Tecniche per il controllo dinamico del consumo di potenza per piattaforme system-on-chip

Providing support for multimedia applications on low-power mobile devices remains a significant research challenge. This is primarily due to two reasons: • Portable mobile devices have modest sizes and weights, and therefore inadequate resources, low CPU processing power, reduced display capabilities, limited memory and battery lifetimes as compared to desktop and laptop systems. • On the other hand, multimedia applications tend to have distinctive QoS and processing requirementswhichmake themextremely resource-demanding. This innate conflict introduces key research challenges in the design of multimedia applications and device-level power optimization. Energy efficiency in this kind of platforms can be achieved only via a synergistic hardware and software approach. In fact, while System-on-Chips are more and more programmable thus providing functional flexibility, hardwareonly power reduction techniques cannot maintain consumption under acceptable bounds. It is well understood both in research and industry that system configuration andmanagement cannot be controlled efficiently only relying on low-level firmware and hardware drivers. In fact, at this level there is lack of information about user application activity and consequently about the impact of power management decision on QoS. Even though operating system support and integration is a requirement for effective performance and energy management, more effective and QoSsensitive power management is possible if power awareness and hardware configuration control strategies are tightly integratedwith domain-specificmiddleware services. The main objective of this PhD research has been the exploration and the integration of amiddleware-centric energymanagement with applications and operating-system. We choose to focus on the CPU-memory and the video subsystems, since they are the most power-hungry components of an embedded system. A second main objective has been the definition and implementation of software facilities (like toolkits, API, and run-time engines) in order to improve programmability and performance efficiency of such platforms. Enhancing energy efficiency and programmability ofmodernMulti-Processor System-on-Chips (MPSoCs) Consumer applications are characterized by tight time-to-market constraints and extreme cost sensitivity. The software that runs on modern embedded systems must be high performance, real time, and even more important low power. Although much progress has been made on these problems, much remains to be done. Multi-processor System-on-Chip (MPSoC) are increasingly popular platforms for high performance embedded applications. This leads to interesting challenges in software development since efficient software development is a major issue for MPSoc designers. An important step in deploying applications on multiprocessors is to allocate and schedule concurrent tasks to the processing and communication resources of the platform. The problem of allocating and scheduling precedenceconstrained tasks on processors in a distributed real-time system is NP-hard. There is a clear need for deployment technology that addresses thesemulti processing issues. This problem can be tackled by means of specific middleware which takes care of allocating and scheduling tasks on the different processing elements and which tries also to optimize the power consumption of the entire multiprocessor platform. This dissertation is an attempt to develop insight into efficient, flexible and optimalmethods for allocating and scheduling concurrent applications tomultiprocessor architectures. It is a well-known problem in literature: this kind of optimization problems are very complex even in much simplified variants, therefore most authors propose simplified models and heuristic approaches to solve it in reasonable time. Model simplification is often achieved by abstracting away platform implementation ”details”. As a result, optimization problems become more tractable, even reaching polynomial time complexity. Unfortunately, this approach creates an abstraction gap between the optimization model and the real HW-SW platform. The main issue with heuristic or, more in general, with incomplete search is that they introduce an optimality gap of unknown size. They provide very limited or no information on the distance between the best computed solution and the optimal one. The goal of this work is to address both abstraction and optimality gaps, formulating accurate models which accounts for a number of ”non-idealities” in real-life hardware platforms, developing novel mapping algorithms that deterministically find optimal solutions, and implementing software infrastructures required by developers to deploy applications for the targetMPSoC platforms. Energy Efficient LCDBacklightAutoregulation on Real-LifeMultimediaAp- plication Processor Despite the ever increasing advances in Liquid Crystal Display’s (LCD) technology, their power consumption is still one of the major limitations to the battery life of mobile appliances such as smart phones, portable media players, gaming and navigation devices. There is a clear trend towards the increase of LCD size to exploit the multimedia capabilities of portable devices that can receive and render high definition video and pictures. Multimedia applications running on these devices require LCD screen sizes of 2.2 to 3.5 inches andmore to display video sequences and pictures with the required quality. LCD power consumption is dependent on the backlight and pixel matrix driving circuits and is typically proportional to the panel area. As a result, the contribution is also likely to be considerable in future mobile appliances. To address this issue, companies are proposing low power technologies suitable for mobile applications supporting low power states and image control techniques. On the research side, several power saving schemes and algorithms can be found in literature. Some of them exploit software-only techniques to change the image content to reduce the power associated with the crystal polarization, some others are aimed at decreasing the backlight level while compensating the luminance reduction by compensating the user perceived quality degradation using pixel-by-pixel image processing algorithms. The major limitation of these techniques is that they rely on the CPU to perform pixel-based manipulations and their impact on CPU utilization and power consumption has not been assessed. This PhDdissertation shows an alternative approach that exploits in a smart and efficient way the hardware image processing unit almost integrated in every current multimedia application processors to implement a hardware assisted image compensation that allows dynamic scaling of the backlight with a negligible impact on QoS. The proposed approach overcomes CPU-intensive techniques by saving system power without requiring either a dedicated display technology or hardware modification. Thesis Overview The remainder of the thesis is organized as follows. The first part is focused on enhancing energy efficiency and programmability of modern Multi-Processor System-on-Chips (MPSoCs). Chapter 2 gives an overview about architectural trends in embedded systems, illustrating the principal features of new technologies and the key challenges still open. Chapter 3 presents a QoS-driven methodology for optimal allocation and frequency selection for MPSoCs. The methodology is based on functional simulation and full system power estimation. Chapter 4 targets allocation and scheduling of pipelined stream-oriented applications on top of distributed memory architectures with messaging support. We tackled the complexity of the problem by means of decomposition and no-good generation, and prove the increased computational efficiency of this approach with respect to traditional ones. Chapter 5 presents a cooperative framework to solve the allocation, scheduling and voltage/frequency selection problem to optimality for energyefficient MPSoCs, while in Chapter 6 applications with conditional task graph are taken into account. Finally Chapter 7 proposes a complete framework, called Cellflow, to help programmers in efficient software implementation on a real architecture, the Cell Broadband Engine processor. The second part is focused on energy efficient software techniques for LCD displays. Chapter 8 gives an overview about portable device display technologies, illustrating the principal features of LCD video systems and the key challenges still open. Chapter 9 shows several energy efficient software techniques present in literature, while Chapter 10 illustrates in details our method for saving significant power in an LCD panel. Finally, conclusions are drawn, reporting the main research contributions that have been discussed throughout this dissertation.

