Meta-models, environment and layers: agent-oriented engineering of complex systems

Traditional software engineering approaches and metaphors fall short when applied to areas of growing relevance such as electronic commerce, enterprise resource planning, and mobile computing: such areas, in fact, generally call for open architectures that may evolve dynamically over time so as to accommodate new components and meet new requirements. This is probably one of the main reasons that the agent metaphor and the agent-oriented paradigm are gaining momentum in these areas. This thesis deals with the engineering of complex software systems in terms of the agent paradigm. This paradigm is based on the notions of agent and systems of interacting agents as fundamental abstractions for designing, developing and managing at runtime typically distributed software systems. However, today the engineer often works with technologies that do not support the abstractions used in the design of the systems. For this reason the research on methodologies becomes the basic point in the scientific activity. Currently most agent-oriented methodologies are supported by small teams of academic researchers, and as a result, most of them are in an early stage and still in the first context of mostly \academic" approaches for agent-oriented systems development. Moreover, such methodologies are not well documented and very often defined and presented only by focusing on specific aspects of the methodology. The role played by meta- models becomes fundamental for comparing and evaluating the methodologies. In fact a meta-model specifies the concepts, rules and relationships used to define methodologies. Although it is possible to describe a methodology without an explicit meta-model, formalising the underpinning ideas of the methodology in question is valuable when checking its consistency or planning extensions or modifications. A good meta-model must address all the different aspects of a methodology, i.e. the process to be followed, the work products to be generated and those responsible for making all this happen. In turn, specifying the work products that must be developed implies dening the basic modelling building blocks from which they are built. As a building block, the agent abstraction alone is not enough to fully model all the aspects related to multi-agent systems in a natural way. In particular, different perspectives exist on the role that environment plays within agent systems: however, it is clear at least that all non-agent elements of a multi-agent system are typically considered to be part of the multi-agent system environment. The key role of environment as a first-class abstraction in the engineering of multi-agent system is today generally acknowledged in the multi-agent system community, so environment should be explicitly accounted for in the engineering of multi-agent system, working as a new design dimension for agent-oriented methodologies. At least two main ingredients shape the environment: environment abstractions - entities of the environment encapsulating some functions -, and topology abstractions - entities of environment that represent the (either logical or physical) spatial structure. In addition, the engineering of non-trivial multi-agent systems requires principles and mechanisms for supporting the management of the system representation complexity. These principles lead to the adoption of a multi-layered description, which could be used by designers to provide different levels of abstraction over multi-agent systems. The research in these fields has lead to the formulation of a new version of the SODA methodology where environment abstractions and layering principles are exploited for en- gineering multi-agent systems.

Parallel Architectures for Many-Core Systems-On-Chip in Deep Sub-Micron Technology

Despite the several issues faced in the past, the evolutionary trend of silicon has kept its constant pace. Today an ever increasing number of cores is integrated onto the same die. Unfortunately, the extraordinary performance achievable by the many-core paradigm is limited by several factors. Memory bandwidth limitation, combined with inefficient synchronization mechanisms, can severely overcome the potential computation capabilities. Moreover, the huge HW/SW design space requires accurate and flexible tools to perform architectural explorations and validation of design choices. In this thesis we focus on the aforementioned aspects: a flexible and accurate Virtual Platform has been developed, targeting a reference many-core architecture. Such tool has been used to perform architectural explorations, focusing on instruction caching architecture and hybrid HW/SW synchronization mechanism. Beside architectural implications, another issue of embedded systems is considered: energy efficiency. Near Threshold Computing is a key research area in the Ultra-Low-Power domain, as it promises a tenfold improvement in energy efficiency compared to super-threshold operation and it mitigates thermal bottlenecks. The physical implications of modern deep sub-micron technology are severely limiting performance and reliability of modern designs. Reliability becomes a major obstacle when operating in NTC, especially memory operation becomes unreliable and can compromise system correctness. In the present work a novel hybrid memory architecture is devised to overcome reliability issues and at the same time improve energy efficiency by means of aggressive voltage scaling when allowed by workload requirements. Variability is another great drawback of near-threshold operation. The greatly increased sensitivity to threshold voltage variations in today a major concern for electronic devices. We introduce a variation-tolerant extension of the baseline many-core architecture. By means of micro-architectural knobs and a lightweight runtime control unit, the baseline architecture becomes dynamically tolerant to variations.

Electronic medical record systems, data quality and loss to follow-up: survey of antiretroviral therapy programmes in resource-limited settings

OBJECTIVE: To describe the electronic medical databases used in antiretroviral therapy (ART) programmes in lower-income countries and assess the measures such programmes employ to maintain and improve data quality and reduce the loss of patients to follow-up. METHODS: In 15 countries of Africa, South America and Asia, a survey was conducted from December 2006 to February 2007 on the use of electronic medical record systems in ART programmes. Patients enrolled in the sites at the time of the survey but not seen during the previous 12 months were considered lost to follow-up. The quality of the data was assessed by computing the percentage of missing key variables (age, sex, clinical stage of HIV infection, CD4+ lymphocyte count and year of ART initiation). Associations between site characteristics (such as number of staff members dedicated to data management), measures to reduce loss to follow-up (such as the presence of staff dedicated to tracing patients) and data quality and loss to follow-up were analysed using multivariate logit models. FINDINGS: Twenty-one sites that together provided ART to 50 060 patients were included (median number of patients per site: 1000; interquartile range, IQR: 72-19 320). Eighteen sites (86%) used an electronic database for medical record-keeping; 15 (83%) such sites relied on software intended for personal or small business use. The median percentage of missing data for key variables per site was 10.9% (IQR: 2.0-18.9%) and declined with training in data management (odds ratio, OR: 0.58; 95% confidence interval, CI: 0.37-0.90) and weekly hours spent by a clerk on the database per 100 patients on ART (OR: 0.95; 95% CI: 0.90-0.99). About 10 weekly hours per 100 patients on ART were required to reduce missing data for key variables to below 10%. The median percentage of patients lost to follow-up 1 year after starting ART was 8.5% (IQR: 4.2-19.7%). Strategies to reduce loss to follow-up included outreach teams, community-based organizations and checking death registry data. Implementation of all three strategies substantially reduced losses to follow-up (OR: 0.17; 95% CI: 0.15-0.20). CONCLUSION: The quality of the data collected and the retention of patients in ART treatment programmes are unsatisfactory for many sites involved in the scale-up of ART in resource-limited settings, mainly because of insufficient staff trained to manage data and trace patients lost to follow-up.

