Emulación de instrumentos de sobremesa mediante Tarjetas de Adquisición de Datos

Este proyecto se ha enmarcado en la línea de desarrollo del Laboratorio Virtual de electrónica, desarrollado en la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación (EUITT), de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Con el Laboratorio Virtual los alumnos de la universidad, de cualquiera de las escuelas de ingeniería que la componen, pueden realizar prácticas de forma remota. Es decir, desde cualquier PC con el software adecuado instalado y a través de Internet, sin requerir su presencia en un laboratorio físico. La característica más destacable e importante de este Laboratorio Virtual es que las medidas que se realizan no son simulaciones sobre circuitos virtuales, sino medidas reales sobre circuitos reales: el alumno puede configurar una serie de interconexiones entre componentes electrónicos, formando el circuito que necesite, que posteriormente el Laboratorio Virtual se encargará de realizar físicamente, gracias al hardware y al software que conforman el sistema. Tras ello, el alumno puede excitar el circuito con señales provenientes de instrumental real de laboratorio y obtener medidas de la misma forma, en los puntos del circuito que indique. La necesidad principal a la que este Proyecto de Fin de Carrera da solución es la sustitución de los instrumentos de sobremesa por instrumentos emulados en base a Tarjetas de Adquisición de Datos (DAQ). Los instrumentos emulados son: un multímetro, un generador de señales y un osciloscopio. Además, existen otros objetivos derivados de lo anterior, como es el que los instrumentos emulados deben guardar una total compatibilidad con el resto del sistema del Laboratorio Virtual, o que el diseño ha de ser escalable y adaptable. Todo ello se ha implementado mediante: un software escrito en LabVIEW, que utiliza un lenguaje de programación gráfico; un hardware que ha sido primero diseñado y luego fabricado, controlado por el software; y una Tarjeta de Adquisición de Datos, que gracias a la escalabilidad del sistema puede sustituirse por otro modelo superior o incluso por varias de ellas. ABSTRACT. This project is framed in the development line of the electronics Virtual Laboratory, developed at Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación (EUITT), from Universidad Politécnica de Madrid (UPM). With the Virtual Laboratory, the university’s students, from any of its engineering schools that is composed of, can do practices remotely. Or in other words, from any PC with the correct software installed and through the Internet, without requiring his or her presence in a physical laboratory. The most remarkable and important characteristic this Virtual Laboratory has is that the measures the students does are not simulations over virtual circuits, but real measures over real circuits: the student can configure a series of interconnections between electronic parts, setting up the circuit he or she needs, and afterwards the Virtual Laboratory will realize that circuit physically, thanks to the hardware and software that compose the whole system. Then, the student can apply signals coming from real laboratory instruments and get measures in the same way, at the points of the circuit he or she points out. The main need this Degree Final Project gives solution is the substitution of the real instruments by emulated instruments, based on Data Acquisition systems (DAQ). The emulated instruments are: a digital multimeter, a signal generator and an oscilloscope. In addition, there is other objectives coming from the previously said, like the need of a total compatibility between the real instruments and the emulated ones and with the rest of the Virtual Laboratory, or that the design must be scalable and adaptive. All of that is implemented by: a software written in LabVIEW, which makes use of a graphical programming language; a hardware that was first designed and later manufactured, then controlled by software; and a Data Acquisition device, though thanks to the system’s scalability it can be substituted by a better model or even by several DAQs.

Circuito de disparo de lámparas flash para la iluminación de sistemas fotovoltaicos

La medición y testeo de células fotovoltaicas en el laboratorio o en la industria exige reproducir unas condiciones de iluminación semejantes a las reales. Por eso se utilizan sistemas de iluminación basados en lámparas flash de Xenon que reproducen las condiciones reales en cuanto a nivel de irradiancia y espectro de la luz incidente. El objetivo de este proyecto es realizar los circuitos electrónicos necesarios para el disparo de dichas lámparas. El circuito de alimentación y disparo de una lámpara flash consta de una fuente de alimentación variable, un circuito de disparo para la ionización del gas Xenon y la electrónica de control. Nuestro circuito de disparo pretende producir pulsos adecuados para los dispositivos fotovoltaicos tanto en irradiancia, espectro y en duración, de forma que con un solo disparo consigamos el tiempo, la irradiancia y el espectro suficiente para el testeo de la célula fotovoltaica. La mayoría de estos circuitos exceptuando los específicos que necesita la lámpara, serán diseñados, simulados, montados en PCB y comprobados posteriormente en el laboratorio. ABSTRACT. Measurement and testing of photovoltaic cells in the laboratory or in industry requires reproduce lighting conditions similar to the real ones. So are used based lighting systems xenon flash lamps that reproduce the actual conditions in the level of irradiance and spectrum of the incident light. The objective of this project is to make electronic circuits required for such lamps shot. The power supply circuit and flash lamp shot consists of a variable power supply, a trigger circuit for Xenon gas ionization and the control electronics. Our shot circuit aims to produce pulses suitable for photovoltaic devices both irradiance, spectrum and duration, so that with a single shot get the time, the irradiance and spectrum enough for testing the photovoltaic cell. Most of these circuits except lamp specific requirements will be designed, simulated, and PCB mounted subsequently tested in the laboratory.

