Electrothermal characterization and nonlinear modelling of GaN transistors for telecommunication circuit design

This thesis starts showing the main characteristics and application fields of the AlGaN/GaN HEMT technology, focusing on reliability aspects essentially due to the presence of low frequency dispersive phenomena which limit in several ways the microwave performance of this kind of devices. Based on an equivalent voltage approach, a new low frequency device model is presented where the dynamic nonlinearity of the trapping effect is taken into account for the first time allowing considerable improvements in the prediction of very important quantities for the design of power amplifier such as power added efficiency, dissipated power and internal device temperature. An innovative and low-cost measurement setup for the characterization of the device under low-frequency large-amplitude sinusoidal excitation is also presented. This setup allows the identification of the new low frequency model through suitable procedures explained in detail. In this thesis a new non-invasive empirical method for compact electrothermal modeling and thermal resistance extraction is also described. The new contribution of the proposed approach concerns the non linear dependence of the channel temperature on the dissipated power. This is very important for GaN devices since they are capable of operating at relatively high temperatures with high power densities and the dependence of the thermal resistance on the temperature is quite relevant. Finally a novel method for the device thermal simulation is investigated: based on the analytical solution of the tree-dimensional heat equation, a Visual Basic program has been developed to estimate, in real time, the temperature distribution on the hottest surface of planar multilayer structures. The developed solver is particularly useful for peak temperature estimation at the design stage when critical decisions about circuit design and packaging have to be made. It facilitates the layout optimization and reliability improvement, allowing the correct choice of the device geometry and configuration to achieve the best possible thermal performance.

Modeling, design and experimental characterization of Micro-Electro-Mechanical-Systems for gas chromatographic applications

Design parameters, process flows, electro-thermal-fluidic simulations and experimental characterizations of Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) suited for gas-chromatographic (GC) applications are presented and thoroughly described in this thesis, whose topic belongs to the research activities the Institute for Microelectronics and Microsystems (IMM)-Bologna is involved since several years, i.e. the development of micro-systems for chemical analysis, based on silicon micro-machining techniques and able to perform analysis of complex gaseous mixtures, especially in the field of environmental monitoring. In this regard, attention has been focused on the development of micro-fabricated devices to be employed in a portable mini-GC system for the analysis of aromatic Volatile Organic Compounds (VOC) like Benzene, Toluene, Ethyl-benzene and Xylene (BTEX), i.e. chemical compounds which can significantly affect environment and human health because of their demonstrated carcinogenicity (benzene) or toxicity (toluene, xylene) even at parts per billion (ppb) concentrations. The most significant results achieved through the laboratory functional characterization of the mini-GC system have been reported, together with in-field analysis results carried out in a station of the Bologna air monitoring network and compared with those provided by a commercial GC system. The development of more advanced prototypes of micro-fabricated devices specifically suited for FAST-GC have been also presented (silicon capillary columns, Ultra-Low-Power (ULP) Metal OXide (MOX) sensor, Thermal Conductivity Detector (TCD)), together with the technological processes for their fabrication. The experimentally demonstrated very high sensitivity of ULP-MOX sensors to VOCs, coupled with the extremely low power consumption, makes the developed ULP-MOX sensor the most performing metal oxide sensor reported up to now in literature, while preliminary test results proved that the developed silicon capillary columns are capable of performances comparable to those of the best fused silica capillary columns. Finally, the development and the validation of a coupled electro-thermal Finite Element Model suited for both steady-state and transient analysis of the micro-devices has been described, and subsequently implemented with a fluidic part to investigate devices behaviour in presence of a gas flowing with certain volumetric flow rates.

Sviluppo di un modulo VHDL per interfacciamento Ethernet-FPGA in applicazioni di high throughput screening

In molti settori della ricerca in campo biologico e biomedico si fa ricorso a tecniche di High Throughput Screening (HTS), tra cui studio dei canali ionici. In questo campo si studia la conduzione di ioni attraverso una membrana cellulare durante fenomeni che durano solo alcuni millisecondi. Allo scopo sono solitamente usati sensori e convertitori A/D ad elevata velocità insieme ad opportune interfacce di comunicazione, ad elevato bit-rate e latenza ridotta. In questa tesi viene descritta l'implementazione di un modulo VHDL per la trasmissione di dati digitali provenienti da un sistema HTS attraverso un controller di rete integrato dotato di un'interfaccia di tipo Ethernet, individuando le possibili ottimizzazioni specifiche per l'applicazione di interesse.

