Improved static analysis and verification of energy consumption and other resources via abstract interpretation

Resource analysis aims at inferring the cost of executing programs for any possible input, in terms of a given resource, such as the traditional execution steps, time ormemory, and, more recently energy consumption or user defined resources (e.g., number of bits sent over a socket, number of database accesses, number of calls to particular procedures, etc.). This is performed statically, i.e., without actually running the programs. Resource usage information is useful for a variety of optimization and verification applications, as well as for guiding software design. For example, programmers can use such information to choose different algorithmic solutions to a problem; program transformation systems can use cost information to choose between alternative transformations; parallelizing compilers can use cost estimates for granularity control, which tries to balance the overheads of task creation and manipulation against the benefits of parallelization. In this thesis we have significatively improved an existing prototype implementation for resource usage analysis based on abstract interpretation, addressing a number of relevant challenges and overcoming many limitations it presented. The goal of that prototype was to show the viability of casting the resource analysis as an abstract domain, and howit could overcome important limitations of the state-of-the-art resource usage analysis tools. For this purpose, it was implemented as an abstract domain in the abstract interpretation framework of the CiaoPP system, PLAI.We have improved both the design and implementation of the prototype, for eventually allowing an evolution of the tool to the industrial application level. The abstract operations of such tool heavily depend on the setting up and finding closed-form solutions of recurrence relations representing the resource usage behavior of program components and the whole program as well. While there exist many tools, such as Computer Algebra Systems (CAS) and libraries able to find closed-form solutions for some types of recurrences, none of them alone is able to handle all the types of recurrences arising during program analysis. In addition, there are some types of recurrences that cannot be solved by any existing tool. This clearly constitutes a bottleneck for this kind of resource usage analysis. Thus, one of the major challenges we have addressed in this thesis is the design and development of a novel modular framework for solving recurrence relations, able to combine and take advantage of the results of existing solvers. Additionally, we have developed and integrated into our novel solver a technique for finding upper-bound closed-form solutions of a special class of recurrence relations that arise during the analysis of programs with accumulating parameters. Finally, we have integrated the improved resource analysis into the CiaoPP general framework for resource usage verification, and specialized the framework for verifying energy consumption specifications of embedded imperative programs in a real application, showing the usefulness and practicality of the resulting tool.---ABSTRACT---El Análisis de recursos tiene como objetivo inferir el coste de la ejecución de programas para cualquier entrada posible, en términos de algún recurso determinado, como pasos de ejecución, tiempo o memoria, y, más recientemente, el consumo de energía o recursos definidos por el usuario (por ejemplo, número de bits enviados a través de un socket, el número de accesos a una base de datos, cantidad de llamadas a determinados procedimientos, etc.). Ello se realiza estáticamente, es decir, sin necesidad de ejecutar los programas. La información sobre el uso de recursos resulta muy útil para una gran variedad de aplicaciones de optimización y verificación de programas, así como para asistir en el diseño de los mismos. Por ejemplo, los programadores pueden utilizar dicha información para elegir diferentes soluciones algorítmicas a un problema; los sistemas de transformación de programas pueden utilizar la información de coste para elegir entre transformaciones alternativas; los compiladores paralelizantes pueden utilizar las estimaciones de coste para realizar control de granularidad, el cual trata de equilibrar el coste debido a la creación y gestión de tareas, con los beneficios de la paralelización. En esta tesis hemos mejorado de manera significativa la implementación de un prototipo existente para el análisis del uso de recursos basado en interpretación abstracta, abordando diversos desafíos relevantes y superando numerosas limitaciones que éste presentaba. El objetivo de dicho prototipo era mostrar la viabilidad de definir el análisis de recursos como un dominio abstracto, y cómo se podían superar las limitaciones de otras herramientas similares que constituyen el estado del arte. Para ello, se implementó como un dominio abstracto en el marco de interpretación abstracta presente en el sistema CiaoPP, PLAI. Hemos mejorado tanto el diseño como la implementación del mencionado prototipo para posibilitar su evolución hacia una herramienta utilizable en el ámbito industrial. Las operaciones abstractas de dicha herramienta dependen en gran medida de la generación, y posterior búsqueda de soluciones en forma cerrada, de relaciones recurrentes, las cuales modelizan el comportamiento, respecto al consumo de recursos, de los componentes del programa y del programa completo. Si bien existen actualmente muchas herramientas capaces de encontrar soluciones en forma cerrada para ciertos tipos de recurrencias, tales como Sistemas de Computación Algebraicos (CAS) y librerías de programación, ninguna de dichas herramientas es capaz de tratar, por sí sola, todos los tipos de recurrencias que surgen durante el análisis de recursos. Existen incluso recurrencias que no las puede resolver ninguna herramienta actual. Esto constituye claramente un cuello de botella para este tipo de análisis del uso de recursos. Por lo tanto, uno de los principales desafíos que hemos abordado en esta tesis es el diseño y desarrollo de un novedoso marco modular para la resolución de relaciones recurrentes, combinando y aprovechando los resultados de resolutores existentes. Además de ello, hemos desarrollado e integrado en nuestro nuevo resolutor una técnica para la obtención de cotas superiores en forma cerrada de una clase característica de relaciones recurrentes que surgen durante el análisis de programas lógicos con parámetros de acumulación. Finalmente, hemos integrado el nuevo análisis de recursos con el marco general para verificación de recursos de CiaoPP, y hemos instanciado dicho marco para la verificación de especificaciones sobre el consumo de energía de programas imperativas embarcados, mostrando la viabilidad y utilidad de la herramienta resultante en una aplicación real.