Sistema para cambiar la geometría de un motor

En este proyecto se desarrolla un sistema electrónico para variar la geometría de un motor de un monoplaza que participa en la competición Fórmula SAE. Fórmula SAE es una competición de diseño de monoplazas para estudiantes, organizado por “Society of Automotive Enginners” (SAE). Este concurso busca la innovación tecnológica de la automoción, así como que estudiantes participen en un trabajo real, en el cual el objetivo es obtener resultados competitivos cumpliendo con una serie de requisitos. La variación de la geometría de un motor en un vehículo permite mejorar el rendimiento del monoplaza consiguiendo elevar el par de potencia del motor. Cualquier mejora en del vehículo en un ámbito de competición puede resultar determinante en el desenlace de la misma. El objetivo del proyecto es realizar esta variación mediante el control de la longitud de los tubos de admisión de aire o “runners” del motor de combustión, empleando un motor lineal paso a paso. A partir de la información obtenida por sensores de revoluciones del motor de combustión y la posición del acelerador se debe controlar la distancia de dichos tubos. Integrando este sistema en el bus CAN del vehículo para que comparta la información medida al resto de módulos. Por todo esto se realiza un estudio aclarando los aspectos generales del objetivo del trabajo, para la comprensión del proyecto a realizar, las posibilidades de realización y adquisición de conocimientos para un mejor desarrollo. Se presenta una solución basada en el control del motor lineal paso a paso mediante el microcontrolador PIC32MX795F512-L. Dispositivo del fabricante Microchip con una arquitectura de 32 bits. Este dispone de un módulo CAN integrado y distintos periféricos que se emplean en la medición de los sensores y actuación sobre el motor paso a paso empleando el driver de Texas Instruments DRV8805. Entonces el trabajo se realiza en dos líneas, una parte software de programación del control del sistema, empleando el software de Microchip MPLABX IDE y otra parte hardware de diseño de una PCB y circuitos acondicionadores para la conexión del microcontrolador, con los sensores, driver, motor paso a paso y bus CAN. El software empleado para la realización de la PCB es Orcad9.2/Layout. Para la evaluación de las medidas obtenidas por los sensores y la comprobación del bus CAN se emplea el kit de desarrollo de Microchip, MCP2515 CAN Bus Monitor Demo Board, que permite ver la información en el bus CAN e introducir tramas al mismo. ABSTRACT. This project develops an electronic system to vary the geometry of a car engine which runs the Formula SAE competition. Formula SAE is a design car competition for students, organized by "Society of Automotive Engineers" (SAE). This competition seeks technological innovation in the automotive industry and brings in students to participate in a real job, in which the objective is to obtain competitive results in compliance with certain requirements. Varying engine’s geometry in a vehicle improves car’s performance raising engine output torque. Any improvement in the vehicle in a competition field can be decisive in the outcome of it. The goal of the project is the variation by controlling the length of the air intake pipe or "runners" in a combustion engine, using a linear motor step. For these, uses the information gathered by speed sensors from the combustion engine and by the throttle position to control the distance of these tubes. This system is integrated in the vehicle CAN bus to share the information with the other modules. For all this is made a study to clarify the general aspects of the project in order to understand the activities developed inside the project, the different options available and also, to acquire knowledge for a better development of the project. The solution is based on linear stepper motor control by the microcontroller PIC32MX795F512-L. Device from manufacturer Microchip with a 32-bit architecture. This module has an integrated CAN various peripherals that are used in measuring the performance of the sensors and drives the stepper motor using Texas Instruments DRV8805 driver. Then the work is done in two lines, first, control programming software system using software MPLABX Microchip IDE and, second, hardware design of a PCB and conditioning circuits for connecting the microcontroller, with sensors, driver stepper motor and CAN bus. The software used to carry out the PCB is Orcad9.2/Layout. For the evaluation of the measurements obtained by the sensors and CAN bus checking is used Microchip development kit, MCP2515 CAN Bus Monitor Demo Board, that allows you to see the information on the CAN bus and enter new frames in the bus.

Modelo de simulación para la liberación de neurotransmisores en la sinapsis.

La utilización de simulaciones por ordenador en el campo de la neurociencia, ofrece una mejora radical en el método científico al proporcionar un medio en el que poder probar hipótesis sobre los complejos modelos biológicos. Hay que tener en cuenta que la calidad de las simulaciones es directamente proporcional a la calidad de los datos y a la exactitud en la abstracción matemática de los procesos biológicos. Las sinapsis son los contactos que permiten el intercambio de información entre neuronas. A través de ellas, las neuronas son capaces de formar circuitos que intervienen en las operaciones funcionales específicas de las distintas regiones del cerebro. Por tanto, puede considerarse a la sinapasis como la estructura elemental y la unidad funcional en la construcción de circuitos neuronales. La inmensa mayoría de las sinapsis del cerebro de los vertebrados son sinapsis químicas. En ellas el elemento presináptico es generalmente un terminal axónico, mientras que el elemento postsináptico puede ser un cuerpo neuronal, el segmento inicial del axón, un tronco dendrítico o una espina dendrítica. Las membranas de los elementos pre y postsináptico no entran en contacto, sino que están separadas por un pequeño espacio denominado hendidura sináptica. En una sinapsis química, el elemento presináptico libera una sustancia química, el neurotransmisor, que difunde por la hendidura sináptica y actúa sobre el elemento postsináptico. Desde un punto de vista operacional, una sinapsis convierte un impulso eléctrico que alcanza el elemento presináptico en una señal química, que a su vez provoca un fenómeno eléctrico en el lado postsináptico. Para que esto ocurra, el neurotransmisor liberado debe difundir por la hendidura sináptica e interactuar con receptores específicos presentes en la membrana postsináptica. Dependiendo del tipo de neurotransmisor utilizado y de los receptores implicados la sinapsis podrá ser excitatoria, si se estimula el elemento postsináptico, o inhibitoria si ocurre lo contrario.La transmisión sináptica ocurre a escala submicroscópica, lo que la hace inaccesible a la observación experimental directa. Sin embargo, tanto la difusión del neurotransmisor como su interacción con los receptores sinápticos pueden simularse dado que dependen de parámetros fisico-químicos conocidos. En este trabajo hemos elegido como objeto de estudio una sinapsis glutamatérgica (que usa glutamato como neurotransmisor excitatorio) debido a que es la sinapsis más común en la corteza cerebral. Si bien se conocen las propiedades de los diferentes tipos de receptores de glutamato, se desconoce la influencia que pueda tener en el comportamiento de la sinapsis la geometría de ésta, es decir, su forma y tamaño. Sabemos por estudios de microscopía electrónica que tanto la forma como el tamaño de las sinapsis son muy variables, y es precisamente esta variabilidad la que pretendemos simular, junto con otros parámetros como el número de receptores de neurotransmisor.