E-Learning Systems, Environments and Approaches

The volume consists of twenty-five chapters selected from among peer-reviewed papers presented at the CELDA (Cognition and Exploratory Learning in the Digital Age) 2013 Conference held in Fort Worth, Texas, USA, in October 2013 and also from world class scholars in e-learning systems, environments and approaches. The following sub-topics are included: Exploratory Learning Technologies (Part I), e-Learning social web design (Part II), Learner communities through e-Learning implementations (Part III), Collaborative and student-centered e-Learning design (Part IV). E-Learning has been, since its initial stages, a synonym for flexibility. While this dynamic nature has mainly been associated with time and space it is safe to argue that currently it embraces other aspects such as the learners’ profile, the scope of subjects that can be taught electronically and the technology it employs. New technologies also widen the range of activities and skills developed in e-Learning. Electronic learning environments have evolved past the exclusive delivery of knowledge. Technology has endowed e-Learning with the possibility of remotely fomenting problem solving skills, critical thinking and team work, by investing in information exchange, collaboration, personalisation and community building.

Improving follow-up of abnormal cancer screens using electronic health records: trust but verify test result communication.

BACKGROUND: Early detection of colorectal cancer through timely follow-up of positive Fecal Occult Blood Tests (FOBTs) remains a challenge. In our previous work, we found 40% of positive FOBT results eligible for colonoscopy had no documented response by a treating clinician at two weeks despite procedures for electronic result notification. We determined if technical and/or workflow-related aspects of automated communication in the electronic health record could lead to the lack of response. METHODS: Using both qualitative and quantitative methods, we evaluated positive FOBT communication in the electronic health record of a large, urban facility between May 2008 and March 2009. We identified the source of test result communication breakdown, and developed an intervention to fix the problem. Explicit medical record reviews measured timely follow-up (defined as response within 30 days of positive FOBT) pre- and post-intervention. RESULTS: Data from 11 interviews and tracking information from 490 FOBT alerts revealed that the software intended to alert primary care practitioners (PCPs) of positive FOBT results was not configured correctly and over a third of positive FOBTs were not transmitted to PCPs. Upon correction of the technical problem, lack of timely follow-up decreased immediately from 29.9% to 5.4% (p<0.01) and was sustained at month 4 following the intervention. CONCLUSION: Electronic communication of positive FOBT results should be monitored to avoid limiting colorectal cancer screening benefits. Robust quality assurance and oversight systems are needed to achieve this. Our methods may be useful for others seeking to improve follow-up of FOBTs in their systems.

Integration of socioeconomic and genetic aspects involved in the conservation of animal genetic resources = Integración de aspectos socioeconómicos y genéticos involucrados en la conservación de recursos genéticos animales