Design and Simulation of Deep Nanometer SRAM Cells under Energy, Mismatch, and Radiation Constraints

La fiabilidad está pasando a ser el principal problema de los circuitos integrados según la tecnología desciende por debajo de los 22nm. Pequeñas imperfecciones en la fabricación de los dispositivos dan lugar ahora a importantes diferencias aleatorias en sus características eléctricas, que han de ser tenidas en cuenta durante la fase de diseño. Los nuevos procesos y materiales requeridos para la fabricación de dispositivos de dimensiones tan reducidas están dando lugar a diferentes efectos que resultan finalmente en un incremento del consumo estático, o una mayor vulnerabilidad frente a radiación. Las memorias SRAM son ya la parte más vulnerable de un sistema electrónico, no solo por representar más de la mitad del área de los SoCs y microprocesadores actuales, sino también porque las variaciones de proceso les afectan de forma crítica, donde el fallo de una única célula afecta a la memoria entera. Esta tesis aborda los diferentes retos que presenta el diseño de memorias SRAM en las tecnologías más pequeñas. En un escenario de aumento de la variabilidad, se consideran problemas como el consumo de energía, el diseño teniendo en cuenta efectos de la tecnología a bajo nivel o el endurecimiento frente a radiación. En primer lugar, dado el aumento de la variabilidad de los dispositivos pertenecientes a los nodos tecnológicos más pequeños, así como a la aparición de nuevas fuentes de variabilidad por la inclusión de nuevos dispositivos y la reducción de sus dimensiones, la precisión del modelado de dicha variabilidad es crucial. Se propone en la tesis extender el método de inyectores, que modela la variabilidad a nivel de circuito, abstrayendo sus causas físicas, añadiendo dos nuevas fuentes para modelar la pendiente sub-umbral y el DIBL, de creciente importancia en la tecnología FinFET. Los dos nuevos inyectores propuestos incrementan la exactitud de figuras de mérito a diferentes niveles de abstracción del diseño electrónico: a nivel de transistor, de puerta y de circuito. El error cuadrático medio al simular métricas de estabilidad y prestaciones de células SRAM se reduce un mínimo de 1,5 veces y hasta un máximo de 7,5 a la vez que la estimación de la probabilidad de fallo se mejora en varios ordenes de magnitud. El diseño para bajo consumo es una de las principales aplicaciones actuales dada la creciente importancia de los dispositivos móviles dependientes de baterías. Es igualmente necesario debido a las importantes densidades de potencia en los sistemas actuales, con el fin de reducir su disipación térmica y sus consecuencias en cuanto al envejecimiento. El método tradicional de reducir la tensión de alimentación para reducir el consumo es problemático en el caso de las memorias SRAM dado el creciente impacto de la variabilidad a bajas tensiones. Se propone el diseño de una célula que usa valores negativos en la bit-line para reducir los fallos de escritura según se reduce la tensión de alimentación principal. A pesar de usar una segunda fuente de alimentación para la tensión negativa en la bit-line, el diseño propuesto consigue reducir el consumo hasta en un 20 % comparado con una célula convencional. Una nueva métrica, el hold trip point se ha propuesto para prevenir nuevos tipos de fallo debidos al uso de tensiones negativas, así como un método alternativo para estimar la velocidad de lectura, reduciendo el número de simulaciones necesarias. Según continúa la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos, se incluyen nuevos mecanismos que permiten facilitar el proceso de fabricación, o alcanzar las prestaciones requeridas para cada nueva generación tecnológica. Se puede citar como ejemplo el estrés compresivo o extensivo aplicado a los fins en tecnologías FinFET, que altera la movilidad de los transistores fabricados a partir de dichos fins. Los efectos de estos mecanismos dependen mucho del layout, la posición de unos transistores afecta a los transistores colindantes y pudiendo ser el efecto diferente en diferentes tipos de transistores. Se propone el uso de una célula SRAM complementaria que utiliza dispositivos pMOS en los transistores de paso, así reduciendo la longitud de los fins de los transistores nMOS y alargando los de los pMOS, extendiéndolos a las células vecinas y hasta los límites de la matriz de células. Considerando los efectos del STI y estresores de SiGe, el diseño propuesto mejora los dos tipos de transistores, mejorando las prestaciones de la célula SRAM complementaria en más de un 10% para una misma probabilidad de fallo y un mismo consumo estático, sin que se requiera aumentar el área. Finalmente, la radiación ha sido un problema recurrente en la electrónica para aplicaciones espaciales, pero la reducción de las corrientes y tensiones de los dispositivos actuales los está volviendo vulnerables al ruido generado por radiación, incluso a nivel de suelo. Pese a que tecnologías como SOI o FinFET reducen la cantidad de energía colectada por el circuito durante el impacto de una partícula, las importantes variaciones de proceso en los nodos más pequeños va a afectar su inmunidad frente a la radiación. Se demuestra que los errores inducidos por radiación pueden aumentar hasta en un 40 % en el nodo de 7nm cuando se consideran las variaciones de proceso, comparado con el caso nominal. Este incremento es de una magnitud mayor que la mejora obtenida mediante el diseño de células de memoria específicamente endurecidas frente a radiación, sugiriendo que la reducción de la variabilidad representaría una mayor mejora. ABSTRACT Reliability is becoming the main concern on integrated circuit as the technology goes beyond 22nm. Small imperfections in the device manufacturing result now in important random differences of the devices at electrical level which must be dealt with during the design. New processes and materials, required to allow the fabrication of the extremely short devices, are making new effects appear resulting ultimately on increased static power consumption, or higher vulnerability to radiation SRAMs have become the most vulnerable part of electronic systems, not only they account for more than half of the chip area of nowadays SoCs and microprocessors, but they are critical as soon as different variation sources are regarded, with failures in a single cell making the whole memory fail. This thesis addresses the different challenges that SRAM design has in the smallest technologies. In a common scenario of increasing variability, issues like energy consumption, design aware of the technology and radiation hardening are considered. First, given the increasing magnitude of device variability in the smallest nodes, as well as new sources of variability appearing as a consequence of new devices and shortened lengths, an accurate modeling of the variability is crucial. We propose to extend the injectors method that models variability at circuit level, abstracting its physical sources, to better model sub-threshold slope and drain induced barrier lowering that are gaining importance in FinFET technology. The two new proposed injectors bring an increased accuracy of figures of merit at different abstraction levels of electronic design, at transistor, gate and circuit levels. The mean square error estimating performance and stability metrics of SRAM cells is reduced by at least 1.5 and up to 7.5 while the yield estimation is improved by orders of magnitude. Low power design is a major constraint given the high-growing market of mobile devices that run on battery. It is also relevant because of the increased power densities of nowadays systems, in order to reduce the thermal dissipation and its impact on aging. The traditional approach of reducing the voltage to lower the energy consumption if challenging in the case of SRAMs given the increased impact of process variations at low voltage supplies. We propose a cell design that makes use of negative bit-line write-assist to overcome write failures as the main supply voltage is lowered. Despite using a second power source for the negative bit-line, the design achieves an energy reduction up to 20% compared to a conventional cell. A new metric, the hold trip point has been introduced to deal with new sources of failures to cells using a negative bit-line voltage, as well as an alternative method to estimate cell speed, requiring less simulations. With the continuous reduction of device sizes, new mechanisms need to be included to ease the fabrication process and to meet the performance targets of the successive nodes. As example we can consider the compressive or tensile strains included in FinFET technology, that alter the mobility of the transistors made out of the concerned fins. The effects of these mechanisms are very dependent on the layout, with transistor being affected by their neighbors, and different types of transistors being affected in a different way. We propose to use complementary SRAM cells with pMOS pass-gates in order to reduce the fin length of nMOS devices and achieve long uncut fins for the pMOS devices when the cell is included in its corresponding array. Once Shallow Trench isolation and SiGe stressors are considered the proposed design improves both kinds of transistor, boosting the performance of complementary SRAM cells by more than 10% for a same failure probability and static power consumption, with no area overhead. While radiation has been a traditional concern in space electronics, the small currents and voltages used in the latest nodes are making them more vulnerable to radiation-induced transient noise, even at ground level. Even if SOI or FinFET technologies reduce the amount of energy transferred from the striking particle to the circuit, the important process variation that the smallest nodes will present will affect their radiation hardening capabilities. We demonstrate that process variations can increase the radiation-induced error rate by up to 40% in the 7nm node compared to the nominal case. This increase is higher than the improvement achieved by radiation-hardened cells suggesting that the reduction of process variations would bring a higher improvement.