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

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.

Applications of High Speed Configurable Logic Devices in Modern Particle Physics Experiments

Several activities were conducted during my PhD activity. For the NEMO experiment a collaboration between the INFN/University groups of Catania and Bologna led to the development and production of a mixed signal acquisition board for the Nemo Km3 telescope. The research concerned the feasibility study for a different acquisition technique quite far from that adopted in the NEMO Phase 1 telescope. The DAQ board that we realized exploits the LIRA06 front-end chip for the analog acquisition of anodic an dynodic sources of a PMT (Photo-Multiplier Tube). The low-power analog acquisition allows to sample contemporaneously multiple channels of the PMT at different gain factors in order to increase the signal response linearity over a wider dynamic range. Also the auto triggering and self-event-classification features help to improve the acquisition performance and the knowledge on the neutrino event. A fully functional interface towards the first level data concentrator, the Floor Control Module, has been integrated as well on the board, and a specific firmware has been realized to comply with the present communication protocols. This stage of the project foresees the use of an FPGA, a high speed configurable device, to provide the board with a flexible digital logic control core. After the validation of the whole front-end architecture this feature would be probably integrated in a common mixed-signal ASIC (Application Specific Integrated Circuit). The volatile nature of the configuration memory of the FPGA implied the integration of a flash ISP (In System Programming) memory and a smart architecture for a safe remote reconfiguration of it. All the integrated features of the board have been tested. At the Catania laboratory the behavior of the LIRA chip has been investigated in the digital environment of the DAQ board and we succeeded in driving the acquisition with the FPGA. The PMT pulses generated with an arbitrary waveform generator were correctly triggered and acquired by the analog chip, and successively they were digitized by the on board ADC under the supervision of the FPGA. For the communication towards the data concentrator a test bench has been realized in Bologna where, thanks to a lending of the Roma University and INFN, a full readout chain equivalent to that present in the NEMO phase-1 was installed. These tests showed a good behavior of the digital electronic that was able to receive and to execute command imparted by the PC console and to answer back with a reply. The remotely configurable logic behaved well too and demonstrated, at least in principle, the validity of this technique. A new prototype board is now under development at the Catania laboratory as an evolution of the one described above. This board is going to be deployed within the NEMO Phase-2 tower in one of its floors dedicated to new front-end proposals. This board will integrate a new analog acquisition chip called SAS (Smart Auto-triggering Sampler) introducing thus a new analog front-end but inheriting most of the digital logic present in the current DAQ board discussed in this thesis. For what concern the activity on high-resolution vertex detectors, I worked within the SLIM5 collaboration for the characterization of a MAPS (Monolithic Active Pixel Sensor) device called APSEL-4D. The mentioned chip is a matrix of 4096 active pixel sensors with deep N-well implantations meant for charge collection and to shield the analog electronics from digital noise. The chip integrates the full-custom sensors matrix and the sparsifification/readout logic realized with standard-cells in STM CMOS technology 130 nm. For the chip characterization a test-beam has been set up on the 12 GeV PS (Proton Synchrotron) line facility at CERN of Geneva (CH). The collaboration prepared a silicon strip telescope and a DAQ system (hardware and software) for data acquisition and control of the telescope that allowed to store about 90 million events in 7 equivalent days of live-time of the beam. My activities concerned basically the realization of a firmware interface towards and from the MAPS chip in order to integrate it on the general DAQ system. Thereafter I worked on the DAQ software to implement on it a proper Slow Control interface of the APSEL4D. Several APSEL4D chips with different thinning have been tested during the test beam. Those with 100 and 300 um presented an overall efficiency of about 90% imparting a threshold of 450 electrons. The test-beam allowed to estimate also the resolution of the pixel sensor providing good results consistent with the pitch/sqrt(12) formula. The MAPS intrinsic resolution has been extracted from the width of the residual plot taking into account the multiple scattering effect.