El sector ganadero está siendo gradualmente dominado por sistemas intensivos y especializados en los que los factores de producción están controlados y en los que los caracteres productivos son los criterios principales para la selección de especies y razas. Entretanto, muchos de los bienes y servicios que tradicionalmente suministraba el ganado, tales como los fertilizantes, la tracción animal o materias primas para la elaboración vestimenta y calzado están siendo reemplazados por productos industriales. Como consecuencia de ambos cambios, las razas seleccionadas intensivamente, las cuales están estrechamente ligadas a sistemas agrícolas de alta producción y altos insumos, han desplazado a muchas razas autóctonas, en las que la selección prácticamente ha cesado o es muy poco intensa. Actualmente existe una mayor conciencia social sobre la situación de las razas autóctonas y muchas funciones del ganado que previamente habían sido ignoradas están siendo reconocidas. Desde hace algunas décadas, se ha aceptado internacionalmente que las razas de ganado cumplen funciones económicas, socio-culturales, medioambientales y de seguridad alimentaria. Por ello, diferentes organismos internacionales han reconocido que la disminución de los recursos genéticos de animales domésticos (RGADs) es un problema grave y han recomendado su conservación. Aun así, la conservación de RGADs es un tema controvertido por la dificultad de valorar las funciones del ganado. Esta valoración es compleja debido que los RGADs tiene una doble naturaleza privada - pública. Como algunos economistas han subrayado, el ganado es un bien privado, sin embargo debido a algunas de sus funciones, también es un bien público. De esta forma, el aumento del conocimiento sobre valor de cada una de sus funciones facilitaría la toma de decisiones en relación a su conservación y desarrollo. Sin embargo, esta valoración es controvertida puesto que la importancia relativa de las funciones del ganado varía en función del momento, del lugar, de las especies y de las razas. El sector ganadero, debido a sus múltiples funciones, está influenciado por factores técnicos, medioambientales, sociales, culturales y políticos que están interrelacionados y que engloban a una enorme variedad de actores y procesos. Al igual que las funciones del ganado, los factores que afectan a su conservación y desarrollo están fuertemente condicionados por localización geográfica. Asimismo, estos factores pueden ser muy heterogéneos incluso dentro de una misma raza. Por otro lado, es razonable pensar que el ganadero es el actor principal de la conservación de razas locales. Actualmente, las razas locales están siendo Integration of socioeconomic and genetic aspects involved in the conservation of animal genetic resources 5 explotadas por ganaderos muy diversos bajo sistemas de producción también muy diferentes. Por todo ello, es de vital importancia comprender y evaluar el impacto que tienen las motivaciones, y el proceso de toma de decisiones de los ganaderos en la estructura genética de las razas. En esta tesis doctoral exploramos diferentes aspectos sociales, económicos y genéticos involucrados en la conservación de razas locales de ganado vacuno en Europa, como ejemplo de RGADs, esperando contribuir al entendimiento científico de este complejo tema. Nuestro objetivo es conseguir una visión global de los procesos subyacentes en la conservación y desarrollo de estas razas. Pretendemos ilustrar como se pueden utilizar métodos cuantitativos en el diseño y establecimiento de estrategias de conservación y desarrollo de RGADs objetivas y adecuadas. En primer lugar, exploramos el valor económico total (VET) del ganado analizando sus componentes públicos fuera de mercado usando como caso de estudio la raza vacuna Alistana-Sanabresa (AS). El VET de cualquier bien está formado por componentes de uso y de no-uso. Estos últimos incluyen el valor de opción, el valor de herencia y el valor de existencia. En el caso del ganado local, el valor de uso directo proviene de sus productos. Los valores de uso indirecto están relacionados con el papel que cumple las razas en el mantenimiento de los paisajes y cultura rural. El valor de opción se refiere a su futuro uso potencial y el valor de herencia al uso potencial de las generaciones venideras. Finalmente, el valor de existencia está relacionado con el bienestar que produce a la gente saber que existe un recurso específico. Nuestro objetivo fue determinar la importancia relativa que tienen los componentes fuera de mercado sobre el VET de la raza AS. Para ello evaluamos la voluntad de la gente a pagar por la conservación de la AS mediante experimentos de elección (EEs) a través de encuestas. Estos experimentos permiten valorar individualmente los distintos componentes del VET de cualquier bien. Los resultados los analizamos mediante de uso de modelos aleatorios logit. Encontramos que las funciones públicas de la raza AS tienen un valor significativo. Sus valores más importantes son el valor de uso indirecto como elemento cultural Zamorano y el valor de existencia (ambos representaron el 80% de VET). Además observamos que el valor que gente da a las funciones públicas de la razas de ganado dependen de sus características socioeconómicas. Los factores que condicionaron la voluntad a pagar para la conservación de la raza AS fueron el lugar de residencia (ciudad o pueblo), el haber visto animales de la raza o haber consumido sus productos y la actitud de los encuestados ante los conflictos entre el desarrollo económico y el medioambiente. Por otro lado, encontramos que no todo el mundo tiene una visión completa e integrada de todas las funciones públicas de la raza AS. Por este motivo, los programas o actividades de concienciación sobre su estado deberían hacer hincapié en este aspecto. La existencia de valores públicos de la raza AS implica que los ganaderos deberían recibir compensaciones económicas como pago por las funciones públicas que cumple su raza local. Las compensaciones asegurarían un tamaño de población que permitiría que la raza AS siga realizando estas funciones. Un mecanismo para ello podría ser el desarrollo del turismo rural relacionado con la raza. Esto aumentaría el valor de uso privado mientras que supondría un elemento añadido a las estrategias de conservación y desarrollo. No obstante, los ganaderos deben analizar cómo aprovechar los nichos de mercado existentes, así como mejorar la calidad de los productos de la raza prestando especial atención al etiquetado de los mismos. Una vez evaluada la importancia de las funciones públicas de las razas locales de ganado, analizamos la diversidad de factores técnicos, económicos y sociales de la producción de razas locales de ganado vacuno existente en Europa. Con este fin analizamos el caso de quince razas locales de ocho países en el contexto de un proyecto de colaboración internacional. Investigamos las diferencias entre los países para determinar los factores comunes clave que afectan a la viabilidad de las razas locales. Para ello entrevistamos mediante cuestionarios a un total de 355 ganaderos