Riesgo del consumo de cannabis para la práctica físico-deportiva

El consumo de cannabis es uno de los principales problemas de salud pública, especialmente entre los jóvenes, dadas sus prevalencias de consumo. Esta droga puede provocar alteraciones psicomotrices en el individuo, por ello, el presente trabajo de investigación tiene como objetivo principal comprobar si el consumo de cannabis supone un riesgo añadido a la práctica físico-deportiva. Para alcanzar dicho objetivo, se dividió el trabajo en dos estudios interrelacionados entre sí. En el primer estudio o Estudio 1, “Repercusión del consumo de cannabis en las clases de Educación Física”, se realizó un cuestionario autoadministrado, dirigido al profesorado de Educación Física de la Comunidad de Madrid, con el fin de recoger su opinión sobre la posible presencia de consumidores de cannabis en sus aulas. El segundo estudio o Estudio 2, “Influencia del cannabis en el equilibrio, la coordinación, el tiempo de respuesta y la percepción temporal”, consistió en la realización de una serie de pruebas por parte de un grupo control y un grupo de consumidores de cannabis, para así cuantificar y cualificar los efectos de la inhalación de esta droga en la condición motriz. La encuesta que se utilizó para el Estudio 1, “El cannabis, los adolescentes y la práctica físico-deportiva”, pasó primero por una fase de elaboración, corrección y validación, y después, utilizándose la técnica de muestreo aleatorio por conglomerados, fue distribuido por los centros públicos de enseñanzas secundarias de la Comunidad de Madrid seleccionados. Se obtuvo respuesta de 93 profesores de Educación Física pertenecientes a 76 centros, es decir el 22,35% de los centros de la comunidad. Por último, se procedió al análisis, discusión y difusión de los resultados. En el Estudio 2, primero se procedió al diseño de la batería de pruebas a realizar, compuesta por 7 tests con 16 variables que valoraron el equilibrio, la coordinación, el tiempo de respuesta y la percepción temporal de los sujetos. Después se procedió a la selección de la muestra, formada por dos grupos de voluntarios de entre 18 y 30 años: un grupo control de 52 participantes, y un grupo de consumidores de cannabis, de 28 participantes con un hábito de consumo diferente. Los sujetos del grupo de consumidores realizaron las pruebas 20 minutos después de la inhalación de cannabis. Tras la realización de las pruebas por parte de todos los sujetos se procedió al análisis de los resultados obtenidos, segmentándolos por sexo y apareando las variables para evitar posibles efectos confundidores. Los resultados del primer estudio indicaron que el 75,27% del profesorado ha pensado alguna vez que sus alumnos consumían cannabis antes del inicio de su clase, hecho asociado a alteraciones psicológicas (90,63%) y cognitivo-conductuales (68,75%); no siendo factores influyentes el sexo o la experiencia docente de los encuestados (p>0,05). El segundo estudio aportó como principal resultado el empeoramiento de la percepción temporal y la conducta motriz de los sujetos que consumieron cannabis, en especial de su equilibrio y su coordinación (p<0,05). También indicó que hubo ligeras diferencias en función del hábito de consumo de esta droga, si bien los resultados se vieron influenciados por el tamaño de la muestra. Las conclusiones extraídas mostraron que el profesorado de Educación Física percibe la presencia de consumidores de cannabis en sus aulas, utiliza el diálogo con el alumnado como herramienta de actuación, y conoce la influencia negativa que tiene el consumo de esta droga en el rendimiento motor. También demuestran que el cannabis supone un riesgo añadido a la práctica físico-deportiva, debido al empeoramiento de la conducta motriz, en especial de la coordinación y el equilibrio. Además, las diferencias surgidas en base al hábito de consumo no son concluyentes pero si apuntan a que el consumo esporádico puede conllevar un peor rendimiento motor que el consumo habitual. ABSTRACT Cannabis use is one of the most important concerns of public health, particularly among young people, given their use prevalence. This drug can produce psychomotor alterations in the subject; therefore, this research work has as main aim to check if cannabis use is an added risk for physical and sporting practices. In order to achieve the objectives pursued, work was divided in two interrelated studies. First study or Study 1, “Cannabis use impact in Physical Education lessons”, a self-managed questionnaire addressed to Physical Education teachers in Community of Madrid was carried out, in order to gather the opinion about the possible existence of Cannabis users in their classes. Second Study or Study 2, “Cannabis influence in balance, coordination, reaction time and temporal perception”, consisted in a series of tests performed by a control group and a cannabis users group, in order to quantify and qualify the effects of inhalation of this drug in the motor skills. The questionnaire used for Study 1, “Cannabis, teenagers, and physical and sporting practices”, firstly went through an elaboration y correction phase, and then, using cluster sampling technique, was distributed within selected Secondary Education Centres from Community of Madrid. Response from 93 Physical Education teachers from 76 High Schools were obtained, this is 22,35% of total High Schools in Madrid. Finally, analysis, discussion and dissemination of results were held. In Study 2, first of all design of tests to be made was done, consisting on 7 different test with 16 variables that measured balance, coordination, response time and temporal perception in subjects. After that, sample selection was performed, comprised of 2 volunteers groups of ages between 18-30 years: a control group of 52 participants, and a Cannabis Users Group of 28 participants with different consumption habits. Users group subjects carried out tests 20 minutes after cannabis inhalation. After tests were performed by all subjects, results were analyzed and segmented by sex and matching variables in order to avoid confusion effects. First study results brought out that 75,27% of teachers have ever thought that their pupils used cannabis before getting into class, this fact is linked to psychological alterations (90,63%) and cognitive-behavioral (68,75%); not being influencing factors sex or teaching experience of the surveyed (p>0,05). Second study provided as most significant result the worsening of temporal perception and motor tasks behavior in subjects that had used cannabis, especially in regards of their balance and coordination (p<0,05). Also resulted that there were slight differences in consumption habits, although results were influenced by the sample size. Conclusions drawn showed that Physical Education teachers notice the presence of cannabis users in lessons, use dialogue with pupils as an action tool and acknowledge the negative influence this drug has in motor tasks performance. Also, it is shown that cannabis is an additional risk for physical and sporting practices due to deteriorating in motor skills, particularly in coordination and balance. In addition, the differences that may arise depending on the consumption habits are not conclusive, but they suggest that the sporadic drug use may be related to a worse motor performance than usual consumption.