Una nuova sede per il Centro Studi Vitruviani di Fano e Museo Archeologico. Progetto di un polo culturale sulle rovine di Fanum Fortunae

Questa tesi di laurea nasce da una collaborazione con il Centro Studi Vitruviani di Fano, un’associazione nata il 30 Settembre 2010 nella mia città. Le note vicende riguardanti la Basilica vitruviana di Fano fanno della città adriatica il luogo più autorevole per accogliere un Centro Studi Internazionale dedicato all’opera di Vitruvio. Questa associazione è nata come contenitore di riferimento per eventi e iniziative legate al mondo della classicità intesa come momento storico, ma anche come più ampio fenomeno non solo artistico che interessa trasversalmente tutta la cultura occidentale. La creazione di un’istituzione culturale, di fondazione pubblico-privata, con l'obiettivo di porsi a riferimento internazionale per il proprio ambito di ricerca, è notizia comunque rilevante in un periodo in cui lo Stato vara l’articolo 7 comma 22 di una legge che ribadisce la fine dei finanziamenti agli enti, agli istituti, e alle fondazioni culturali. Il Centro Studi Vitruviani dovrà diventare presto sede di momenti scientifici alta, borse di studio, occasioni divulgative, mostre, iniziative didattiche. L’alto livello scientifico mi si è presentato subito chiaro durante questi mesi di collaborazione con il Centro, quando ho avuto l’occasione di incontrare e conoscere e contattare personalità quali i Professori Salvatore Settis, Pierre Gros, Howard Burns, Antonio Corso, Antonio Monterroso e Piernicola Pagliara. Attualmente nella mia città il Centro Studi ha una sede non adeguato, non è fruibile al pubblico (per problemi accessi in comune con altri Enti) e non è riconoscibile dall’esterno. L’attuale sede è all’interno del complesso conventuale del S.Agostino. Il Centro Studi mi ha proposto di valutare la possibilità di un ampliamento dell’associazione in questo edificio storico. Nel mio progetto è stato previsto un processo di acquisizione totale del complesso, con un ripensamento dell’accesso riconoscibile dall’esterno, e un progetto di rifunzionalizzazione degli spazi interni. È stata inserita un’aula per la presentazione di libri, incontri e congressi, mostre ed esposizioni, pubblicazioni culturali e specialistiche. Il fatto interessante di questa sede è che l’edificio vive sulle rovine di un tempio romano, già visitabile e inserite nelle visite della città sotterranea. Fano, infatti, è una città di mare, di luce e nello stesso tempo di architetture romane sotterranee. L’identità culturale e artistica della città è incisa nelle pieghe dei suoi resti archeologici. Le mura augustee fanesi costituiscono il tratto più lungo di mura romane conservate nelle città medio-adriatiche. Degli originari 1750 metri, ne rimangono circa 550. Di grande suggestione sono le imponenti strutture murarie rinvenute sotto il complesso del Sant’Agostino che hanno stimolato per secoli la fantasia e suscitato l'interesse di studiosi ed appassionati. Dopo la prima proposta il Centro Studi Vitruviani mi ha lanciato una sfida interessante: l’allargamento dell’area di progetto provando a ripensare ad una musealizzazione delle rovine del teatro romano dell’area adiacente. Nel 2001 l’importante rinvenimento archeologico dell’edificio teatrale ha donato ulteriori informazioni alle ricostruzione di una pianta archeologica della città romana. Questa rovine tutte da scoprire e da ripensare mi si sono presentate come un’occasione unica per il mio progetto di tesi ed, inoltre, estremamente attuali. Nonostante siano passati dieci anni dal rinvenimento del teatro, dell’area mancava un rilievo planimetrico aggiornato, un’ipotesi ricostruttiva delle