en las quince razas. Como indicador de viabilidad usamos los planes de los ganaderos de variación del tamaño de las ganaderías. Los cuestionarios incluían diferentes aspectos económicos, técnicos y sociales con potencial influencia en las dinámicas demográficas de las razas locales. Los datos recogidos los analizamos mediante distintas técnicas estadísticas multivariantes como el análisis discriminante y la regresión logística. Encontramos que los factores que afectan a la viabilidad de las razas locales en Europa son muy heterogéneos. Un resultado reseñable fue que los ganaderos de algunos países no consideran que la explotación de su raza tenga un alto valor social. Este hecho vuelve a poner de manifiesto la importancia de desarrollar programas Europeos de concienciación sobre la importancia de las funciones que cumplen las razas locales. Además los países analizados presentaron una alta variabilidad en cuanto a la importancia de los mercados locales en la distribución de los productos y en cuanto al porcentaje en propiedad del total de los pastos usados en las explotaciones. Este estudio reflejó la variabilidad de los sistemas y medios de producción (en el sentido socioeconómico, técnico y ecológico) que existe en Europa. Por ello hay que ser cautos en la implementación de las políticas comunes en los diferentes países. También encontramos que la variabilidad dentro de los países puede ser elevada debido a las diferencias entre razas, lo que implica que las políticas nacionales deber ser suficientemente flexibles para adaptarse a las peculiaridades de cada una de las razas. Por otro lado, encontramos una serie de factores comunes a la viabilidad de las razas en los distintos países; la edad de los ganaderos, la colaboración entre ellos y la apreciación social de las funciones culturales, medioambientales y sociales del ganado local. El envejecimiento de los ganaderos de razas locales no es solo un problema de falta de transferencia generacional, sino que también puede suponer una actitud más negativa hacia la inversión en las actividades ganaderas y en una menor capacidad de adaptación a los cambios del sector. La capacidad de adaptación de los ganaderos es un factor crucial en la viabilidad de las razas locales. Las estrategias y políticas de conservación comunes deben incluir las variables comunes a la viabilidad de las razas manteniendo flexibilidad suficiente para adaptarse a las especificidades nacionales. Estas estrategias y políticas deberían ir más allá de compensación económica a los ganaderos de razas locales por la menor productividad de sus razas. Las herramientas para la toma de decisiones ayudan a generar una visión amplia de la conservación y desarrollo de las razas locales. Estas herramientas abordan el diseño de estrategias de conservación y desarrollo de forma sistemática y estructurada. En la tercera parte de la tesis usamos una de estas herramientas, el análisis DAFO (Debilidades, Amenazas, Fortalezas y Oportunidades), con este propósito, reconociendo que la conservación de RGADs depende de los ganaderos. Desarrollamos un análisis DAFO cuantitativo y lo aplicamos a trece razas locales de ganado vacuno de seis países europeos en el contexto del proyecto de colaboración mencionado anteriormente. El método tiene cuatro pasos: 1) la definición del sistema; 2) la identificación y agrupación de los factores influyentes; 3) la cuantificación de la importancia de dichos factores y 4) la identificación y priorización de estrategias. Identificamos los factores utilizando multitud de agentes (multi-stakeholder appproach). Una vez determinados los factores se agruparon en una estructura de tres niveles. La importancia relativa de los cada uno de los factores para cada raza fue determinada por grupos de expertos en RGADs de los países integrados en el citado proyecto. Finalmente, desarrollamos un proceso de cuantificación para identificar y priorizar estrategias. La estructura de agrupación de factores permitió analizar el problema de la conservación desde el nivel general hasta el concreto. La unión de análisis específicos de cada una de las razas en un análisis DAFO común permitió evaluar la adecuación de las estrategias a cada caso concreto. Identificamos un total de 99 factores. El análisis reveló que mientras los factores menos importantes son muy consistentes entre razas, los factores y estrategias más relevantes son muy heterogéneos. La idoneidad de las estrategias fue mayor a medida que estas se hacían más generales. A pesar de dicha heterogeneidad, los factores influyentes y estrategias más importantes estaban ligados a aspectos positivos (fortalezas y oportunidades) lo que implica que el futuro de estas razas es prometedor. Los resultados de nuestro análisis también confirmaron la gran relevancia del valor cultural de estas razas. Las factores internos (fortalezas y debilidades) más importantes estaban relacionadas con los sistemas de producción y los ganaderos. Las oportunidades más relevantes estaban relacionadas con el desarrollo y marketing de nuevos productos mientras que las amenazas más importantes se encontraron a la hora de vender los productos actuales. Este resultado implica que sería fructífero trabajar en la motivación y colaboración entre ganaderos así como, en la mejora de sus capacidades. Concluimos que las políticas comunes europeas deberían centrarse en aspectos generales y ser los suficientemente flexibles para adaptarse a las singularidades de los países y las razas. Como ya se ha mencionado, los ganaderos juegan un papel esencial en la conservación y desarrollo de las razas autóctonas. Por ello es relevante entender que implicación puede tener la heterogeneidad de los mismos en la viabilidad de una raza. En la cuarta parte de la tesis hemos identificado tipos de ganaderos con el fin de entender cómo la relación entre la variabilidad de sus características socioeconómicas, los perfiles de las ganaderías y las dinámicas de las mismas. El análisis se ha realizado en un contexto sociológico, aplicando los conceptos de capital cultural y económico. Las tipologías se han determinado en función de factores socioeconómicos y culturales indicadores del capital cultural y capital económico de un individuo. Nuestro objetivo era estudiar si la tipología socioeconómica de los ganaderos afecta al perfil de su ganadería y a las decisiones que toman. Entrevistamos a 85 ganaderos de la raza Avileña-Negra Ibérica (ANI) y utilizamos los resultados de dichas entrevistas para ilustrar y testar el proceso. Definimos los tipos de ganaderos utilizando un análisis de clúster jerarquizado con un grupo de variables canónicas que se obtuvieron en función de cinco factores socioeconómicos: el nivel de educación del ganadero, el año en que empezó a ser ganadero de ANI, el porcentaje de los ingresos familiares que aporta la ganadería, el porcentaje de propiedad de la tierra de la explotación y la edad del ganadero. La tipología de los ganaderos de ANI resultó ser más compleja que en el pasado. Los resultados indicaron que los tipos de ganaderos variaban en muchos aspectos socioeconómicos y en los