Investigación y análisis sobre la idoneidad de la práctica del tenis de mesa en la Educación Primaria

Esta investigación surge a raíz de la experiencia profesional del autor, maestro especialista de Educación Física en el C.E.I.P. “Alhambra” de Madrid, cuando de manera progresiva, aprecia que el tenis de mesa puede ser un deporte muy interesante de desarrollar en las sesiones de Educación Física y de promover dentro de los tiempos de recreo. El autor cree que este deporte desarrolla una serie de objetivos motrices, afectivos, cognitivos y sociales que pueden contribuir a la adquisición de las competencias básicas y al desarrollo integral de los alumnos. Es entonces cuando recibe formación sobre el deporte de tenis de mesa y busca los medios necesarios de financiación para que se dote al centro del material necesario. Así la Junta municipal del distrito de Fuencarral-El Pardo instala en el patio del colegio tres mesas de exterior y, con los recursos del colegio y la ayuda de la Asociación de padres y madres (AMPA), se consiguen cinco mesas de interior plegables y todo el material necesario (redes, raquetas, pelotas, etc.). Tras introducir este deporte desde 3º a 6º de Educación Primaria promueve un campeonato en el colegio cuyo índice de participación ronda el 90% del alumnado, estos resultados crean al autor ciertas incertidumbres que son la motivación y punto de partida para realizar esta investigación que analice si la práctica del tenis de mesa puede resultar idónea en la etapa de Educación Primaria. Introducción La legislación actual en materia de educación, Ley Orgánica 2/2006, de 3 de mayo, de Educación (LOE) modificada por la Ley Orgánica 8/2013, de 9 de diciembre, para la mejora de la calidad educativa. (LOMCE), otorga una gran relevancia al deporte en general. "El deporte es una actividad saludable, divertida y formativa que puede tener profundos beneficios no sólo para su salud y su bienestar sino también para el desarrollo personal integral físico, psicológico y psicosocial del niño, además de sobre su desarrollo deportivo" (Pradas, 2009, p. 151), es pues, un momento idóneo para analizar qué deportes se practican en los colegios o por qué se practican unos más que otros. "El tenis de mesa además de ser un deporte para todos, se presenta como un juego atractivo, en donde su práctica resulta muy divertida a cualquier edad, tanto para niños como para adultos, principalmente porque presenta unas reglas de juego simples, no encerrando peligro alguno para la integridad física de sus practicantes durante su juego" (Pradas, 2009, p. 83). Es un deporte que "está abierto a todos, sin distinción de edad o sexo, tanto como deporte de alto nivel como de práctica familiar o social" (Gatien, 1993, p. 16). No obstante, "son escasas las obras sobre tenis de mesa. Pocos libros, tanto de divulgación como de reflexión sobre el tenis de mesa, adornan los estantes de las librerías y las bibliotecas" (Erb, 1999, p.14) y añade “así pues, el medio escolar padece de falta de obras explicativas y pedagógicas referidas a este tema" (Erb, 1999, p.14 ) En particular, se pretenden conseguir cinco objetivos divididos en tres categorías (el centro, el profesorado y el deporte. • A nivel de Centro: - Conocer el porcentaje de colegios que disponen de espacios y materiales adecuados para la práctica del tenis de mesa, así como identificar, de las distintas Direcciones de Área Territoriales (DAT), cuál tiene los colegios mejor dotados tanto en instalaciones como en materiales para desarrollar programas de promoción del tenis de mesa. - Averiguar las posibles causas por las que el tenis de mesa no se practica tanto como otros deportes, analizando los impedimentos que limitan la implantación del tenis de mesa como un deporte habitual en los centros de Educación Primaria. Analizar la opinión del profesorado en cuanto a los materiales y las instalaciones necesarios para el tenis de mesa. • A nivel de profesorado: - Analizar el nivel de conocimiento que tienen los profesionales que imparten la asignatura de Educación Física sobre el tenis de mesa, así como sus necesidades para incluir unidades didácticas de tenis de mesa en sus programaciones didácticas. - Conocer el perfil de profesor ideal que recomienda la utilización del tenis de mesa y averiguar el interés del profesorado por recibir formación específica del tenis de mesa. • A nivel de deporte: - Analizar la opinión de los profesionales sobre la idoneidad del tenis de mesa en la Educación Primaria atendiendo a los objetivos que persigue, a las competencias que desarrolla, a los contenidos, criterios de evaluación y estándares de aprendizaje que se pueden trabajar y a las lesiones que se producen. Metodología La investigación se caracterizó por utilizar una metodología inductiva, al surgir de la experiencia profesional del autor, también fue transversal al analizar la realidad en un momento concreto y de tipo cuantitativa. La población objeto de estudio fue la totalidad de los colegios públicos de la Comunidad de Madrid, siendo los profesores de Educación Física los encargados de facilitar los datos solicitados. Estos datos se obtuvieron utilizando como instrumento de toma de datos el cuestionario auto administrado con preguntas cerradas de opción múltiple previamente validado por un panel de 5 expertos. Las variables indirectas fueron: el género del profesorado, la edad del profesorado, la experiencia profesional y el tipo de destino. El proceso de la toma de datos supuso un lapso de tiempo de 3 meses, desde mayo de 2015 hasta julio de 2015, en este tiempo hubo dos fases de recogida de datos, una online a través del correo electrónico institucional de los colegios públicos de la Comunidad de Madrid y otra “in situ” con cuestionarios de lápiz y papel. En cuanto a los datos que se obtuvieron, sobre una población de 798 colegios, se consiguió una muestra de 276, esto supuso una tasa de respuesta del 34,59%, asumiendo la situación más desfavorable posible (p=q) y un nivel de confianza del 95%, para el total de los 276 cuestionarios cumplimentados, el error máximo fue del ±4,78%. Resultados En cuanto a los resultados obtenidos, se establecieron de acuerdo a tres dimensiones: A nivel de Centro, a nivel de Profesorado y a nivel del Deporte y pretendieron averiguar si se alcanzaron los cinco objetivos planteados. Tras el análisis de los resultados, se apreció que los colegios públicos de la Comunidad de Madrid disponían de las suficientes instalaciones para el tenis de mesa, en cambio, faltaban materiales específicos y formación por parte del profesorado, así como recursos didácticos y un programa de promoción del tenis de mesa. Se apreció un manifiesto interés por parte del profesorado en recibir formación específica de tenis de mesa pues la mayoría recomendaba la utilización del tenis de mesa dentro de la asignatura de Educación Física en Educación Primaria. Por último, los resultados mostraron la cantidad de objetivos motrices, afectivos, cognitivos y sociales que desarrolla el tenis de mesa así como su contribución a la adquisición de las competencias básicas y al objetivo “k” de la Educación Primaria, que indica “Valorar la higiene y la salud, conocer y respetar el cuerpo humano, y utilizar la Educación Física y el deporte como medios para favorecer el desarrollo personal y social”, además, se mostró el bajo índice de lesiones que provoca. Discusión y conclusiones El tenis de mesa es un deporte idóneo para ser practicado y enseñado en la asignatura de Educación Física en la etapa de Educación Primaria debido a la gran cantidad de contenidos que son susceptibles de ser trabajados a través de este deporte y debido a la gran cantidad de valores, individuales y sociales que se pueden fomentar