strutture. Io con questo lavoro di Tesi provo a colmare queste mancanze. La cosa che ritengo più grave è la mancanca di un progetto di musealizzazione per inserire la rovina nelle visite della Fano romana sotteranea. Spero con questa tesi di aver donato materiale e suggestioni alla mia città, per far comprendere la potenzialità dell’area archeologica. Per affrontare questo progetto di Tesi sono risultate fondamentali tre esperienze maturate durante il mio percorso formativo: prima fra tutte la partecipazione nel 2009 al Seminario Internazionale di Museografia di Villa Adriana Premio di Archeologia e Architettura “Giambattista Piranesi” organizzato nella nostra facoltà dal Prof. Arch. Sandro Pittini. A noi studenti è stata data la possibilità di esercitarci in un progetto di installazioni rigorosamente temporanee all’interno del sedime archeologico di Villa Adriana, grande paradigma per l’architettura antica così come per l’architettura contemporanea. Nel corso del quarto anno della facoltà di Architettura ho avuto l’occasione di seguire il corso di Laboratorio di Restauro con i professori Emanuele Fidone e Bruno Messina. Il laboratorio aveva come obiettivo principale quello di sviluppare un approccio progettuale verso la preesistenza storica che vede l'inserimento del nuovo sull'antico non come un problema di opposizione o di imitazione, ma come fertile terreno di confronto creativo. Durante il quinto anno, ho scelto come percorso conclusivo universitario il Laboratorio di Sintesi Finale L’architettura del Museo, avendo già in mente un progetto di tesi che si rivolgesse ad un esercizio teorico di progettazione di un vero e proprio polo culturale. Il percorso intrapreso con il Professor Francesco Saverio Fera mi ha fatto comprendere come l’architettura dell'edificio collettivo, o più semplicemente dell’edificio pubblico si lega indissolubilmente alla vita civile e al suo sviluppo. È per questo che nei primi capitoli di questa Tesi ho cercato di restituire una seria e attenta analisi urbana della mia città. Nel progetto di Tesi prevedo uno spostamento dell’attuale Sezione Archeologica del Museo Civico di Fano nell’area di progetto. Attualmente la statuaria e le iscrizioni romane sono sistemate in sei piccole sale al piano terra del Palazzo Malatestiano: nel portico adiacente sono esposti mosaici e anfore sottoposte all’azione continua di volatili. Anche la Direttrice del Museo, la Dott.ssa Raffaella Pozzi è convinta del necessario e urgente spostamento. Non è possibile lasciare la sezione archeologica della città all’interno degli insufficienti spazi del Palazzo Malatestiano con centinaia di reperti e materiali vari (armi e uniformi, pesi e misure, ceramiche, staturia, marmi, anfore e arredi) chiusi e ammassati all’interno di inadeguati depositi. Il tutto è stato opportunamente motivato in un capitolo di questa Tesi. Credo fortemente che debbano essere le associazioni quali il CSV assieme al già attivissimo Archeclub di Fano e il Museo Archeologico, i veri punti di riferimento per questa rinascita culturale locale e territoriale, per promuovere studi ed iniziative per la memoria, la tutela e la conservazione delle fabbriche classiche e del locale patrimonio monumentale. Questo lavoro di Tesi vuole essere un esercizio teorico che possa segnare l’inizio di un nuovo periodo culturale per la mia città, già iniziato con l’istituzione del Centro Studi Vitruviani. L’evento folkloristico della Fano dei Cesari, una manifestazione sicuramente importante, non può essere l’unico progetto culturale della città! La “Fano dei Cesari” può continuare ad esistere, ma deve essere accompagnata da grandi idee, grandi mostre ed eventi accademici.