perfiles de sus Integration of socioeconomic and genetic aspects involved in the conservation of animal genetic resources 9 ganaderías. Los tipos de ganaderos determinados toman diferentes decisiones en relación a la modificación del tamaño de su ganadería y a sus objetivos de selección. Por otro lado, reaccionaron de forma diferente ante un hipotético escenario de reducción de las compensaciones económicas que les planteamos. En este estudio hemos visto que el capital cultural y el económico interactúan y hemos explicado como lo hacen en los distintos tipos de ganaderos. Por ejemplo, los ganaderos que poseían un mayor capital económico, capital cultural formal y capital cultural adquirido sobre la raza, eran los ganaderos cuyos animales tenían una mayor demanda por parte de otros ganaderos, lo cual podría responder a su mayor prestigio social dentro de la raza. Uno de los elementos claves para el futuro de la raza es si este prestigio responde a una superioridad genética de las animales. Esto ocurriría si los ganaderos utilizaran las herramientas que tienen a su disposición a la hora de seleccionar animales. Los tipos de ganaderos identificados mostraron también claras diferencias en sus formas de colaboración y en su reacción a una hipotética variación de las compensaciones económicas. Aunque algunos tipos de ganaderos mostraron un bajo nivel de dependencia a estas compensaciones, la mayoría se manifestaron altamente dependientes. Por ello cualquier cambio drástico en la política de ayudas puede comprometer el desarrollo de las razas autóctonas. La adaptación las políticas de compensaciones económicas a la heterogeneidad de los ganaderos podría aumentar la eficacia de las mismas por lo que sería interesante explorar posibilidades a este respecto. Concluimos destacando la necesidad de desarrollar políticas que tengan en cuenta la heterogeneidad de los ganaderos. Finalmente abordamos el estudio de la estructura genética de poblaciones ganaderas. Las decisiones de los ganaderos en relación a la selección de sementales y su número de descendientes configuran la estructura demográfica y genética de las razas. En la actualidad existe un interés renovado por estudiar las estructuras poblacionales debido a la influencia potencial de su estratificación sobre la predicción de valores genómicos y/o los análisis de asociación a genoma completo. Utilizamos dos métodos distintos, un algoritmo de clústeres basados en teoría de grafos (GCA) y un algoritmo de clustering bayesiano (STRUCTURE) para estudiar la estructura genética de la raza ANI. Prestamos especial atención al efecto de la presencia de parientes cercanos en la población y de la diferenciación genética entre subpoblaciones sobre el análisis de la estructura de la población. En primer lugar evaluamos el comportamiento de los dos algoritmos en poblaciones simuladas para posteriormente analizar los genotipos para 17 microsatélites de 13343 animales de 57 ganaderías distintas de raza ANI. La ANI es un ejemplo de raza con relaciones complejas. Por otro lado, utilizamos el archivo de pedigrí de la raza para estudiar el flujo de genes, calculando, entre otras cosas, la contribución de cada ganadería a la constitución genética de la raza. En el caso de las poblaciones simuladas, cuando el FST entre subpoblaciones fue suficientemente alto, ambos algoritmos, GCA y STRUCTURE, identificaron la misma estructura genética independientemente de que existieran o no relaciones familiares. Por el contrario, cuando el grado de diferenciación entre poblaciones fue bajo, el STRUCTURE identificó la estructura familiar mientras que GCA no permitió obtener ningún resultado concluyente. El GCA resultó ser un algoritmo más rápido y eficiente para de inferir la estructura genética en poblaciones con relaciones complejas. Este algoritmo también puede ser usado para reducir el número de clústeres a testar con el STRUTURE. En cuanto al análisis de la población de ANI, ambos algoritmos describieron la misma estructura, lo cual sugiere que los resultados son robustos. Se identificaron tres subpoblaciones diferenciadas que pudieran corresponderse con tres linajes distintos. Estos linajes estarían directamente relacionados con las ganaderías que han tenido una mayor contribución a la constitución genética de la raza. Por otro lado, hay un conjunto muy numeroso de individuos con una mezcla de orígenes. La información molecular describe una estructura estratificada de la población que se corresponde con la evolución demográfica de la raza. Es esencial analizar en mayor profundidad la composición de este último grupo de animales para determinar cómo afecta a la variabilidad genética de la población de ANI. SUMMARY Summary Livestock sector is gradually dominated by intensive and specialized systems where the production environment is controlled and the production traits are the main criteria for the selection of species and breeds. In the meantime, the traditional use of domestic animals for draught work, clothes and manure has been replaced by industrial products. As a consequence of both these changes, the intensively selected breeds closely linked with high-input highoutput production systems have displaced many native breeds where the selection has practically ceased or been very mild. People are now more aware of the state of endangerment among the native breeds and the previously ignored values of livestock are gaining recognition. For some decades now, the economic, socio-cultural, environmental and food security function of livestock breeds have been accepted worldwide and their loss has been recognized as a major problem. Therefore, the conservation of farm animal genetic resources (FAnGR) has been recommended. The conservation of FAnGR is controversial due to the complexity of the evaluation of its functions. This evaluation is difficult due to the nature of FAnGR both as private and public good. As some economists have highlighted, livestock animals are private goods, however, they are also public goods by their functions. Therefore, there is a need to increase the knowledge about the value of all livestock functions since to support the decision-making for the sustainable conservation and breeding of livestock. This is not straightforward since the relative importance of livestock functions depends on time, place, species and breed. Since livestock play a variety of roles, their production is driven by interrelated and everchanging economic, technical, environmental, social, cultural and political elements involving an enormous range of stakeholders. Not only FAnGR functions but also the importance of factors affecting the development and conservation of FAnGR can be very different across geographical areas. Furthermore, heterogeneity can be found even within breeds. Local breeds are nowadays raised by highly diverse farmers in equally diverse farms. It is quite reasonable to think that farmer is the major actor in the in situ conservation of livestock breeds. Thus, there is a need to understand the farmers’ motivations, decision making processes and the impact of their decisions on the genetic