Tecniche di progettazione tollerante alle variazioni per circuiti digitali in tecnologie nanometriche

The digital electronic market development is founded on the continuous reduction of the transistors size, to reduce area, power, cost and increase the computational performance of integrated circuits. This trend, known as technology scaling, is approaching the nanometer size. The lithographic process in the manufacturing stage is increasing its uncertainty with the scaling down of the transistors size, resulting in a larger parameter variation in future technology generations. Furthermore, the exponential relationship between the leakage current and the threshold voltage, is limiting the threshold and supply voltages scaling, increasing the power density and creating local thermal issues, such as hot spots, thermal runaway and thermal cycles. In addiction, the introduction of new materials and the smaller devices dimension are reducing transistors robustness, that combined with high temperature and frequently thermal cycles, are speeding up wear out processes. Those effects are no longer addressable only at the process level. Consequently the deep sub-micron devices will require solutions which will imply several design levels, as system and logic, and new approaches called Design For Manufacturability (DFM) and Design For Reliability. The purpose of the above approaches is to bring in the early design stages the awareness of the device reliability and manufacturability, in order to introduce logic and system able to cope with the yield and reliability loss. The ITRS roadmap suggests the following research steps to integrate the design for manufacturability and reliability in the standard CAD automated design flow: i) The implementation of new analysis algorithms able to predict the system thermal behavior with the impact to the power and speed performances. ii) High level wear out models able to predict the mean time to failure of the system (MTTF). iii) Statistical performance analysis able to predict the impact of the process variation, both random and systematic. The new analysis tools have to be developed beside new logic and system strategies to cope with the future challenges, as for instance: i) Thermal management strategy that increase the reliability and life time of the devices acting to some tunable parameter,such as supply voltage or body bias. ii) Error detection logic able to interact with compensation techniques as Adaptive Supply Voltage ASV, Adaptive Body Bias ABB and error recovering, in order to increase yield and reliability. iii) architectures that are fundamentally resistant to variability, including locally asynchronous designs, redundancy, and error correcting signal encodings (ECC). The literature already features works addressing the prediction of the MTTF, papers focusing on thermal management in the general purpose chip, and publications on statistical performance analysis. In my Phd research activity, I investigated the need for thermal management in future embedded low-power Network On Chip (NoC) devices.I developed a thermal analysis library, that has been integrated in a NoC cycle accurate simulator and in a FPGA based NoC simulator. The results have shown that an accurate layout distribution can avoid the onset of hot-spot in a NoC chip. Furthermore the application of thermal management can reduce temperature and number of thermal cycles, increasing the systemreliability. Therefore the thesis advocates the need to integrate a thermal analysis in the first design stages for embedded NoC design. Later on, I focused my research in the development of statistical process variation analysis tool that is able to address both random and systematic variations. The tool was used to analyze the impact of self-timed asynchronous logic stages in an embedded microprocessor. As results we confirmed the capability of self-timed logic to increase the manufacturability and reliability. Furthermore we used the tool to investigate the suitability of low-swing techniques in the NoC system communication under process variations. In this case We discovered the superior robustness to systematic process variation of low-swing links, which shows a good response to compensation technique as ASV and ABB. Hence low-swing is a good alternative to the standard CMOS communication for power, speed, reliability and manufacturability. In summary my work proves the advantage of integrating a statistical process variation analysis tool in the first stages of the design flow.

Sviluppo di algoritmi avanzati di analisi e diagnosi combustione in tempo reale per motori endotermici alternativi

Increasingly stringent exhaust emission limits and higher fuel economy are the main drivers of the engine development process. As a consequence, the complexity of the propulsion units and its subsystems increase, due to the extensive use of sensors and actuators needed to obtain a precise control over the combustion phase. Since engine calibration process consumes most of the development time, new tools and methodologies are needed to shorten the development time and increase the performance attainable. Real time combustion analysis, based on the in-cylinder pressure signal, can significantly improve the calibration of the engine control strategies and the development of new algorithms, giving instantaneous feedback on the engine behavior. A complete combustion analysis and diagnosis system has been developed, capable of evaluating the most important indicators about the combustion process, such as indicated mean effective pressure, heat release, mass fraction burned and knock indexes. Such a tool is built on top of a flexible, modular and affordable hardware platform, capable of satisfying the requirements needed for accuracy and precision, but also enabling the use directly on-board the vehicle, due to its small form factor.

