Phytostabilization of metals in mine soils using Brassica juncea in combination with organic amendments

Background and aims The high metal bioavailability and the poor conditions of mine soils yield a low plant biomass, limiting the application of phytoremediation techniques. A greenhouse experiment was performed to evaluate the effects of organic amendments on metal stabilization and the potential of Brassica juncea L. for phytostabilization in mine soils. Methods Plants were grown in pots filled with soils collected from two mine sites located in Central Spain mixed with 0, 30 and 60 tha?1 of pine bark compost and horse- and sheep-manure compost. Plant biomass and metal concentrations in roots and shoots were measured. Metal bioavailability was assessed using a rhizosphere-based method (rhizo), which consists of a mixture of low-molecular-weight organic acids to simulate root exudates. Results Manure reduced metal concentrations in shoots (10?50 % reduction of Cu and 40?80 % of Zn in comparison with non-amended soils), bioconcentration factor (10?50 % of Cu and 40?80 % of Zn) and metal bioavailability in soil (40?50 % of Cu and 10?30 % of Zn) due to the high pH and the contribution of organic matter. Manure improved soil fertility and was also able to increase plant biomass (5?20 times in shoots and 3?30 times in roots), which resulted in a greater amount of metals removed from soil and accumulated in roots (increase of 2?7 times of Cu and Zn). Plants grown in pine bark treatments and in non-amended soils showed a limited biomass and high metal concentrations in shoots. Conclusions The addition of manure could be effective for the stabilization of metals and for enhancing the phytostabilization ability of B. juncea in mine soils. In this study, this species resulted to be a potential candidate for phytostabilization in combination with manure, differing from previous results, in which B. juncea had been recognized as a phytoextraction plant.

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

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

Generating descriptions that summarize geospatial and temporal data

Effective data summarization methods that use AI techniques can help humans understand large sets of data. In this paper, we describe a knowledge-based method for automatically generating summaries of geospatial and temporal data, i.e. data with geographical and temporal references. The method is useful for summarizing data streams, such as GPS traces and traffic information, that are becoming more prevalent with the increasing use of sensors in computing devices. The method presented here is an initial architecture for our ongoing research in this domain. In this paper we describe the data representations we have designed for our method, our implementations of components to perform data abstraction and natural language generation. We also discuss evaluation results that show the ability of our method to generate certain types of geospatial and temporal descriptions.

Conditional density approximations with mixtures of polynomials

Mixtures of polynomials (MoPs) are a non-parametric density estimation technique especially designed for hybrid Bayesian networks with continuous and discrete variables. Algorithms to learn one- and multi-dimensional (marginal) MoPs from data have recently been proposed. In this paper we introduce two methods for learning MoP approximations of conditional densities from data. Both approaches are based on learning MoP approximations of the joint density and the marginal density of the conditioning variables, but they differ as to how the MoP approximation of the quotient of the two densities is found. We illustrate and study the methods using data sampled from known parametric distributions, and we demonstrate their applicability by learning models based on real neuroscience data. Finally, we compare the performance of the proposed methods with an approach for learning mixtures of truncated basis functions (MoTBFs). The empirical results show that the proposed methods generally yield models that are comparable to or significantly better than those found using the MoTBF-based method.

Especificaciones eMathTeacher, creación del Modelo Granular Lingüístico de la evaluación del aprendizaje humano, y diseño de sistemas que implementan estos conceptos

