A Precharge-Absorbed DPL Logic for Reducing Early Propagation Effects on FPGA Implementations

In this paper, a new countermeasure against power and electromagnetic (EM) Side Channel Attacks (SCA) on FPGA implemented cryptographic algorithms is proposed. This structure mainly focuses on a critical vulnerability, Early Evaluation, also known as Early Propagation Effect (EPE), which exists in most conventional SCA-hardened DPL (Dual-rail with Precharge Logic) solutions. The main merit of this proposal is that the EPE can be effectively prevented by using a synchronized non regular precharge network, which maintains identical routing between the original and mirror parts, where costs and design complexity compared with previous EPE-resistant countermeasures are reduced, while security level is not sacrificed. Another advantage for our Precharge Absorbed(PA) - DPL method is that its Dual-Core style (independent architecture for true and false parts) could be generated using partial reconfiguration. This helps to get a dynamic security protection with better energy planning. That means system only keeps the true part which fulfills the normal en/decryption task in low security level, and reconfigures the false parts once high security level is required. A relatively limited clock speed is a compromise, since signal propagation is restricted to a portion of the clock period. In this paper, we explain the principles of PA-DPL and provide the guidelines to design this structure. We experimentally validate our methods in a minimized AES co-processor on Xilinx Virtex-5 board using electromagnetic (EM) attacks.

Cost and energy efficient reconfigurable embedded platform using Spartan-6 FPGAs

Modern FPGAs with run-time reconfiguration allow the implementation of complex systems offering both the flexibility of software-based solutions combined with the performance of hardware. This combination of characteristics, together with the development of new specific methodologies, make feasible to reach new points of the system design space, and make embedded systems built on these platforms acquire more and more importance. However, the practical exploitation of this technique in fields that traditionally have relied on resource restricted embedded systems, is mainly limited by strict power consumption requirements, the cost and the high dependence of DPR techniques with the specific features of the device technology underneath. In this work, we tackle the previously reported problems, designing a reconfigurable platform based on the low-cost and low-power consuming Spartan-6 FPGA family. The full process to develop the platform will be detailed in the paper from scratch. In addition, the implementation of the reconfiguration mechanism, including two profiles, is reported. The first profile is a low-area and low-speed reconfiguration engine based mainly on software functions running on the embedded processor, while the other one is a hardware version of the same engine, implemented in the FPGA logic. This reconfiguration hardware block has been originally designed to the Virtex-5 family, and its porting process will be also described in this work, facing the interoperability problem among different families.

Automatic Generation of Identical Routing Pairs for FPGA Implemented DPL Logic

Side Channel Attacks (SCAs) typically gather unintentional (side channel) physical leakages from running crypto-devices to reveal confidential data. Dual-rail Precharge Logic (DPL) is one of the most efficient countermeasures against power or EM side channel threats. This logic relies on the implementation of complementary rails to counterbalance the data-dependent variations of the leakage from dynamic behavior of the original circuit. However, the lack of flexibility of commercial FPGA design tools makes it quite difficult to obtain completely balanced routings between complementary networks. In this paper, a controllable repair mechanism to guarantee identical net pairs from two lines is presented: i. repairs the identical yet conflict nets after the duplication (copy & paste) from original rail to complementary rail, and ii. repairs the non-identical nets in off-the-stock DPL circuits; These rerouting steps are carried out starting from a placed and routed netlist using Xilinx Description Language (XDL). Low level XDL modifications have been completely automated using a set of APIs named RapidSmith. Experimental EM attacks show that the resistance level of an AES core after the automatic routing repair is increased in a factor of at least 3.5. Timing analyses further demonstrate that net delay differences between complementary networks are minimized significantly.

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

Exploring the logic of mobile search

After more than a decade of development work and hopes, the usage of mobile Internet has finally taken off. Now, we are witnessing the first signs of evidence of what might become the explosion of mobile content and applications that will be shaping the (mobile) Internet of the future. Similar to the wired Internet, search will become very relevant for the usage of mobile Internet. Current research on mobile search has applied a limited set of methodologies and has also generated a narrow outcome of meaningful results. This article covers new ground, exploring the use and visions of mobile search with a users' interview-based qualitative study. Its main conclusion builds upon the hypothesis that mobile search is sensitive to a mobile logic different than today's one. First, (advanced) users ask for accessing with their mobile devices the entire Internet, rather than subsections of it. Second, success is based on new added-value applications that exploit unique mobile functionalities. The authors interpret that such mobile logic involves fundamentally the use of personalised and context-based services.

