High power beam dump project for the accelerator prototype LIPAc: Cooling design and analysis

En el campo de la fusión nuclear y desarrollándose en paralelo a ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), el proyecto IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) se enmarca dentro de las actividades complementarias encaminadas a solucionar las barreras tecnológicas que aún plantea la fusión. En concreto IFMIF es una instalación de irradiación cuya misión es caracterizar materiales resistentes a condiciones extremas como las esperadas en los futuros reactores de fusión como DEMO (DEMOnstration power plant). Consiste de dos aceleradores de deuterones que proporcionan un haz de 125 mA y 40 MeV cada uno, que al colisionar con un blanco de litio producen un flujo neutrónico intenso (1017 neutrones/s) con un espectro similar al de los neutrones de fusión [1], [2]. Dicho flujo neutrónico es empleado para irradiar los diferentes materiales candidatos a ser empleados en reactores de fusión, y las muestras son posteriormente examinadas en la llamada instalación de post-irradiación. Como primer paso en tan ambicioso proyecto, una fase de validación y diseño llamada IFMIFEVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) se encuentra actualmente en desarrollo. Una de las actividades contempladas en esta fase es la construcción y operación de una acelarador prototipo llamado LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). Se trata de un acelerador de deuterones de alta intensidad idéntico a la parte de baja energía de los aceleradores de IFMIF. Los componentes del LIPAc, que será instalado en Japón, son suministrados por diferentes países europeos. El acelerador proporcionará un haz continuo de deuterones de 9 MeV con una potencia de 1.125 MW que tras ser caracterizado con diversos instrumentos deberá pararse de forma segura. Para ello se requiere un sistema denominado bloque de parada (Beam Dump en inglés) que absorba la energía del haz y la transfiera a un sumidero de calor. España tiene el compromiso de suministrar este componente y CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) es responsable de dicha tarea. La pieza central del bloque de parada, donde se para el haz de iones, es un cono de cobre con un ángulo de 3.5o, 2.5 m de longitud y 5 mm de espesor. Dicha pieza está refrigerada por agua que fluye en su superficie externa por el canal que se forma entre el cono de cobre y otra pieza concéntrica con éste. Este es el marco en que se desarrolla la presente tesis, cuyo objeto es el diseño del sistema de refrigeración del bloque de parada del LIPAc. El diseño se ha realizado utilizando un modelo simplificado unidimensional. Se han obtenido los parámetros del agua (presión, caudal, pérdida de carga) y la geometría requerida en el canal de refrigeración (anchura, rugosidad) para garantizar la correcta refrigeración del bloque de parada. Se ha comprobado que el diseño permite variaciones del haz respecto a la situación nominal siendo el flujo crítico calorífico al menos 2 veces superior al nominal. Se han realizado asimismo simulaciones fluidodinámicas 3D con ANSYS-CFX en aquellas zonas del canal de refrigeración que lo requieren. El bloque de parada se activará como consecuencia de la interacción del haz de partículas lo que impide cualquier cambio o reparación una vez comenzada la operación del acelerador. Por ello el diseño ha de ser muy robusto y todas las hipótesis utilizadas en la realización de éste deben ser cuidadosamente comprobadas. Gran parte del esfuerzo de la tesis se centra en la estimación del coeficiente de transferencia de calor que es determinante en los resultados obtenidos, y que se emplea además como condición de contorno en los cálculos mecánicos. Para ello por un lado se han buscado correlaciones cuyo rango de aplicabilidad sea adecuado para las condiciones del bloque de parada (canal anular, diferencias de temperatura agua-pared de decenas de grados). En un segundo paso se han comparado los coeficientes de película obtenidos a partir de la correlación seleccionada (Petukhov-Gnielinski) con los que se deducen de simulaciones fluidodinámicas, obteniendo resultados satisfactorios. Por último se ha realizado una validación experimental utilizando un prototipo y un circuito hidráulico que proporciona un flujo de agua con los parámetros requeridos en el bloque de parada. Tras varios intentos y mejoras en el experimento se han obtenido los coeficientes de película para distintos caudales y potencias de calentamiento. Teniendo en cuenta la incertidumbre de las medidas, los valores experimentales concuerdan razonablemente bien (en el rango de 15%) con los deducidos de las correlaciones. Por motivos radiológicos es necesario controlar la calidad del agua de refrigeración y minimizar la corrosión del cobre. Tras un estudio bibliográfico se identificaron los parámetros del agua más adecuados (conductividad, pH y concentración de oxígeno disuelto). Como parte de la tesis se ha realizado