El concepto de algoritmo es básico en informática, por lo que es crucial que los alumnos profundicen en él desde el inicio de su formación. Por tanto, contar con una herramienta que guíe a los estudiantes en su aprendizaje puede suponer una gran ayuda en su formación. La mayoría de los autores coinciden en que, para determinar la eficacia de una herramienta de visualización de algoritmos, es esencial cómo se utiliza. Así, los estudiantes que participan activamente en la visualización superan claramente a los que la contemplan de forma pasiva. Por ello, pensamos que uno de los mejores ejercicios para un alumno consiste en simular la ejecución del algoritmo que desea aprender mediante el uso de una herramienta de visualización, i. e. consiste en realizar una simulación visual de dicho algoritmo. La primera parte de esta tesis presenta los resultados de una profunda investigación sobre las características que debe reunir una herramienta de ayuda al aprendizaje de algoritmos y conceptos matemáticos para optimizar su efectividad: el conjunto de especificaciones eMathTeacher, además de un entorno de aprendizaje que integra herramientas que las cumplen: GRAPHs. Hemos estudiado cuáles son las cualidades esenciales para potenciar la eficacia de un sistema e-learning de este tipo. Esto nos ha llevado a la definición del concepto eMathTeacher, que se ha materializado en el conjunto de especificaciones eMathTeacher. Una herramienta e-learning cumple las especificaciones eMathTeacher si actúa como un profesor virtual de matemáticas, i. e. si es una herramienta de autoevaluación que ayuda a los alumnos a aprender de forma activa y autónoma conceptos o algoritmos matemáticos, corrigiendo sus errores y proporcionando pistas para encontrar la respuesta correcta, pero sin dársela explícitamente. En estas herramientas, la simulación del algoritmo no continúa hasta que el usuario introduce la respuesta correcta. Para poder reunir en un único entorno una colección de herramientas que cumplan las especificaciones eMathTeacher hemos creado GRAPHs, un entorno ampliable, basado en simulación visual, diseñado para el aprendizaje activo e independiente de los algoritmos de grafos y creado para que en él se integren simuladores de diferentes algoritmos. Además de las opciones de creación y edición del grafo y la visualización de los cambios producidos en él durante la simulación, el entorno incluye corrección paso a paso, animación del pseudocódigo del algoritmo, preguntas emergentes, manejo de las estructuras de datos del algoritmo y creación de un log de interacción en XML. Otro problema que nos planteamos en este trabajo, por su importancia en el proceso de aprendizaje, es el de la evaluación formativa. El uso de ciertos entornos e-learning genera gran cantidad de datos que deben ser interpretados para llegar a una evaluación que no se limite a un recuento de errores. Esto incluye el establecimiento de relaciones entre los datos disponibles y la generación de descripciones lingüísticas que informen al alumno sobre la evolución de su aprendizaje. Hasta ahora sólo un experto humano era capaz de hacer este tipo de evaluación. Nuestro objetivo ha sido crear un modelo computacional que simule el razonamiento del profesor y genere un informe sobre la evolución del aprendizaje que especifique el nivel de logro de cada uno de los objetivos definidos por el profesor. Como resultado del trabajo realizado, la segunda parte de esta tesis presenta el modelo granular lingüístico de la evaluación del aprendizaje, capaz de modelizar la evaluación y generar automáticamente informes de evaluación formativa. Este modelo es una particularización del modelo granular lingüístico de un fenómeno (GLMP), en cuyo desarrollo y formalización colaboramos, basado en la lógica borrosa y en la teoría computacional de las percepciones. Esta técnica, que utiliza sistemas de inferencia basados en reglas lingüísticas y es capaz de implementar criterios de evaluación complejos, se ha aplicado a dos casos: la evaluación, basada en criterios, de logs de interacción generados por GRAPHs y de cuestionarios de Moodle. Como consecuencia, se han implementado, probado y utilizado en el aula sistemas expertos que evalúan ambos tipos de ejercicios. Además de la calificación numérica, los sistemas generan informes de evaluación, en lenguaje natural, sobre los niveles de competencia alcanzados, usando sólo datos objetivos de respuestas correctas e incorrectas. Además, se han desarrollado dos aplicaciones capaces de ser configuradas para implementar los sistemas expertos mencionados. Una