Utilizing the Internet of Things to promote energy awareness and efficiency at discrete production processes: Practices and methodology

El actual contexto de fabricación, con incrementos en los precios de la energía, una creciente preocupación medioambiental y cambios continuos en los comportamientos de los consumidores, fomenta que los responsables prioricen la fabricación respetuosa con el medioambiente. El paradigma del Internet de las Cosas (IoT) promete incrementar la visibilidad y la atención prestada al consumo de energía gracias tanto a sensores como a medidores inteligentes en los niveles de máquina y de línea de producción. En consecuencia es posible y sencillo obtener datos de consumo de energía en tiempo real proveniente de los procesos de fabricación, pero además es posible analizarlos para incrementar su importancia en la toma de decisiones. Esta tesis pretende investigar cómo utilizar la adopción del Internet de las Cosas en el nivel de planta de producción, en procesos discretos, para incrementar la capacidad de uso de la información proveniente tanto de la energía como de la eficiencia energética. Para alcanzar este objetivo general, la investigación se ha dividido en cuatro sub-objetivos y la misma se ha desarrollado a lo largo de cuatro fases principales (en adelante estudios). El primer estudio de esta tesis, que se apoya sobre una revisión bibliográfica comprehensiva y sobre las aportaciones de expertos, define prácticas de gestión de la producción que son energéticamente eficientes y que se apoyan de un modo preeminente en la tecnología IoT. Este primer estudio también detalla los beneficios esperables al adoptar estas prácticas de gestión. Además, propugna un marco de referencia para permitir la integración de los datos que sobre el consumo energético se obtienen en el marco de las plataformas y sistemas de información de la compañía. Esto se lleva a cabo con el objetivo último de remarcar cómo estos datos pueden ser utilizados para apalancar decisiones en los niveles de procesos tanto tácticos como operativos. Segundo, considerando los precios de la energía como variables en el mercado intradiario y la disponibilidad de información detallada sobre el estado de las máquinas desde el punto de vista de consumo energético, el segundo estudio propone un modelo matemático para minimizar los costes del consumo de energía para la programación de asignaciones de una única máquina que deba atender a varios procesos de producción. Este modelo permite la toma de decisiones en el nivel de máquina para determinar los instantes de lanzamiento de cada trabajo de producción, los tiempos muertos, cuándo la máquina debe ser puesta en un estado de apagada, el momento adecuado para rearrancar, y para pararse, etc. Así, este modelo habilita al responsable de producción de implementar el esquema de producción menos costoso para cada turno de producción. En el tercer estudio esta investigación proporciona una metodología para ayudar a los responsables a implementar IoT en el nivel de los sistemas productivos. Se incluye un análisis del estado en que se encuentran los sistemas de gestión de energía y de producción en la factoría, así como también se proporcionan recomendaciones sobre procedimientos para implementar IoT para capturar y analizar los datos de consumo. Esta metodología ha sido validada en un estudio piloto, donde algunos indicadores clave de rendimiento (KPIs) han sido empleados para determinar la eficiencia energética. En el cuarto estudio el objetivo es introducir una vía para obtener visibilidad y relevancia a diferentes niveles de la energía consumida en los procesos de producción. El método propuesto permite que las factorías con procesos de producción discretos puedan determinar la energía consumida, el CO2 emitido o el coste de la energía consumida ya sea en cualquiera de los niveles: operación, producto o la orden de fabricación completa, siempre considerando las diferentes fuentes de energía y las fluctuaciones en los precios de la misma. Los resultados muestran que decisiones y prácticas de gestión para conseguir sistemas de producción energéticamente eficientes son posibles en virtud del Internet de las Cosas. También, con los resultados de esta tesis los responsables de la gestión energética en las compañías pueden plantearse una aproximación a la utilización del IoT desde un punto de vista de la obtención de beneficios, abordando aquellas prácticas de gestión energética que se encuentran más próximas al nivel de madurez de la factoría, a sus objetivos, al tipo de producción que desarrolla, etc. Así mismo esta tesis muestra que es posible obtener reducciones significativas de coste simplemente evitando los períodos de pico diario en el precio de la misma. Además la tesis permite identificar cómo el nivel de monitorización del consumo energético (es decir al nivel de máquina), el intervalo temporal, y el nivel del análisis de los datos son factores determinantes a la hora de localizar oportunidades para mejorar la eficiencia energética. Adicionalmente, la integración de datos de consumo energético en tiempo real con datos de producción (cuando existen altos niveles de estandarización en los procesos productivos y sus datos) es esencial para permitir que las factorías detallen la energía efectivamente consumida, su coste y CO2 emitido durante la producción de un producto o componente. Esto permite obtener una valiosa información a los gestores en el nivel decisor de la factoría así como a los consumidores y reguladores. ABSTRACT In today‘s manufacturing scenario, rising energy prices, increasing ecological awareness, and changing consumer behaviors are driving decision makers to prioritize green manufacturing. The Internet of Things (IoT) paradigm promises to increase the visibility and awareness of energy consumption, thanks to smart sensors and smart meters at the machine and production line level. Consequently, real-time energy consumption data from the manufacturing processes can be easily collected and then analyzed, to improve energy-aware decision-making. This thesis aims to investigate how to utilize the adoption of the Internet of Things at shop floor level to increase energy–awareness and the energy efficiency of discrete production processes. In order to achieve the main research goal, the research is divided into four sub-objectives, and is accomplished during four main phases (i.e., studies). In the first study, by relying on a comprehensive literature review and on experts‘ insights, the thesis defines energy-efficient production management practices that are enhanced and enabled by IoT technology. The first study also explains the benefits that can be obtained by adopting such management practices. Furthermore, it presents a framework to support the integration of gathered energy data into a company‘s information technology tools and platforms, which is done with the ultimate goal of highlighting how operational and tactical decision-making processes could leverage such data in order to improve energy efficiency. Considering the variable energy prices in one day, along with the availability of detailed machine status energy data, the second study proposes a mathematical model to minimize energy consumption costs for single machine production scheduling during production processes. This model works by making decisions at the machine level to determine the launch times for job processing, idle time, when the machine must be shut down, ―turning on‖ time, and ―turning off‖ time. This model enables the operations manager to implement the least expensive production schedule during a production shift. In the third study, the research provides a methodology to help managers implement the IoT at the production system level; it includes an analysis of current energy management and production systems at the factory, and recommends procedures for implementing the IoT to collect and analyze energy data. The methodology has been validated by a pilot study, where energy KPIs have been used to evaluate energy efficiency. In the fourth study, the goal is to introduce a way to achieve multi-level awareness of the energy consumed during production processes. The proposed method enables discrete factories to specify energy consumption, CO2 emissions, and the cost of the energy consumed at operation, production and order levels, while considering energy sources and fluctuations in energy prices. The results show that energy-efficient production management practices and decisions can be enhanced and enabled by the IoT. With the outcomes of the thesis, energy managers can approach the IoT adoption in a benefit-driven way, by addressing energy management practices that are close to the maturity level of the factory, target, production type, etc. The thesis also shows that significant reductions in energy costs can be achieved by avoiding high-energy price periods in a day. Furthermore, the thesis determines the level of monitoring energy consumption (i.e., machine level), the interval time, and the level of energy data analysis, which are all important factors involved in finding opportunities to improve energy efficiency. Eventually, integrating real-time energy data with production data (when there are high levels of production process standardization data) is essential to enable factories to specify the amount and cost of energy consumed, as well as the CO2 emitted while producing a product, providing valuable information to decision makers at the factory level as well as to consumers and regulators.