con la práctica del tenis de mesa. Las causas de que hasta ahora, el tenis de mesa no sea un deporte practicado de forma habitual en los colegios públicos de la Comunidad de Madrid a pesar de trabajar muchos contenidos específicos de la asignatura de Educación Física puede deberse a factores externos al deporte del tenis de mesa y susceptibles de ser solucionados con una adecuada inversión en materiales específicos, formación del profesorado y recursos didácticos. Si se dota a los centros de los materiales y recursos didácticos necesarios y dando formación al profesorado, éste introduciría unidades didácticas de tenis de mesa dentro de sus programaciones anuales. La federación española y madrileña de tenis de mesa, deberían desarrollar un programa de promoción dotando de materiales y recursos a los centros, tal y como lo han hecho otras federaciones como la de voleibol, bádminton o de baloncesto, entre otras. ABSTRACT This research arises from the professional experience of the author, specialized teacher of physical education in the CEIP "Alhambra" in Madrid, where progressively, appreciates that table tennis can be a very interesting sport to develop in physical education sessions and promote within the playtimes. The author believes that this sport develops a range of motor, affective, cognitive and social objectives that can contribute to the acquisition of basic skills and the integral development of students. It is then when receives training on the sport of table tennis and seeks ways of funding in order to outfit the center with necessary equipment. The Municipal District of Fuencarral-El Pardo installed three outdoor tables in the schoolyard and with the resources of the school and the support of the Association of Parents (AMPA), five indoor folding tables are achieved as well as all the necessary material (nets, rackets, balls, etc.). After introduce the sport from 3rd to 6th grade of primary education, promotes a championship in the school where the participation rate is around 90% of students, these results create the uncertainties to the author that are the motivation and starting point for this research to analyze whether the practice of table tennis can be ideal at the stage of primary education. Introduction The current legislation on education, Organic Law 2/2006 of 3 May, on Education (LOE) as amended by Organic Law 8/2013, of December 9, to improve educational quality (LOMCE), attaches great importance to the sport in general, "Sport is a healthy, funny and educational activity that can have great benefits not only for their health and well-being but also for the physical, psychological and psychosocial comprehensive personal child development besides on their sports development "(Pradas, 2009, p. 151), is therefore an ideal moment to analyze which sports are practiced in schools or why are practiced some more than others. "The table tennis as well as being a sport for everyone, is presented as an attractive game, where its practice is funny at any age, both children and adults, mainly because it has simple game rules, not enclosing danger for the physical integrity of its practitioners during their game" (Pradas, 2009, p. 83). It is a sport that is "open to all, regardless of age or sex, as high-level sport, as family or social practice" (Gatien, 1993, p. 16). However, "there are few books on table tennis. Few books, both reflexion or popularization about table tennis, adorn the shelves of bookstores and libraries." (Erb, 1999, p.14) and add "So, the school environment suffers from lack of explanatory and educational work related to this issue." (Erb, 1999, p.14) In particular, it is intended to achieve the following objectives within the Community of Madrid: • To determine the percentage of schools that have spaces and materials suitable for practicing table tennis and identify, from the different Directorates of Land Area (DAT), which has the best equipped schools in both facilities and materials to develop programs to promote table tennis. • Find out the possible causes that explained why table tennis is not practiced as much as other sports, analyzing impediments that limit the implementation of table tennis as a regular sport in primary schools. Analyze the opinion of teachers in terms of materials and facilities needed for table tennis. • Analyze the level of knowledge about table tennis among professionals who teach the subject of Physical Education and their needs to include teaching units about table tennis in their teaching programs. • Knowing the profile of the ideal teacher who recommends the use of table tennis and figure out the interest of teachers to receive specific training of table tennis. • Analyze the professional opinion on the suitability of table tennis in Primary Education taking into account the objectives pursued, to develop the skills, content, evaluation criteria and learning standards that can work and injuries involved. Methodology The investigation was characterized by using an inductive methodology, arising from the professional experience of the author, was also transverse to analyze reality in a particular time and quantitative type. The population under study were all the state schools in Madrid region, being the physical education teachers responsible for providing the requested data. These data were obtained using as data collection instrument a self-administered questionnaire with multiple choice questions, because it facilitates the analysis thereof. In terms of obtained data, on a population of 798 schools, a sample of 276 was achieved, this represented a response rate of 34.59%, assuming the worst case scenario (p = q) and a level 95% confidence for the total of the 276 completed questionnaires, the maximum error was ± 4.78%. Results In terms of the results, they were set according to three dimensions: center level, professorate level and Sport level and trying to find out whether the five objectives were achieved. After analyzing the results, it was found that schools possessed sufficient facilities for table tennis, however, lacked specific materials and training by teachers, as well as teaching resources and a program to promote table tennis. A clear interest was noticed by teachers in order to receive specific training in table tennis since most recommended the use of table tennis in the subject of physical education in primary education. Finally, the results proved the number of motor, affective, cognitive and social objectives developed by table tennis and its contribution to the acquisition of basic skills and the objective "k" of primary education, in addition to the low rate of injury it causes. Discussion and conclusions Table tennis is an ideal sport to be practiced and taught in the subject of Physical Education in Primary Education due to the large amount of content that are likely to be worked through this sport and due to the large number of individual and social values that can foster the practice of table tennis. The causes of that so far, table tennis is not a sport practiced regularly in schools despite working many specific contents of the subject of Physical Education may be due to factors outside the sport of table tennis and subject to solved with adequate investment in specific materials, teacher training and educational resources. By endowing the centers with the necessary teaching materials and resources and providing training to teachers, they would introduce teaching units of table tennis within their annual programs. Madrid and the Spanish Federation of table tennis should develop a promotional program by endowing materials and resources to the centers, as did other federations such as badminton and basketball, among others.