On the Design of a Boolean-network Robot Swarm: Collective Recognition of Ground Patterns.

Uno dei principali ambiti di ricerca dell’intelligenza artificiale concerne la realizzazione di agenti (in particolare, robot) in grado di aiutare o sostituire l’uomo nell’esecuzione di determinate attività. A tal fine, è possibile procedere seguendo due diversi metodi di progettazione: la progettazione manuale e la progettazione automatica. Quest’ultima può essere preferita alla prima nei contesti in cui occorra tenere in considerazione requisiti quali flessibilità e adattamento, spesso essenziali per lo svolgimento di compiti non banali in contesti reali. La progettazione automatica prende in considerazione un modello col quale rappresentare il comportamento dell’agente e una tecnica di ricerca (oppure di apprendimento) che iterativamente modifica il modello al fine di renderlo il più adatto possibile al compito in esame. In questo lavoro, il modello utilizzato per la rappresentazione del comportamento del robot è una rete booleana (Boolean network o Kauffman network). La scelta di tale modello deriva dal fatto che possiede una semplice struttura che rende agevolmente studiabili le dinamiche tuttavia complesse che si manifestano al suo interno. Inoltre, la letteratura recente mostra che i modelli a rete, quali ad esempio le reti neuronali artificiali, si sono dimostrati efficaci nella programmazione di robot. La metodologia per l’evoluzione di tale modello riguarda l’uso di tecniche di ricerca meta-euristiche in grado di trovare buone soluzioni in tempi contenuti, nonostante i grandi spazi di ricerca. Lavori precedenti hanno gia dimostrato l’applicabilità e investigato la metodologia su un singolo robot. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire prova di principio relativa a un insieme di robot, aprendo nuove strade per la progettazione in swarm robotics. In questo scenario, semplici agenti autonomi, interagendo fra loro, portano all’emergere di un comportamento coordinato adempiendo a task impossibili per la singola unità. Questo lavoro fornisce utili ed interessanti opportunità anche per lo studio delle interazioni fra reti booleane. Infatti, ogni robot è controllato da una rete booleana che determina l’output in funzione della propria configurazione interna ma anche dagli input ricevuti dai robot vicini. In questo lavoro definiamo un task in cui lo swarm deve discriminare due diversi pattern sul pavimento dell’arena utilizzando solo informazioni scambiate localmente. Dopo una prima serie di esperimenti preliminari che hanno permesso di identificare i parametri e il migliore algoritmo di ricerca, abbiamo semplificato l’istanza del problema per meglio investigare i criteri che possono influire sulle prestazioni. E’ stata così identificata una particolare combinazione di informazione che, scambiata localmente fra robot, porta al miglioramento delle prestazioni. L’ipotesi è stata confermata applicando successivamente questo risultato ad un’istanza più difficile del problema. Il lavoro si conclude suggerendo nuovi strumenti per lo studio dei fenomeni emergenti in contesti in cui le reti booleane interagiscono fra loro.

Molecules of Knowledge: architettura, implementazione ed esempi

La tesi si propone di valutare la architettura del modello "Molecules of Knowledge", di realizzarne la sua implementazione su infrastruttura TuCSoN opportunamente verificata ed estesa, e di effettuare esperimenti di sistemi MoK in scenari applicativi come i news management systems.

