Design and Performance Evaluation of Network-on-Chip Communication Protocols and Architectures

The scale down of transistor technology allows microelectronics manufacturers such as Intel and IBM to build always more sophisticated systems on a single microchip. The classical interconnection solutions based on shared buses or direct connections between the modules of the chip are becoming obsolete as they struggle to sustain the increasing tight bandwidth and latency constraints that these systems demand. The most promising solution for the future chip interconnects are the Networks on Chip (NoC). NoCs are network composed by routers and channels used to inter- connect the different components installed on the single microchip. Examples of advanced processors based on NoC interconnects are the IBM Cell processor, composed by eight CPUs that is installed on the Sony Playstation III and the Intel Teraflops pro ject composed by 80 independent (simple) microprocessors. On chip integration is becoming popular not only in the Chip Multi Processor (CMP) research area but also in the wider and more heterogeneous world of Systems on Chip (SoC). SoC comprehend all the electronic devices that surround us such as cell-phones, smart-phones, house embedded systems, automotive systems, set-top boxes etc... SoC manufacturers such as ST Microelectronics , Samsung, Philips and also Universities such as Bologna University, M.I.T., Berkeley and more are all proposing proprietary frameworks based on NoC interconnects. These frameworks help engineers in the switch of design methodology and speed up the development of new NoC-based systems on chip. In this Thesis we propose an introduction of CMP and SoC interconnection networks. Then focusing on SoC systems we propose: • a detailed analysis based on simulation of the Spidergon NoC, a ST Microelectronics solution for SoC interconnects. The Spidergon NoC differs from many classical solutions inherited from the parallel computing world. Here we propose a detailed analysis of this NoC topology and routing algorithms. Furthermore we propose aEqualized a new routing algorithm designed to optimize the use of the resources of the network while also increasing its performance; • a methodology flow based on modified publicly available tools that combined can be used to design, model and analyze any kind of System on Chip; • a detailed analysis of a ST Microelectronics-proprietary transport-level protocol that the author of this Thesis helped developing; • a simulation-based comprehensive comparison of different network interface designs proposed by the author and the researchers at AST lab, in order to integrate shared-memory and message-passing based components on a single System on Chip; • a powerful and flexible solution to address the time closure exception issue in the design of synchronous Networks on Chip. Our solution is based on relay stations repeaters and allows to reduce the power and area demands of NoC interconnects while also reducing its buffer needs; • a solution to simplify the design of the NoC by also increasing their performance and reducing their power and area consumption. We propose to replace complex and slow virtual channel-based routers with multiple and flexible small Multi Plane ones. This solution allows us to reduce the area and power dissipation of any NoC while also increasing its performance especially when the resources are reduced. This Thesis has been written in collaboration with the Advanced System Technology laboratory in Grenoble France, and the Computer Science Department at Columbia University in the city of New York.

Semicelle SOFC: studio e produzione di elettroliti con processi a basso impatto ambientale

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono dei sistemi elettrochimici in grado di trasformare direttamente l’energia chimica di un combustibile (generalmente H2) e di un comburente (O2) in energia elettrica, senza l’intervento intermedio di un ciclo termico. Le SOFCs rappresentano un sistema energetico pulito, efficiente e sicuro, tuttavia questa tecnologia presenta costi di produzione ancora elevati e necessita di un maggiore sviluppo. L’argomento della presente tesi si colloca nell’ambito dello studio e realizzazione di materiali per l’elettrolita di SOFCs ed il contributo scientifico che si propone di fornire trova spazio nella necessità di migliorare la sinterizzazione di tali materiali e nell’ottimizzazione dei processi di formatura per produzioni facilmente scalabili a livello industriale con costo contenuto ed ecocompatibili. L’approccio di ricerca adottato è stato quello di approfondire le conoscenze relative ad un ossido di cerio drogato con gadolinio (GDC), scelto come elettrolita, cercando di comprendere su quali parametri intervenire per promuovere la densificazione ed ottimizzare il seguente processo di formatura. La ricerca si è articolata nei seguenti punti: a) Studio del processo di sinterizzazione in relazione alle caratteristiche morfologiche delle polveri di GDC pura ed esaminando l’influenza dell’ossido di rame, aggiunto come drogante, sul comportamento in sinterizzazione e microstruttura finale. I risultati indicano che il processo di sinterizzazione è enormemente influenzato dalla presenza del CuO, dalla sua morfologia e dalla procedura usata per il drogaggio b) Realizzazione di un inchiostro serigrafico a base di GDC in matrice acquosa da depositare su anodi in verde. La serigrafia rappresenta un’importante tecnica di formatura, facilmente adattabile ad una produzione industriale, con cui è possibile ottenere film di GDC densi. L’ottimizzazione dei processi in matrice acquosa porta un enorme contributo per la diminuzione dei costi di produzione e per la realizzazione di un processo maggiormente ecocompatibile. Questo obiettivo è stato raggiunto con la corretta scelta e caratterizzazione di tutti gli additivi di formatura c) Assemblaggio della semicella SOFC anodo supportante e relativo trattamento in co-firing. La messa a punto di un idoneo ciclo di burn out degli organici ha contribuito a preservare l’integrità ed omogeneità dei film depositati che dopo sinterizzazione risultano perfettamente densi e privi di cricche.