procesa los archivos producidos por GRAPHs y la otra, integrable en Moodle, evalúa basándose en los resultados de los cuestionarios. ABSTRACT The concept of algorithm is one of the core subjects in computer science. It is extremely important, then, for students to get a good grasp of this concept from the very start of their training. In this respect, having a tool that helps and shepherds students through the process of learning this concept can make a huge difference to their instruction. Much has been written about how helpful algorithm visualization tools can be. Most authors agree that the most important part of the learning process is how students use the visualization tool. Learners who are actively involved in visualization consistently outperform other learners who view the algorithms passively. Therefore we think that one of the best exercises to learn an algorithm is for the user to simulate the algorithm execution while using a visualization tool, thus performing a visual algorithm simulation. The first part of this thesis presents the eMathTeacher set of requirements together with an eMathTeacher-compliant tool called GRAPHs. For some years, we have been developing a theory about what the key features of an effective e-learning system for teaching mathematical concepts and algorithms are. This led to the definition of eMathTeacher concept, which has materialized in the eMathTeacher set of requirements. An e-learning tool is eMathTeacher compliant if it works as a virtual math trainer. In other words, it has to be an on-line self-assessment tool that helps students to actively and autonomously learn math concepts or algorithms, correcting their mistakes and providing them with clues to find the right answer. In an eMathTeacher-compliant tool, algorithm simulation does not continue until the user enters the correct answer. GRAPHs is an extendible environment designed for active and independent visual simulation-based learning of graph algorithms, set up to integrate tools to help the user simulate the execution of different algorithms. Apart from the options of creating and editing the graph, and visualizing the changes made to the graph during simulation, the environment also includes step-by-step correction, algorithm pseudo-code animation, pop-up questions, data structure handling and XML-based interaction log creation features. On the other hand, assessment is a key part of any learning process. Through the use of e-learning environments huge amounts of data can be output about this process. Nevertheless, this information has to be interpreted and represented in a practical way to arrive at a sound assessment that is not confined to merely counting mistakes. This includes establishing relationships between the available data and also providing instructive linguistic descriptions about learning evolution. Additionally, formative assessment should specify the level of attainment of the learning goals defined by the instructor. Till now, only human experts were capable of making such assessments. While facing this problem, our goal has been to create a computational model that simulates the instructor’s reasoning and generates an enlightening learning evolution report in natural language. The second part of this thesis presents the granular linguistic model of learning assessment to model the assessment of the learning process and implement the automated generation of a formative assessment report. The model is a particularization of the granular linguistic model of a phenomenon (GLMP) paradigm, based on fuzzy logic and the computational theory of perceptions, to the assessment phenomenon. This technique, useful for implementing complex assessment criteria using inference systems based on linguistic rules, has been applied to two particular cases: the assessment of the interaction logs generated by GRAPHs and the criterion-based assessment of Moodle quizzes. As a consequence, several expert systems to assess different algorithm simulations and Moodle quizzes have been implemented, tested and used in the classroom. Apart from the grade, the designed expert systems also generate natural language progress reports on the achieved proficiency level, based exclusively on the objective data gathered from correct and incorrect responses. In addition, two applications, capable of being configured to implement the expert systems, have been developed. One is geared up to process the files output by GRAPHs and the other one is a Moodle plug-in set up to perform the assessment based on the quizzes results.