Los contenidos de expresión corporal en el titulo de grado en ciencias del deporte

La Expresión Corporal como materia educativa tiene su origen en España, de forma ligada a la Educación Física y su desarrollo en el ámbito universitario, durante la segunda mitad del siglo XX. Pero su corpus teórico no se encuentra definitivamente asentado, dando lugar a diferentes interpretaciones y consideraciones sobre cuáles deben ser considerados contenidos propios de la materia y sobre cómo deben ser estructurados. La presente tesis tiene por objeto de estudio precisamente los contenidos de la Expresión Corporal como materia perteneciente a las Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, tratando de dar una respuesta fundamentada al planteamiento anterior. Para lo cual se seleccionaron y analizaron las principales obras de referencia para la materia en base a las cuales establecer una estructura de bloques de contenido y categorías asociadas. Se analizó la oferta formativa que, desde las universidades públicas españolas, se realizaba sobre el título de licenciado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, comprobando por una parte la heterogeneidad en el tratamiento dado y por otra su adecuación a la estructura generada. Y en tercer lugar se examinó la normativa que articula y desarrolla el tratamiento de la Expresión Corporal en la Ley Orgánica de Educación, concretando el análisis en la etapa de Secundaria, en un proceso de triangulación sobre las fuentes documentales de mayor influencia, constatando una aparente falta de estructura en la selección y planteamiento de los contenidos a desarrollar dentro de la asignatura de Educación Física. En base a estas investigaciones, a la propia experiencia docente del doctorando y a la contribución de diferentes expertos en la materia se desarrolla una propuesta estructurada de contenidos de Expresión Corporal, la cual es implementada en el título de grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte ofertado por la Universidad Politécnica de Madrid, analizando finalmente el nivel de relevancia que perciben los alumnos respecto de los contenidos de la materia planteados, infiriendo de los resultados obtenidos que se produce un aprendizaje significativo por parte de los futuros titulados. Se organizó la investigación en torno a cinco fases, utilizando en las tres primeras como metodología principal en análisis de contenido de las principales fuentes documentales (obras de referencia, programas docentes universitarios y normativa educativa), la cual es apoyada por otras herramientas como el grupo de discusión. La cuarta fase consistente en la elaboración de una propuesta estructurada de contenidos, contó con la valoración de un grupo de expertos en la materia. Mientras que en la fase de implementación y evaluación se recurrió al formato de entrevista colectiva mediante el empleo de cuestionario auto cumplimentado. La principal contribución de este trabajo es por tanto la presentación de una propuesta de estructuración de contenidos en Expresión Corporal, como parte de las manifestaciones básicas de la motricidad humana y enmarcada en el ámbito de las Ciencias de la Actividad Física y del Deporte; que tiene respaldo en las obras de referencia de la materia, en la formación inicial de los licenciados en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte y en el desarrollo normativo de la Ley Orgánica de Educación; y que ha sido implementada en el actual título de Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte de la Universidad Politécnica de Madrid con resultados satisfactorios. ABSTRACT Corporal Expression as an educational subject has it origin s in Spain, linked to physical education and its development at University context, during the second half of the twentieth century. But his academic corpus has not been definitively settled, leading to different interpretations and considerations about what should be considered as proper contents of subject and how they should be structured. This thesis aims to study precisely the contents of the Corporal Expression as a subject belonging to Sciences of Physical Activity and Sport, trying to give a reasoned response to the previous approach. Taking this objective into consideration, main reference works were selected and analyzed to set a content structure and associated categories. The training offer of Spanish public universities in the Science of Physical Activity and Sport degree was analyzed, checking on the one hand the heterogeneity in the treatment and on the other their suitability to the structure generated. Thirdly, normative related to the treatment of Corporal Expression in the Ley Orgánica de Educación was examined paying special attention to the Secondary School stage. The process of triangulation which was performed using the most influential documentary sources suggested an apparent lack of structure and approach in the selection of contents to be developed in the subject of Physical Education. Based on these investigations, on the own teaching experience of the candidate and on the contribution of various experts in the field, a structured proposal of Corporal Expression contents is offered. This proposal has been implemented in the bachelor's degree in Sports Science offered by the Technical University of Madrid. Level of importance of the implemented contents perceived by students was analyzed and results suggested the presence of meaningful learning among graduates. Research was split into five phases. In the first three phases content analysis of the main documentary sources (reference books, university programs and educational standards), which was supported by other tools like the discussion group was the principal methodology. The fourth phase consisted in the development of a proposal structured content, involving the assessment of a group of experts in the field. In the implementation and evaluation phase collective interview using self-completed questionnaire was conducted The main contribution of this work is therefore presenting a proposal for structuring content in Corporal Expression, as a part of the basic manifestations of human motorskill and framed in the field of Sciences of Physical Activity and Sport; which draws on the support of reference works, initial training of graduates in Science of Physical Activity and Sport and the development of the normative of the Ley Orgánica de Educación; and has been implemented in the current Degree in Sports Science of the Technical University of Madrid with satisfactory results.

