an ordered array of top-down patterned GaN microrods etched from a GaN/sapphire template. Growth of InGaN/GaN is conformal, with axial and radial growth components leading to core-shell structures with clear hexagonal facets. The radial InGaN growth (shell) is confirmed by spatially resolved cathodoluminescence performed in a scanning electron microscopy as well as in scanning transmission electron microscopy. Furthermore the growth of InGaN core-shell micro pillars using an ordered array of GaN cores grown by metal organic vapor phase epitaxy as a template is demonstrated. Upon InGaN overgrowth core-shell structures with emission at around 3.0 eV are formed. With spatially resolved cathodoluminescence, an increasing In content towards the pillar top is found to be present in the InGaN shell, as indicated by a shift of CL peak position from 3.2 eV at the shell bottom to 3.0 eV at the shell top. This shift is related to variations of the local III/V ratio at the side facets. Further, the successful fabrication of a core-shell pin diode structure is demonstrated. Spatially resolved electroluminescence measurements performed on individual micro LEDs, confirm emission from the InGaN shell (lateral diode) at around 3.0 eV, as well as from the pillar top facet (axial diode) at around 2.3 eV. Finally, this work reports on the selective area growth of GaN, with and without InGaN insertion, on semi-polar (11-22) and non-polar (11-20) templates. Upon SAG the high defect density present in the GaN templates is strongly reduced as indicated by TEM and a dramatic improvement of the optical properties. In case of SAG on non-polar (11-22) templates the formation of nanostructures with a low aspect ratio took place allowing for the fabrication of high-quality, non-polar GaN pseudo-templates by coalescence of the nanostructures.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.