Light and Logic

Publicación de la Sede del Consejo Consultor de Castilla y León en Zamora en la revista de arquitectura IA&B (Mumbai). El proyecto de Zamora se centra en el diálogo entre una pieza cristina de vidrio y el grueso muro de piedra perimetral. Estas dos fachadas entran en relación gracias a un patio perimetral que tensa el contacto entre entre el vidrio y la piedra. Se hace especial mención de la estricta precisión y racionalidad del proyecto. La publicación contiene textos, dibujos planimétricos, fotografías y materiales del proceso de investigación en el proyecto (croquis y fotografías de maquetas).

Optically Reconfigurable RF Circuits using Silicon Switches

Mobile and wireless communications systems have become an important part of our everyday lives. These ubiquitous technologies have a profound effect on how we live. People predict bright future to wireless technologies, but it wouldn’t be possible without a hard work of thousands of scientists in the wireless innovation research arena. My Marie Curie project is investigating enabling technologies for future mobile and wireless communications systems

Relational and Allegorical Semantics for Constraint Logic Programming

El cálculo de relaciones binarias fue creado por De Morgan en 1860 para ser posteriormente desarrollado en gran medida por Peirce y Schröder. Tarski, Givant, Freyd y Scedrov demostraron que las álgebras relacionales son capaces de formalizar la lógica de primer orden, la lógica de orden superior así como la teoría de conjuntos. A partir de los resultados matemáticos de Tarski y Freyd, esta tesis desarrolla semánticas denotacionales y operacionales para la programación lógica con restricciones usando el álgebra relacional como base. La idea principal es la utilización del concepto de semántica ejecutable, semánticas cuya característica principal es el que la ejecución es posible utilizando el razonamiento estándar del universo semántico, este caso, razonamiento ecuacional. En el caso de este trabajo, se muestra que las álgebras relacionales distributivas con un operador de punto fijo capturan toda la teoría y metateoría estándar de la programación lógica con restricciones incluyendo los árboles utilizados en la búsqueda de demostraciones. La mayor parte de técnicas de optimización de programas, evaluación parcial e interpretación abstracta pueden ser llevadas a cabo utilizando las semánticas aquí presentadas. La demostración de la corrección de la implementación resulta extremadamente sencilla. En la primera parte de la tesis, un programa lógico con restricciones es traducido a un conjunto de términos relacionales. La interpretación estándar en la teoría de conjuntos de dichas relaciones coincide con la semántica estándar para CLP. Las consultas contra el programa traducido son llevadas a cabo mediante la reescritura de relaciones. Para concluir la primera parte, se demuestra la corrección y equivalencia operacional de esta nueva semántica, así como se define un algoritmo de unificación mediante la reescritura de relaciones. La segunda parte de la tesis desarrolla una semántica para la programación lógica con restricciones usando la teoría de alegorías—versión categórica del álgebra de relaciones—de Freyd. Para ello, se definen dos nuevos conceptos de Categoría Regular de Lawvere y _-Alegoría, en las cuales es posible interpretar un programa lógico. La ventaja fundamental que el enfoque categórico aporta es la definición de una máquina categórica que mejora e sistema de reescritura presentado en la primera parte. Gracias al uso de relaciones tabulares, la máquina modela la ejecución eficiente sin salir de un marco estrictamente formal. Utilizando la reescritura de diagramas, se define un algoritmo para el cálculo de pullbacks en Categorías Regulares de Lawvere. Los dominios de las tabulaciones aportan información sobre la utilización de memoria y variable libres, mientras que el estado compartido queda capturado por los diagramas. La especificación de la máquina induce la derivación formal de un juego de instrucciones eficiente. El marco categórico aporta otras importantes ventajas, como la posibilidad de incorporar tipos de datos algebraicos, funciones y otras extensiones a Prolog, a la vez que se conserva el carácter 100% declarativo de nuestra semántica. ABSTRACT The calculus of binary relations was introduced by De Morgan in 1860, to be greatly developed by Peirce and Schröder, as well as many others in the twentieth century. Using different formulations of relational structures, Tarski, Givant, Freyd, and Scedrov have shown how relation algebras can provide a variable-free way of formalizing first order logic, higher order logic and set theory, among other formal systems. Building on those mathematical results, we develop denotational and operational semantics for Constraint Logic Programming using relation algebra. The idea of executable semantics plays a fundamental role in this work, both as a philosophical and technical foundation. We call a semantics executable when program execution can be carried out using the regular theory and tools that define the semantic universe. Throughout this work, the use of pure algebraic reasoning is the basis of denotational and operational results, eliminating all the classical non-equational meta-theory associated to traditional semantics for Logic Programming. All algebraic reasoning, including execution, is performed in an algebraic way, to the point we could state that the denotational semantics of a CLP program is directly executable. Techniques like optimization, partial evaluation and abstract interpretation find a natural place in our algebraic models. Other properties, like correctness of the implementation or program transformation are easy to check, as they are carried out using instances of the general equational theory. In the first part of the work, we translate Constraint Logic Programs to binary relations in a modified version of the distributive relation algebras used by Tarski. Execution is carried out by a rewriting system. We prove adequacy and operational equivalence of the semantics. In the second part of the work, the relation algebraic approach is improved by using allegory theory, a categorical version of the algebra of relations developed by Freyd and Scedrov. The use of allegories lifts the semantics to typed relations, which capture the number of logical variables used by a predicate or program state in a declarative way. A logic program is interpreted in a _-allegory, which is in turn generated from a new notion of Regular Lawvere Category. As in the untyped case, program translation coincides with program interpretation. Thus, we develop a categorical machine directly from the semantics. The machine is based on relation composition, with a pullback calculation algorithm at its core. The algorithm is defined with the help of a notion of diagram rewriting. In this operational interpretation, types represent information about memory allocation and the execution mechanism is more efficient, thanks to the faithful representation of shared state by categorical projections. We finish the work by illustrating how the categorical semantics allows the incorporation into Prolog of constructs typical of Functional Programming, like abstract data types, and strict and lazy functions.