structure of breeds. In this PhD thesis we explore different social, economic and genetic aspects involved in the conservation of local cattle breeds, i.e. FAnGR, in Europe seeking to contribute to the scientific understanding of this complex issue. We aim to achieve a comprehensive view of the processes involved in the conservation and development of local cattle breeds and have made special efforts in discussing the implications of the research results in this respect. The final outcome of the thesis is to illustrate how quantitative methods can be exploited in designing and establishing sound strategies and programmes for the conservation and development of local livestock breeds. Firstly we explored the public non-market attributes of the total economic value (TEV) of livestock, using the Spanish Alistana-Sanabresa (AS) cattle breed as a case study. Total economic value of any good comprises both use and non-use components, where the latter include option, bequest and existence values. For livestock, the direct use values are mainly stemming from production outputs. Indirect use values relate to the role of livestock as a maintainer of rural culture and landscape. The option value is related to the potential use of livestock, the bequest values relate to the value associated with the inheritance of the resources to future generation and the existence values relate to the utility perceived by people from knowing that specific resources exist. We aimed to determine the relative importance of the non-market components of the TEV of the AS breed, the socio-economic variables that influence how people value the different components of TEV and to assess the implications of the Spanish national conservation strategy for the AS breed. To do so, we used a choice experiment (CE) approach and applied the technique to assess people’s willingness to pay (WTP) for the conservation of AS breed. The use of CE allows the valuation of the individual components of TEV for a given good. We analysed the choice data using a random parameter logit (RPL) model. AS breed was found to have a significant public good value. Its most important values were related to the indirect use value due to the maintenance of Zamorian culture and the existence value (both represent over 80% of its TEV). There were several socioeconomic variables influencing people’s valuation of the public service of the breed. In the case of AS breed, the place of living (city or rural area), having seen animals of the breed, having eaten breed products and the respondents’ attitude towards economic development – environment conflicts do influence people’s WTP for AS conservation. We also found that people do not have a complete picture of all the functions and roles that AS breed as AnGR. Therefore, the actions for increasing awareness of AS should go to that direction. The farmers will need incentives to exploit some of the public goods values and maintain the breed population size at socially desirable levels. One such mechanism could be related to the development of agritourism, which would enhance the private good value and provide an important addition to the conservation and utilisation strategy. However, the farmers need a serious evaluation on how to invest in niche product development or how to improve product quality and brand recognition. Using the understanding on the importance of the public function of local cattle we tried to depict the current diversity regarding technical, economic and social factors found in local cattle farming across Europe. To do so we focused in an international collaborative project on the case of fifteen local cattle breeds in eight European countries. We investigated the variation among the countries to detect the common key elements, which affect the viability of local breeds. We surveyed with interviews a total of 355 farms across the fifteen breeds. We used the planned herd size changes by the farmer as an indicator of breed viability. The questionnaire included several economic, technical and social aspects with potential influence on breeds’ demographic trends. We analysed the data using multivariate statistical techniques, such as discriminat analysis and logistic regression. The factors affecting a local breed’s viability were highly heterogeneous across Europe. In some countries, farmers did not recognise any high social value attached to keeping a local cattle breed. Hence there is a need to develop communication programmes across EU countries making people aware about the diversity and importance of values associated to raising local breeds. The countries were also very variable regarding the importance of local markets and the percentage of farm land owned by the farmers. Despite the country specificities, there were also common factors affecting the breed viability across Europe. The factors were from different grounds, from social, such as the age of the farmer and the social appreciation of their work, to technicalorganizational, such as the farmers’ attitude to collaborating with each other. The heterogeneity found reflects the variation in breeding systems and production environment (in the socioeconomic, technical and ecological sense) present in Europe. Therefore, caution should be taken in implementing common policies at the country level. Variability could also be rather high within countries due to breed specificities. Therefore, the national policies should be flexible to adapt to the specificities. The variables significantly associated with breed viability should be positively incorporated in the conservation strategies, and considered in developing common and/or national policies. The strategy preparation and policy planning should go beyond the provision of a general economic support to compensate farmers for the lower profitability of local breeds. Of particular interest is the observation that the opportunity for farmer collaboration and the appreciation by the society of the cultural, environmental and social role of local cattle farming were positively associated with the breed survival. In addition, farmer's high age is not only a problem of poor generation transfer but it is also a problem because it might lead to a lower attitude to investing in farming activities and to a lower ability to adapt to environment changes. The farmers’ adaptation capability may be a key point for the viability of local breeds. Decision making tools can help to get a comprehensive view on the conservation and development of local breeds. It allows us to use a systematic and structured approach for identifying and prioritizing conservation and development strategies. We used SWOT (Strengths, Weaknesses Opportunities and Threats) analysis for this purpose and recognized that many conservation and development projects rely on farmers. We developed a quantified SWOT method and applied it in the aforementioned collaborative research to a set of thirteen cattle breeds in six European countries. The method has four steps: definition of the system, identification and grouping of the driving factors, quantification