Self-similar motion of laser half-space plasmas. II. Thermal waves and intermediate regimes

The one-dimensional self-similar motion of an initially cold, half-space plasma of electron density n,produced by the (anomalous) absorption of a laser pulse of irradiation

€~4'3, a qualitative discussion of how plasma behavior changes with a, is given.

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

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

Self-organizing cultured neural networks: Image analysis techniques for longitudinal tracking and modeling of the underlying network structure (versión actualizada)

Esta tesis estudia la evolución estructural de conjuntos de neuronas como la capacidad de auto-organización desde conjuntos de neuronas separadas hasta que forman una red (clusterizada) compleja. Esta tesis contribuye con el diseño e implementación de un algoritmo no supervisado de segmentación basado en grafos con un coste computacional muy bajo. Este algoritmo proporciona de forma automática la estructura completa de la red a partir de imágenes de cultivos neuronales tomadas con microscopios de fase con una resolución muy alta. La estructura de la red es representada mediante un objeto matemático (matriz) cuyos nodos representan a las neuronas o grupos de neuronas y los enlaces son las conexiones reconstruidas entre ellos. Este algoritmo extrae también otras medidas morfológicas importantes que caracterizan a las neuronas y a las neuritas. A diferencia de otros algoritmos hasta el momento, que necesitan de fluorescencia y técnicas inmunocitoquímicas, el algoritmo propuesto permite el estudio longitudinal de forma no invasiva posibilitando el estudio durante la formación de un cultivo. Además, esta tesis, estudia de forma sistemática un grupo de variables topológicas que garantizan la posibilidad de cuantificar e investigar la progresión de las características principales durante el proceso de auto-organización del cultivo. Nuestros resultados muestran la existencia de un estado concreto correspondiente a redes con configuracin small-world y la emergencia de propiedades a micro- y meso-escala de la estructura de la red. Finalmente, identificamos los procesos físicos principales que guían las transformaciones morfológicas de los cultivos y proponemos un modelo de crecimiento de red que reproduce el comportamiento cuantitativamente de las observaciones experimentales. ABSTRACT The thesis analyzes the morphological evolution of assemblies of living neurons, as they self-organize from collections of separated cells into elaborated, clustered, networks. In particular, it contributes with the design and implementation of a graph-based unsupervised segmentation algorithm, having an associated very low computational cost. The processing automatically retrieves the whole network structure from large scale phase-contrast images taken at high resolution throughout the entire life of a cultured neuronal network. The network structure is represented by a mathematical object (a matrix) in which nodes are identified neurons or neurons clusters, and links are the reconstructed connections between them. The algorithm is also able to extract any other relevant morphological information characterizing neurons and neurites. More importantly, and at variance with other segmentation methods that require fluorescence imaging from immunocyto- chemistry techniques, our measures are non invasive and entitle us to carry out a fully longitudinal analysis during the maturation of a single culture. In turn, a systematic statistical analysis of a group of topological observables grants us the possibility of quantifying and tracking the progression of the main networks characteristics during the self-organization process of the culture. Our results point to the existence of a particular state corresponding to a small-world network configuration, in which several relevant graphs micro- and meso-scale properties emerge. Finally, we identify the main physical processes taking place during the cultures morphological transformations, and embed them into a simplified growth model that quantitatively reproduces the overall set of experimental observations.

Decodificar Sejima‐SANAA: Estrategias formales y estructurales en su trayectoria de proyecto, 1987 a 2010; de la Casa Platform I al Centro Rolex

La Tesis decodifica una selección de veinte proyectos representativos de Sejima-SANAA, desde su primer proyecto construido, la Casa Platform I, 1987, hasta el Centro Rolex, 2010, año en que Sejima y Nishizawa –SANAA- reciben el Premio Pritzker. De los veinte proyectos once son de Sejima: Casa Platform I, Casa Platform II, Residencia de Mujeres, Casa N, Pachinco Parlor I, Villa en el Bosque, Comisaría en Chofu, Casa Y, Apartamentos en Gifu, Edificio de equipamientos en la Expo Tokio 96, Pachinko Parlor III; y nueve de SANAA: edificio Multimedia en Oogaki, estudio de viviendas metropolitanas,Park Café en Koga, De Kunstlinie en Almere, Museo de Kanazawa, Pabellón de Toledo, Escuela de Zollverein, Casa Flor y Centro Rolex. La decodificación lee la obra de Sejima-SANAA a la inversa para ‘reconstruir’, en un ejercicio de simulación ficticia, una versión verosímil y coherente de los que podrían haber sido sus procesos proyectuales; podrían, porque los verdaderos son imposibles de dilucidar. Los que se proponen se pretenden exclusivamente verosímiles y plausibles. Con ello se pretende contribuir al entendimiento y comprensión de la arquitectura de Sejima-SANAA y, tangencialmente y en menor medida, a la teoría sobre el ejercicio proyectual arquitectónico. La decodificación se centra en dos aspectos concretos: la forma arquitectónica y el papel proyectual de la estructura portante. Ambas decodificaciones se extienden inevitablemente a otros aspectos relacionados, como, por ejemplo, la naturaleza del espacio arquitectónico. El procedimiento de investigación partió de una descripción objetiva y pormenorizada de los significantes formales y estructurales de cada proyecto desde su propia configuración física y geométrica. Esa descripción ‘objetiva’, llevada al límite, permitió que afloraran estructuras conceptuales y lógicas subyacentes de cada proyecto. Unida a interpretación crítica, –mediante su relación y confrontación con otras arquitecturas y otros modos de hacer conocidos- permitió trazar la reconstitución ficticia que persigue la decodificación. Ese trabajo se materializó en veinte ensayos críticos y se acompañó de un conjunto de otros textos sobre temas sugeridos o reclamados por el proceso de investigación. El conjunto de todos esos textos constituye el material de trabajo de la tesis. A partir de ahí, con una visión de conjunto, la tesis identifica una trayectoria de estrategias formales y una trayectoria de estrategias proyectuales relacionadas con lo portante. Juntas