Procedura di progettazione di protesi a basso costo per l'arto inferiore

L'attività di ricerca descritta in questa tesi fornisce linee guida per la progettazione di arti protesici inferiori, con particolare riferimento alla progettazione di protesi a basso costo. La necessità di efficienti protesi a basso costo risulta infatti sentita nei Paesi in via di sviluppo ma anche dalle fasce meno abbienti dei paesi occidentali. Al fine di comprendere le strategie adottate dall'apparato locomotorio per muoversi con le protesi sono analizzati il cammino fisiologico, le protesi presenti sul mercato ed infine le modalità con cui le loro prestazioni sono valutate. Con il presente lavoro, dopo aver osservato la presenza di una scarsa strutturazione della metodologia di progettazione che riguarda specialmente il settore del basso costo, si propone una metodologia il più possibile oggettiva e ripetibile tesa ad individuare quali sono gli aspetti essenziali di una protesi per garantire al paziente una buona qualità di vita. Solo questi aspetti dovranno essere selezionati al fine di ottenere la massima semplificazione della protesi e ridurre il più possibile i costi. Per la simulazione delle attività di locomozione, in particolare del cammino, è stato elaborato un apposito modello spaziale del cammino. Il modello proposto ha 7 membri rigidi (corrispondenti a piedi, tibie, femori e bacino) e 24 gradi di libertà. Le articolazioni e l'appoggio dei piedi al suolo sono modellati con giunti sferici. La pianta del piede consente tre possibili punti di appoggio. I criteri di realizzazione delle simulazioni possono comprendere aspetti energetici, cinematici e dinamici considerati come obiettivo dall'apparato locomotorio. In questa tesi vengono trattati in particolare gli aspetti cinematici ed è mostrata un'applicazione della procedura nella quale vengono dapprima identificati i riferimenti fisiologici del cammino e quindi simulato il cammino in presenza di una menomazione al ginocchio (eliminazione della flessione in fase di appoggio). Viene quindi lasciato a sviluppi futuri il completamento della procedura e la sua implementazione in un codice di calcolo.

Sviluppo di metodi innovativi per la sintesi di nanoparticelle di interesse industriale

Among various nanoparticles, noble metal nanoparticles have attracted considerable attention due to their optical, catalytic and conducting properties. This work has been focused on the development of an innovative method of synthesis for the preparation of metal nanosuspensions of Au, Ag, Cu, in order to achieve stable sols, showing suitable features to allow an industrial scale up of the processes. The research was developed in collaboration with a company interested in the large scale production of the studied nanosuspensions. In order to develop a commercial process, high solid concentration, long time colloidal stability and particle size control, are required. Two synthesis routes, differing by the used solvents, have been implemented: polyol based and water based synthesis. In order to achieve a process intensification the microwave heating has been applied. As a result, colloidal nanosuspensions with suitable dimensions, good optical properties, very high solid content and good stability, have been synthesized by simple and environmental friendly methods. Particularly, due to some interesting results an optimized synthesis process has been patented. Both water and polyol based synthesis, developed in the presence of a reducing agent and of a chelating polymer, allowed to obtain particle size-control and colloidal stability by tuning the different parameters. Furthermore, it has been verified that microwave device, due to its rapid and homogeneous heating, provides some advantages over conventional method. In order to optimize the final suspensions properties, for each synthesis it has been studied the effect of different parameters (temperature, time, precursors concentrations, etc) and throughout a specific optimization action a right control on nucleation and growth processes has been achieved. The achieved nanoparticles were confirmed by XRD analysis to be the desired metal phases, even at the lowest synthesis temperatures. The particles showed a diameter, measured by STEM and dynamic light scattering technique (DLS), ranging from 10 to 60 nm. Surface plasmon resonance (SPR) was monitored by UV-VIS spectroscopy confirming its dependence by nanoparticles size and shape. Moreover the reaction yield has been assessed by ICP analysis performed on the unreacted metal cations. Finally, thermal conductivity and antibacterial activity characterizations of copper and silver sols respectively are now ongoing in order to check their application as nanofluid in heat transfer processes and as antibacterial agent.