Modulation Techniques for Multi-Phase Converters and Control Strategies for Multi-Phase Electric Drives

The ever-increasing spread of automation in industry puts the electrical engineer in a central role as a promoter of technological development in a sector such as the use of electricity, which is the basis of all the machinery and productive processes. Moreover the spread of drives for motor control and static converters with structures ever more complex, places the electrical engineer to face new challenges whose solution has as critical elements in the implementation of digital control techniques with the requirements of inexpensiveness and efficiency of the final product. The successfully application of solutions using non-conventional static converters awake an increasing interest in science and industry due to the promising opportunities. However, in the same time, new problems emerge whose solution is still under study and debate in the scientific community During the Ph.D. course several themes have been developed that, while obtaining the recent and growing interest of scientific community, have much space for the development of research activity and for industrial applications. The first area of research is related to the control of three phase induction motors with high dynamic performance and the sensorless control in the high speed range. The management of the operation of induction machine without position or speed sensors awakes interest in the industrial world due to the increased reliability and robustness of this solution combined with a lower cost of production and purchase of this technology compared to the others available in the market. During this dissertation control techniques will be proposed which are able to exploit the total dc link voltage and at the same time capable to exploit the maximum torque capability in whole speed range with good dynamic performance. The proposed solution preserves the simplicity of tuning of the regulators. Furthermore, in order to validate the effectiveness of presented solution, it is assessed in terms of performance and complexity and compared to two other algorithm presented in literature. The feasibility of the proposed algorithm is also tested on induction motor drive fed by a matrix converter. Another important research area is connected to the development of technology for vehicular applications. In this field the dynamic performances and the low power consumption is one of most important goals for an effective algorithm. Towards this direction, a control scheme for induction motor that integrates within a coherent solution some of the features that are commonly required to an electric vehicle drive is presented. The main features of the proposed control scheme are the capability to exploit the maximum torque in the whole speed range, a weak dependence on the motor parameters, a good robustness against the variations of the dc-link voltage and, whenever possible, the maximum efficiency. The second part of this dissertation is dedicated to the multi-phase systems. This technology, in fact, is characterized by a number of issues worthy of investigation that make it competitive with other technologies already on the market. Multiphase systems, allow to redistribute power at a higher number of phases, thus making possible the construction of electronic converters which otherwise would be very difficult to achieve due to the limits of present power electronics. Multiphase drives have an intrinsic reliability given by the possibility that a fault of a phase, caused by the possible failure of a component of the converter, can be solved without inefficiency of the machine or application of a pulsating torque. The control of the magnetic field spatial harmonics in the air-gap with order higher than one allows to reduce torque noise and to obtain high torque density motor and multi-motor applications. In one of the next chapters a control scheme able to increase the motor torque by adding a third harmonic component to the air-gap magnetic field will be presented. Above the base speed the control system reduces the motor flux in such a way to ensure the maximum torque capability. The presented analysis considers the drive constrains and shows how these limits modify the motor performance. The multi-motor applications are described by a well-defined number of multiphase machines, having series connected stator windings, with an opportune permutation of the phases these machines can be independently controlled with a single multi-phase inverter. In this dissertation this solution will be presented and an electric drive consisting of two five-phase PM tubular actuators fed by a single five-phase inverter will be presented. Finally the modulation strategies for a multi-phase inverter will be illustrated. The problem of the space vector modulation of multiphase inverters with an odd number of phases is solved in different way. An algorithmic approach and a look-up table solution will be proposed. The inverter output voltage capability will be investigated, showing that the proposed modulation strategy is able to fully exploit the dc input voltage either in sinusoidal or non-sinusoidal operating conditions. All this aspects are considered in the next chapters. In particular, Chapter 1 summarizes the mathematical model of induction motor. The Chapter 2 is a brief state of art on three-phase inverter. Chapter 3 proposes a stator flux vector control for a three- phase induction machine and compares this solution with two other algorithms presented in literature. Furthermore, in the same chapter, a complete electric drive based on matrix converter is presented. In Chapter 4 a control strategy suitable for electric vehicles is illustrated. Chapter 5 describes the mathematical model of multi-phase induction machines whereas chapter 6 analyzes the multi-phase inverter and its modulation strategies. Chapter 7 discusses the minimization of the power losses in IGBT multi-phase inverters with carrier-based pulse width modulation. In Chapter 8 an extended stator flux vector control for a seven-phase induction motor is presented. Chapter 9 concerns the high torque density applications and in Chapter 10 different fault tolerant control strategies are analyzed. Finally, the last chapter presents a positioning multi-motor drive consisting of two PM tubular five-phase actuators fed by a single five-phase inverter.

Caratterizzazione e generazione di segnali PWM per amplificatori in classe D ad alta efficienza

The convergence of information technology and consumer electronics towards battery powered portable devices has increased the interest in high efficiency, low dissipation amplifiers. Class D amplifiers are the state of the art in low power consumption and high performance amplification. In this thesis we explore the possibility of exploiting nonlinearities introduced by the PWM modulation, by designing an optimized modulation law which scales its carrier frequency adaptively with the input signal's average power while preserving the SNR, thus reducing power consumption. This is achieved by means of a novel analytical model of the PWM output spectrum, which shows how interfering harmonics and their bandwidth affect the spectrum. This allows for frequency scaling with negligible aliasing between the baseband spectrum and its harmonics. We performed low noise power spectrum measurements on PWM modulations generated by comparing variable bandwidth, random test signals with a variable frequency triangular wave carrier. The experimental results show that power-optimized frequency scaling is both feasible and effective. The new analytical model also suggests a new PWM architecture that can be applied to digitally encoded input signals which are predistorted and compared with a cosine carrier, which is accurately synthesized by a digital oscillator. This approach has been simulated in a realistic noisy model and tested in our measurement setup. A zero crossing search on the obtained PWM modulation law proves that this approach yields an equivalent signal quality with respect to traditional PWM schemes, while entailing the use of signals whose bandwidth is remarkably smaller due to the use of a cosine instead of a triangular carrier.