Inference Models in DNA Computing

La computación molecular es una disciplina que se ocupa del diseño e implementación de dispositivos para el procesamiento de información sobre un sustrato biológico, como el ácido desoxirribonucleico (ADN), el ácido ribonucleico (ARN) o las proteínas. Desde que Watson y Crick descubrieron en los años cincuenta la estructura molecular del ADN en forma de doble hélice, se desencadenaron otros descubrimientos, como las enzimas de restricción o la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), contribuyendo de manera determinante a la irrupción de la tecnología del ADN recombinante. Gracias a esta tecnología y al descenso vertiginoso de los precios de secuenciación y síntesis del ADN, la computación biomolecular pudo abandonar su concepción puramente teórica. El trabajo presentado por Adleman (1994) logró resolver un problema de computación NP-completo (El Problema del Camino de Hamilton dirigido) utilizando únicamente moléculas de ADN. La gran capacidad de procesamiento en paralelo ofrecida por las técnicas del ADN recombinante permitió a Adleman ser capaz de resolver dicho problema en tiempo polinómico, aunque a costa de un consumo exponencial de moléculas de ADN. Utilizando algoritmos de fuerza bruta similares al utilizado por Adleman se logró resolver otros problemas NP-completos, como por ejemplo el de Satisfacibilidad de Fórmulas Lógicas / SAT (Lipton, 1995). Pronto se comprendió que la computación biomolecular no podía competir en velocidad ni precisión con los ordenadores de silicio, por lo que su enfoque y objetivos se centraron en la resolución de problemas con aplicación biomédica (Simmel, 2007), dejando de lado la resolución de problemas clásicos de computación. Desde entonces se han propuesto diversos modelos de dispositivos biomoleculares que, de forma autónoma (sin necesidad de un bio-ingeniero realizando operaciones de laboratorio), son capaces de procesar como entrada un sustrato biológico y proporcionar una salida también en formato biológico: procesadores que aprovechan la extensión de la polimerasa (Hagiya et al., 1997), autómatas que funcionan con enzimas de restricción (Benenson et al., 2001) o con deoxiribozimas (Stojanovic et al., 2002), o circuitos de hibridación competitiva (Yurke et al., 2000). Esta tesis presenta un conjunto de modelos de dispositivos de ácidos nucleicos capaces de implementar diversas operaciones de computación lógica aprovechando técnicas de computación biomolecular (hibridación competitiva del ADN y reacciones enzimáticas) con aplicaciones en diagnóstico genético. El primer conjunto de modelos, presentados en el Capítulo 5 y publicados en Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2012b), Rodríguez-Patón et al. (2010a) y Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2010), define un tipo de biosensor que usa hebras simples de ADN para codificar reglas sencillas, como por ejemplo "SI hebra-ADN-1 Y hebra-ADN-2 presentes, ENTONCES enfermedad-B". Estas reglas interactúan con señales de entrada (ADN o ARN de cualquier tipo) para producir una señal de salida (también en forma de ácido nucleico). Dicha señal de salida representa un diagnóstico, que puede medirse mediante partículas fluorescentes técnicas FRET) o incluso ser un tratamiento administrado en respuesta a un conjunto de síntomas. El modelo presentado en el Capítulo 5, publicado en Rodríguez-Patón et al. (2011), es capaz de ejecutar cadenas de resolución sobre fórmulas lógicas en forma normal conjuntiva. Cada cláusula de una fórmula se codifica en una molécula de ADN. Cada proposición p se codifica asignándole una hebra simple de ADN, y la correspondiente hebra complementaria a la proposición ¬p. Las cláusulas se codifican incluyendo distintas proposiciones en la misma hebra de ADN. El modelo permite ejecutar programas lógicos de cláusulas Horn aplicando múltiples iteraciones de resolución en cascada, con el fin de implementar la función de un nanodispositivo autónomo programable. Esta técnica también puede emplearse para resolver SAP sin ayuda externa. El modelo presentado en el Capítulo 6 se ha publicado en publicado en Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2012c), y el modelo presentado en el Capítulo 7 se ha publicado en (Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón, 2013c). Aunque explotan métodos de computación biomolecular diferentes (hibridación competitiva de ADN en el Capítulo 6 frente a reacciones enzimáticas en el 7), ambos modelos son capaces de realizar inferencia Bayesiana. Funcionan tomando hebras simples de ADN como entrada, representando la presencia o la ausencia de un indicador molecular concreto (una evidencia). La probabilidad a priori de una enfermedad, así como la probabilidad condicionada de una señal (o síntoma) dada la enfermedad representan la base de conocimiento, y se codifican combinando distintas moléculas de ADN y sus concentraciones relativas. Cuando las moléculas de entrada interaccionan con las de la base de conocimiento, se liberan dos clases de hebras de ADN, cuya proporción relativa representa la aplicación del teorema de Bayes: la probabilidad condicionada de la enfermedad dada la señal (o síntoma). Todos estos dispositivos pueden verse como elementos básicos que, combinados modularmente, permiten la implementación de sistemas in vitro a partir de sensores de ADN, capaces de percibir y procesar señales biológicas. Este tipo de autómatas tienen en la actualidad una gran potencial, además de una gran repercusión científica. Un perfecto ejemplo fue la publicación de (Xie et al., 2011) en Science, presentando un autómata biomolecular de diagnóstico capaz de activar selectivamente el proceso de apoptosis en células cancerígenas sin afectar a células sanas.