Study of silicon-on-insulator multiple-gate MOS structures including band-gap engineering and self heating effects

The progresses of electron devices integration have proceeded for more than 40 years following the well–known Moore’s law, which states that the transistors density on chip doubles every 24 months. This trend has been possible due to the downsizing of the MOSFET dimensions (scaling); however, new issues and new challenges are arising, and the conventional ”bulk” architecture is becoming inadequate in order to face them. In order to overcome the limitations related to conventional structures, the researchers community is preparing different solutions, that need to be assessed. Possible solutions currently under scrutiny are represented by: • devices incorporating materials with properties different from those of silicon, for the channel and the source/drain regions; • new architectures as Silicon–On–Insulator (SOI) transistors: the body thickness of Ultra-Thin-Body SOI devices is a new design parameter, and it permits to keep under control Short–Channel–Effects without adopting high doping level in the channel. Among the solutions proposed in order to overcome the difficulties related to scaling, we can highlight heterojunctions at the channel edge, obtained by adopting for the source/drain regions materials with band–gap different from that of the channel material. This solution allows to increase the injection velocity of the particles travelling from the source into the channel, and therefore increase the performance of the transistor in terms of provided drain current. The first part of this thesis work addresses the use of heterojunctions in SOI transistors: chapter 3 outlines the basics of the heterojunctions theory and the adoption of such approach in older technologies as the heterojunction–bipolar–transistors; moreover the modifications introduced in the Monte Carlo code in order to simulate conduction band discontinuities are described, and the simulations performed on unidimensional simplified structures in order to validate them as well. Chapter 4 presents the results obtained from the Monte Carlo simulations performed on double–gate SOI transistors featuring conduction band offsets between the source and drain regions and the channel. In particular, attention has been focused on the drain current and to internal quantities as inversion charge, potential energy and carrier velocities. Both graded and abrupt discontinuities have been considered. The scaling of devices dimensions and the adoption of innovative architectures have consequences on the power dissipation as well. In SOI technologies the channel is thermally insulated from the underlying substrate by a SiO2 buried–oxide layer; this SiO2 layer features a thermal conductivity that is two orders of magnitude lower than the silicon one, and it impedes the dissipation of the heat generated in the active region. Moreover, the thermal conductivity of thin semiconductor films is much lower than that of silicon bulk, due to phonon confinement and boundary scattering. All these aspects cause severe self–heating effects, that detrimentally impact the carrier mobility and therefore the saturation drive current for high–performance transistors; as a consequence, thermal device design is becoming a fundamental part of integrated circuit engineering. The second part of this thesis discusses the problem of self–heating in SOI transistors. Chapter 5 describes the causes of heat generation and dissipation in SOI devices, and it provides a brief overview on the methods that have been proposed in order to model these phenomena. In order to understand how this problem impacts the performance of different SOI architectures, three–dimensional electro–thermal simulations have been applied to the analysis of SHE in planar single and double–gate SOI transistors as well as FinFET, featuring the same isothermal electrical characteristics. In chapter 6 the same simulation approach is extensively employed to study the impact of SHE on the performance of a FinFET representative of the high–performance transistor of the 45 nm technology node. Its effects on the ON–current, the maximum temperatures reached inside the device and the thermal resistance associated to the device itself, as well as the dependence of SHE on the main geometrical parameters have been analyzed. Furthermore, the consequences on self–heating of technological solutions such as raised S/D extensions regions or reduction of fin height are explored as well. Finally, conclusions are drawn in chapter 7.

Design methodologies of microwawe integrated circuits for satellite telecommunications