Tecniche numeriche di studio della sicurezza stradale: il caso della provincia di Bologna

La tesi dottorale in oggetto prende spunto da alcune considerazioni di base relative alla salute di una comunità. Infatti quest’ultima si fonda sulla sicurezza dell’ambiente in cui vive e sulla qualità delle relazioni tra i suoi componenti. In questo ambito la mobilità rappresenta uno degli elementi di maggior criticità, sia per la sicurezza delle persone, che per la salute pubblica, che per le conseguenze sull’ambiente che ne derivano. Negli ultimi anni la circolazione stradale è notevolmente aumentata è questo ha portato a notevoli aspetti negativi, uno dei quali è connesso agli incidenti stradali. In tale ambito viene ricordato che l’Unione Europea ha da tempo indicato come obiettivo prioritario il miglioramento della sicurezza stradale e nel 2001 ha fissato il traguardo di dimezzare entro il 2010 il numero delle vittime degli incidenti stradali. Non ultima, l’approvazione da parte del Parlamento europeo e del Consiglio di un atto legislativo (d’imminente pubblicazione sulla GU Europea) relativo alla gestione della sicurezza in tutte le fasi della pianificazione, della progettazione e del funzionamento delle infrastrutture stradali, in cui si evidenzia l’esigenza di una quantificazione della sicurezza stradale. In tale contesto viene sottolineato come uno dei maggiori problemi nella gestione della sicurezza stradale sia la mancanza di un metodo affidabile per stimare e quantificare il livello di sicurezza di una strada esistente o in progetto. Partendo da questa considerazione la tesi si sviluppa mettendo in evidenza le grandezza fondamentali nel problema della sicurezza stradale, (grado di esposizione, rischio d’incidente e le possibili conseguenze sui passeggeri) e analizzando i sistemi adottati tradizionalmente per effettuare analisi di sicurezza: • Statistiche dei dati storici d’incidente; • Previsione da modelli basati su analisi di regressione dei dati incidentali; • Studi Before-After; • Valutazione da giudizi di esperti. Dopo aver analizzato gli aspetti positivi e negativi delle alternative in parola, viene proposto un nuovo approccio, che combina gli elementi di ognuno dei metodi sopra citati in un algoritmo di previsione incidentale. Tale nuovo algoritmo, denominato Interactive Highway Safety Design Model (IHSDM) è stato sviluppato dalla Federal Highway Administration in collaborazione con la Turner Fairbank Higway Research Center ed è specifico per le strade extraurbane a due corsie. Il passo successivo nello sviluppo della tesi è quello di un’analisi dettagliata del modello IHSDM che fornisce il numero totale di incidenti previsti in un certo intervallo temporale. Viene analizzata la struttura del modello, i limiti d’applicabilità, le equazioni che ne sono alla base e i coefficienti moltiplicativi relativi ad ogni caratteristica geometrica e funzionale. Inoltre viene presentata un’ampia analisi di sensibilità che permette di definire quale sia l’influenza d’ogni singolo Fattore di Previsione incidentale (Accident Predication Factor) sul risultato finale. Dai temi trattati, emerge chiaramente come la sicurezza è legata a più sistemi tra loro interconnessi e che per utilizzare e migliorare i modelli previsionali è necessario avere a disposizione dati completi, congruenti, aggiornati e facilmente consultabili. Infatti, anche quando sono disponibili elementi su tutti gli incidenti avvenuti, spesso mancano informazioni di dettaglio ma fondamentali, riguardanti la strada come ad esempio il grado di curvatura, la larghezza della carreggiata o l’aderenza della pavimentazione. In tale ottica, nella tesi viene presentato il Sistema Informativo Stradale (SIS) della Provincia di Bologna, concepito come strumento di gestione delle problematiche inerenti la viabilità e come strumento di supporto per la pianificazione degli interventi e la programmazione delle risorse da investire sulla rete. Viene illustrato come il sistema sia in grado di acquisire, elaborare ed associare dati georeferenziati relativi al territorio sia sotto forma di rappresentazioni grafiche, sia mediante informazioni descrittive di tipo anagrafico ed alfanumerico. Quindi viene descritto il rilievo ad alto rendimento, effettuato con l’ausilio di un laboratorio mobile multifunzionale (Mobile Mapping System), grazie al quale è stato possibile definire con precisione il grafo completo delle strade provinciali e il database contenente i dati relativi al patrimonio infrastrutturale. Tali dati, relativi alle caratteristiche plano-altimetriche dell’asse (rettifili, curve planimetriche, livellette, raccordi altimetrici, ecc...), alla sezione trasversale (numero e larghezza corsie, presenza di banchine, ecc..), all’ambiente circostante e alle strutture annesse vengono presentati in forma completa specificando per ognuno la variabilità specifica. Inoltre viene evidenziato come il database si completi con i dati d’incidentali georeferenziati sul grafo e compresivi di tutte le informazioni contenute nel modello ISTAT CTT/INC spiegandone le possibili conseguenze sul campo dell’analisi di sicurezza. La tesi si conclude con l’applicazione del modello IHSDM ad un caso reale, nello specifico la SP255 di S.Matteo Decima. Infatti tale infrastruttura sarà oggetto di un miglioramento strutturale, finanziato dalla Regione Emilia Romagna, che consistente nell’allargamento della sede stradale attraverso la realizzazione di una banchina pavimentata di 1.00m su entrambi i lati della strada dalla prog. km 19+000 al km 21+200. Attraverso l’utilizzo dell’algoritmo di previsione incidentale è stato possibile quantificare gli effetti di questo miglioramento sul livello di sicurezza dell’infrastruttura e verificare l’attendibilità del modello con e senza storia incidentale pregressa. Questa applicazione ad un caso reale mette in evidenza come le informazioni del SIS possano essere sfruttate a pieno per la realizzazione di un analisi di sicurezza attraverso l’algoritmo di previsione incidentale IHSDM sia nella fase di analisi di uno specifico tronco stradale che in quella fondamentale di calibrazione del modello ad una specifica rete stradale (quella della Provincia di Bologna). Inoltre viene sottolineato come la fruibilità e la completezza dei dati a disposizione, possano costituire la base per sviluppi di ricerca futuri, come ad esempio l’indagine sulle correlazioni esistenti tra le variabili indipendenti che agiscono sulla sicurezza stradale.