conforman el grueso de la tesis que se expone en los cuatro capítulos centrales. Los precede un capítulo introductorio que expone el recorrido biográfico de K. Sejima y la trayectoria profesional de Sejima-SANAA; y los siguen de unos textos transversales sobre forma, lugar y espacio. La tesis termina con una síntesis de sus conclusiones. Las estrategias formales se exponen en tres capítulos. El primero, ‘Primeras estrategias formales’ agrupa proyectos de la primera etapa de Sejima. El segundo capítulo está dedicado enteramente al proyecto de los apartamentos en Gifu, 1994-98, que según esta tesis, supuso un importante punto de inflexión en la trayectoria de Sejima; tanto el tercer capítulo lleva por nombre ‘Estrategias formales después de Gifu’ y recoge los proyectos que le siguieron. Las ‘Primeras estrategias formales’, varias y balbucientes, se mueven en general en torno a dos modos o procedimientos de composición, bien conocidos: por partes y sistemático. Éste última inicia en la trayectoria de SANAA un aspecto que va a ser relevante de aquí en adelante: entender el proyecto como propuesta genérica en la que, más allá de su realidad específica y tangible, subyace una lógica, en cada proyecto la suya, extrapolable a otros lugares, otras dimensiones, incluso otros programas: cada proyecto podría dar lugar a otros proyectos de la misma familia. La composición sistemática incluye, entre otros, la Casa Platform II, basada en la definición de un elemento constructivo, y la formulación de unas leyes de repetición y de posibles modos de agrupación. Incluye también la Residencia de Mujeres Saishunkan Seiyaku- proyecto que lanzó a Sejima a la fama internacional-, que también sería un sistema, pero distinto: basado en la repetición regular de una serie de elementos a lo largo de una directriz generando un hipotético contenedor infinito del que el proyecto sería tan solo un fragmento. La estrategia formal del edificio de Gifu ahondaría en la voluntad genérica del proyecto, adoptando la lógica de un juego. El proyecto sería una partida del juego, pero no la única posible, podrían jugarse otras. Esta hipótesis del juego está verificada en ‘El Juego de Gifu’ que - tras formular el juego identificando sus elementos (tablero y fichas), reglas y procedimientos- juega una partida: la que habría dado lugar al edificio proyectado por Sejima. Gifu extiende el concepto de ‘repetir’ un elemento constructivo a la de repetir un patrón espacial, lo que conlleva: la desvinculación entre forma y función; y un nuevo concepto de flexibilidad, que deja de referirse al uso flexible del edificio construido para pertenecer al momento proyectual en que se asignan funciones específicas a los patrones espaciales. Esta tesis propone que esa asignación de funciones sería uno de los últimos eslabones del proceso proyectual, algo opuesto a la premisa moderna de “la forma sigue a la función”. Las estrategias formales ‘Después de Gifu’ tienen también lógicas de juego, pero cada estrategia responde a un juego distinto, como dejan entrever sus nombres: ‘Tableros de Juego’, que con distintos grados de madurez estaría presente en varios proyectos; ‘Elementos de Catálogo’ en el Museo de Kanazawa; ‘Forma apriorística’, en la Casa Flor y ‘Repetición de una situación topológica’, en el Centro Rolex. Todas esas estrategias, o juegos, mantienen aspectos comunes relativos a la forma arquitectónica, precisamente los aspectos Gifu: la repetición aplicada al patrón espacial, y lo que conlleva: desvinculación entre forma y función y la nueva acepción de flexibilidad. ‘Tableros de Juego’ consiste en configurar cada sistema de proyecto (estructura, cerramientos, particiones y mobiliario) eligiendo elementos ofrecidos por una geometría de base, en cada proyecto la suya, en general reticular: intersecciones, líneas, módulos. Cada sistema se configura, en principio, sin relación de subordinación con cualquiera de los demás; cuando esa subordinación es ineludible, el juego determina que el sistema portante no puede materializar el orden geométrico de base, lo que se traduce en que no ejerce el papel dominante. Por lo tanto, ‘Tableros de Juego’ transgrede la lógica de la planta libre moderna: la estructura ni refleja ni revela el orden de base y los sistemas no respetan las relaciones de subordinación jerárquica y encadenada que aquella determinaba. Esta estrategia de ‘Tableros de juego’ deriva en soluciones y proyectos formales muy distintos: los proyectos de Oogaki y Park Café, que presentarían ‘Tableros de Juego’ incipientes; De Kunstlinie en Almere y la Escuela de Zollverein, que presentarían una consolidación de esta estrategia; y el Pabellón de Vidrio de Toledo que resultaría de la subversión de la estrategia. Este último proyecto, además, lleva el concepto de repetición más allá del elemento constructivo y del patrón espacial (que en este caso tiene forma de burbuja) parar acabar afectando a la propia experiencia del espectador, que esté donde esté, siempre tiene la sensación de estar en el mismo sitio. Esta tesis denomina a ese espacio repetitivo como ‘espacio mantra’. La estrategia ‘Elementos de Catálogo’ se ilustra con el Museo de Kanazawa. Su lógica parte de la definición de una serie de elementos, muy pocos, y se basa en el ingente número de posibles combinaciones entre sí. Gifu habría anunciado el catalogo de elementos en la caracterización de sus patrones espaciales. La estrategia ‘Forma Apriorística’ se ilustra con la Casa Flor. La decisión sobre el tipo de forma -en este caso la de una ameba- estaría al principio del proceso proyectual, lo que no quiere decir que sea una forma arbitraria: la forma de la ameba lleva implícita la repetición de un patrón espacial (el seudópodo) y una apoteosis del concepto de repetición que, alcanzando la experiencia espacial, da lugar a un espacio repetitivo o mantra. El ‘Espacio Mantra’ es uno de los leitmotivs, que se emplean como argumento en la última estrategia formal que la Tesis decodifica: el Centro Rolex. Con respecto a la estructura portante, la tesis identifica y traza una trayectoria de cinco estrategias proyectuales: preeminencia, ocultación, disolución, desaparición y desvirtuación. --Ocultación, reduce el papel dominante de la estructura. Al principio es una ocultación literal, casi un tapado de los elementos estructurales, como en Gifu; luego se hace más sofisticada, como la ocultación por camuflaje o la paradójica ocultación por multiplicación de Park Café. --La disolución merma la condición dominante de la estructura que en lugar de configurarse como sistema unitario u homogéneo se fragmenta en varios subsistemas. --La desaparición se refiere a estructuras que desaparecen como sistemas propios y autónomos, a proyectos en los que la función portante es desempeñada por otros sistemas como el de las particiones. La desaparición culmina con