Construcción modular ligera energéticamente eficiente

Esta tesis trata sobre la construcción modular ligera, dentro del contexto de la eficiencia energética y de cara a los conceptos de nZEB (near Zero Energy Building) y NZEB (Net Zero Energy Building) que se manejan en el ámbito europeo y específicamente dentro del marco regulador de la Directiva 2010/31 UE. En el contexto de la Unión Europea, el sector de la edificación representa el 40% del total del consumo energético del continente. Asumiendo la necesidad de reducir este consumo se han planteado, desde los organismos de dirección europeos, unos objetivos (objetivos 20-20-20) para hacer más eficiente el parque edificatorio. Estos objetivos, que son vinculantes en términos de legislación, comprometen a todos los estados miembros a conseguir la meta de reducción de consumo y emisiones de GEI (Gases de Efecto Invernadero) antes del año 2020. Estos conceptos de construcción modular ligera (CML) y eficiencia energética no suelen estar asociados por el hecho de que este tipo de construcción no suele estar destinada a un uso intensivo y no cuenta con unos cerramientos con niveles de aislamiento de acuerdo a las normativas locales o códigos de edificación de cada país. El objetivo de nZEB o NZEB, e incluso Energy Plus, según sea el caso, necesariamente (y así queda establecido en las normativas), dependerá no sólo de la mejora de los niveles de aislamiento de los edificios, sino también de la implementación de sistemas de generación renovables, independientemente del tipo de sistema constructivo con el que se trabaje e incluso de la tipología edificatoria. Si bien es cierto que los niveles de industrialización de la sociedad tecnológica actual han alcanzado varias de las fases del proceso constructivo - sobre todo en cuanto a elementos compositivos de los edificios- también lo es el hecho de que las cotas de desarrollo conseguidas en el ámbito de la construcción no llegan al nivel de evolución que se puede apreciar en otros campos de las ingenierías como la aeronáutica o la industria del automóvil. Aunque desde finales del siglo pasado existen modelos y proyectos testimoniales de construcción industrializada ligera (CIL) e incluso ya a principios del siglo XX, ejemplos de construcción modular ligera (CML), como la Casa Voisin, la industrialización de la construcción de edificios no ha sido una constante progresiva con un nivel de comercialización equiparable al de la construcción masiva y pesada. Los términos construcción industrializada, construcción prefabricada, construcción modular y construcción ligera, no siempre hacen referencia a lo mismo y no siempre son sinónimos entre sí. Un edificio puede ser prefabricado y no ser modular ni ligero y tal es el caso, por poner un ejemplo, de la construcción con paneles de hormigón prefabricado. Lo que sí es una constante es que en el caso de la construcción modular ligera, la prefabricación y la industrialización, casi siempre vienen implícitas en muchos ejemplos históricos y actuales. Con relación al concepto de eficiencia energética (nZEB o incluso NZEB), el mismo no suele estar ligado a la construcción modular ligera y/o ligera industrializada; más bien se le ve unido a la idea de cerramientos masivos con gran inercia térmica propios de estándares de diseño como el Passivhaus; y aunque comúnmente a la construcción ligera se le asocian otros conceptos que le restan valor (corta vida útil; función y formas limitadas, fuera de todo orden estético; limitación en los niveles de confort, etc.), los avances que se van alcanzando en materia de tecnologías para el aprovechamiento de la energía y sistemas de generación renovables, pueden conseguir revertir estas ideas y unificar el criterio de eficiencia + construcción modular ligera. Prototipos y proyectos académicos– como el concurso Solar Decathlon que se celebra desde el año 2002 promovido por el DOE (Departamento de Energía de los Estados Unidos), y que cuenta con ediciones europeas como las de los años 2010 y 2012, replantean la idea de la construcción industrializada, modular y ligera dentro del contexto de la eficiencia energética, con prototipos de viviendas de ± 60m2, propuestos por las universidades concursantes, y cuyo objetivo es alcanzar y/o desarrollar el concepto de NZEB (Net Zero Energy Building) o edificio de energía cero. Esta opción constructiva no sólo representa durabilidad, seguridad y estética, sino también, rapidez en la fabricación y montaje, además de altas prestaciones energéticas como se ha podido demostrar en las sucesivas ediciones del Solar Decathlon. Este tipo de iniciativas de desarrollo de tecnologías constructivas, no sólo apuntan a la eficiencia energética sino al concepto global de energía neta, Energía plus o cero emisiones de CO2. El nivel de emisiones por la fabricación y puesta en obra de los materiales de construcción depende, en muchos casos, no solo de la propia naturaleza del material, sino también de la cantidad de recursos utilizados para producir una unidad de medida determinada (kg, m3, m2, ml, etc). En este sentido podría utilizarse, en muchos casos, el argumento válido de que a menos peso, y a menos tamaño, menos emisiones globales de gases de efecto invernadero y menos contaminación. Para el trabajo de investigación de esta tesis se han tomado como referencias válidas para estudio, prototipos tanto de CML (Modular 3D) como de CIL (panelizado y elementos 2D), dado que para los fines de análisis de las prestaciones energéticas de los materiales de cerramiento, ambos sistemas son equiparables. Para poder llegar a la conclusión fundamental de este trabajo de tesis doctoral - que consiste en demostrar la viabilidad tecnológica/ industrial que supone la combinación de la eficiencia energética y la construcción modular ligera - se parte del estudio del estado de la técnica ( desde la selección de los materiales y los posibles procesos de industrialización en fábrica, hasta su puesta en obra, funcionamiento y uso, bajo los conceptos de consumo cero, cero emisiones de carbono y plus energético). Además -y con un estado de la técnica que identifica la situación actual- se llevan a cabo pruebas y ensayos con un prototipo a escala natural y células de ensayo, para comprobar el comportamiento de los elementos compositivos de los mismos, frente a unas condicionantes climáticas