Progettazione e sintesi di nuovi derivati azetidinonici biologicamente attivi

In this PhD-thesis new synthetic approaches towards new azetidinone derivatives are described. In particular, 4-alkyliden-β-lactams were used as starting materials for the preparation of new biologically active compounds. The carbapenem Thienamycin has got a broad spectrum of activity as antibiotic. It has got 3 stereocenters and apart of one epimer, all isomers have been synthesized. Using the 4-alkyliden-β-lactam benzilyc ester as precursor, we developed a synthesis for this missing epimer, which is described in chapter II. Biological tests in order to establish its biological activity are under way. The Hunsdiecker-Borodine reaction was extensively studied for the preparation of the mono halogenated and – surprisingly – the dihalogenated derivative from the 4-alkyliden-azetidinone carboxylic acid. The herein described synthetic procedures allowed the preparation of chloro-, bromo- and iodo derivatives in good to excellent yield. Furthermore, the reaction mechanism was investigated by NMR-experiments and is described in detail in chapter III. In chapter IV, synthetic approaches towards new β-lactam derivatives for inhibition of the histone deacetylase enzymes (HDACs) are reported. In collaboration with the company Sigma-Tau (Rome), 14 new β-lactams were synthesized. The new β-lactams were evaluated for the activity showing a promising activityparticulary, 10 of the β-lactams synthesized were evaluated for the in vitro inhibitory activity against the 11 human HDACs isoforms and they showed a selective inhibition of HDAC6 or HDAC8 in micromolar range. Finally, preliminary studies were conducted for the employment of 4-alkyliden-β-lactams as precursors for the synthesis of chiral β-amino acids by an opening of the β-lactam ring. In chapter V is described the ring opening reaction catalyzed by the enzyme lipase Cal-B. Preliminary results have shown that the enzyme not only catalyzes the ring opening of the β-lactam precursor, moreover, it leads to the formation of a cyclic dimer by the reaction of two molecules of β-amino acid obtained.