Documentación de estudio para sistemas audiovisuales

Este proyecto es una documentación sintetizada, para los alumnos de Grado en Imagen y Sonido, de todos los conceptos que conciernen a la asignatura Sistemas Audiovisuales. No obstante puede servir para todo aquel al que le interese la materia, sin ser necesariamente estudiante. El material se basa en la recopilación de libros de diversos autores, páginas web y catálogos de productos de empresas del sector audiovisual. Se intenta con esto incentivar en el auto-aprendizaje, proporcionando multitud de fuentes de información. El documento se ha dividido en dos bloques temáticos correspondientes a los temas: 1- Dispositivos de captación y reproducción de sonido e imagen. 2- Señales y formatos de audio y vídeo. Aunque no es tema de este proyecto pero si de la asignatura hay que nombrar el tercer bloque temático, Introducción a los sistemas de transmisión de audio y vídeo. Dado que hay suficiente documentación de estudio sobre éste se ha optado por no incluirlo. Cada bloque temático a su vez contiene cuatro unidades didácticas. Cada unidad se ha desarrollado de manera independiente a las demás, es decir, que cada unidad puede ser estudiada sin necesidad de recurrir a otras unidades para comprender la/s que interesa/n. Por otro lado hay que remarcar que todos los capítulos tienen relación entre sí. La documentación se complementa al final de cada unidad didáctica con un test de evaluación que a su vez ha sido publicado dentro del entorno de Moodle en la página correspondiente a la asignatura. Para ello se ha accedido a esta plataforma on line con el rol de editor de contenido. Para la elaboración de los cuestionarios se han tomado los conceptos clave de cada unidad didáctica, de esta manera los alumnos pueden saber si han comprendido lo que se explica en la documentación y mejorar así sus conocimientos. Para la redacción y estructuración de cada unidad didáctica, así como el documento en general, se ha cogido como referencia la Taxonomía de objetivos de la Educación o Taxonomía de Bloom. Dado que el dominio cognitivo del lector se encuadra dentro del ‘nivel de comprensión’, el documento no resulta tedioso en su estudio. No obstante introduce al alumno en los temas más importantes de la materia, proporcionando una base sólida de conocimiento en sistemas audiovisuales. Es precisamente el interés en hacer lo más accesible posible este documento lo que ha dificultado su elaboración, ya que el área de estudio es muy extensa y es difícil sintetizar sin eliminar contenido importante. No obstante para hacer más fiable el documento se ha seguido las pautas temáticas y argumentales marcadas por el Departamento Ingeniería Audiovisual y Comunicaciones de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicaciones de la Universidad Politécnica de Madrid verificando cada uno de los capítulos con los profesores de este departamento. Al tratarse de un proyecto con fines académicos, el texto se ha apoyado por figuras, esquemas, tablas, anexos y desarrollo de ecuaciones para hacer más comprensible lo que se expone. Algunos de estas informaciones se incluyen en inglés y no se ha creído conveniente su traducción dado que gran parte de la información que encontrará el alumno a lo largo de la carrera vendrá escrita en este idioma. Por último hay que decir al lector que es conveniente, pero no necesario, tener ciertas nociones de cálculo, álgebra, ondas y circuitos para seguir con fluidez lo que a continuación se expone. ABSTRACT. This project concerns all the concepts and topics of the subject Audiovisual Systems. It has been created for students of Sound and Image Degree, however everyone who's interested in this subject could use it even if isn’t a student. The document is divided into two main thematic sections corresponding to the topics: 1- Catchment and reproduction devices of sound and image. 2- Audio and video signals and formats. Even if this subject it isn’t mention in this project, it’s very important to quote a third important thematic of this block , such as Introduction about Transmission of Audio and Video System. Since there is enough study-documentation about this topic, it has been taken the choice to don’t integrate this chapter in this project. Every thematic block in this project is divided in chapters that have been developed in an independent way: that’s means that for each unit it is not necessary to look forward to other chapters in this project On the other hand it is necessary to emphasize that all the chapters are related one to each other. Every didactic unit and chapter ends with an evaluation test , that has been published with Moodle System using a content editor account. Those exercises will help in a easy way the student to improve his skills and his own ability. Collection of books of various authors, websites and product catalogs of audiovisual companies are used in this document and are included for stimulate the curiosity of the student. The key concepts of each unit have been used for making tests, so in this way students could be able to know if they have understood what the documentation explains and improve his skills. For writing and building each didactic unit, such as in the general document, it has been taken reference from Bloom’s Taxonomy. Since the skills and competence of the student are concentrated in the ‘comprehension level’, it will not be very complicated or hard to study. In spite of everything, all of thematic treated and discussed in documentation gives a solid knowledge of topic about audiovisual systems. The most difficult thing of realizing this document it was to take very complex topic and try to explain them as simply as possible In spite of everything for making this document as much accurated as possible it has been taken as point of reference rules established by the Department of Audiovisual Engineering & Communications of University School of Telecommunications Engineering (EUITT-UPM). This Project reach academic goal, for this reason in this document images, tables, annexes and outlines are enclosed in this document for an easier compression. At last, it’s necessary to say that each lector must have necessary a basic knowledge about arithmetic, calculus, waves and electronic circuits in the order that he could follow in a fluently way what the documentation set out.