The running innovation processes of the microwave transistor technologies, used in the implementation of microwave circuits, have to be supported by the study and development of proper design methodologies which, depending on the applications, will fully exploit the technology potentialities. After the choice of the technology to be used in the particular application, the circuit designer has few degrees of freedom when carrying out his design; in the most cases, due to the technological constrains, all the foundries develop and provide customized processes optimized for a specific performance such as power, low-noise, linearity, broadband etc. For these reasons circuit design is always a “compromise”, an investigation for the best solution to reach a trade off between the desired performances. This approach becomes crucial in the design of microwave systems to be used in satellite applications; the tight space constraints impose to reach the best performances under proper electrical and thermal de-rated conditions, respect to the maximum ratings provided by the used technology, in order to ensure adequate levels of reliability. In particular this work is about one of the most critical components in the front-end of a satellite antenna, the High Power Amplifier (HPA). The HPA is the main power dissipation source and so the element which mostly engrave on space, weight and cost of telecommunication apparatus; it is clear from the above reasons that design strategies addressing optimization of power density, efficiency and reliability are of major concern. Many transactions and publications demonstrate different methods for the design of power amplifiers, highlighting the availability to obtain very good levels of output power, efficiency and gain. Starting from existing knowledge, the target of the research activities summarized in this dissertation was to develop a design methodology capable optimize power amplifier performances complying all the constraints imposed by the space applications, tacking into account the thermal behaviour in the same manner of the power and the efficiency. After a reminder of the existing theories about the power amplifier design, in the first section of this work, the effectiveness of the methodology based on the accurate control of the dynamic Load Line and her shaping will be described, explaining all steps in the design of two different kinds of high power amplifiers. Considering the trade-off between the main performances and reliability issues as the target of the design activity, we will demonstrate that the expected results could be obtained working on the characteristics of the Load Line at the intrinsic terminals of the selected active device. The methodology proposed in this first part is based on the assumption that designer has the availability of an accurate electrical model of the device; the variety of publications about this argument demonstrates that it is so difficult to carry out a CAD model capable to taking into account all the non-ideal phenomena which occur when the amplifier operates at such high frequency and power levels. For that, especially for the emerging technology of Gallium Nitride (GaN), in the second section a new approach for power amplifier design will be described, basing on the experimental characterization of the intrinsic Load Line by means of a low frequency high power measurements bench. Thanks to the possibility to develop my Ph.D. in an academic spin-off, MEC – Microwave Electronics for Communications, the results of this activity has been applied to important research programs requested by space agencies, with the aim support the technological transfer from universities to industrial world and to promote a science-based entrepreneurship. For these reasons the proposed design methodology will be explained basing on many experimental results.

Microfluidic device and interfacial transport: application to biomolecules and nanostructures

The aim of my dissertation is to provide new knowledge and applications of microfluidics in a variety of problems, from materials science, devices, and biomedicine, where the control on the fluid dynamics and the local concentration of the solutions containing the relevant molecules (either materials, precursors, or biomolecules) is crucial. The control of interfacial phenomena occurring in solutions at dierent length scales is compelling in nanotechnology for devising new sensors, molecular electronics devices, memories. Microfluidic devices were fabricated and integrated with organic electronics devices. The transduction involves the species in the solution which infills the transistor channel and confined by the microfluidic device. This device measures what happens on the surface, at few nanometers from the semiconductor channel. Soft-lithography was adopted to fabricate platinum electrodes, starting from platinum carbonyl precursor. I proposed a simple method to assemble these nanostructures in periodic arrays of microstripes, and form conductive electrodes with characteristic dimension of 600 nm. The conductivity of these sub-microwires is compared with the values reported in literature and bulk platinum. The process is suitable for fabricating thin conductive patterns for electronic devices or electrochemical cells, where the periodicity of the conductive pattern is comparable with the diusion length of the molecules in solution. The ordering induced among artificial nanostructures is of particular interest in science. I show that large building blocks, like carbon nanotubes or core-shell nanoparticles, can be ordered and self-organised on a surface in patterns due to capillary forces. The eective probability of inducing order with microfluidic flow is modeled with finite element calculation on the real geometry of the microcapillaries, in soft-lithographic process. The oligomerization of A40 peptide in microconfined environment represents a new investigation of the extensively studied peptide aggregation. The added value of the approach I devised is the precise control on the local concentration of peptides together with the possibility to mimick cellular crowding. Four populations of oligomers where distinguished, with diameters ranging from 15 to 200 nm. These aggregates could not be addresses separately in fluorescence. The statistical analysis on the atomic force microscopy images together with a model of growth reveal new insights on the kinetics of amyloidogenesis as well as allows me to identify the minimum stable nucleus size. This is an important result owing to its implications in the understanding and early diagnosis and therapy of the Alzheimer’s disease

Impiego di Ciclopoidi (Crustacea, Copepoda) come agenti di lotta biologica contro le zanzare (Diptera, Culicidae)