determinadas. Este tipo de resultados se contrastan con los obtenidos mediante simulaciones informáticas basadas en los mismos parámetros y realizadas en su mayoría mediante métodos simplificados de cálculos, validados por los organismos competentes en materia de eficiencia energética en la edificación en España y de acuerdo a la normativa vigente. ABSTRACT This thesis discusses lightweight modular construction within the context of energy efficiency in nZEB (near Zero Energy Building) and NZEB (Net Zero Energy Building) both used in Europe and, specifically, within the limits of the regulatory framework of the EU Directive 2010/31. In the European Union the building sector represents 40% of the total energy consumption of the continent. Due to the need to reduce this consumption, European decision-making institutions have proposed aims (20-20-20 aims) to render building equipment more efficient. These aims are bound by law and oblige all member States to endeavour to reduce consumption and GEI emissions before the year 2020. Lightweight modular construction concepts and energy efficiency are not generally associated because this type of building is not normally meant for intensive use and does not have closures with insulation levels which fit the local regulations or building codes of each country. The objective of nZEB or NZEB and even Energy Plus, depending on each case, will necessarily be associated (as established in the guidelines) not only with the improvement of insulation levels in buildings, but also with the implementation of renewable systems of generation, independent of the type of building system used and of the building typology. Although it is true that the levels of industrialisation in the technological society today have reached several of the building process phases - particularly in the composite elements of buildings - it is also true that the quotas of development achieved in the area of construction have not reached the evolutionary levelfound in other fields of engineering, such as aeronautics or the automobile industry. Although there have been models and testimonial projects of lightweight industrialised building since the end of last century, even going back as far as the beginning of the XX century with examples of lightweight modular construction such as the Voisin House, industrialisation in the building industry has not been constant nor is its comercialisation comparable to massive and heavy construction. The terms industrialised building, prefabricated building, modular building and lightweight building, do not always refer to the same thing and they are not always synonymous. A building can be prefabricated yet not be modular or lightweight. To give an example, this is the case of building with prefabricated concrete panels. What is constant is that, in the case of lightweight modular construction, prefabrication and industrialisation are almost always implicit in many historical and contemporary examples. Energy efficiency (nZEB or even NZEB) is not normally linked to lightweight modular construction and/or industrialised lightweight; rather, it is united to the idea of massive closureswith high thermal inertia typical of design standards such as the Passive House; and although other concepts that subtract value from it are generally associated with lightweight building (short useful life, limited forms and function, inappropriate toany aesthetic pattern; limitation in comfort levels, etc.), the advances being achieved in technology for benefitting from energy and renewable systems of generation may well reverse these ideas and unify the criteria of efficiency + lightweight modular construction. Academic prototypes and projects - such as the Solar Decathlon competition organised by the US Department of Energy and celebrated since 2002, with its corresponding European events such as those held in 2010 and 2012, place a different slant on the idea of industrialised, modular and lightweight building within the context of energy efficiency, with prototypes of homes measuring approximately 60m2, proposed by university competitors, whose aim is to reach and/or develop the NZEB concept, or the zero energy building. This building option does not only signify durability, security and aesthetics, but also fast manufacture and assembly. It also has high energy benefits, as has been demonstrated in successive events of the Solar Decathlon. This type of initiative for the development of building technologies, does not only aim at energy efficiency, but also at the global concept of net energy, Energy Plus and zero CO2 emissions. The level of emissions in the manufacture and introduction of building materials in many cases depends not only on the inherent nature of the material, but also on the quantity of resources used to produce a specific unit of measurement (kg, m3, m2, ml, etc.). Thus in many cases itcould be validly arguedthat with less weight and smaller size, there will be fewer global emissions of greenhouse effect gases and less contamination. For the research carried out in this thesis prototypes such as the CML (3D Module) and CIL (panelled and elements) have been used as valid study references, becauseboth systems are comparablefor the purpose of analysing the energy benefits of closure materials. So as to reach a basic conclusion in this doctoral thesis - that sets out to demonstrate the technological/industrial viability of the combination of energy efficiency and lightweight modular construction - the departure point is the study of the state of the technique (from the selection of materials and the possible processes of industrialisation in manufacture, to their use on site, functioning and use, respecting the concepts of zero consumption, zero emissions of carbon and Energy Plus). Moreover, with the state of the technique identifying the current situation, tests and practices have been carried out with a natural scale prototype and test cells so as to verify the behaviour of the composite elements of these in certain climatic conditions. These types of result are contrasted with those obtained through computer simulation based on the same parameters and done, principally, using simplified methods of calculation, validated by institutions competent in energy efficiency in Spanish building and in line with the rules in force.