la Casa Flor, cuyo perímetro ejerce la función portante y además es transparente, está desmaterializado: la estructura se ha hecho invisible, ha desaparecido. --La desvirtuación se refiere a estructuras que sí se presentan como sistemas propios y autónomos, pero dejan de tener un papel preeminente por cuanto no materializan el orden de base: esta estrategia es correlativa a la estrategia formal ‘Tableros de juego’. Las conclusiones de la tesis están en la propia organización de la tesis: la identificación de las estrategias. Aún así, y como epílogos, se exponen seis. Las dos primeras subrayan el hilo conductor del trabajo realizado, que radica en la cualidad genérica de las estrategias proyectuales en Sejima-SANAA. Las cuatro siguientes dilucidan hasta qué punto hay, en sus proyectos, rasgos o significantes formales y/o estructurales que sean a su vez señales características del panorama arquitectónico contemporáneo; y plantean la pregunta estrella: ¿hay algunos que, apuntando más lejos, supongan aportaciones originales? --Como aportaciones originales la tesis destaca: la identificación entre el ideal genérico y proyecto concreto; y la propuesta de un espacio nuevo, híbrido, una suerte de estadio intermedio entre el espacio subdividido y compartimentado de la tradición y el continuo moderno. --Como síntomas de contemporaneidad se destacan: respecto de la forma, la traslación de la especificidad formal de la parte al conjunto; y respecto de la estructura, la tendencia contemporánea a hacer estructuras cada vez más ligeras y livianas, que tienden a lo evanescente. Ésta última, la tendencia al evanescencia estructural, podría tener la condición de aportación original, no en vano la desaparición de la estructura lleva la evanescencia hacia sus últimas consecuencias, y en el caso de estructuras con presencia física, hace que dejen de ser el sistema ordenador orquestador del proceso proyectual. ABSTRACT The Thesis decodes a selection of twenty representative Sejima-SANAA projects, from the first one built, the Platform I House in 1987, to the Rolex Center in 2010, year in which Sejima and Nishizawa –SANAA- received the Pritzker Prize. Eleven projects are from Sejima: Platform I, Platform II, Saishunkan Seiyaku Women´s Dormitory, N- House, Pachinco Parlor I, Villa in the Forest, Policy Box at Chofu Station, Y-House, Gifu Kitigata Apartment, World City Expo ´96 Facilities Building, Pachinko Parlor III; and nine from SANAA: Multimedia Workshop in Ogaki, Metropolitan Housing Studies, Park Café in Koga, De Kunstlinie in Almere, Kanazawa Museum, Glass Pavilion at the Toledo Museum of Art, Zollverein School, Flower House and the Rolex Center. This decoding reads the Sejima-SANAA’s projects inversely aiming ‘to reconstruct', in a fictitious simulation exercise, a likely and coherent version of what her/their projectual processes ‘could’ have been; ‘could’, because the true ones are impossible to explain. The ones proposed here pretend only to be likely and reasonable. By so doing the Thesis tries to contribute to the understanding and comprehension of Sejima-SANAA architecture and, tangentially and to a lesser extent, to the theory of architectural projects exercise. Decoding centers in two specific aspects: architectural form, and projectual role of the load bearing structure. Both decodes inevitably extend to other related aspects such as, for example, the nature of space. The research procedure begun by carrying out an objective and detailed description of the formal and structural signifiers of each project; looking at them from their physical and geometric configuration. Taken to the limit, the ‘objective’ descriptions allowed the conceptual structures and underlying logics of each project to arise. Together with critical interpretations, which related and confronted them with other architectures and well-known projectual working ways, it became possible to outline and trace the intended fictitious reconstruction decodes. The descriptive analytical work materialized in twenty critical essays, and was accompanied by a set of other essays on subjects suggested or demanded by the research process. Together, all those texts were the material basis on which thesis work was built. Looking at the whole and taking it from there, the thesis identifies two related projectual trajectories: a trajectory of formal strategies and a trajectory of strategies having to do with structural systems and components. Both, together, constitute the bulk of the thesis, as presented in the four central chapters. Preceding them there is an introductory chapter outlining the biographical path of Kazuyo Sejima and the professional trajectory of Sejima-SANAA. And following them there is another one containing transversal texts on form, place and space. The thesis ends with a synthesis on conclusions. The formal strategies are displayed in three chapters. The first one, `Early formal strategies' groups the first phase projects by Sejima. The second one, ‘Formal strategies of Gifu’s paradigm’, is entirely dedicated to the Gifu apartments project, 1994-98, which according to this thesis meant an important inflexion point in Sejima’s trajectory; so much so that the third chapter is named `Formal strategies after Gifu' and gathers the selected projects that followed it. The ‘Early formal strategies', diverse and tentative, move in general around two well-known projectual composition methods ‘composition by parts’, and ‘systematic composition’. This last one –systematic composition- begins and leads in SANAA’s trajectory an aspect which will remain relevant from here on: the understanding of the project as if it were an specific instance of a generic proposal in which -below and beyond the project tangible reality- there lays a logic that could be applicable at other places, for other dimensions, even with other programs; from each project, other projects of the same family could rise. The set of projects using this systematic composition method include, among others, the ‘Platform II House, based on the definition of a constructive element and of rules having to do with its replicas and their possible groupings. It also includes the Saishunkan Seiyaku Women Residence -project that launched Sejima to international fame- that could also be seen as a system, but of a different kind: a system based on the regular repetition of a series of elements along a directive line, thus generating a hypothetical infinite container of which the project would be only a fragment. The formal strategy of the Gifu apartments building would push further towards the generic project concept, adopting the logic of a game. The project would be a bout, a round, one play…, but not the only possible one; others could be played. The thesis confirms this game hypothesis -after having formulated `The Game of Gifu' and