Da 25 anni la letteratura scientifica internazionale riporta studi su varie specie di microcrostacei copepodi ciclopoidi dei generi Macrocyclops, Megacyclops e Mesocyclops predatori di larve di 1a e 2a età di culicidi. Si tratta di prove di predazione in laboratorio e in pieno campo, in diverse aree del pianeta nessuna delle quali riguarda l’Italia o il resto d’Europa, contro principalmente Aedes aegypti (L.), Ae. albopictus (Skuse) e altre specie del genere Anopheles e Culex. L’allevamento massale di copepodi ciclopoidi appare praticabile e questo, assieme alle buone prestazioni predatorie, rende tali ausiliari candidati assai interessanti contro le due principali specie di zanzare, Culex pipiens L. e Ae. albpopictus, che nelle aree urbane e periurbane italiane riescono a sfruttare raccolte d’acqua artificiali di volume variabile e a regime idrico periodico o permanente. Pertanto lo scopo dello studio è stato quello di arrivare a selezionare una o più specie di copepodi candidati per la lotta biologica e valutarne la possibilità applicativa nell’ambito dei programmi di controllo delle zanzare nocive dell’ambiente urbano. L’argomento del tutto nuovo per il nostro paese, è stato sviluppato attraverso varie fasi ciascuna delle quali propedeutica a quella successiva. •Indagine faunistica nell’area di pianura e costiera sulle specie di ciclopoidi associate a varie tipologie di raccolte d’acqua naturali e artificiali (fossi, scoline, canali, risaie e pozze temporanee). I campionamenti sono stati condotti con l’obiettivo di ottenere le specie di maggiori dimensioni (≥1 mm) in ristagni con diverse caratteristiche in termini di qualità dell’acqua e complessità biocenotica. •Prove preliminari di predazione in laboratorio con alcune specie rinvenute negli ambienti campionati, nei confronti delle larve di Ae. albopictus e Cx. pipiens. Le prestazioni di predazione sono state testate sottoponendo ai copepodi larve giovani di zanzare provenienti da allevamento e calcolato il numero giornaliero di larve attaccate. •Implementazione di un allevamento pilota della specie valutata più interessante, Macrocyclops albidus (Jurine) (Cyclopoida, Cyclopidae, Eucyclopinae), per i risultati ottenuti in laboratorio in termini di numero di larve predate/giorno e per le caratteristiche biologiche confacenti agli ambienti potenzialmente adatti ai lanci. Questa parte della ricerca è stata guidata dalla finalità di mettere a punto una tecnica di allevamento in scala in modo da disporre di stock di copepodi dalla primavera, nonchè da criteri di economicità nell’impianto e nella sua gestione. •Prove di efficacia in condizioni di semicampo e di campo in raccolte d’acqua normalmente colonizzate dai culicidi in ambito urbano: bidoni per lo stoccaggio di acqua per l’irrigazione degli orti e tombini stradali. In questo caso l’obiettivo principale è stato quello di ottenere dati sull’efficienza del controllo di M. albidus nei confronti della popolazione culicidica selvatica e sulla capacità del copepode di colonizzare stabilmente tali tipologie di focolai larvali. Risultati e conclusioni Indagine faunistica e prove di predazione in laboratorio L’indagine faunistica condotta nell’area costiera ferrarese, in quella ravennate e della pianura bolognese ha portato al rinvenimento di varie specie di ciclopoidi mantenuti in laboratorio per la conduzione delle prove di predazione. Le specie testate sono state: Acanthocyclops robustus (G. O. Sars), Macrocyclops albidus (Jurine), Thermocyclops crassus (Fischer), Megacyclops gigas (Claus). La scelta delle specie da testare è stata basata sulla loro abbondanza e frequenza di ritrovamento nei campionamenti nonché sulle loro dimensioni. Ciascuna prova è stata condotta sottoponendo a un singolo copepode, oppure a gruppi di 3 e di 5 esemplari, 50 larve di 1a età all’interno di contenitori cilindrici in plastica con 40 ml di acqua di acquedotto declorata e una piccola quantità di cibo per le larve di zanzara. Ciascuna combinazione “copepode/i + larve di Ae. albopictus”, è stata replicata 3-4 volte, e confrontata con un testimone (50 larve di Ae. albopictus senza copepodi). A 24 e 48 ore sono state registrate le larve sopravvissute. Soltanto per M. albidus il test di predazione è stato condotto anche verso Cx. pipiens. Messa a punto della tecnica di allevamento La ricerca è proseguita concentrando l’interesse su M. albidus, che oltre ad aver mostrato la capacità di predare a 24 ore quasi 30 larve di Ae. albopictus e di Cx. pipiens, dalla bibliografia risulta tollerare ampi valori di temperatura, di pH e alte concentrazioni di vari inquinanti. Dalla ricerca bibliografica è risultato che i ciclopoidi sono facilmente allevabili in contenitori di varia dimensione e foggia somministrando agli stadi di preadulto alghe unicellulari (Chlorella, Chilomonas), protozoi ciliati (Paramecium, Euplotes), rotiferi e cladoceri. Ciò presuppone colture e allevamenti in purezza di tali microrganismi mantenuti in parallelo, da utilizzare come inoculo e da aggiungere periodicamente nell’acqua di allevamento dei ciclopoidi. Nel caso di utilizzo di protozoi ciliati, occorre garantirne lo sviluppo che avviene a carico di flora batterica spontanea a sua volta cresciuta su di un substrato organico quale latte, cariossidi bollite di grano o soia, foglie di lattuga, paglia di riso bollita con cibo secco per pesci, lievito di birra. Per evitare il notevole impegno organizzativo e di manodopera nonché il rischio continuo di perdere la purezza della colonia degli organismi da utilizzare come cibo, le prove comparative di allevamento hanno portato ad un protocollo semplice ed sufficientemente efficiente in termini di copepodi ottenibili. Il sistema messo a punto si basa sull’utilizzo di una popolazione mista di ciliati e rotiferi, mantenuti nell'acqua di allevamento dei copepodi mediante la somministrazione periodica di cibo standard e pronto all’uso costituito da cibo secco per gatti. Prova di efficacia in bidoni da 220 l di capacità La predazione è stata studiata nel biennio 2007-2008 in bidoni da 220 l di capacità inoculati una sola volta in aprile 2007 con 100 e 500 esemplari di M. albidus/bidone e disposti all’aperto per la libera ovideposizione della popolazione culicidica selvatica. L’infestazione preimmaginale culicidica veniva campionata ogni due settimane fino ad