A hybrid technology for parallel recording of single ion channels

Hybrid technologies, thanks to the convergence of integrated microelectronic devices and new class of microfluidic structures could open new perspectives to the way how nanoscale events are discovered, monitored and controlled. The key point of this thesis is to evaluate the impact of such an approach into applications of ion-channel High Throughput Screening (HTS)platforms. This approach offers promising opportunities for the development of new classes of sensitive, reliable and cheap sensors. There are numerous advantages of embedding microelectronic readout structures strictly coupled to sensing elements. On the one hand the signal-to-noise-ratio is increased as a result of scaling. On the other, the readout miniaturization allows organization of sensors into arrays, increasing the capability of the platform in terms of number of acquired data, as required in the HTS approach, to improve sensing accuracy and reliabiity. However, accurate interface design is required to establish efficient communication between ionic-based and electronic-based signals. The work made in this thesis will show a first example of a complete parallel readout system with single ion channel resolution, using a compact and scalable hybrid architecture suitable to be interfaced to large array of sensors, ensuring simultaneous signal recording and smart control of the signal-to-noise ratio and bandwidth trade off. More specifically, an array of microfluidic polymer structures, hosting artificial lipid bilayers blocks where single ion channel pores are embededed, is coupled with an array of ultra-low noise current amplifiers for signal amplification and data processing. As demonstrating working example, the platform was used to acquire ultra small currents derived by single non-covalent molecular binding between alpha-hemolysin pores and beta-cyclodextrin molecules in artificial lipid membranes.

Advanced CMOS Interfaces for Bio-Nanosensors

The improvement of devices provided by Nanotechnology has put forward new classes of sensors, called bio-nanosensors, which are very promising for the detection of biochemical molecules in a large variety of applications. Their use in lab-on-a-chip could gives rise to new opportunities in many fields, from health-care and bio-warfare to environmental and high-throughput screening for pharmaceutical industry. Bio-nanosensors have great advantages in terms of cost, performance, and parallelization. Indeed, they require very low quantities of reagents and improve the overall signal-to-noise-ratio due to increase of binding signal variations vs. area and reduction of stray capacitances. Additionally, they give rise to new challenges, such as the need to design high-performance low-noise integrated electronic interfaces. This thesis is related to the design of high-performance advanced CMOS interfaces for electrochemical bio-nanosensors. The main focus of the thesis is: 1) critical analysis of noise in sensing interfaces, 2) devising new techniques for noise reduction in discrete-time approaches, 3) developing new architectures for low-noise, low-power sensing interfaces. The manuscript reports a multi-project activity focusing on low-noise design and presents two developed integrated circuits (ICs) as examples of advanced CMOS interfaces for bio-nanosensors. The first project concerns low-noise current-sensing interface for DC and transient measurements of electrophysiological signals. The focus of this research activity is on the noise optimization of the electronic interface. A new noise reduction technique has been developed so as to realize an integrated CMOS interfaces with performance comparable with state-of-the-art instrumentations. The second project intends to realize a stand-alone, high-accuracy electrochemical impedance spectroscopy interface. The system is tailored for conductivity-temperature-depth sensors in environmental applications, as well as for bio-nanosensors. It is based on a band-pass delta-sigma technique and combines low-noise performance with low-power requirements.

Analysis of charge-transport properties in GST materials for next generation phase-change memory devices

The quest for universal memory is driving the rapid development of memories with superior all-round capabilities in non-volatility, high speed, high endurance and low power. The memory subsystem accounts for a significant cost and power budget of a computer system. Current DRAM-based main memory systems are starting to hit the power and cost limit. To resolve this issue the industry is improving existing technologies such as Flash and exploring new ones. Among those new technologies is the Phase Change Memory (PCM), which overcomes some of the shortcomings of the Flash such as durability and scalability. This alternative non-volatile memory technology, which uses resistance contrast in phase-change materials, offers more density relative to DRAM, and can help to increase main memory capacity of future systems while remaining within the cost and power constraints. Chalcogenide materials can suitably be exploited for manufacturing phase-change memory devices. Charge transport in amorphous chalcogenide-GST used for memory devices is modeled using two contributions: hopping of trapped electrons and motion of band electrons in extended states. Crystalline GST exhibits an almost Ohmic I(V) curve. In contrast amorphous GST shows a high resistance at low biases while, above a threshold voltage, a transition takes place from a highly resistive to a conductive state, characterized by a negative differential-resistance behavior. A clear and complete understanding of the threshold behavior of the amorphous phase is fundamental for exploiting such materials in the fabrication of innovative nonvolatile memories. The type of feedback that produces the snapback phenomenon is described as a filamentation in energy that is controlled by electron–electron interactions between trapped electrons and band electrons. The model thus derived is implemented within a state-of-the-art simulator. An analytical version of the model is also derived and is useful for discussing the snapback behavior and the scaling properties of the device.