A multi-level analysis of innovation diffusion: The case of solar photovoltaic systems in Germany and the disillusion of grid parity

¿Suministrarán las fuentes de energía renovables toda la energía que el mundo necesita algún día? Algunos argumentan que sí, mientras que otros dicen que no. Sin embargo, en algunas regiones del mundo, la producción de electricidad a través de fuentes de energía renovables ya está en una etapa prometedora de desarrollo en la que su costo de generación de electricidad compite con fuentes de electricidad convencionales, como por ejemplo la paridad de red. Este logro ha sido respaldado por el aumento de la eficiencia de la tecnología, la reducción de los costos de producción y, sobre todo, los años de intervenciones políticas de apoyo financiero. La difusión de los sistemas solares fotovoltaicos (PV) en Alemania es un ejemplo relevante. Alemania no sólo es el país líder en términos de capacidad instalada de sistemas fotovoltaicos (PV) en todo el mundo, sino también uno de los países pioneros donde la paridad de red se ha logrado recientemente. No obstante, podría haber una nube en el horizonte. La tasa de difusión ha comenzado a declinar en muchas regiones. Además, las empresas solares locales – que se sabe son importantes impulsores de la difusión – han comenzado a enfrentar dificultades para manejar sus negocios. Estos acontecimientos plantean algunas preguntas importantes: ¿Es ésta una disminución temporal en la difusión? ¿Los adoptantes continuarán instalando sistemas fotovoltaicos? ¿Qué pasa con los modelos de negocio de las empresas solares locales? Con base en el caso de los sistemas fotovoltaicos en Alemania a través de un análisis multinivel y dos revisiones literarias complementarias, esta tesis doctoral extiende el debate proporcionando riqueza múltiple de datos empíricos en un conocimiento de contexto limitado. El primer análisis se basa en la perspectiva del adoptante, que explora el nivel "micro" y el proceso social que subyace a la adopción de los sistemas fotovoltaicos. El segundo análisis es una perspectiva a nivel de empresa, que explora los modelos de negocio de las empresas y sus roles impulsores en la difusión de los sistemas fotovoltaicos. El tercero análisis es una perspectiva regional, la cual explora el nivel "meso", el proceso social que subyace a la adopción de sistemas fotovoltaicos y sus técnicas de modelado. Los resultados incluyen implicaciones tanto para académicos como políticos, no sólo sobre las innovaciones en energía renovable relativas a la paridad de red, sino también, de manera inductiva, sobre las innovaciones ambientales impulsadas por las políticas que logren la competitividad de costes. ABSTRACT Will renewable energy sources supply all of the world energy needs one day? Some argue yes, while others say no. However, in some regions of the world, the electricity production through renewable energy sources is already at a promising stage of development at which their electricity generation costs compete with conventional electricity sources’, i.e., grid parity. This achievement has been underpinned by the increase of technology efficiency, reduction of production costs and, above all, years of policy interventions of providing financial support. The diffusion of solar photovoltaic (PV) systems in Germany is an important frontrunner case in point. Germany is not only the top country in terms of installed PV systems’ capacity worldwide but also one of the pioneer countries where the grid parity has recently been achieved. However, there might be a cloud on the horizon. The diffusion rate has started to decline in many regions. In addition, local solar firms – which are known to be important drivers of diffusion – have started to face difficulties to run their businesses. These developments raise some important questions: Is this a temporary decline on diffusion? Will adopters continue to install PV systems? What about the business models of the local solar firms? Based on the case of PV systems in Germany through a multi-level analysis and two complementary literature reviews, this PhD Dissertation extends the debate by providing multiple wealth of empirical details in a context-limited knowledge. The first analysis is based on the adopter perspective, which explores the “micro” level and the social process underlying the adoption of PV systems. The second one is a firm-level perspective, which explores the business models of firms and their driving roles in diffusion of PV systems. The third one is a regional perspective, which explores the “meso” level, i.e., the social process underlying the adoption of PV systems and its modeling techniques. The results include implications for both scholars and policymakers, not only about renewable energy innovations at grid parity, but also in an inductive manner, about policy-driven environmental innovations that achieve the cost competiveness.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.