of the importance of driving factors and identification and prioritization of the strategies. The factors were determined following a multi-stakeholder approach and grouped with a three level structure. FAnGR expert groups ranked the factors and a quantification process was implemented to identify and prioritize strategies. The structure of the SWOT analysis allowed analyzing the conservation problem from general down to specific perspectives. Joining breed specific analyses into a common SWOT analysis permitted comparison of breed cases across countries. We identified 99 driving factors across breeds. The across breed analysis revealed that irrelevant factors were consistent. There was high heterogeneity among the most relevant factors and strategies. The strategies increased eligibility as they lost specificity. Although the situation was very heterogeneous, the most promising factors and strategies were linked to the positive aspects (Strengths and Opportunities). Therefore, the future of the studied local breed is promising. The results of our analysis also confirmed the high relevance of the cultural value of the breeds. The most important internal factors (strengths and weaknesses) were related farmers and production systems. The most important opportunities were found in developing and marketing new products, while the most relevant threats were found in selling the current conventional products. In this regard, it should be fruitful to work on farmers’ motivation, collaboration, and capacity building. We conclude that European policies should focus on general aspects and be flexible enough to be adapted to the country and breed specificities. As mentioned, farmers have a key role in the conservation and development of a local cattle breed. Therefore, it is very relevant to understand the implications of farmer heterogeneity within a breed for its viability. In the fourth part of the thesis, we developed a general farmer typology to help analyzing the relations between farmer features and farm profiles, herd dynamics and farmers’ decision making. In the analysis we applied and used the sociological framework of economic and cultural capital and studied how the determined farmer types were linked to farm profiles and breeding decisions, among others. The typology was based on measurable socioeconomic factors indicating the economic and cultural capital of farmers. A group of 85 farmers raising the Spanish Avileña-Negra Ibérica (ANI) local cattle breed was used to illustrate and test the procedure. The farmer types were defined by a hierarchical cluster analysis with a set of canonical variables derived from the following five the socioeconomic factors: the formal educational level of the farmer, the year the farmer started keeping the ANI breed, the percentage of the total family income covered by the farm, the percentage of the total farm land owned by the farmer and the farmer’s age. The present ANI farmer types were much more complex than what they were in the past. We found that the farmer types differed in many socioeconomic aspects and in the farms profile. Furthermore, the types also differentiate farmers with respect to decisions about changing the farm size, breeding aims and stated reactions towards hypothetical subsidy variation. We have verified that economic and cultural capitals are not independent and further showed how they are interacting in the different farmer types. The farmers related to the types with high economic, institutionalized and embodied cultural capitals had a higher demand of breeding animals from others farmers of the breed, which may be related to the higher social prestige within the breed. One of the key implications of this finding for the future of the breed is whether or not the prestige of farmers is related to genetic superiority of their animals, what is to say, that it is related with a sound use of tools that farmers have available to make selection decisions. The farmer types differed in the form of collaboration and in the reactions to the hypothetical variation in subsidies. There were farmers with low dependency on subsidies, while most of them are highly dependent on subsidies. Therefore, any drastic change in the subsidy programme might have influence on the development of local breeds. The adaptation of these programme to the farmers’ heterogeneity might increase its efficacy, thus it would be interesting to explore ways of doing it. We conclude highlighting the need to have a variety of policies, which take into account the heterogeneity among the farmers. To finish we dealt with the genetic structure of livestock populations. Farmers’ decisions on the breeding animals and their progeny numbers shape the demographic and genetic structure of the breeds. Nowadays there is a renovated interest in studying the population structure since it can bias the prediction of genomic breeding values and genome wide association studies. We determined the genetic structure of ANI breed using two different methods, a graphical clustering algorithm (GCA) and a Bayesian clustering algorithm (STRUCTURE) were used. We paid particular attention to the influence that the presence of closely related individuals and the genetic differentiation of subpopulations may have on the inferences about the population structure. We first evaluated the performance of the algorithms in simulated populations. Then we inferred the genetic structure of the Spanish cattle breed ANI analysing a data set of 13343 animals (genotyped for 17 microsatellites) from 57 herds. ANI breed is an example of a population with complex relationships. We used the herdbook to study the gene flow, estimation among other things, the contribution of different herds to the genetic composition of the ANI breed. For the simulated scenarios, when FST among subpopulations was sufficiently high, both algorithms consistently inferred the correct structure regardless of the presence of related individuals. However, when the genetic differentiation among subpopulations was low, STRUCTURE identified the family based structure while GCA did not provide any consistent picture. The GCA was a fast and efficient method to infer genetic structure to determine the hidden core structure of a population with complex history and relationships. GCA could also be used to narrow down the number of clusters to be tested by STRUCTURE. Both, STRUCTURE and GCA describe a similar structure for the ANI breed suggesting that the results are robust. ANI population was found to have three genetically differentiated clusters that could correspond to three genetic lineages. These are directly related to the herds with a major contribution to the breed. In addition, ANI breed has also a large pool made of individuals with an admixture of origins. The genetic structure of ANI, assessed by molecular information, shows a stratification that corresponds to the demographic evolution of the breed. It will be of great importance to learn more about the composition of the pool and study how it is related to the existing genetic variability of the breed.