An Adjustable Compliant Joint for Lower-Limb Exoskeletons

The field of exoskeletons and wearable devices for walking assistance and rehabilitation has advanced considerably over the past few years. Currently, commercial devices contain joints with stiff actuators that cannot adapt to unpredictable environments. These actuators consume more energy and may not be appropriate for human-machine interactions. Thus, adjustable compliant actuators are being cautiously incorporated into new exoskeletons and active orthoses. Some simulation-based studies have evaluated the benefits of incorporating compliant joints into such devices. Another reason that compliant actuators are desirable is that spasticity and spasmodic movements are common among patients with motor deficiencies; compliant actuators could efficiently absorb these perturbations and improve joint control. In this paper, we provide an overview of the requirements that must be fulfilled by these actuators while evaluating the behavior of leg joints in the locomotion cycle. A brief review of existing compliant actuators is conducted, and our proposed variable stiffness actuator prototype is presented and evaluated. The actuator prototype is implemented in an exoskeleton knee joint operated by a state machine that exploits the dynamics of the leg, resulting in a reduction in actuation energy demand and better adaptability to disturbances.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

Brownian dynamics simulations of protein folding: Access to milliseconds time scale and beyond

Protein folding occurs on a time scale ranging from milliseconds to minutes for a majority of proteins. Computer simulation of protein folding, from a random configuration to the native structure, is nontrivial owing to the large disparity between the simulation and folding time scales. As an effort to overcome this limitation, simple models with idealized protein subdomains, e.g., the diffusion–collision model of Karplus and Weaver, have gained some popularity. We present here new results for the folding of a four-helix bundle within the framework of the diffusion–collision model. Even with such simplifying assumptions, a direct application of standard Brownian dynamics methods would consume 10,000 processor-years on current supercomputers. We circumvent this difficulty by invoking a special Brownian dynamics simulation. The method features the calculation of the mean passage time of an event from the flux overpopulation method and the sampling of events that lead to productive collisions even if their probability is extremely small (because of large free-energy barriers that separate them from the higher probability events). Using these developments, we demonstrate that a coarse-grained model of the four-helix bundle can be simulated in several days on current supercomputers. Furthermore, such simulations yield folding times that are in the range of time scales observed in experiments.

Genetic epidemiology of single-nucleotide polymorphisms

On the causal hypothesis, most genetic determinants of disease are single-nucleotide polymorphisms (SNPs) that are likely to be selected as markers for positional cloning. On the proximity hypothesis, most disease determinants will not be included among markers but may be detected through linkage disequilibrium with other SNPs. In that event, allelic association among SNPs is an essential factor in positional cloning. Recent simulation based on monotonic population expansion suggests that useful association does not usually extend beyond 3 kb. This is contradicted by significant disequilibrium at much greater distances, with corresponding reduction in the number of SNPs required for a cost-effective genome scan. A plausible explanation is that cyclical expansions follow population bottlenecks that establish new disequilibria. Data on more than 1,000 locus pairs indicate that most disequilibria trace to the Neolithic, with no apparent difference between haplotypes that are random or selected through a major disease gene. Short duration may be characteristic of alleles contributing to disease susceptibility and haplotypes characteristic of particular ethnic groups. Alleles that are highly polymorphic in all ethnic groups may be older, neutral, or advantageous, in weak disequilibrium with nearby markers, and therefore less useful for positional cloning of disease genes. Significant disequilibrium at large distance makes the number of suitably chosen SNPs required for genome screening as small as 30,000, or 1 per 100 kb, with greater density (including less common SNPs) reserved for candidate regions.

Computation, prediction, and experimental tests of fitness for bacteriophage T7 mutants with permuted genomes

We created a simulation based on experimental data from bacteriophage T7 that computes the developmental cycle of the wild-type phage and also of mutants that have an altered genome order. We used the simulation to compute the fitness of more than 105 mutants. We tested these computations by constructing and experimentally characterizing T7 mutants in which we repositioned gene 1, coding for T7 RNA polymerase. Computed protein synthesis rates for ectopic gene 1 strains were in moderate agreement with observed rates. Computed phage-doubling rates were close to observations for two of four strains, but significantly overestimated those of the other two. Computations indicate that the genome organization of wild-type T7 is nearly optimal for growth: only 2.8% of random genome permutations were computed to grow faster, the highest 31% faster, than wild type. Specific discrepancies between computations and observations suggest that a better understanding of the translation efficiency of individual mRNAs and the functions of qualitatively “nonessential” genes will be needed to improve the T7 simulation. In silico representations of biological systems can serve to assess and advance our understanding of the underlying biology. Iteration between computation, prediction, and observation should increase the rate at which biological hypotheses are formulated and tested.