Cognitive strategies for reducing energy consumption in wireless sensor networks

El consumo energético de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSNs por sus siglas en inglés) es un problema histórico que ha sido abordado desde diferentes niveles y visiones, ya que no solo afecta a la propia supervivencia de la red sino que el creciente uso de dispositivos inteligentes y el nuevo paradigma del Internet de las Cosas hace que las WSNs tengan cada vez una mayor influencia en la huella energética. Debido a la tendencia al alza en el uso de estas redes se añade un nuevo problema, la saturación espectral. Las WSNs operan habitualmente en bandas sin licencia como son las bandas Industrial, Científica y Médica (ISM por sus siglas en inglés). Estas bandas se comparten con otro tipo de redes como Wi-Fi o Bluetooth cuyo uso ha crecido exponencialmente en los últimos años. Para abordar este problema aparece el paradigma de la Radio Cognitiva (CR), una tecnología que permite el acceso oportunista al espectro. La introducción de capacidades cognitivas en las WSNs no solo permite optimizar su eficiencia espectral sino que también tiene un impacto positivo en parámetros como la calidad de servicio, la seguridad o el consumo energético. Sin embargo, por otra parte, este nuevo paradigma plantea algunos retos relacionados con el consumo energético. Concretamente, el sensado del espectro, la colaboración entre los nodos (que requiere comunicación adicional) y el cambio en los parámetros de transmisión aumentan el consumo respecto a las WSN clásicas. Teniendo en cuenta que la investigación en el campo del consumo energético ha sido ampliamente abordada puesto que se trata de una de sus principales limitaciones, asumimos que las nuevas estrategias deben surgir de las nuevas capacidades añadidas por las redes cognitivas. Por otro lado, a la hora de diseñar estrategias de optimización para CWSN hay que tener muy presentes las limitaciones de recursos de estas redes en cuanto a memoria, computación y consumo energético de los nodos. En esta tesis doctoral proponemos dos estrategias de reducción de consumo energético en CWSNs basadas en tres pilares fundamentales. El primero son las capacidades cognitivas añadidas a las WSNs que proporcionan la posibilidad de adaptar los parámetros de transmisión en función del espectro disponible. La segunda es la colaboración, como característica intrínseca de las CWSNs. Finalmente, el tercer pilar de este trabajo es teoría de juegos como algoritmo de soporte a la decisión, ampliamente utilizado en WSNs debido a su simplicidad. Como primer aporte de la tesis se presenta un análisis completo de las posibilidades introducidas por la radio cognitiva en materia de reducción de consumo para WSNs. Gracias a las conclusiones extraídas de este análisis, se han planteado las hipótesis de esta tesis relacionadas con la validez de usar capacidades cognitivas como herramienta para la reducción de consumo en CWSNs. Una vez presentada las hipótesis, pasamos a desarrollar las principales contribuciones de la tesis: las dos estrategias diseñadas para reducción de consumo basadas en teoría de juegos y CR. La primera de ellas hace uso de un juego no cooperativo que se juega mediante pares de jugadores. En la segunda estrategia, aunque el juego continúa siendo no cooperativo, se añade el concepto de colaboración. Para cada una de las estrategias se presenta el modelo del juego, el análisis formal de equilibrios y óptimos y la descripción de la estrategia completa donde se incluye la interacción entre nodos. Con el propósito de probar las estrategias mediante simulación e implementación en dispositivos reales hemos desarrollado un marco de pruebas compuesto por un simulador cognitivo y un banco de pruebas formado por nodos cognitivos capaces de comunicarse en tres bandas ISM desarrollados en el B105 Lab. Este marco de pruebas constituye otra de las aportaciones de la tesis que permitirá el avance en la investigación en el área de las CWSNs. Finalmente, se presentan y discuten los resultados derivados de la prueba de las estrategias desarrolladas. La primera estrategia proporciona ahorros de energía mayores al 65% comparados con una WSN sin capacidades cognitivas y alrededor del 25% si la comparamos con una estrategia cognitiva basada en el sensado periódico del espectro para el cambio de canal de acuerdo a un nivel de ruido fijado. Este algoritmo se comporta de forma similar independientemente del nivel de ruido siempre que éste sea espacialmente uniformemente. Esta estrategia, a pesar de su sencillez, nos asegura el comportamiento óptimo en cuanto a consumo energético debido a la utilización de teoría de juegos en la fase de diseño del comportamiento de los nodos. La estrategia colaborativa presenta mejoras respecto a la anterior en términos de protección frente al ruido en escenarios de ruido más complejos donde aporta una mejora del 50% comparada con la estrategia anterior. ABSTRACT Energy consumption in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a known historical problem that has been addressed from different areas and on many levels. But this problem should not only be approached from the point of view of their own efficiency for survival. A major portion of communication traffic has migrated to mobile networks and systems. The increased use of smart devices and the introduction of the Internet of Things (IoT) give WSNs a great influence on the carbon footprint. Thus, optimizing the energy consumption of wireless networks could reduce their environmental impact considerably. In recent years, another problem has been added to the equation: spectrum saturation. Wireless Sensor Networks usually operate in unlicensed spectrum bands such as Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands shared with other networks (mainly Wi-Fi and Bluetooth). To address the efficient spectrum utilization problem, Cognitive Radio (CR) has emerged as the key technology that enables opportunistic access to the spectrum. Therefore, the introduction of cognitive capabilities to WSNs allows optimizing their spectral occupation. Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs) do not only increase the reliability of communications, but they also have a positive impact on parameters such as the Quality of Service (QoS), network security, or energy consumption. These new opportunities introduced by CWSNs unveil a wide field in the energy consumption research area. However, this also implies some challenges. Specifically, the spectrum sensing stage, collaboration among devices (which requires extra communication), and changes in the transmission parameters increase the total energy consumption of the network. When designing CWSN optimization strategies, the fact that WSN nodes are very limited in terms of memory, computational power, or energy consumption has to be considered. Thus, light strategies that require a low computing capacity must be found. Since the field of energy conservation in WSNs has been widely explored, we assume that new strategies could emerge from the new opportunities presented by cognitive networks. In this PhD Thesis, we present two strategies for energy consumption reduction in CWSNs supported by three main pillars. The first pillar is that cognitive capabilities added to the WSN provide the ability to change the transmission parameters according to the spectrum. The second pillar is that the ability to collaborate is a basic characteristic of CWSNs. Finally, the third pillar for this work is the game theory as a decision-making algorithm, which has been widely used in WSNs due to its lightness and simplicity that make it valid to operate in CWSNs. For the development of these strategies, a complete analysis of the possibilities is first carried out by incorporating the cognitive abilities into the network. Once this analysis has been performed, we expose the hypotheses of this thesis related to the use of cognitive capabilities as a useful tool to reduce energy consumption in CWSNs. Once the analyses are exposed, we present the main contribution of this thesis: the two designed strategies for energy consumption reduction based on game theory and cognitive capabilities. The first one is based on a non-cooperative game played between two players in a simple and selfish way. In the second strategy, the concept of collaboration is introduced. Despite the fact that the game used is also a non-cooperative game, the decisions are taken through collaboration. For each strategy, we present the modeled game, the formal analysis of equilibrium and optimum, and the complete strategy describing the interaction between nodes. In order to test the strategies through simulation and implementation in real devices, we have developed a CWSN framework composed by a CWSN simulator based on Castalia and a testbed based on CWSN nodes able to communicate in three different ISM bands. We present and discuss the results derived by the energy optimization strategies. The first strategy brings energy improvement rates of over 65% compared to WSN without cognitive techniques. It also brings energy improvement rates of over 25% compared with sensing strategies for changing channels based on a decision threshold. We have also seen that the algorithm behaves similarly even with significant variations in the level of noise while working in a uniform noise scenario. The collaborative strategy presents improvements respecting the previous strategy in terms of noise protection when the noise scheme is more complex where this strategy shows improvement rates of over 50%.