A Fast Reconfigurable 2D HW Core Architecture on FPGAs for Evolvable Self- Adaptive Systems

Modern FPGAs with Dynamic and Partial Reconfiguration (DPR) feature allow the implementation of complex, yet flexible, hardware systems. Combining this flexibility with evolvable hardware techniques, real adaptive systems, able to reconfigure themselves according to environmental changes, can be envisaged. In this paper, a highly regular and modular architecture combined with a fast reconfiguration mechanism is proposed, allowing the introduction of dynamic and partial reconfiguration in the evolvable hardware loop. Results and use case show that, following this approach, evolvable processing IP Cores can be built, providing intensive data processing capabilities, improving data and delay overheads with respect to previous proposals. Results also show that, in the worst case (maximum mutation rate), average reconfiguration time is 5 times lower than evaluation time.

Automatic Inference of Determinacy and Mutual Exclusion for Logic Programs Using Mode and Type Analyses

We propose an analysis for detecting procedures and goals that are deterministic (i.e., that produce at most one solution at most once),or predicates whose clause tests are mutually exclusive (which implies that at most one of their clauses will succeed) even if they are not deterministic. The analysis takes advantage of the pruning operator in order to improve the detection of mutual exclusion and determinacy. It also supports arithmetic equations and disequations, as well as equations and disequations on terms,for which we give a complete satisfiability testing algorithm, w.r.t. available type information. Information about determinacy can be used for program debugging and optimization, resource consumption and granularity control, abstraction carrying code, etc. We have implemented the analysis and integrated it in the CiaoPP system, which also infers automatically the mode and type information that our analysis takes as input. Experiments performed on this implementation show that the analysis is fairly accurate and efficient.

Parallelizing irregular and pointer-based computations automatically: perspectives from logic and constraint programming

Irregular computations pose sorne of the most interesting and challenging problems in automatic parallelization. Irregularity appears in certain kinds of numerical problems and is pervasive in symbolic applications. Such computations often use dynamic data structures, which make heavy use of pointers. This complicates all the steps of a parallelizing compiler, from independence detection to task partitioning and placement. Starting in the mid 80s there has been significant progress in the development of parallelizing compilers for logic pro­gramming (and more recently, constraint programming) resulting in quite capable paralle­lizers. The typical applications of these paradigms frequently involve irregular computations, and make heavy use of dynamic data structures with pointers, since logical variables represent in practice a well-behaved form of pointers. This arguably makes the techniques used in these compilers potentially interesting. In this paper, we introduce in a tutoríal way, sorne of the problems faced by parallelizing compilers for logic and constraint programs and provide pointers to sorne of the significant progress made in the area. In particular, this work has resulted in a series of achievements in the areas of inter-procedural pointer aliasing analysis for independence detection, cost models and cost analysis, cactus-stack memory management, techniques for managing speculative and irregular computations through task granularity control and dynamic task allocation such as work-stealing schedulers), etc.