Dispositivos basados en el efecto Hall. Parte I

Se presenta aquí un elemento pasivo, de reciente desarrollo, el generador Hall. Este elemento de pequeñísimo tamaño, se basa en un efecto descubierto en 1789 por Hall. En primer lugar, se estudia el efecto, que tiene lugar en los metales, en los semiconductores e incluso en los gases ionizados. El coeficiente de Hall Rh o bien la sensitividad K0 representan en cierto modo la, capacidad de funcionamiento del generador, y por esto resulta muy interesante profundizar un poco en ello y ver qué factores influyen sobre los valores de aquellos parámetros. Se citan algunas de las muchas propiedades de aplicación del elemento. Para terminar esta primera parte, dedicada al efecto en los semiconductores, presentamos un circuito equivalente, cuyo margen de validez vendrá en cada caso determinado por los valores máximos establecidos por el fabricante. Por último, se expone el principio del multiplicador, y sobre un multiplicador comercial se tratan de explicar algunos resultados del mismo que parecen pobres, dada la posibilidad teórica de la cápsula en sí. Aunque comprendemos que gran parte de los inconvenientes provienen de los mismos circuitos, como no conocemos éstos,nos ceñimos más bien a los errores que provienen de la propia cápsula. Parece más honrado y quizás añada algo de luz sobre el conocimiento del elemento considerado

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

Multimedia informático

Desde luego que son muchos y muy variados, puesto que también lo son los aspectos que dicha tecnología debe cubrir. Para no olvidar ninguno vamos a seguir en nuestra exposición el mismo camino que seguiría una señal que evolucionase a través de un sistema multimedia. Este camino se soporta sobre dispositivos semiconductores, tales como procesadores digitales de señal, controladores gráficos y otros circuitos especializados

Agustín de Betancourt, 200 años después

Para los ingenieros, Betancourt es un arquetipo en cuanto a virtudes personales y actitud profesional. En cuanto a las primeras es admirable el equilibrio mostrado a lo largo de toda su vida entre el trabajo en taller, la cultura artística y la curiosidad científica. Esta última especialmente basada en la observación de todo lo nuevo que llegaba a su conocimiento y alcance pero también en el estudio continuo de la ciencia básica, es decir: "observación y cálculo", como ordena la divisa de la Academia de Ciencias. Respecto a la actitud profesional impresionan su audacia y su capacidad de creación de equipos de trabajo. La audacia se refleja en su capacidad de acción sin complejos, a nivel nacional e internacional, que le permite la adquisición de conocimientos y la incorporación a los circuitos técnicos y científicos internacionales, pero también contribuye a su capacidad de convicción cuando trata con autoridades, promotores, científicos e ingenieros. Esas virtudes han sido transmitidas a través de las tremendas vicisitudes del siglo XIX español, aunque en algunos temas, como la participación con publicaciones e invenciones en el esfuerzo científico y técnico mundial, la ingeniería española moderna no haya estado siempre a la altura de nuestro personaje.

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.

Laboratorio remoto eLab3D: un entorno innovador para el aprendizaje de competencias prácticas en electrónica

Este artículo muestra la utilización de las nuevas tecnologías al servicio del aprendizaje de competencias prácticas en electrónica, siendo un ejemplo de adaptación de los recursos educativos a diferentes contextos y necesidades. Se trata de un laboratorio remoto en el que la adecuada complementación de un hardware configurable y un software de última generación permite al estudiante realizar prácticas de electrónica y diseño de circuitos en un mundo virtual 3D. El usuario dispone de un avatar e interacciona con réplicas virtuales de instrumentos, placas de circuitos, componentes o cables de forma muy similar a como se opera en un laboratorio presencial. Pero lo realmente destacable es que el usuario manipula instrumentación y circuitos que están ubicados en un laboratorio real. Todo ello se ha conseguido con un sistema escalable y de bajo coste. Finalizado el diseño y desarrollo de la plataforma se han realizado las primeras pruebas con estudiantes, profesores y profesionales para valorar su percepción respecto al uso de eLab3D, obteniéndose unos resultados muy positivos.