I linguaggi per la programmazione web-based: l'alternativa Dart

Il Web ha subito numerose trasformazioni rispetto al passato. Si è passati da un Web statico, in cui l'unica possibilità era quella di leggere i contenuti della pagina, ad un Web dinamico e interattivo come quello dei social network. Il Web moderno è, ancora oggi, un universo in espansione. La possibilità di arricchire le pagine con contenuti interattivi, video, foto e molto altro, rende l'esperienza web sempre più coinvolgente. Inoltre la diffusione sempre più ampia di mobile device ha reso necessaria l'introduzione di nuovi strumenti per sfruttare al meglio le funzionalità di tali dispositivi. Esistono al momento tantissimi linguaggi di scripting e di programmazione, ma anche CMS che offrono a chiunque la possibilità di scrivere e amministrare siti web. Nonostante le grandi potenzialità che offrono, spesso queste tecnologie si occupano di ambiti specifici e non permettono di creare sistemi omogenei che comprendano sia client che server. Dart si inserisce proprio in questo contesto. Tale linguaggio dà a i programmatori la possibilità di poter sviluppare sia lato client sia lato server. L'obiettivo principale di questo linguaggio è infatti la risoluzione di alcune problematiche comuni a molti programmatori web. Importante in questo senso è il fatto di rendere strutturata la costruzione di programmi web attraverso l'uso di interfacce e classi. Fornisce inoltre un supporto per l'integrazione di svariate funzionalità che allo stato attuale sono gestite da differenti tecnologie. L'obiettivo della presente tesi è quello di mettere a confronto Dart con alcune delle tecnologie più utilizzate al giorno d'oggi per la programmazione web-based. In particolare si prenderanno in considerazione JavaScript, jQuery, node.js e CoffeeScript.

Nuove tecnologie per l'implementazione di memorie non volatili

Il presente elaborato di tesi fornisce una descrizione delle principali caratteristiche implementative delle tecnologie attualmente maggiormente diffuse per la realizzazione di memorie a semiconduttore volatili e non. Inoltre espone in modo più dettagliato quali sono i materiali utilizzati, i principi alla base del funzionamento, le implementazioni architetturali ed i problemi delle nuove memorie non volatili Magnetoresistive (MRAM), Ferroelettriche (Fe-RAM) ed a Cambiamento di Fase (PCM). Infine, viene proposto un confronto tra le prestazioni delle diverse classi di dispositivi.

Supporting semantic web technologies in the pervasive service ecosystems middleware

Semantic Web technologies are strategic in order to fulfill the openness requirement of Self-Aware Pervasive Service Ecosystems. In fact they provide agents with the ability to cope with distributed data, using RDF to represent information, ontologies to describe relations between concepts from any domain (e.g. equivalence, specialization/extension, and so on) and reasoners to extract implicit knowledge. The aim of this thesis is to study these technologies and design an extension of a pervasive service ecosystems middleware capable of exploiting semantic power, and deepening performance implications.

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

Hybrid constraint programming and metaheuristic methods for large scale optimization problems

This work presents hybrid Constraint Programming (CP) and metaheuristic methods for the solution of Large Scale Optimization Problems; it aims at integrating concepts and mechanisms from the metaheuristic methods to a CP-based tree search environment in order to exploit the advantages of both approaches. The modeling and solution of large scale combinatorial optimization problem is a topic which has arisen the interest of many researcherers in the Operations Research field; combinatorial optimization problems are widely spread in everyday life and the need of solving difficult problems is more and more urgent. Metaheuristic techniques have been developed in the last decades to effectively handle the approximate solution of combinatorial optimization problems; we will examine metaheuristics in detail, focusing on the common aspects of different techniques. Each metaheuristic approach possesses its own peculiarities in designing and guiding the solution process; our work aims at recognizing components which can be extracted from metaheuristic methods and re-used in different contexts. In particular we focus on the possibility of porting metaheuristic elements to constraint programming based environments, as constraint programming is able to deal with feasibility issues of optimization problems in a very effective manner. Moreover, CP offers a general paradigm which allows to easily model any type of problem and solve it with a problem-independent framework, differently from local search and metaheuristic methods which are highly problem specific. In this work we describe the implementation of the Local Branching framework, originally developed for Mixed Integer Programming, in a CP-based environment. Constraint programming specific features are used to ease the search process, still mantaining an absolute generality of the approach. We also propose a search strategy called Sliced Neighborhood Search, SNS, that iteratively explores slices of large neighborhoods of an incumbent solution by performing CP-based tree search and encloses concepts from metaheuristic techniques. SNS can be used as a stand alone search strategy, but it can alternatively be embedded in existing strategies as intensification and diversification mechanism. In particular we show its integration within the CP-based local branching. We provide an extensive experimental evaluation of the proposed approaches on instances of the Asymmetric Traveling Salesman Problem and of the Asymmetric Traveling Salesman Problem with Time Windows. The proposed approaches achieve good results on practical size problem, thus demonstrating the benefit of integrating metaheuristic concepts in CP-based frameworks.