Effects of the water level on the flow topology over the Bolund island.

We have analyzed the influence of the actual height of Bolund island above water level on different full-scale statistics of the velocity field over the peninsula. Our analysis is focused on the database of 10-minute statistics provided by Risø-DTU for the Bolund Blind Experiment. We have considered 10-minut.e periods with near-neutral atmospheric conditions, mean wind speed values in the interval [5,20] m/s, and westerly wind directions. As expected, statistics such as speed-up, normalized increase of turbulent kinetic energy and probability of recirculating flow show a large dependence on the emerged height of the island for the locations close to the escarpment. For the published ensemble mean values of speed-up and normalized increase of turbulent kinetic energy in these locations, we propose that some ammount of uncertainty could be explained as a deterministic dependence of the flow field statistics upon the actual height of the Bolund island above the sea level.

Adapting micro-economy of energy corporations to macroeconomy policies aiming at a sustainable economy

Esta Tesis surgió ante la intensidad y verosimilitud de varias señales o “warnings” asociadas a políticas dirigidas a reducir el peso del petróleo en el sector energético, tanto por razones económicas, como geopolíticas, como ambientales. Como tal Tesis se consolidó al ir incorporando elementos novedosos pero esenciales en el mundo petrolífero, particularmente las “tecnologías habilitantes”, tanto de incidencia directa, como el “fracking” como indirecta, del cual es un gran ejemplo el Vehículo Eléctrico (puro). La Tesis se definió y estructuró para elaborar una serie de indagaciones y disquisiciones, que comportaran un conjunto de conclusiones que fueran útiles para las corporaciones energéticas. También para la comprensión de la propia evolución del sector y de sus prestaciones técnicas y económicas, de cara a dar el servicio que los usuarios finales piden. Dentro de las tareas analíticas y reflexivas de la Tesis, se acuñaron ciertos términos conceptuales para explicar más certeramente la realidad del sector, y tal es el caso del “Investment burden”, que pondera la inversión específica (€/W) requerida por una instalación, con la duración del período de construcción y los riesgos tanto tangibles como regulatorios. Junto a ello la Tesis propone una herramienta de estudio y prognosis, denominada “Market integrated energy efficiency”, especialmente aplicable a dicotomías. Tal es el caso del coche térmico, versus coche eléctrico. El objetivo es optimizar una determinada actividad energética, o la productividad total del sector. Esta Tesis propone varias innovaciones, que se pueden agrupar en dos niveles: el primero dentro del campo de la Energía, y el segundo dentro del campo de las corporaciones, y de manera especial de las corporaciones del sector hidrocarburos. A nivel corporativo, la adaptación a la nueva realidad será función directa de la capacidad de cada corporación para desarrollar y/o comprar las tecnologías que permitan mantener o aumentar cuota de mercado. Las conclusiones de la Tesis apuntan a tres opciones principalmente para un replanteamiento corporativo: - Diversificación energética - Desplazamiento geográfico - Beneficiándose de posibles nuevos nichos tecnológicos, como son: • En upstream: Recuperación estimulada de petróleo mediante uso de energías renovables • En downstream: Aditivos orientados a reducir emisiones • En gestión del cambio: Almacenamiento energético con fines operativos Algunas políticas energéticas siguen la tendencia de crecimiento cero de algunos países de la OCDE. No obstante, la realidad mundial es muy diferente a la de esos países. Por ejemplo, según diversas estimaciones (basadas en bancos de datos solventes, referenciados en la Tesis) el número de vehículos aumentará desde aproximadamente mil millones en la actualidad hasta el doble en 2035; mientras que la producción de petróleo sólo aumentará de 95 a 145 millones de barriles al día. Un aumento del 50% frente a un aumento del 100%. Esto generará un curioso desajuste, que se empezará a sentir en unos pocos años. Las empresas y corporaciones del sector hidrocarburos pueden perder el monopolio que atesoran actualmente en el sector transporte frente a todas las demás fuentes energéticas. Esa pérdida puede quedar compensada por una mejor gestión de todas sus capacidades y una participación más integrada en el mundo de la energía, buscando sinergias donde hasta ahora no había sino distanciamiento. Los productos petrolíferos pueden alimentar cualquier tipo de maquina térmica, como las turbinas Brayton, o alimentar reformadores para la producción masiva de H2 para su posterior uso en pilas combustible. El almacenamiento de productos derivados del petróleo no es ningún reto ni plantea problema alguno; y sin embargo este almacenamiento es la llave para resolver muchos problemas. Es posible que el comercio de petróleo se haga menos volátil debido a los efectos asociados al almacenamiento; pero lo que es seguro es que la eficiencia energética de los usos de ese petróleo será más elevada. La Tesis partía de ciertas amenazas sobre el futuro del petróleo, pero tras el análisis realizado se puede vislumbrar un futuro prometedor en la fusión de políticas