ottobre, mediante un retino immanicato a maglia fitta e confrontata con quella dei bidoni testimone (senza copepodi). Nel 2007 il tasso di riduzione medio delle infestazioni di Ae. albopictus nei bidoni con copepodi, rispetto al testimone, è del 99,90% e del 100,00% rispettivamente alle dosi iniziali di inoculo di 100 e 500 copepodi/bidone; per Cx. pipiens L. tale percentuale media è risultata di 88,69% e di 84,65%. Similmente, nel 2008 si è osservato ad entrambe le dosi iniziali di inoculo una riduzione di Ae. albopictus del 100,00% e di Cx. pipiens del 73,3%. La dose di inoculo di 100 copepodi per contenitore è risultata sufficiente a garantire un rapido incremento numerico della popolazione che ha raggiunto la massima densità in agosto-settembre e un eccellente controllo delle popolazioni di Ae. albopictus. Prova di efficacia in campo in serbatoi per l’acqua irrigua degli orti La prova è stata condotta a partire dalla metà di agosto 2008 interessando 15 serbatoi di varia foggia e capacità, variabile tra 200 e 600 l, utilizzati per stoccare acqua orti famigliari nel comune di Crevalcore (BO). Ai proprietari dei serbatoi era chiesto di gestire il prelievo dell’acqua e i rifornimenti come da abitudine con l’unica raccomandazione di non svuotarli mai completamente. In 8 contenitori sono stati immessi 100 esemplari di M.albidus e una compressa larvicida a base di Bacillus thuringiensis var. israelensis (B.t.i.); nei restanti 7 è stata soltanto immessa la compressa di B.t.i.. Il campionamento larvale è stato settimanale fino agli inizi di ottobre. Dopo l’introduzione in tutti i serbatoi sono stati ritrovati esemplari di copepodi, nonostante il volume di acqua misurato settimanalmente sia variato da pochi litri, in qualche bidone, fino a valori della massima capacità, per effetto del prelievo e dell’apporto dell’acqua da parte dei gestori degli orti. In post-trattamento sono state osservate differenze significative tra le densità larvali nelle due tesi solo al 22 settembre per Ae.albopictus Tuttavia in termini percentuali la riduzione media di larve di 3a-4a età e pupe nei bidoni con copepodi, rispetto al testimone, è stata de 95,86% per Ae. albopictus e del 73,30% per Cx. pipiens. Prova di efficacia in tombini stradali Sono state condotte due prove in due differenti località, interessando 20 tombini (Marano di Castenaso in provincia di Bologna nel 2007) e 145 tombini (San Carlo in provincia di Ferrara nel 2008), quest’ultimi sottoposti a spurgo e pulizia completa nei precedenti 6 mesi l’inizio della prova. L’introduzione dei copepodi nei tombini è stata fatta all’inizio di luglio nella prova di Marano di Castenaso e alla fine di aprile e giugno in quelli di San Carlo, a dosi di 100 e 50 copepodi/tombino. Prima dell’introduzione dei copepodi e successivamente ogni 2 settimane per due mesi, in ogni tombino veniva campionata la presenza culicidica e dei copepodi con dipper immanicato. Nel 2007 dopo l’introduzione dei copepodi e per tutto il periodo di studio, mediamente soltanto nel 77% dei tombini i copepodi sono sopravvissuti. Nel periodo di prova le precipitazioni sono state scarse e la causa della rarefazione dei copepodi fino alla loro scomparsa in parte dei tombini è pertanto da ricercare non nell’eventuale dilavamento da parte della pioggia, quanto dalle caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua. Tra queste innanzitutto la concentrazione di ossigeno che è sempre stata molto bassa (0÷1,03 mg/l) per tutta la durata del periodo di studio. Inoltre, a questo fattore probabilmente è da aggiungere l’accumulo, a concentrazioni tossiche per M. albidus, di composti organici e chimici dalla degradazione e fermentazione dell’abbondante materiale vegetale (soprattutto foglie) in condizioni di ipossia o anossia. Nel 2008, dopo il primo inoculo di M. albidus la percentuale di tombini che al campionamento presentano copepodi decresce in modo brusco fino a raggiungere il 6% a 2 mesi dall’introduzione dei copepodi. Dopo 40 giorni dalla seconda introduzione, la percentuale di tombini con copepodi è del 6,7%. Nell’esperienza 2008 è le intense precipitazioni hanno avuto probabilmente un ruolo determinante sul mantenimento dei copepodi nei tombini. Nel periodo della prova infatti le piogge sono state frequenti con rovesci in varie occasioni di forte intensità per un totale di 342 mm. Sotto questi livelli di pioggia i tombini sono stati sottoposti a un continuo e probabilmente completo dilavamento che potrebbe aver impedito la colonizzazione stabile dei copepodi. Tuttavia non si osservano influenze significative della pioggia nella riduzione percentuale dei tombini colonizzati da copepodi e ciò fa propendere all’ipotesi che assieme alla pioggia siano anche le caratteristiche fisico-chimiche dell’acqua a impedire una colonizzazione stabile da parte di M. albidus. In definitiva perciò si è dimostrato che i tombini stradali sono ambienti ostili per la sopravvivenza di M. albidus, anche se, dove il ciclopoide si è stabilito permanentemente, ha dimostrato un certo impatto nei confronti di Ae. albopictus e di Cx. pipiens, che tuttavia è risultato non statisticamente significativo all’analisi della varianza. Nei confronti delle larve di Culex pipiens il copepode non permette livelli di controllo soddisfacente, confermando i dati bibliografici. Nei confronti invece di Ae. albopictus la predazione raggiunge buoni livelli; tuttavia ciò non è compensato dalla percentuale molto alta di tombini che, dopo periodi di pioggia copiosa o singoli episodi temporaleschi o per le condizioni di anossia rimangono senza i copepodi. Ciò costringerebbe a ripetute introduzioni di copepodi i cui costi attualmente non sono inferiori a quelli per trattamenti con prodotti larvicidi. In conclusione la ricerca ha portato a considerare Macrocyclops albidus un interessante ausiliario applicabile anche nelle realtà urbane del nostro paese nell’ambito di programmi integrati di contrasto alle infestazioni di Aedes albopictus. Tuttavia il suo utilizzo non si presta a tutti i focolai larvali ma soltanto a raccolte di acqua artificiali di un certo volume come i bidoni utilizzati per stoccare acqua da impiegare per l’orto e il giardino familiare nelle situazioni in cui non è garantita la copertura ermetica, lo svuotamento completo settimanale o l’utilizzo di sostanze ad azione larvozanzaricida.