Structured P2P Video Streaming and Collaborative Failure Detection

Il video streaming in peer-to-peer sta diventando sempre più popolare e utiliz- zato. Per tali applicazioni i criteri di misurazione delle performance sono: - startup delay: il tempo che intercorre tra la connessione e l’inizio della ripro- duzione dello stream (chiamato anche switching delay), - playback delay: il tempo che intercorre tra l’invio da parte della sorgente e la riproduzione dello stream da parte di un peer, - time lag: la differenza tra i playback delay di due diversi peer. Tuttavia, al giorno d’oggi i sistemi P2P per il video streaming sono interessati da considerevoli ritardi, sia nella fase di startup che in quella di riproduzione. Un recente studio su un famoso sistema P2P per lo streaming, ha mostrato che solitamente i ritardi variano tra i 10 e i 60 secondi. Gli autori hanno osservato anche che in alcuni casi i ritardi superano i 4 minuti! Si tratta quindi di gravi inconvenienti se si vuole assistere a eventi in diretta o se si vuole fruire di applicazioni interattive. Alcuni studi hanno mostrato che questi ritardi sono la conseguenza della natura non strutturata di molti sistemi P2P. Ogni stream viene suddiviso in blocchi che vengono scambiati tra i peer. A causa della diffusione non strutturata del contenuto, i peer devono continuamente scambiare informazioni con i loro vicini prima di poter inoltrare i blocchi ricevuti. Queste soluzioni sono estremamente re- sistenti ai cambiamenti della rete, ma comportano una perdita notevole in termini di prestazioni, rendendo complicato raggiungere l’obiettivo di un broadcast in realtime. In questo progetto abbiamo lavorato su un sistema P2P strutturato per il video streaming che ha mostrato di poter offrire ottimi risultati con ritardi molto vicini a quelli ottimali. In un sistema P2P strutturato ogni peer conosce esattamente quale blocchi inviare e a quali peer. Siccome il numero di peer che compongono il sistema potrebbe essere elevato, ogni peer dovrebbe operare possedendo solo una conoscenza limitata dello stato del sistema. Inoltre il sistema è in grado di gestire arrivi e partenze, anche raggruppati, richiedendo una riorganizzazione limitata della struttura. Infine, in questo progetto abbiamo progettato e implementato una soluzione personalizzata per rilevare e sostituire i peer non più in grado di cooperare. Anche per questo aspetto, l’obiettivo è stato quello di minimizzare il numero di informazioni scambiate tra peer.

On-line adaptive visual tracking

Visual tracking is the problem of estimating some variables related to a target given a video sequence depicting the target. Visual tracking is key to the automation of many tasks, such as visual surveillance, robot or vehicle autonomous navigation, automatic video indexing in multimedia databases. Despite many years of research, long term tracking in real world scenarios for generic targets is still unaccomplished. The main contribution of this thesis is the definition of effective algorithms that can foster a general solution to visual tracking by letting the tracker adapt to mutating working conditions. In particular, we propose to adapt two crucial components of visual trackers: the transition model and the appearance model. The less general but widespread case of tracking from a static camera is also considered and a novel change detection algorithm robust to sudden illumination changes is proposed. Based on this, a principled adaptive framework to model the interaction between Bayesian change detection and recursive Bayesian trackers is introduced. Finally, the problem of automatic tracker initialization is considered. In particular, a novel solution for categorization of 3D data is presented. The novel category recognition algorithm is based on a novel 3D descriptors that is shown to achieve state of the art performances in several applications of surface matching.