Backtracking leukemia to birth: Identification of clonotypic gene fusion sequences in neonatal blood spots

Epidemiological evidence has suggested that some pediatric leukemias may be initiated in utero and, for some pairs of identical twins with concordant leukemia, this possibility has been strongly endorsed by molecular studies of clonality. Direct evidence for a prenatal origin can only be derived by prospective or retrospective detection of leukemia-specific molecular abnormalities in fetal or newborn samples. We report a PCR-based method that has been developed to scrutinize neonatal blood spots (Guthrie cards) for the presence of numerically infrequent leukemic cells at birth in individuals who subsequently developed leukemia. We demonstrate that unique or clonotypic MLL-AF4 genomic fusion sequences are present and detectable in neonatal blood spots from individuals who were diagnosed with acute lymphoblastic leukemia at ages 5 months to 2 years and, therefore, have arisen during fetal hematopoiesis in utero. This result provides unequivocal evidence for a prenatal initiation of acute leukemia in young patients. The method should be applicable to other fusion genes in children with common subtypes of leukemia and will be of value in attempts to unravel the natural history and etiology of this major subtype of pediatric cancer.

Phylogeny of genes for secretion NTPases: Identification of the widespread tadA subfamily and development of a diagnostic key for gene classification

Macromolecular transport systems in bacteria currently are classified by function and sequence comparisons into five basic types. In this classification system, type II and type IV secretion systems both possess members of a superfamily of genes for putative NTP hydrolase (NTPase) proteins that are strikingly similar in structure, function, and sequence. These include VirB11, TrbB, TraG, GspE, PilB, PilT, and ComG1. The predicted protein product of tadA, a recently discovered gene required for tenacious adherence of Actinobacillus actinomycetemcomitans, also has significant sequence similarity to members of this superfamily and to several unclassified and uncharacterized gene products of both Archaea and Bacteria. To understand the relationship of tadA and tadA-like genes to those encoding the putative NTPases of type II/IV secretion, we used a phylogenetic approach to obtain a genealogy of 148 NTPase genes and reconstruct a scenario of gene superfamily evolution. In this phylogeny, clear distinctions can be made between type II and type IV families and their constituent subfamilies. In addition, the subgroup containing tadA constitutes a novel and extremely widespread subfamily of the family encompassing all putative NTPases of type IV secretion systems. We report diagnostic amino acid residue positions for each major monophyletic family and subfamily in the phylogenetic tree, and we propose an easy method for precisely classifying and naming putative NTPase genes based on phylogeny. This molecular key-based method can be applied to other gene superfamilies and represents a valuable tool for genome analysis.

Exploring the DNA-binding specificities of zinc fingers with DNA microarrays

A key step in the regulation of networks that control gene expression is the sequence-specific binding of transcription factors to their DNA recognition sites. A more complete understanding of these DNA–protein interactions will permit a more comprehensive and quantitative mapping of the regulatory pathways within cells, as well as a deeper understanding of the potential functions of individual genes regulated by newly identified DNA-binding sites. Here we describe a DNA microarray-based method to characterize sequence-specific DNA recognition by zinc-finger proteins. A phage display library, prepared by randomizing critical amino acid residues in the second of three fingers of the mouse Zif268 domain, provided a rich source of zinc-finger proteins with variant DNA-binding specificities. Microarrays containing all possible 3-bp binding sites for the variable zinc fingers permitted the quantitation of the binding site preferences of the entire library, pools of zinc fingers corresponding to different rounds of selection from this library, as well as individual Zif268 variants that were isolated from the library by using specific DNA sequences. The results demonstrate the feasibility of using DNA microarrays for genome-wide identification of putative transcription factor-binding sites.

DNA sequencing by delayed extraction-matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry.

Matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) time of flight mass spectrometry was used to detect and order DNA fragments generated by Sanger dideoxy cycle sequencing. This was accomplished by improving the sensitivity and resolution of the MALDI method using a delayed ion extraction technique (DE-MALDI). The cycle sequencing chemistry was optimized to produce as much as 100 fmol of each specific dideoxy terminated fragment, generated from extension of a 13-base primer annealed on 40- and 50-base templates. Analysis of the resultant sequencing mixture by DE-MALDI identified the appropriate termination products. The technique provides a new non-gel-based method to sequence DNA which may ultimately have considerable speed advantages over traditional methodologies.