medioambientales coercitivas y las nuevas tecnologías emergentes del actual portafolio de oportunidades técnicas. ABSTRACT This Thesis rises from the force and the credibility of a number of warning signs linked to policies aimed at reducing the role of petroleum in the energy industry due to economical, geopolitical and environmental drives. As such Thesis, it grew up based on aggregating new but essentials elements into the petroleum sector. This is the case of “enabling technologies” that have a direct impact on the petroleum industry (such as fracking), or an indirect but deep impact (such as the full electrical vehicle). The Thesis was defined and structured in such a way that could convey useful conclusions for energy corporations through a series of inquiries and treatises. In addition to this, the Thesis also aims at understating la evolution of the energy industry and its capabilities both technical and economical, towards delivering the services required by end users. Within the analytical task performed in the Thesis, new terms were coined. They depict concepts that aid at explaining the facts of the energy industry. This is the case for “Investment burden”, it weights the specific capital investment (€/W) required to build a facility with the time that takes to build it, as well as other tangible risks as those posed by regulation. In addition to this, the Thesis puts forward an application designed for reviewing and predicting: the so called “Market integrated energy efficiency”, especially well-suited for dichotomies, very appealing for the case of the thermal car versus the electric car. The aim is to optimize energy related activity; or even the overall productivity of the system. The innovations proposed in this Thesis can be classified in two tiers. Tier one, within the energy sector; and tier two, related to Energy Corporation in general, but with oil and gas corporations at heart. From a corporate level, the adaptation to new energy era will be linked with the corporation capability to develop or acquire those technologies that will yield to retaining or enhancing market share. The Thesis highlights three options for corporate evolution: - diversification within Energy - geographic displacement - profiting new technologies relevant to important niches of work for the future, as: o Upstream: enhanced oil recovery using renewable energy sources (for upstream companies in the petroleum business) o Downstream: additives for reducing combustion emissions o Management of Change: operational energy storage Some energy policies tend to follow the zero-growth of some OECD countries, but the real thing could be very different. For instance, and according to estimates the number of vehicles in use will grow from 1 billion to more than double this figure 2035; but oil production will only grow from 95 million barrel/day to 145 (a 50% rise of versus an intensification of over a 100%). Hydrocarbon Corporation can lose the monopoly they currently hold over the supply of energy to transportation. This lose can be mitigated through an enhanced used of their capabilities and a higher degree of integration in the world of energy, exploring for synergies in those places were gaps were present. Petroleum products can be used to feed any type of thermal machine, as Brayton turbines, or steam reformers to produce H2 to be exploited in fuel cells. Storing petroleum products does not present any problem, but very many problems can be solved with them. Petroleum trading will likely be less volatile because of the smoothing effects of distributed storage, and indeed the efficiency in petroleum consumption will be much higher. The Thesis kicked off with a menace on the future of petroleum. However, at the end of the analysis, a bright future can be foreseen in the merging between highly demanding environmental policies and the relevant technologies of the currently emerging technical portfolio.

Single-molecule protein folding: Diffusion fluorescence resonance energy transfer studies of the denaturation of chymotrypsin inhibitor 2

We report single-molecule folding studies of a small, single-domain protein, chymotrypsin inhibitor 2 (CI2). CI2 is an excellent model system for protein folding studies and has been extensively studied, both experimentally (at the ensemble level) and theoretically. Conformationally assisted ligation methodology was used to synthesize the proteins and site-specifically label them with donor and acceptor dyes. Folded and denatured subpopulations were observed by fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements on freely diffusing single protein molecules. Properties of these subpopulations were directly monitored as a function of guanidinium chloride concentration. It is shown that new information about different aspects of the protein folding reaction can be extracted from such subpopulation properties. Shifts in the mean transfer efficiencies are discussed, FRET efficiency distributions are translated into potentials, and denaturation curves are directly plotted from the areas of the FRET peaks. Changes in stability caused by mutation also are measured by comparing pseudo wild-type CI2 with a destabilized mutant (K17G). Current limitations and future possibilities and prospects for single-pair FRET protein folding investigations are discussed.