Metodi avanzati di indagine di ammassi rocciosi a blocchi in matrice (bimrock).

The research focuses on the implementation and validation of advanced direct and indirect methods of investigation for the structural and mechanical characterisation of bimrocks. In particular, a non conventional in situ shear test has been develop in order to evaluate the strength parameters of bimrocks by properly taking into account the influence of blocks. Also, a geostatistical approach has been introduced for the investigation of block morphological and spatial properties from digital images, by means of a variographic analysis of the block Indicator Variable.

Applicazione di strumenti e metodi per la gestione ambientale di un territorio vasto - Sviluppo di un sistema di gestione ambientale in un ente pubblico secondo lo schema europeo EMAS e analisi di un sistema energetico territoriale

Environmental Management includes many components, among which we can include Environmental Management Systems (EMS), Environmental Reporting and Analysis, Environmental Information Systems and Environmental Communication. In this work two applications are presented: the developement and implementation of an Environmental Management System in local administrations, according to the European scheme "EMAS", and the analysis of a territorial energy system through scenario building and environmental sustainability assessment. Both applications are linked by the same objective, which is the quest for more scientifically sound elements; in fact, both EMS and energy planning are oftec carachterized by localism and poor comparability. Emergy synthesis, proposed by ecologist H.T. Odum and described in his book "Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision Making" (1996) has been chosen and applied as an environmental evaluation tool, in order complete the analysis with an assessment of the "global value" of goods and processes. In particular, eMergy syntesis has been applied in order to improve the evaluation of the significance of environmental aspects in an EMS, and in order to evaluate the environmental performance of three scenarios of future evolution of the energy system. Regarding EMS, in this work an application of an EMS together with the CLEAR methodology for environmental accounting is discussed, in order to improve the identification of the environmental aspects; data regarding environmental aspects and significant ones for 4 local authorities are also presented, together with a preliminary proposal for the integration of the assessment of the significance of environmental aspects with eMergy synthesis. Regarding the analysis of an energy system, in this work the carachterization of the current situation is presented together with the overall energy balance and the evaluation of the emissions of greenhouse gases; moreover, three scenarios of future evolution are described and discussed. The scenarios have been realized with the support of the LEAP software ("Long Term Energy Alternatives Planning System" by SEI - "Stockholm Environment Institute"). Finally, the eMergy synthesis of the current situation and of the three scenarios is shown.

Comparazione di metodi per l'elaborazione di mappe di vulnerabilità degli acquiferi

Lo scopo di questa tesi di dottorato è la comparazione di metodi per redarre mappe della vulnerabilità degli acquiferi all’inquinamento. Sono state redatte le mappe di vulnerabilità dell’acquifero della conoide del Reno utilizzando i metodi parametrici SINTACS (Civita e De Maio, 1997) e DRASTIC (Aller et al., 1987). E' stato elaborato un modello tridimensionale del flusso tramite l'utilizzo del software di modellistica numerica FEFLOW. I risultati ottenuti sono stati confrontati con le mappe derivanti dall'appllicazione dei PCSM. E’ stato, inoltre, approfondito lo sviluppo di un modello inverso, che, partendo dalla distruzione del carico piezometrico, fornisce la distribuzione della conducibilità idraulica dell’acquifero.La conoscenza di questo parametro è, infatti, il punto di partenza per lo sviluppo di un nuovo metodo per la definizione della vulnerabilità basato sulla caratterizzazione dell'area di acquifero potenzialmente inquinabile rispetto ad uno sversamento in superficie di un inquinante.L’indice di vulnerabilità viene definito sulla lunghezza del cammino che un inquinante percorrere nell’arco di un anno.