Progetto e realizzazione di un dispositivo di controllo e gestione remoto per un sistema di tracking satellitare (ALMATracker)

La seguente tesi presenta lo sviluppo di un sistema di controllo e gestione remota per il tracking di un satellite. Il progetto, denominato ALMATracker, è sviluppato dal corso di Ingegneria Aerospaziale della scuola di Ingegneria e Architettura Aerospaziale dell’Università di Bologna con sede a Forlì. Consiste nella creazione di una motorizzazione per antenne su due assi, movimentata da un hardware commerciale programmabile. Il posizionamento può essere eseguito sia manualmente, su richiesta di un utente da PC remoto, sia automaticamente secondo un’orbita preimpostata. I setpoint di velocità o posizione sono elaborati dal sistema fino ad ottenere un segnale che procede alla movimentazione in velocità dell’antenna. Il comando automatico, invece, orienta l’antenna in modo tale da mantenerla fissa su una traiettoria orbitale di uno specifico spacecraft. La movimentazione automatica segue funzioni polinomiali fornite dall’utente, ricavate da software di propagazione e predizione esterno al sistema ALMATracker. In questo caso il sistema deve procedere alla rotazione mantenendo la velocità richiesta dalla funzione polinomiale. Il controllo effettuato in catena chiusa è attuato tramite una serie di trasduttori di posizione presenti nel sistema.

Analisi, modellizzazione e calibrazione di un dispositivo, impiantabile su catetere, per la misura di flusso all'interno di vasi sanguigni.

Progetto SCATh allo ZHAW. Il dipartimento di meccatronica (IMS) dell'Università di scienze applicate di Winterthur (ZHAW), ha partecipato attivamente al progetto SCATh concentrandosi principalmente sullo sviluppo, il condizionamento, e la modellizzazione di un sensore di flusso che fosse facilmente applicabile e di piccole dimensioni in modo da poter essere applicato su catetere e permettere la misura diretta della grandezza fisica sopracitata. All'interno della struttura universitaria è stato possibile inizialmente analizzare il fenomeno che sta alla base del sensore, utilizzando conoscenze già presenti in dispositivi quali l'anemometria a filo caldo, che sfruttano lo scambio di calore tra sensore (riscaldato) e fluido sanguigno. La realizzazione del circuito di condizionamento è stato il passo successivo, necessario sia per mantenere il sensore ad una temperatura voluta e sia per leggere i dati di flusso mediante una tensione in uscita. Una volta effettuato ciò si è proceduto alla calibrazione del sensore (relazione tra flusso e tensione) ed infine alla trasposizione del circuito su LTspice. Nell' Introduzione (Capitolo 1) verranno presentati tutti i concetti preliminari, ossia i principi fisici, necessari a comprendere il funzionamento del sensore. Dunque dopo una breve definizione di flusso (riferito a liquidi) saranno presentati i principi di trasmissione del calore con particolare attenzione riservata alla convezione. Infine, parte dello stesso capitolo sarà dedicata ad una descrizione anatomica dell'aorta e dei rami collaterali. Successivamente nel secondo capitolo verrà analizzato, sia dal punto di vista statico che dal punto di vista dinamico, il circuito di condizionamento, ossia la circuiteria che sta a valle del sensore. Questo circuito permette al sensore di acquisire talune caratteristiche fondamentali per la misura di velocità ed inoltre consente la trasduzione da variabile fisica (velocità del flusso) a variabile elettrica (Tensione). In questo capitolo verrà inoltre fornita una descrizione delle relazioni matematiche fondamentali che legano la temperatura del sensore, la velocità del flusso e la tensione in uscita. Una descrizione del set sperimentale utilizzato per raccogliere dati sarà presente nel terzo capitolo. Qui si troverà una descrizione di tutte le attrezzature utilizzate al fine di poter testare il funzionamento del sensore. Nel quarto capitolo verranno visualizzati i risultati ottenuti facendo riferimento ai test effettuati prima su acqua e successivamente su sangue (suino). Verrà inoltre trovata la curva di calibrazione che permetterà di trovare una relazione biunivoca tra velocità del flusso e tensione in uscita. Infine, nel quinto capitolo verrà proposto un modello del circuito di condizionamento ottenuto mediante LTspice. Mediante il modello sarà possibile simulare un flusso di una velocità voluta e seguire l'andamento della tensione e della temperatura del sensore.