Organic heterostructure approach for multifunctional light-emitting field-effect transistors

The possibility of combining different functionalities in a single device is of great relevance for further development of organic electronics in integrated components and circuitry. Organic light-emitting transistors (OLETs) have been demonstrated to be able to combine in a single device the electrical switching functionality of a field-effect transistor and the capability of light generation. A novel strategy in OLET realization is the tri-layer vertical hetero-junction. This configuration is similar to the bi-layer except for the presence of a new middle layer between the two transport layers. This “recombination” layer presents high emission quantum efficiency and OLED-like (Organic Light-Emitting Diode) vertical bulk mobility value. The key idea of the vertical tri-layer hetero-junction approach in realizing OLETs is that each layer has to be optimized according to its specific function (charge transport, energy transfer, radiative exciton recombination). Clearly, matching the overall device characteristics with the functional properties of the single materials composing the active region of the OFET, is a great challenge that requires a deep investigation of the morphological, optical and electrical features of the system. As in the case of the bi-layer based OLETs, it is clear that the interfaces between the dielectric and the bottom transport layer and between the recombination and the top transport layer are crucial for guaranteeing good ambipolar field-effect electrical characteristics. Moreover interfaces between the bottom transport and the recombination layer and between the recombination and the top transport layer should provide the favourable conditions for the charge percolation to happen in the recombination layer and form excitons. Organic light emitting transistor based on the tri-layer approach with external quantum efficiency out-performing the OLED state of the art has been recently demonstrated [Capelli et al., Nat. Mater. 9 (2010) 496-503] widening the scientific and technological interest in this field of research.

Numerical study of graphene as a channel material for field-effect transistors

Graphene excellent properties make it a promising candidate for building future nanoelectronic devices. Nevertheless, the absence of an energy gap is an open problem for the transistor application. In this thesis, graphene nanoribbons and pattern-hydrogenated graphene, two alternatives for inducing an energy gap in graphene, are investigated by means of numerical simulations. A tight-binding NEGF code is developed for the simulation of GNR-FETs. To speed up the simulations, the non-parabolic effective mass model and the mode-space tight-binding method are developed. The code is used for simulation studies of both conventional and tunneling FETs. The simulations show the great potential of conventional narrow GNR-FETs, but highlight at the same time the leakage problems in the off-state due to various tunneling mechanisms. The leakage problems become more severe as the width of the devices is made larger, and thus the band gap smaller, resulting in a poor on/off current ratio. The tunneling FET architecture can partially solve these problems thanks to the improved subthreshold slope; however, it is also shown that edge roughness, unless well controlled, can have a detrimental effect in the off-state performance. In the second part of this thesis, pattern-hydrogenated graphene is simulated by means of a tight-binding model. A realistic model for patterned hydrogenation, including disorder, is developed. The model is validated by direct comparison of the momentum-energy resolved density of states with the experimental angle-resolved photoemission spectroscopy. The scaling of the energy gap and the localization length on the parameters defining the pattern geometry is also presented. The results suggest that a substantial transport gap can be attainable with experimentally achievable hydrogen concentration.