Spectral diffusion and the energy landscape of a protein

We present a novel type of spectral diffusion experiment in the millikelvin range to characterize the energy landscape of a protein as compared with that of a glass. We measure the time evolution of spectral holes for more than 300 hr after well-defined initial nonequilibrium conditions. We show that the model of noninteracting two-level systems can describe spectral diffusion in the glass, but fails for the protein. Our results further demonstrate that randomness in the energy landscape of a protein shows features of organization. There are “deep minimum” states separated by barriers, the heights of which we are able to estimate. The energy landscape of a glass is featureless by comparison.

Site-specific conformational determination in thermal unfolding studies of helical peptides using vibrational circular dichroism with isotopic substitution

Understanding the detailed mechanism of protein folding requires dynamic, site-specific stereochemical information. The short time response of vibrational spectroscopies allows evaluation of the distribution of populations in rapid equilibrium as the peptide unfolds. Spectral shifts associated with isotopic labels along with local stereochemical sensitivity of vibrational circular dichroism (VCD) allow determination of the segment sequence of unfolding. For a series of alanine-rich peptides that form α-helices in aqueous solution, we used isotopic labeling and VCD to demonstrate that the α-helix noncooperatively unwinds from the ends with increasing temperature. For these blocked peptides, the C-terminal is frayed at 5°C. Ab initio level theoretical simulations of the IR and VCD band shapes are used to analyze the spectra and to confirm the conformation of the labeled components. The VCD signals associated with the labeled residues are amplified by coupling to the nonlabeled parts of the molecule. Thus small labeled segments are detectable and stereochemically defined in moderately large peptides in this report of site-specific peptide VCD conformational analysis.

Intramolecular vibrational dephasing obeys a power law at intermediate times

Experimental intramolecular vibrational dephasing transients for several large organic molecules are reanalyzed. Fits to the experimental data, as well as full numerical quantum calculations with a factorized potential surface for all active degrees of freedom of fluorene indicate that power law decays, not exponentials, occur at intermediate times. The results support a proposal that power law decays describe vibrational dephasing dynamics in large molecules at intermediate times because of the local nature of energy flow.

Energy Sources for HCO3− and CO2 Transport in Air-Grown Cells of Synechococcus UTEX 6251

Light-dependent inorganic C (Ci) transport and accumulation in air-grown cells of Synechococcus UTEX 625 were examined with a mass spectrometer in the presence of inhibitors or artificial electron acceptors of photosynthesis in an attempt to drive CO2 or HCO3− uptake separately by the cyclic or linear electron transport chains. In the presence of 3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea, the cells were able to accumulate an intracellular Ci pool of 20 mm, even though CO2 fixation was completely inhibited, indicating that cyclic electron flow was involved in the Ci-concentrating mechanism. When 200 μm N,N-dimethyl-p-nitrosoaniline was used to drain electrons from ferredoxin, a similar Ci accumulation was observed, suggesting that linear electron flow could support the transport of Ci. When carbonic anhydrase was not present, initial CO2 uptake was greatly reduced and the extracellular [CO2] eventually increased to a level higher than equilibrium, strongly suggesting that CO2 transport was inhibited and that Ci accumulation was the result of active HCO3− transport. With 3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea-treated cells, Ci transport and accumulation were inhibited by inhibitors of CO2 transport, such as COS and Na2S, whereas Li+, an HCO3−-transport inhibitor, had little effect. In the presence of N,N-dimethyl-p-nitrosoaniline, Ci transport and accumulation were not inhibited by COS and Na2S but were inhibited by Li+. These results suggest that CO2 transport is supported by cyclic electron transport and that HCO3− transport is supported by linear electron transport.

Probing the interaction between two single molecules: fluorescence resonance energy transfer between a single donor and a single acceptor.

We extend the sensitivity of fluorescence resonance energy transfer (FRET) to the single molecule level by measuring energy transfer between a single donor fluorophore and a single acceptor fluorophore. Near-field scanning optical microscopy (NSOM) is used to obtain simultaneous dual color images and emission spectra from donor and acceptor fluorophores linked by a short DNA molecule. Photodestruction dynamics of the donor or acceptor are used to determine the presence and efficiency of energy transfer. The classical equations used to measure energy transfer on ensembles of fluorophores are modified for single-molecule measurements. In contrast to ensemble measurements, dynamic events on a molecular scale are observable in single pair FRET measurements because they are not canceled out by random averaging. Monitoring conformational changes, such as rotations and distance changes on a nanometer scale, within single biological macromolecules, may be possible with single pair FRET.

High resolution ultrastructural mapping of total calcium: electron spectroscopic imaging/electron energy loss spectroscopy analysis of a physically/chemically processed nerve-muscle preparation.

We report on a procedure for tissue preparation that combines thoroughly controlled physical and chemical treatments: quick-freezing and freeze-drying followed by fixation with OsO4 vapors and embedding by direct resin infiltration. Specimens of frog cutaneous pectoris muscle thus prepared were analyzed for total calcium using electron spectroscopic imaging/electron energy loss spectroscopy (ESI/EELS) approach. The preservation of the ultrastructure was excellent, with positive K/Na ratios revealed in the fibers by x-ray microanalysis. Clear, high-resolution EELS/ESI calcium signals were recorded from the lumen of terminal cisternae of the sarcoplasmic reticulum but not from longitudinal cisternae, as expected from previous studies carried out with different techniques. In many mitochondria, calcium was below detection whereas in others it was appreciable although at variable level. Within the motor nerve terminals, synaptic vesicles as well as some cisternae of the smooth endoplasmic reticulum yielded positive signals at variance with mitochondria, that were most often below detection. Taken as a whole, the present study reveals the potential of our experimental approach to map with high spatial resolution the total calcium within individual intracellular organelles identified by their established ultrastructure, but only where the element is present at high levels.