Enhancing iDynoMiCS framework with a plasmid conjugation module

Actualmente existen aplicaciones que permiten simular el comportamiento de bacterias en distintos hábitats y los procesos que ocurren en estos para facilitar su estudio y experimentación sin la necesidad de un laboratorio. Una de las aplicaciones de software libre para la simulación de poblaciones bacteriológicas mas usada es iDynoMiCS (individual-based Dynamics of Microbial Communities Simulator), un simulador basado en agentes que permite trabajar con varios modelos computacionales de bacterias en 2D y 3D. Este simulador permite una gran libertad al configurar una numerosa cantidad de variables con respecto al entorno, reacciones químicas y otros detalles importantes. Una característica importante es el poder simular de manera sencilla la conjugación de plásmidos entre bacterias. Los plásmidos son moléculas de ADN diferentes del cromosoma celular, generalmente circularles, que se replican, transcriben y conjugan independientemente del ADN cromosómico. Estas están presentes normalmente en bacterias procariotas, y en algunas ocasiones en eucariotas, sin embargo, en este tipo de células son llamados episomas. Dado el complejo comportamiento de los plásmidos y la gama de posibilidades que estos presentan como mecanismos externos al funcionamiento básico de la célula, en la mayoría de los casos confiriéndole distintas ventajas evolutivas, como por ejemplo: resistencia antibiótica, entre otros, resulta importante su estudio y subsecuente manipulación. Sin embargo, el marco operativo del iDynoMiCS, en cuanto a simulación de plásmidos se refiere, es demasiado sencillo y no permite realizar operaciones más complejas que el análisis de la propagación de un plásmido en la comunidad. El presente trabajo surge para resolver esta deficiencia de iDynomics. Aquí se analizarán, desarrollarán e implementarán las modificaciones necesarias para que iDynomics pueda simular satisfactoriamente y mas apegado a la realidad la conjugación de plásmidos y permita así mismo resolver distintas operaciones lógicas, como lo son los circuitos genéticos, basadas en plásmidos. También se analizarán los resultados obtenidos de acuerdo a distintos estudios relevantes y a la comparación de los resultados obtenidos con el código original de iDynomics. Adicionalmente se analizará un estudio comparando la eficiencia de detección de una sustancia mediante dos circuitos genéticos distintos. Asimismo el presente trabajo puede tener interés para el grupo LIA de la Facultad de Informática de la Universidad Politécnica de Madrid, el cual está participando en el proyecto europeo BACTOCOM que se centra en el estudio de la conjugación de plásmidos y circuitos genéticos. --ABSTRACT--Currently there are applications that simulate the behavior of bacteria in different habitats and the ongoing processes inside them to facilitate their study and experimentation without the need for an actual laboratory. One of the most used open source applications to simulate bacterial populations is iDynoMiCS (individual-based Dynamics of Microbial Communities Simulator), an agent-based simulator that allows working with several computer models of 2D and 3D bacteria in biofilms. This simulator allows great freedom by means of a large number of configurable variables regarding environment, chemical reactions and other important details of the simulation. Within these characteristics there exists a very basic framework to simulate plasmid conjugation. Plasmids are DNA molecules physically different from the cell’s chromosome, commonly found as small circular, double-stranded DNA molecules that are replicated, conjugated and transcribed independently of chromosomal DNA. These bacteria are normally present in prokaryotes and sometimes in eukaryotes, which in this case these cells are called episomes. Plasmids are external mechanisms to the cells basic operations, and as such, in the majority of the cases, confer to the host cell various evolutionary advantages, like antibiotic resistance for example. It is mperative to further study plasmids and the possibilities they present. However, the operational framework of the iDynoMiCS plasmid simulation is too simple, and does not allow more complex operations that the analysis of the spread of a plasmid in the community. This project was conceived to resolve this particular deficiency in iDynomics, moreover, in this paper is discussed, developed and implemented the necessary changes to iDynomics simulation software so it can satisfactorily and realistically simulate plasmid conjugation, and allow the possibility to solve various ogic operations, such as plasmid-based genetic circuits. Moreover the results obtained will be analyzed and compared with other relevant studies and with those obtained with the original iDynomics code. Conjointly, an additional study detailing the sensing of a substance with two different genetic circuits will be presented. This work may also be relevant to the LIA group of the Faculty of Informatics of the Polytechnic University of Madrid, which is participating in the European project BACTOCOM that focuses on the study of the of plasmid conjugation and genetic circuits.

Nuevas arquitecturas de transpondedores de microondas = New transponder architectures at microwave frequencies = Nouvelles architectures des transpondeurs d’hyperfréquences