Framework adaptable y reconfigurable dinámicamente para procesamiento de vídeo: aplicación a la etapa de filtrado adaptativo en sistemas de compresión de vídeo H.264/AVC y SVC

Los sistemas basados en componentes hardware con niveles de paralelismo estático tienden a infrautilizar sus recursos lógicos, ya que se diseñan para soportar el peor escenario posible. Este hecho se acentúa cuando se trabaja con los nuevos estándares de compresión de vídeo, como son el H.264/AVC y el SVC. Estos necesitan soluciones flexibles, capaces de soportar distintos escenarios, y escalables a fin de maximizar la utilización de recursos en todo momento. Por ello, y como alternativa a las soluciones estáticas o multiprocesadoras, este artículo presenta una arquitectura hardware escalable y reconfigurable dinámicamente para el filtrado de bucle adaptativo o Deblocking Filter. Su funcionamiento se basa en el de los arrays sistólicos, y su estrategia de paralelismo maximiza el número de macrobloques que pueden ser procesos simultáneamente.

A methodology for granularity-based control of parallelism in logic programs

Several types of parallelism can be exploited in logic programs while preserving correctness and efficiency, i.e. ensuring that the parallel execution obtains the same results as the sequential one and the amount of work performed is not greater. However, such results do not take into account a number of overheads which appear in practice, such as process creation and scheduling, which can induce a slow-down, or, at least, limit speedup, if they are not controlled in some way. This paper describes a methodology whereby the granularity of parallel tasks, i.e. the work available under them, is efficiently estimated and used to limit parallelism so that the effect of such overheads is controlled. The run-time overhead associated with the approach is usually quite small, since as much work is done at compile time as possible. Also,a number of run-time optimizations are proposed. Moreover, a static analysis of the overhead associated with the granularity control process is performed in order to decide its convenience. The performance improvements resulting from the incorporation of grain size control are shown to be quite good, specially for systems with medium to large parallel execution overheads.

Incremental analysis of constraint logic programs

Global analyzers traditionally read and analyze the entire program at once, in a nonincremental way. However, there are many situations which are not well suited to this simple model and which instead require reanalysis of certain parts of a program which has already been analyzed. In these cases, it appears inecient to perform the analysis of the program again from scratch, as needs to be done with current systems. We describe how the xed-point algorithms used in current generic analysis engines for (constraint) logic programming languages can be extended to support incremental analysis. The possible changes to a program are classied into three types: addition, deletion, and arbitrary change. For each one of these, we provide one or more algorithms for identifying the parts of the analysis that must be recomputed and for performing the actual recomputation. The potential benets and drawbacks of these algorithms are discussed. Finally, we present some experimental results obtained with an implementation of the algorithms in the PLAI generic abstract interpretation framework. The results show signicant benets when using the proposed incremental analysis algorithms.

Implementación de Algoritmos de Procesado de Señal sobre FPGA: Especificación, Reutilización y Exploración del Espacio de Diseño