Ottimizzazione dei processi depurativi di reflui ad elevato carico organico a fini di recupero energetico

L’attuale condizione che caratterizza il settore energetico richiede un necessario processo di riconversione che, oltre a favorire il risparmio energetico, riduca la dipendenza dai combustibili fossili ed accresca l’impiego di fonti energetiche rinnovabili, dando un contributo fondamentale alla riduzione delle emissioni di gas serra come diversi accordi internazionali richiedono. Si rende pertanto necessario accelerare i processi che da alcuni anni stanno favorendo l’utilizzo di energia da fonti rinnovabili. Tra queste, le fonti legate ai processi di trattamento biologico dei reflui stanno avendo un interessante sviluppo. Esistono numerosi processi biologici che consentono la produzione di energia in maniera indiretta, quali ad esempio i processi di digestione anaerobica finalizzati alla produzione di biogas e/o produzione biologica di idrogeno. In tale contesto si inserisce la tecnologia delle Microbial Fuel Cell, che consente la produzione diretta di energia elettrica, finalizzata al recupero energetico inteso al miglioramento dell’efficienza energetica e alla riduzione dei costi d’esercizio di impianti di trattamento biologico dei reflui. Il presente lavoro di Tesi di Dottorato sperimentale, svoltosi in collaborazione al laboratorio PROT.-IDR. della sede ENEA di Bologna, riporta i risultati dell’attività di ricerca condotta su una MFC (Microbial Fuel Cell) a doppio stadio biologico per il trattamento di reflui ad elevato carico organico e produzione continua di energia elettrica. E’ stata provata l’applicabilità della MFC con entrambi i comparti biotici utilizzando elettrodi di grafite non trattata ottenendo, con un carico organico in ingresso di circa 9 gd-1, valori di potenza massima prodotta che si attestano su 74 mWm-2, corrente elettrica massima generata di 175 mAm-2 ad una tensione di 421 mV, ed una conversione di COD in elettricità pari a 1,2 gCODm-2d-1. I risultati sono stati molto positivi per quanto riguarda le prestazioni depurative ottenute dalla MFC. L’efficienza di depurazione misurata ha raggiunto un valore massimo del 98% di rimozione del COD in ingresso, mentre e la concentrazione di azoto ammoniacale nell’effluente raccolto all’uscita del sedimentatore è sempre stata inferiore a 1 mgN-NH4+l-1. Tra gli obiettivi posti all’inizio della sperimentazione si è rivelata di notevole interesse la valutazione del possibile utilizzo della MFC come sistema per il monitoraggio on-line del COD e degli acidi grassi volatili (VFA) prodotti all’interno di un digestore anaerobico, attraverso la definizione di una correlazione tra i dati elettrici registrati in continuo e le concentrazioni di CODanaer e VFA misurate in diversi periodi della sperimentazione. L’analisi DGGE della biomassa catodica ha fornito uno strumento analitico utile allo studio della diversità della comunità microbica sospesa ed adesa al catodo e ha confermato la forte similarità delle specie batteriche riconosciute nei campioni analizzati. In particolare, le bande di sequenziamento ottenute sono affiliate ai gruppi batterici Firmicutes, -Proteobacteria,  -Proteobacteria, -Proteobacteria e Bacteroidetes. Da quanto emerso dalla sperimentazione condotta si può pertanto concludere che ad oggi le MFC sono in fase di evoluzione rispetto ai primi prototipi utilizzati per lo studio delle comunità microbiali e per la comprensione dei meccanismi di trasferimento elettronico. Sfruttarne la potenza prodotta in maniera commerciale diviene una grande sfida per il futuro, ed è opinione comune che le prime applicazioni pratiche delle MFC saranno come fonte di recupero energetico per i dispositivi utilizzati per il monitoraggio dell’ambiente e per il trattamento delle acque reflue.