Electronic systems major in the context of integrated language learning lab (ILLLab) proyect = Sistemas electrónicos en el contexto del proyecto Integrated Language Learning Lab (ILLLab)

Este proyecto colabora con la plataforma Integrated Language Learning Lab (ILLLab) aportando una serie de ejercicios de gramática inglesa para una nueva sección de la web basada íntegramente en la especialidad de Sistemas Electrónicos. Complementariamente se adentra en una nueva oportunidad basada en dispositivos móviles inteligentes creando una aplicación para el repaso de los conceptos estudiados en la titulación de Ingeniería Técnica de Telecomunicación en lengua inglesa.

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

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.

Oxide Semiconductors For Organic Opto-electronic Devices

Development of transparent oxide semiconductors (TOS) from Earth-abundant materials is of great interest for cost-effective thin film device applications, such as solar cells, light emitting diodes (LEDs), touch-sensitive displays, electronic paper, and transparent thin film transistors. The need of inexpensive or high performance electrode might be even greater for organic photovoltaic (OPV), with the goal to harvest renewable energy with inexpensive, lightweight, and cost competitive materials. The natural abundance of zinc and the wide bandgap ($sim$3.3 eV) of its oxide make it an ideal candidate. In this dissertation, I have introduced various concepts on the modulations of various surface, interface and bulk opto-electronic properties of ZnO based semiconductor for charge transport, charge selectivity and optimal device performance. I have categorized transparent semiconductors into two sub groups depending upon their role in a device. Electrodes, usually 200 to 500 nm thick, optimized for good transparency and transporting the charges to the external circuit. Here, the electrical conductivity in parallel direction to thin film, i.e bulk conductivity is important. And contacts, usually 5 to 50 nm thick, are optimized in case of solar cells for providing charge selectivity and asymmetry to manipulate the built in field inside the device for charge separation and collection. Whereas in Organic LEDs (OLEDs), contacts provide optimum energy level alignment at organic oxide interface for improved charge injections. For an optimal solar cell performance, transparent electrodes are designed with maximum transparency in the region of interest to maximize the light to pass through to the absorber layer for photo-generation, plus they are designed for minimum sheet resistance for efficient charge collection and transport. As such there is need for material with high conductivity and transparency. Doping ZnO with some common elements such as B, Al, Ga, In, Ge, Si, and F result in n-type doping with increase in carriers resulting in high conductivity electrode, with better or comparable opto-electronic properties compared to current industry-standard indium tin oxide (ITO). Furthermore, improvement in mobility due to improvement on crystallographic structure also provide alternative path for high conductivity ZnO TCOs. Implementing these two aspects, various studies were done on gallium doped zinc oxide (GZO) transparent electrode, a very promising indium free electrode. The dynamics of the superimposed RF and DC power sputtering was utilized to improve the microstructure during the thin films growth, resulting in GZO electrode with conductivity greater than 4000 S/cm and transparency greater than 90 %. Similarly, various studies on research and development of Indium Zinc Tin Oxide and Indium Zinc Oxide thin films which can be applied to flexible substrates for next generation solar cells application is presented. In these new TCO systems, understanding the role of crystallographic structure ranging from poly-crystalline to amorphous phase and the influence on the charge transport and optical transparency as well as important surface passivation and surface charge transport properties. Implementation of these electrode based on ZnO on opto-electronics devices such as OLED and OPV is complicated due to chemical interaction over time with the organic layer or with ambient. The problem of inefficient charge collection/injection due to poor understanding of interface and/or bulk property of oxide electrode exists at several oxide-organic interfaces. The surface conductivity, the work function, the formation of dipoles and the band-bending at the interfacial sites can positively or negatively impact the device performance. Detailed characterization of the surface composition both before and after various chemicals treatment of various oxide electrode can therefore provide insight into optimization of device performance. Some of the work related to controlling the interfacial chemistry associated with charge transport of transparent electrodes are discussed. Thus, the role of various pre-treatment on poly-crystalline GZO electrode and amorphous indium zinc oxide (IZO) electrode is compared and contrasted. From the study, we have found that removal of defects and self passivating defects caused by accumulation of hydroxides in the surface of both poly-crystalline GZO and amorphous IZO, are critical for improving the surface conductivity and charge transport. Further insight on how these insulating and self-passivating defects cause charge accumulation and recombination in an device is discussed. With recent rapid development of bulk-heterojunction organic photovoltaics active materials, devices employing ZnO and ZnO based electrode provide air stable and cost-competitive alternatives to traditional inorganic photovoltaics. The organic light emitting diodes (OLEDs) have already been commercialized, thus to follow in the footsteps of this technology, OPV devices need further improvement in power conversion efficiency and stable materials resulting in long device lifetimes. Use of low work function metals such as Ca/Al in standard geometry do provide good electrode for electron collection, but serious problems using low work-function metal electrodes originates from the formation of non-conductive metal oxide due to oxidation resulting in rapid device failure. Hence, using low work-function, air stable, conductive metal oxides such as ZnO as electrons collecting electrode and high work-function, air stable metals such as silver for harvesting holes, has been on the rise. Devices with degenerately doped ZnO functioning as transparent conductive electrode, or as charge selective layer in a polymer/fullerene based heterojunction, present useful device structures for investigating the functional mechanisms within OPV devices and a possible pathway towards improved air-stable high efficiency devices. Furthermore, analysis of the physical properties of the ZnO layers with varying thickness, crystallographic structure, surface chemistry and grain size deposited via various techniques such as atomic layer deposition, sputtering and solution-processed ZnO with their respective OPV device performance is discussed. We find similarity and differences in electrode property for good charge injection in OLEDs and good charge collection in OPV devices very insightful in understanding physics behind device failures and successes. In general, self-passivating surface of amorphous TCOs IZO, ZTO and IZTO forms insulating layer that hinders the charge collection. Similarly, we find modulation of the carrier concentration and the mobility in electron transport layer, namely zinc oxide thin films, very important for optimizing device performance.

Electoral Systems and Ethnic Conciliation: A Structured, Focused Analysis of Vote-Pooling in Northern Ireland Elections 1998-2011

This research project examines the role of electoral system rules in affecting the extent of conciliatory behavior and cross-ethnic coalition making in Northern Ireland. It focuses on the role of the Single Transferable Vote (STV) electoral system in shaping party and voter incentives in a post-conflict divided society. The research uses a structured, focused comparison of the four electoral cycles since the Belfast Agreement of 1998. This enables a systematic examination of each electoral cycle using a common set of criteria focused on conciliation and cross-ethnic coalition making. Whilst preference voting is assumed to benefit moderate candidates, in Northern Ireland centrist and multi-ethnic parties outside of the dominant ethnic communities have received little electoral success. In Northern Ireland the primary effect of STV has not been to encourage inter-communal voting but to facilitate intra-community and intra-party moderation. STV has encouraged the moderation of the historically extreme political parties in each of the ethnic bloc. Patterns across electoral cycles suggest that party elites from the Democratic Unionist Party (DUP) and Sinn Fein have moderated their policy positions due to the electoral system rules. Therefore they have pursued lower-preference votes from within their ethnic bloc but in doing so have marginalized parties of a multi-ethnic or non-ethnic orientation.

Can model Hamiltonians describe the electron–electron interaction in π-conjugated systems?: PAH and graphene

Model Hamiltonians have been, and still are, a valuable tool for investigating the electronic structure of systems for which mean field theories work poorly. This review will concentrate on the application of Pariser–Parr–Pople (PPP) and Hubbard Hamiltonians to investigate some relevant properties of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and graphene. When presenting these two Hamiltonians we will resort to second quantisation which, although not the way chosen in its original proposal of the former, is much clearer. We will not attempt to be comprehensive, but rather our objective will be to try to provide the reader with information on what kinds of problems they will encounter and what tools they will need to solve them. One of the key issues concerning model Hamiltonians that will be treated in detail is the choice of model parameters. Although model Hamiltonians reduce the complexity of the original Hamiltonian, they cannot be solved in most cases exactly. So, we shall first consider the Hartree–Fock approximation, still the only tool for handling large systems, besides density functional theory (DFT) approaches. We proceed by discussing to what extent one may exactly solve model Hamiltonians and the Lanczos approach. We shall describe the configuration interaction (CI) method, a common technology in quantum chemistry but one rarely used to solve model Hamiltonians. In particular, we propose a variant of the Lanczos method, inspired by CI, that has the novelty of using as the seed of the Lanczos process a mean field (Hartree–Fock) determinant (the method will be named LCI). Two questions of interest related to model Hamiltonians will be discussed: (i) when including long-range interactions, how crucial is including in the Hamiltonian the electronic charge that compensates ion charges? (ii) Is it possible to reduce a Hamiltonian incorporating Coulomb interactions (PPP) to an 'effective' Hamiltonian including only on-site interactions (Hubbard)? The performance of CI will be checked on small molecules. The electronic structure of azulene and fused azulene will be used to illustrate several aspects of the method. As regards graphene, several questions will be considered: (i) paramagnetic versus antiferromagnetic solutions, (ii) forbidden gap versus dot size, (iii) graphene nano-ribbons, and (iv) optical properties.