identified its elements (board, chips, rules and procedures)- playing the one play from which the building as projected by Sejima would have raised. Gifu extends the concept of ‘repeating a constructive element’ to that of ‘repeating a space pattern element’, and to what it implies: the decoupling of form and function, leading to a new concept of flexibility that no longer refers to the flexible use of the constructed building but to the projectual moment at which the specific functions are assigned to the space patterns. This thesis proposes that this allocation of functions would be one of the last steps in projectual process, quite opposite from the modern premise: “form follows function”. The Formal strategies after Gifu do also have a game logic; but, as their names reveal, each strategy responds to a different game: ‘Game Boards’, present with different maturity levels in several projects; ‘Elements from a Catalogue’, in the Kanazawa Museum; ‘Aprioristic Form’, in the Flower House; and ‘Repetition of a topologic situation', in the Rolex Center. All of these strategies, or games, maintain common aspects having to do with architectural form; aspects that were already present, precisely, in Gifu: repetition of space pattern units, uncoupling of form and function, and a new meaning of flexibility. -`Game Boards’ consists on setting up a base geometry -each project his, generally reticular- and give form to each project system (structure, closings, partitions and furniture) by choosing elements -intersections, lines, modules- it offers. Each project system is formed, in principle, with no subordinated relation with any of the others; when subordination is unavoidable, the game rules determine that the load bearing structural system may not be the one to materialize the base geometric order, which means that it does not exert the dominant role. Therefore, ‘Game Boards' transgresses the Modern logic, because the structure neither reflects nor reveals the base order, and because the systems do not respect any of the hierarchic and chained subordination relations that the ‘free plan’ called for. ‘Game Boards' leads to quite different solutions and formal projects: the Oogaki and Park Coffee projects show incipient Game Boards; The Almere Kunstlinie and the Zollverein School present consolidations of this strategy; and the Toledo’s Glass Pavilion results from subverting the strategy. In addition, the Toledo project takes the repetition concept beyond that of using a constructive element and a space pattern element (in this case with a bubble form) to end up affecting the personal experience of the spectator, who, wherever he is, feels to always be in the same place. This thesis denominates that repetitive space as ‘Mantra space '. -‘Elements from a Catalogue’ is shown with the Kanazawa Museum. Its logic starts from the definition of a series of elements, very few, and it is based on the huge number of possible combinations among them. The ‘Elements from a Catalogue’ approach was announced in the Gifu project when characterizing its space pattern elements. -Aprioristic Form' is illustrated by the Flower House. The decision on the type of form -in this case the form of an amoeba- would be the beginning of the projectual process, but it does not mean it is arbitrary form: the amoeba form implies repeating a space pattern (pseudopodia) and an apotheosis of the repetition concept: embracing the space experience, it gives rise to a repetitive or mantra space. ‘Mantra Space’ is one of leitmotivs used as an argument in the last formal strategy Thesis decodes: the Rolex Center. With respect to the ‘Projectual strategies of the load bearing structure’, the thesis finds and traces a trajectory of five projectual strategies: ‘preeminence, concealment, dissolution, disappearance and desvirtuación’. --Preeminence is present in Sejima’s first works in which she resorts to structures which have a dominant preeminent role in the project in so far as they impersonate the greater scale and/or materialize the base geometric order. In later works that preeminence will be inverted, the projects aiming towards its opposite: lighter, slighter, smaller structures. -Concealment reduces the dominant role of the structure. At the outset concealment is literal, almost hiding the structural elements, as in Gifu; soon it will become more sophisticated, such as the concealment by camouflage or the paradoxical concealment by multiplication in the Koga Park Café. -Dissolution diminishes the dominant condition of the structure: instead of its’ being configured as unitary or homogenous system is fragmented in several subsystems. -Disappearance talks about structures that fade away as self referred and independent systems; projects in which the load bearing function is carried out by other systems such as the set of partitions. Disappearance reaches its zenith at the Flower House, whose perimeter functions structurally being, in addition, transparent, immaterial: its structure has become invisible, has disappeared. -Desvirtuación talks about structures that do appear like independent self-systems, but which that do not longer have a preeminent paper, inasmuch as they do not materialize the base order. This strategy correlates with the ‘Game Boards’ formal strategy. The thesis conclusions are show by the organization of the thesis itself: its identification of the different strategies. Even so, as epilogues, the thesis exposes six ‘Conclusions’. The first two emphasize the leading thread of the work done, rooted in the generic quality of the Sejima-SANAA projectual strategies. The following four expound to what extent their projects show features, or formal and/or structural signifiers, which also are or can be read as characteristic signals of the contemporary architectonic panorama, and raise the key question: aiming farther, may some of them be taken as original contributions? -As original contributions the conclusions highlight: the identification between the generic ideal and the concrete project; and the proposal of a new, hybrid space, kind of an intermediate stage between the traditional subdivided compartmented space and the continuous modern. -As symptoms of contemporaneousness: in relation to the form it highlights the transferring of the formal specificity from the part to the whole; and in relation to the structure, it underscore the contemporary tendency towards lighter and growingly slimmer structures, tending to the evanescent. This last one, the tendency towards structural evanescence, could have condition of being an original contribution, not in vain it carries the structural disappearance towards its last consequences; and in the case of structures with physical presence, it makes them to cease being the ordering system orchestrating the projectual process.