Sparse Signal Representation of Ultrasonic Signals for Structural Health Monitoring Applications

Assessment of the integrity of structural components is of great importance for aerospace systems, land and marine transportation, civil infrastructures and other biological and mechanical applications. Guided waves (GWs) based inspections are an attractive mean for structural health monitoring. In this thesis, the study and development of techniques for GW ultrasound signal analysis and compression in the context of non-destructive testing of structures will be presented. In guided wave inspections, it is necessary to address the problem of the dispersion compensation. A signal processing approach based on frequency warping was adopted. Such operator maps the frequencies axis through a function derived by the group velocity of the test material and it is used to remove the dependence on the travelled distance from the acquired signals. Such processing strategy was fruitfully applied for impact location and damage localization tasks in composite and aluminum panels. It has been shown that, basing on this processing tool, low power embedded system for GW structural monitoring can be implemented. Finally, a new procedure based on Compressive Sensing has been developed and applied for data reduction. Such procedure has also a beneficial effect in enhancing the accuracy of structural defects localization. This algorithm uses the convolutive model of the propagation of ultrasonic guided waves which takes advantage of a sparse signal representation in the warped frequency domain. The recovery from the compressed samples is based on an alternating minimization procedure which achieves both an accurate reconstruction of the ultrasonic signal and a precise estimation of waves time of flight. Such information is used to feed hyperbolic or elliptic localization procedures, for accurate impact or damage localization.

Giunzione mediante laser di materiali difficili, ibridi ed a struttura cellulare

Lo studio presentato in questa sede concerne applicazioni di saldatura LASER caratterizzate da aspetti di non-convenzionalità ed è costituito da tre filoni principali. Nel primo ambito di intervento è stata valutata la possibilità di effettuare saldature per fusione, con LASER ad emissione continua, su pannelli Aluminum Foam Sandwich e su tubi riempiti in schiuma di alluminio. Lo studio ha messo in evidenza numerose linee operative riguardanti le problematiche relative alla saldatura delle pelli esterne dei componenti ed ha dimostrato la fattibilità relativa ad un approccio di giunzione LASER integrato (saldatura seguita da un post trattamento termico) per la realizzazione della giunzione completa di particolari tubolari riempiti in schiuma con ripristino della struttura cellulare all’interfaccia di giunzione. Il secondo ambito di intervento è caratterizzato dall’applicazione di una sorgente LASER di bassissima potenza, operante in regime ad impulsi corti, nella saldatura di acciaio ad elevato contenuto di carbonio. Lo studio ha messo in evidenza come questo tipo di sorgente, solitamente applicata per lavorazioni di ablazione e marcatura, possa essere applicata anche alla saldatura di spessori sub-millimetrici. In questa fase è stato messo in evidenza il ruolo dei parametri di lavoro sulla conformazione del giunto ed è stata definita l’area di fattibilità del processo. Lo studio è stato completato investigando la possibilità di applicare un trattamento LASER dopo saldatura per addolcire le eventuali zone indurite. In merito all’ultimo ambito di intervento l’attività di studio si è focalizzata sull’utilizzo di sorgenti ad elevata densità di potenza (60 MW/cm^2) nella saldatura a profonda penetrazione di acciai da costruzione. L’attività sperimentale e di analisi dei risultati è stata condotta mediante tecniche di Design of Experiment per la valutazione del ruolo preciso di tutti i parametri di processo e numerose considerazioni relative alla formazione di cricche a caldo sono state suggerite.

Self-Assembled Monolayers (SAMs) in Organic Field-Effect Transistors

Organic printed electronics is attracting an ever-growing interest in the last decades because of its impressive breakthroughs concerning the chemical design of π-conjugated materials and their processing. This has an impact on novel applications, such as flexible-large-area displays, low- cost printable circuits, plastic solar cells and lab-on-a-chip devices. The organic field-effect transistor (OFET) relies on a thin film of organic semiconductor that bridges source and drain electrodes. Since its first discovery in the 80s, intensive research activities were deployed in order to control the chemico-physical properties of these electronic devices and consequently their charge. Self-assembled monolayers (SAMs) are a versatile tool for tuning the properties of metallic, semi-conducting, and insulating surfaces. Within this context, OFETs represent reliable instruments for measuring the electrical properties of the SAMs in a Metal/SAM/OS junction. Our experimental approach, named Charge Injection Organic-Gauge (CIOG), uses OTFT in a charge-injection controlled regime. The CIOG sensitivity has been extensively demonstrated on different homologous self-assembling molecules that differ in either chain length or in anchor/terminal group. One of the latest applications of organic electronics is the so-called “bio-electronics” that makes use of electronic devices to encompass interests of the medical science, such as biosensors, biotransducers etc… As a result, thee second part of this thesis deals with the realization of an electronic transducer based on an Organic Field-Effect Transistor operating in aqueous media. Here, the conventional bottom gate/bottom contact configuration is replaced by top gate architecture with the electrolyte that ensures electrical contact between the top gold electrode and the semiconductor layer. This configuration is named Electrolyte-Gated Field-Effect Transistor (EGOFET). The functionalization of the top electrode is the sensing core of the device allowing the detection of dopamine as well as of protein biomarkers with ultra-low sensitivity.