En la última década, los sistemas de telecomunicación de alta frecuencia han evolucionado tremendamente. Las bandas de frecuencias, los anchos de banda del usuario, las técnicas de modulación y otras características eléctricas están en constante cambio de acuerdo a la evolución de la tecnología y la aparición de nuevas aplicaciones. Las arquitecturas de los transceptores modernos son diferentes de las tradicionales. Muchas de las funciones convencionalmente realizadas por circuitos analógicos han sido asignadas gradualmente a procesadores digitales de señal, de esta manera, las fronteras entre la banda base y las funcionalidades de RF se difuminan. Además, los transceptores inalámbricos digitales modernos son capaces de soportar protocolos de datos de alta velocidad, por lo que emplean una elevada escala de integración para muchos de los subsistemas que componen las diferentes etapas. Uno de los objetivos de este trabajo de investigación es realizar un estudio de las nuevas configuraciones en el desarrollo de demostradores de radiofrecuencia (un receptor y un transmisor) y transpondedores para fines de comunicaciones y militares, respectivamente. Algunos trabajos se han llevado a cabo en el marco del proyecto TECRAIL, donde se ha implementado un demostrador de la capa física LTE para evaluar la viabilidad del estándar LTE en el entorno ferroviario. En el ámbito militar y asociado al proyecto de calibración de radares (CALRADAR), se ha efectuado una actividad importante en el campo de la calibración de radares balísticos Doppler donde se ha analizado cuidadosamente su precisión y se ha desarrollado la unidad generadora de Doppler de un patrón electrónico para la calibración de estos radares. Dicha unidad Doppler es la responsable de la elevada resolución en frecuencia del generador de “blancos” radar construido. Por otro lado, se ha elaborado un análisis completo de las incertidumbres del sistema para optimizar el proceso de calibración. En una segunda fase se han propuesto soluciones en el desarrollo de dispositivos electro-ópticos para aplicaciones de comunicaciones. Estos dispositivos son considerados, debido a sus ventajas, tecnologías de soporte para futuros dispositivos y subsistemas de RF/microondas. Algunas demandas de radio definida por software podrían cubrirse aplicando nuevos conceptos de circuitos sintonizables mediante parámetros programables de un modo dinámico. También se ha realizado una contribución relacionada con el diseño de filtros paso banda con topología “Hairpin”, los cuales son compactos y se pueden integrar fácilmente en circuitos de microondas en una amplia gama de aplicaciones destinadas a las comunicaciones y a los sistemas militares. Como importante aportación final, se ha presentado una propuesta para ecualizar y mejorar las transmisiones de señales discretas de temporización entre los TRMs y otras unidades de procesamiento, en el satélite de última generación SEOSAR/PAZ. Tras un análisis exhaustivo, se ha obtenido la configuración óptima de los buses de transmisión de datos de alta velocidad basadas en una red de transceptores. ABSTRACT In the last decade, high-frequency telecommunications systems have extremely evolved. Frequency bands, user bandwidths, modulation techniques and other electrical characteristics of these systems are constantly changing following to the evolution of technology and the emergence of new applications. The architectures of modern transceivers are different from the traditional ones. Many of the functions conventionally performed by analog circuitry have gradually been assigned to digital signal processors. In this way, boundaries between baseband and RF functionalities are diffused. The design of modern digital wireless transceivers are capable of supporting high-speed data protocols. Therefore, a high integration scale is required for many of the components in the block chain. One of the goals of this research work is to investigate new configurations in the development of RF demonstrators (a receiver and a transmitter) and transponders for communications and military purposes, respectively. A LTE physical layer demonstrator has been implemented to assess the viability of LTE in railway scenario under the framework of the TECRAIL project. An important activity, related to the CALRADAR project, for the calibration of Doppler radars with extremely high precision has been performed. The contribution is the Doppler unit of the radar target generator developed that reveals a high frequency resolution. In order to assure the accuracy of radar calibration process, a complete analysis of the uncertainty in the above mentioned procedure has been carried out. Another important research topic has been the development of photonic devices that are considered enabling technologies for future RF and microwave devices and subsystems. Some Software Defined Radio demands are addressed by the proposed novel circuit concepts based on photonically tunable elements with dynamically programmable parameters. A small contribution has been made in the field of Hairpin-line bandpass filters. These filters are compact and can also be easily integrated into microwave circuits finding a wide range of applications in communication and military systems. In this research field, the contributions made have been the improvements in the design and the simulations of wideband filters. Finally, an important proposal to balance and enhance transmissions of discrete timing signals between TRMs and other processing units into the state of the art SEOSAR/PAZ Satellite has been carried out obtaining the optimal configuration of the high-speed data transmission buses based on a transceiver network. RÉSUMÉ Les systèmes d'hyperfréquence dédiés aux télécommunications ont beaucoup évolué dans la dernière décennie. Les bandes de fréquences, les bandes passantes par utilisateur, les techniques de modulation et d'autres caractéristiques électriques sont en constant changement en fonction de l'évolution des technologies et l'émergence de nouvelles applications. Les architectures modernes des transcepteurs sont différentes des traditionnelles. Un grand nombre d’opérations normalement effectuées par les circuits analogiques a été progressivement alloué à des processeurs de signaux numériques. Ainsi, les frontières entre la bande de base et la fonctionnalité RF sont floues. Les transcepteurs sans fils numériques modernes sont capables de transférer des données à haute vitesse selon les différents protocoles de communication utilisés. C'est pour cette raison qu’un niveau élevé d'intégration est nécessaire pour un grand nombre de composants qui constitue les différentes étapes des systèmes. L'un des objectifs de cette recherche est d'étudier les nouvelles configurations dans le développement des démonstrateurs RF (récepteur et émetteur) et des transpondeurs à des fins militaire et de communication. Certains travaux ont été réalisés dans le cadre du projet TECRAIL, où un démonstrateur de la couche physique LTE a été mis en place pour évaluer la faisabilité de la norme LTE dans l'environnement ferroviaire. Une contribution importante, liée au projet CALRADAR, est proposée dans le domaine des systèmes d’étalonnage de radar Doppler de haute précision. Cette contribution est le module Doppler de génération d’hyperfréquence intégré dans le système électronique de génération de cibles radar virtuelles que présente une résolution de fréquence très élevée. Une analyse complète de l'incertitude dans l'étalonnage des radars Doppler a été effectuée, afin d'assurer la précision du calibrage. La conception et la mise en oeuvre de quelques dispositifs photoniques sont un autre sujet important du travail de recherche présenté dans cette thèse. De tels dispositifs sont considérés comme étant des technologies habilitantes clés pour les futurs dispositifs et sous-systèmes RF et micro-ondes grâce à leurs avantages. Certaines demandes de radio définies par logiciel pourraient être supportées par nouveaux concepts de circuits basés sur des éléments dynamiquement programmables en utilisant des paramètres ajustables. Une petite contribution a été apportée pour améliorer la conception et les simulations des filtres passe-bande Hairpin à large bande. Ces filtres sont compacts et peuvent également être intégrés dans des circuits à micro-ondes compatibles avec un large éventail d'applications dans les systèmes militaires et de communication. Finalement, une proposition a été effectuée visant à équilibrer et améliorer la transmission des signaux discrets de synchronisation entre les TRMs et d'autres unités de traitement dans le satellite SEOSAR/PAZ de dernière génération et permettant l’obtention de la configuration optimale des bus de transmission de données à grande vitesse basés sur un réseau de transcepteurs.