Reliable and Variation-Tolerant Interconnection Network for Low Power MPSOCS

Multi-Processor SoC (MPSOC) design brings to the foreground a large number of challenges, one of the most prominent of which is the design of the chip interconnection. With a number of on-chip blocks presently ranging in the tens, and quickly approaching the hundreds, the novel issue of how to best provide on-chip communication resources is clearly felt. Scaling down of process technologies has increased process and dynamic variations as well as transistor wearout. Because of this, delay variations increase and impact the performance of the MPSoCs. The interconnect architecture inMPSoCs becomes a single point of failure as it connects all other components of the system together. A faulty processing element may be shut down entirely, but the interconnect architecture must be able to tolerate partial failure and variations and operate with performance, power or latency overhead. This dissertation focuses on techniques at different levels of abstraction to face with the reliability and variability issues in on-chip interconnection networks. By showing the test results of a GALS NoC testchip this dissertation motivates the need for techniques to detect and work around manufacturing faults and process variations in MPSoCs’ interconnection infrastructure. As a physical design technique, we propose the bundle routing framework as an effective way to route the Network on Chips’ global links. For architecture-level design, two cases are addressed: (I) Intra-cluster communication where we propose a low-latency interconnect with variability robustness (ii) Inter-cluster communication where an online functional testing with a reliable NoC configuration are proposed. We also propose dualVdd as an orthogonal way of compensating variability at the post-fabrication stage. This is an alternative strategy with respect to the design techniques, since it enforces the compensation at post silicon stage.

Sviluppo dei materiali innovativi e studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici

Nell’ambito della Chimica Sostenibile e dell’applicazione dei suoi principi per la salvaguardia dell’ambiente, il progetto di dottorato ha riguardato lo sviluppo di materiali innovativi e lo studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici. In particolare l’attività si è focalizzata sulla sintesi di liquidi ionici ed indagini delle interazioni con membrane cellulari e sull’utilizzo ed isolamento di molecole da fonti rinnovabili. I liquidi ionici sono sali organici liquidi a temperature inferiori ai 100 °C; sono considerati promettenti solventi a ridotta tossicità, ma vanno chiarite a pieno le modalità di interazione con i sistemi biologici ed i meccanismi di tossicità. A questo scopo è stata impiegata una batteria di test bio-chimici, con saggi di fluorescenza e colorimetrici, che hanno permesso di discriminare le diverse tipologie di interazioni con varie strutture di membrana. Le informazioni raccolte sono servite per progettare sostanze meno dannose per le strutture cellulari, al fine di scegliere le funzionalità molecolari che consentano ai liquidi ionici di mantenere la loro attività ma di essere meno dannosi per l’ambiente. Per quanto riguarda l’utilizzo ed isolamento di molecole da fonte rinnovabili, si è utilizzata la tecnica della pirolisi per l’ottenimento di starting materials ed il loro impiego nella sintesi di chemicals in alternativa a composti derivanti da fonti fossili. La pirolisi tradizionale della cellulosa fornisce una molecola interessante, per semplicità denominata LAC, in quantità insufficienti ad un uso applicativo. Nell’ambito delle ricerche svolte è stato scoperto che la pirolisi condotta in presenza di catalizzatori meso-strutturati (MCM-41) drogati con metalli di transizione, fornisce buone quantità di LAC. LAC si è dimostrato promettente sia per la produzione di nuove molecole con possibili applicazioni nella chimica fine e farmaceutica, che come monomero per nuovi polimeri (copolimero ed omopolimero).

Problemi di consolidamento di matrici lapidee di differente microstruttura esposte a sollecitazioni ambientali e microclimatiche di varia origine

Questa ricerca presenta i risultati di una indagine volta a verificare la reale efficacia di rinforzo corticale su rocce carbonatiche di differenti caratteristiche mineralogiche, utilizzando consolidanti inorganici in soluzione acquosa quali l’Ossalato Ammonico (AmOX) e il Diammonio Fosfato Acido (DAHP). Le matrici carbonatiche scelte sono quelle del marmo invecchiato e una biomicrite. Sui campioni sono state effettuate indagini (SEM,MIP,XRD,MO,TG-DTA) di caratterizzazione prima e dopo i trattamenti volte a valutare eventuali effetti di rinforzo e misure fisiche di suscettività all’acqua. L’efficacia dei consolidanti inorganici è stata comparata con diversi consolidanti organici e ibridi presenti in commercio ed utilizzati in ambito conservativo. L'efficacia si è mostrata fortemente legata al fabric del materiale e alle modalità di strutturazione del prodotto di neomineralizzazione all’interno della compagine deteriorata. Nel caso del trattamento con AmOx il soluzione acquosa al 4%, la whewellite è l’unica fase di neoformazione riscontrata; la sua crescita avviene con un meccanismo essenzialmente topochimico. Nei materiali carbonatici compatti si possono ottenere solo modesti spessori di coating di neoformazione; per le rocce porose, contenenti difetti come lesioni, pori o micro-fratture, l’efficacia del trattamento può risultare più incisiva. Questo trattamento presenta lo svantaggio legato alla rapidissima formazione dei cristalli di whewellite che tendono a passivare le superfici impedendo la progressione della reazione; il vantaggio è connesso alla facile applicazione in cantiere. Nel caso del DAHP sulla matrice carbonatica trattata, si formano cluster cristallini contenenti specie più o meno stabili alcune riconducibili all’idrossiapatite. La quantità e qualità delle fasi, varia fortemente in funzione della temperatura, pH, pressione con conseguenze interferenza nelle modalità di accrescimento dei cristalli. Il trattamento alla stato attuale appare comunque di notevole interesse ma allo stesso tempo difficilmente applicabile e controllabile nelle reali condizioni operative di un cantiere di restauro.