Esta Tesis aborda el diseño e implementación de aplicaciones en el campo de procesado de señal, utilizando como plataforma los dispositivos reconfigurables FPGA. Esta plataforma muestra una alta capacidad de lógica, e incorpora elementos orientados al procesado de señal, que unido a su relativamente bajo coste, la hacen ideal para el desarrollo de aplicaciones de procesado de señal cuando se requiere realizar un procesado intensivo y se buscan unas altas prestaciones. Sin embargo, el coste asociado al desarrollo en estas plataformas es elevado. Mientras que el aumento en la capacidad lógica de los dispositivos FPGA permite el desarrollo de sistemas completos, los requisitos de altas prestaciones obligan a que en muchas ocasiones se deban optimizar operadores a muy bajo nivel. Además de las restricciones temporales que imponen este tipo de aplicaciones, también tienen asociadas restricciones de área asociadas al dispositivo, lo que obliga a evaluar y verificar entre diferentes alternativas de implementación. El ciclo de diseño e implementación para estas aplicaciones se puede prolongar tanto, que es normal que aparezcan nuevos modelos de FPGA, con mayor capacidad y mayor velocidad, antes de completar el sistema, y que hagan a las restricciones utilizadas para el diseño del sistema inútiles. Para mejorar la productividad en el desarrollo de estas aplicaciones, y con ello acortar su ciclo de diseño, se pueden encontrar diferentes métodos. Esta Tesis se centra en la reutilización de componentes hardware previamente diseñados y verificados. Aunque los lenguajes HDL convencionales permiten reutilizar componentes ya definidos, se pueden realizar mejoras en la especificación que simplifiquen el proceso de incorporar componentes a nuevos diseños. Así, una primera parte de la Tesis se orientará a la especificación de diseños basada en componentes predefinidos. Esta especificación no sólo busca mejorar y simplificar el proceso de añadir componentes a una descripción, sino que también busca mejorar la calidad del diseño especificado, ofreciendo una mayor posibilidad de configuración e incluso la posibilidad de informar de características de la propia descripción. Reutilizar una componente ya descrito depende en gran medida de la información que se ofrezca para su integración en un sistema. En este sentido los HDLs convencionales únicamente proporcionan junto con la descripción del componente la interfaz de entrada/ salida y un conjunto de parámetros para su configuración, mientras que el resto de información requerida normalmente se acompaña mediante documentación externa. En la segunda parte de la Tesis se propondrán un conjunto de encapsulados cuya finalidad es incorporar junto con la propia descripción del componente, información que puede resultar útil para su integración en otros diseños. Incluyendo información de la implementación, ayuda a la configuración del componente, e incluso información de cómo configurar y conectar al componente para realizar una función. Finalmente se elegirá una aplicación clásica en el campo de procesado de señal, la transformada rápida de Fourier (FFT), y se utilizará como ejemplo de uso y aplicación, tanto de las posibilidades de especificación como de los encapsulados descritos. El objetivo del diseño realizado no sólo mostrará ejemplos de la especificación propuesta, sino que también se buscará obtener una implementación de calidad comparable con resultados de la literatura. Para ello, el diseño realizado se orientará a su implementación en FPGA, aprovechando tanto los elementos lógicos generalistas como elementos específicos de bajo nivel disponibles en estos dispositivos. Finalmente, la especificación de la FFT obtenida se utilizará para mostrar cómo incorporar en su interfaz información que ayude para su selección y configuración desde fases tempranas del ciclo de diseño. Abstract This PhD. thesis addresses the design and implementation of signal processing applications using reconfigurable FPGA platforms. This kind of platform exhibits high logic capability, incorporates dedicated signal processing elements and provides a low cost solution, which makes it ideal for the development of signal processing applications, where intensive data processing is required in order to obtain high performance. However, the cost associated to the hardware development on these platforms is high. While the increase in logic capacity of FPGA devices allows the development of complete systems, high-performance constraints require the optimization of operators at very low level. In addition to time constraints imposed by these applications, Area constraints are also applied related to the particular device, which force to evaluate and verify a design among different implementation alternatives. The design and implementation cycle for these applications can be tedious and long, being therefore normal that new FPGA models with a greater capacity and higher speed appear before completing the system implementation. Thus, the original constraints which guided the design of the system become useless. Different methods can be used to improve the productivity when developing these applications, and consequently shorten their design cycle. This PhD. Thesis focuses on the reuse of hardware components previously designed and verified. Although conventional HDLs allow the reuse of components already defined, their specification can be improved in order to simplify the process of incorporating new design components. Thus, a first part of the PhD. Thesis will focus on the specification of designs based on predefined components. This specification improves and simplifies the process of adding components to a description, but it also seeks to improve the quality of the design specified with better configuration options and even offering to report on features of the description. Hardware reuse of a component for its integration into a system largely depends on the information it offers. In this sense the conventional HDLs only provide together with the component description, the input/output interface and a set of parameters for its configuration, while other information is usually provided by external documentation. In the second part of the Thesis we will propose a formal way of encapsulation which aims to incorporate with the component description information that can be useful for its integration into other designs. This information will include features of the own implementation, but it will also support component configuration, and even information on how to configure and connect the component to carry out a function. Finally, the fast Fourier transform (FFT) will be chosen as a well-known signal processing application. It will be used as case study to illustrate the possibilities of proposed specification and encapsulation formalisms. The objective of the FFT design is not only to show practical examples of the proposed specification, but also to obtain an implementation of a quality comparable to scientific literature results. The design will focus its implementation on FPGA platforms, using general logic elements as base of the implementation, but also taking advantage of low-level specific elements available on these devices. Last, the specification of the obtained FFT will be used to show how to incorporate in its interface information to assist in the selection and configuration process early in the design cycle.