Análisis y diseño de multiplicadores y mezcladores mediante el método de Monte Carlo en la banda de THz = Analysis and design of multipliers and mixers via Monte Carlo modelling at THz bands

La región del espectro electromagnético comprendida entre 100 GHz y 10 THz alberga una gran variedad de aplicaciones en campos tan dispares como la radioastronomía, espectroscopíamolecular, medicina, seguridad, radar, etc. Los principales inconvenientes en el desarrollo de estas aplicaciones son los altos costes de producción de los sistemas trabajando a estas frecuencias, su costoso mantenimiento, gran volumen y baja fiabilidad. Entre las diferentes tecnologías a frecuencias de THz, la tecnología de los diodos Schottky juega un importante papel debido a su madurez y a la sencillez de estos dispositivos. Además, los diodos Schottky pueden operar tanto a temperatura ambiente como a temperaturas criogénicas, con altas eficiencias cuando se usan como multiplicadores y con moderadas temperaturas de ruido en mezcladores. El principal objetivo de esta tesis doctoral es analizar los fenómenos físicos responsables de las características eléctricas y del ruido en los diodos Schottky, así como analizar y diseñar circuitos multiplicadores y mezcladores en bandas milimétricas y submilimétricas. La primera parte de la tesis presenta un análisis de los fenómenos físicos que limitan el comportamiento de los diodos Schottky de GaAs y GaN y de las características del espectro de ruido de estos dispositivos. Para llevar a cabo este análisis, un modelo del diodo basado en la técnica de Monte Carlo se ha considerado como referencia debido a la elevada precisión y fiabilidad de este modelo. Además, el modelo de Monte Carlo permite calcular directamente el espectro de ruido de los diodos sin necesidad de utilizar ningún modelo analítico o empírico. Se han analizado fenómenos físicos como saturación de la velocidad, inercia de los portadores, dependencia de la movilidad electrónica con la longitud de la epicapa, resonancias del plasma y efectos no locales y no estacionarios. También se ha presentado un completo análisis del espectro de ruido para diodos Schottky de GaAs y GaN operando tanto en condiciones estáticas como variables con el tiempo. Los resultados obtenidos en esta parte de la tesis contribuyen a mejorar la comprensión de la respuesta eléctrica y del ruido de los diodos Schottky en condiciones de altas frecuencias y/o altos campos eléctricos. También, estos resultados han ayudado a determinar las limitaciones de modelos numéricos y analíticos usados en el análisis de la respuesta eléctrica y del ruido electrónico en los diodos Schottky. La segunda parte de la tesis está dedicada al análisis de multiplicadores y mezcladores mediante una herramienta de simulación de circuitos basada en la técnica de balance armónico. Diferentes modelos basados en circuitos equivalentes del dispositivo, en las ecuaciones de arrastre-difusión y en la técnica de Monte Carlo se han considerado en este análisis. El modelo de Monte Carlo acoplado a la técnica de balance armónico se ha usado como referencia para evaluar las limitaciones y el rango de validez de modelos basados en circuitos equivalentes y en las ecuaciones de arrastredifusión para el diseño de circuitos multiplicadores y mezcladores. Una notable característica de esta herramienta de simulación es que permite diseñar circuitos Schottky teniendo en cuenta tanto la respuesta eléctrica como el ruido generado en los dispositivos. Los resultados de las simulaciones presentados en esta parte de la tesis, tanto paramultiplicadores comomezcladores, se han comparado con resultados experimentales publicados en la literatura. El simulador que integra el modelo de Monte Carlo con la técnica de balance armónico permite analizar y diseñar circuitos a frecuencias superiores a 1 THz. ABSTRACT The terahertz region of the electromagnetic spectrum(100 GHz-10 THz) presents a wide range of applications such as radio-astronomy, molecular spectroscopy, medicine, security and radar, among others. The main obstacles for the development of these applications are the high production cost of the systems working at these frequencies, highmaintenance, high volume and low reliability. Among the different THz technologies, Schottky technology plays an important rule due to its maturity and the inherent simplicity of these devices. Besides, Schottky diodes can operate at both room and cryogenic temperatures, with high efficiency in multipliers and moderate noise temperature in mixers. This PhD. thesis is mainly concerned with the analysis of the physical processes responsible for the characteristics of the electrical response and noise of Schottky diodes, as well as the analysis and design of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter wavelengths. The first part of the thesis deals with the analysis of the physical phenomena limiting the electrical performance of GaAs and GaN Schottky diodes and their noise performance. To carry out this analysis, a Monte Carlo model of the diode has been used as a reference due to the high accuracy and reliability of this diode model at millimeter and submillimter wavelengths. Besides, the Monte Carlo model provides a direct description of the noise spectra of the devices without the necessity of any additional analytical or empirical model. Physical phenomena like velocity saturation, carrier inertia, dependence of the electron mobility on the epilayer length, plasma resonance and nonlocal effects in time and space have been analysed. Also, a complete analysis of the current noise spectra of GaAs and GaN Schottky diodes operating under static and time varying conditions is presented in this part of the thesis. The obtained results provide a better understanding of the electrical and the noise responses of Schottky diodes under high frequency and/or high electric field conditions. Also these results have helped to determine the limitations of numerical and analytical models used in the analysis of the electrical and the noise responses of these devices. The second part of the thesis is devoted to the analysis of frequency multipliers and mixers by means of an in-house circuit simulation tool based on the harmonic balance technique. Different lumped equivalent circuits, drift-diffusion and Monte Carlo models have been considered in this analysis. The Monte Carlo model coupled to the harmonic balance technique has been used as a reference to evaluate the limitations and range of validity of lumped equivalent circuit and driftdiffusion models for the design of frequency multipliers and mixers. A remarkable feature of this reference simulation tool is that it enables the design of Schottky circuits from both electrical and noise considerations. The simulation results presented in this part of the thesis for both multipliers and mixers have been compared with measured results available in the literature. In addition, the Monte Carlo simulation tool allows the analysis and design of circuits above 1 THz.