Photoinduced electronic transitions and leakage correlation to defects/dislocations in GaN heterostructures

III-nitride materials are very promising for high speed electronics/optical applications but still suffer in performance due to problems during high quality epitaxial growth, evolution of dislocation and defects, less understanding of fundamental physics of materials/processing of devices etc. This thesis mainly focus on GaN based heterostructures to understand the metal-semiconductor interface properties, 2DE(H)G influence on electrical and optical properties, and deep level states in GaN and InAlN, InGaN materials. The detailed electrical characterizations have been employed on Schottky diodes at GaN and InAl(Ga)N/GaN heterostructures in order to understand the metal-semiconductor interface related properties in these materials. I have observed the occurrence of Schottky barrier inhomogenity, role of dislocations in terms of leakage and creating electrically active defect states within energy gap of materials. Deep level transient spectroscopy method is employed on GaN, InAlN and InGaN materials and several defect levels have been observed related to majority and minority carriers. In fact, some defects have been found common in characteristics in ternary layers and GaN layer which indicates that those defect levels are from similar origin, most probably due to Ga/N vacancy in GaN/heterostructures. The role of structural defects, roughness has been extensively understood in terms of enhancing the reverse leakage current, suppressing the mobility in InAlN/AlN/GaN based high electron mobility transistor (HEMT) structures which are identified as key issues for GaN technology. Optical spectroscopy methods have been employed to understand materials quality, sub band and defect related transitions and compared with electrical characterizations. The observation of 2DEG sub band related absorption/emission in optical spectra have been identified and proposed for first time in nitride based polar heterostructures, which is well supported with simulation results. In addition, metal-semiconductor-metal (MSM)-InAl(Ga)N/GaN based photodetector structures have been fabricated and proposed for achieving high efficient optoelectronics devices in future.

Ion implantation of organic thin films and electronic devices

Organic semiconductors have great promise in the field of electronics due to their low cost in term of fabrication on large areas and their versatility to new devices, for these reasons they are becoming a great chance in the actual technologic scenery. Some of the most important open issues related to these materials are the effects of surfaces and interfaces between semiconductor and metals, the changes caused by different deposition methods and temperature, the difficulty related to the charge transport modeling and finally a fast aging with time, bias, air and light, that can change the properties very easily. In order to find out some important features of organic semiconductors I fabricated Organic Field Effect Transistors (OFETs), using them as characterization tools. The focus of my research is to investigate the effects of ion implantation on organic semiconductors and on OFETs. Ion implantation is a technique widely used on inorganic semiconductors to modify their electrical properties through the controlled introduction of foreign atomic species in the semiconductor matrix. I pointed my attention on three major novel and interesting effects, that I observed for the first time following ion implantation of OFETs: 1) modification of the electrical conductivity; 2) introduction of stable charged species, electrically active with organic thin films; 3) stabilization of transport parameters (mobility and threshold voltage). I examined 3 different semiconductors: Pentacene, a small molecule constituted by 5 aromatic rings, Pentacene-TIPS, a more complex by-product of the first one, and finally an organic material called Pedot PSS, that belongs to the branch of the conductive polymers. My research started with the analysis of ion implantation of Pentacene films and Pentacene OFETs. Then, I studied totally inkjet printed OFETs made of Pentacene-TIPS or PEDOT-PSS, and the research will continue with the ion implantation on these promising organic devices.

De Novo Design of Foldamers for Preparation of Nanostructured Materials

This thesis deals with the synthesis and the conformation analysis of hybrid foldamers containing the 4-carboxyoxazolidin-2-one unit or related molecules, in which an imido-type function is obtained by coupling the nitrogen of the heterocycle with the carboxylic acid moiety of the next unit. The imide group is characterized by a nitrogen atom connected to an endocyclic and an exocyclic carbonyl, which tend always to adopt the trans conformation. As a consequence of this locally constrained disposition effect, these imide-type oligomers are forced to fold in ordered conformations. The synthetic approach is highly tuneable with endless variations, so, simply by changing the design and the synthesis, a wide variety of foldamers with the required properties may be prepared “on demand”. Thus a wide variety of unusual secondary structures and interesting supramolecular materials may be obtained with hybrid foldamers. The behaviour in the solid state of some of these compounds has been analyzed in detail, thus showing the formation of different kinds of supramolecular materials that may be used for several applications. A winning example is the production of a bolaamphiphilic gelators that may also be doped with small amounts of dansyl containing compounds, needed to show the cellular uptake into IGROV-1 cells, by confocal laser scanning microscopy. These gels are readily internalized by cells and are biologically inactive, making them very good candidates in the promising field of drug delivery. In the last part of the thesis, a particular attention was directed to the search of new scaffolds that behave as constrained amino acid mimetics, showing that tetramic acids derivatives could be good candidates for the synthesis and applications of molecules having an ordered secondary structure.