asimismo un estudio de la corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada con el doble fin de determinar si puede poner en riesgo la integridad del componente, y de obtener una estimación de la velocidad de corrosión para dimensionar el sistema de purificación del agua. Se ha utilizado el código TRACT (TRansport and ACTivation code) adaptándalo al caso del bloque de parada, para lo cual se trabajó con el responsable (Panos Karditsas) del código en Culham (UKAEA). Los resultados confirman que la corrosión del cobre en las condiciones seleccionadas no supone un problema. La Tesis se encuentra estructurada de la siguiente manera: En el primer capítulo se realiza una introducción de los proyectos IFMIF y LIPAc dentro de los cuales se enmarca esta Tesis. Además se describe el bloque de parada, siendo el diseño del sistema de rerigeración de éste el principal objetivo de la Tesis. En el segundo y tercer capítulo se realiza un resumen de la base teórica así como de las diferentes herramientas empleadas en el diseño del sistema de refrigeración. El capítulo cuarto presenta los resultados del relativos al sistema de refrigeración. Tanto los obtenidos del estudio unidimensional, como los obtenidos de las simulaciones fluidodinámicas 3D mediante el empleo del código ANSYS-CFX. En el quinto capítulo se presentan los resultados referentes al análisis de corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada. El capítulo seis se centra en la descripción del montaje experimental para la obtención de los valores de pérdida de carga y coeficiente de transferencia del calor. Asimismo se presentan los resultados obtenidos en dichos experimentos. Finalmente encontramos un capítulo de apéndices en el que se describen una serie de experimentos llevados a cabo como pasos intermedios en la obtención del resultado experimental del coeficiente de película. También se presenta el código informático empleado para el análisis unidimensional del sistema de refrigeración del bloque de parada llamado CHICA (Cooling and Heating Interaction and Corrosion Analysis). ABSTRACT In the nuclear fusion field running in parallel to ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) as one of the complementary activities headed towards solving the technological barriers, IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) project aims to provide an irradiation facility to qualify advanced materials resistant to extreme conditions like the ones expected in future fusion reactors like DEMO (DEMOnstration Power Plant). IFMIF consists of two constant wave deuteron accelerators delivering a 125 mA and 40 MeV beam each that will collide on a lithium target producing an intense neutron fluence (1017 neutrons/s) with a similar spectra to that of fusion neutrons [1], [2]. This neutron flux is employed to irradiate the different material candidates to be employed in the future fusion reactors, and the samples examined after irradiation at the so called post-irradiative facilities. As a first step in such an ambitious project, an engineering validation and engineering design activity phase called IFMIF-EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) is presently going on. One of the activities consists on the construction and operation of an accelerator prototype named LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). It is a high intensity deuteron accelerator identical to the low energy part of the IFMIF accelerators. The LIPAc components, which will be installed in Japan, are delivered by different european countries. The accelerator supplies a 9 MeV constant wave beam of deuterons with a power of 1.125 MW, which after being characterized by different instruments has to be stopped safely. For such task a beam dump to absorb the beam energy and take it to a heat sink is needed. Spain has the compromise of delivering such device and CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) is responsible for such task. The central piece of the beam dump, where the ion beam is stopped, is a copper cone with an angle of 3.5o, 2.5 m long and 5 mm width. This part is cooled by water flowing on its external surface through the channel formed between the copper cone and a concentric piece with the latter. The thesis is developed in this realm, and its objective is designing the LIPAc beam dump cooling system. The design has been performed employing a simplified one dimensional model. The water parameters (pressure, flow, pressure loss) and the required annular channel geometry (width, rugoisty) have been obtained guaranteeing the correct cooling of the beam dump. It has been checked that the cooling design allows variations of the the beam with respect to the nominal position, being the CHF (Critical Heat Flux) at least twice times higher than the nominal deposited heat flux. 3D fluid dynamic simulations employing ANSYS-CFX code in the beam dump cooling channel sections which require a more thorough study have also been performed. The beam dump will activateasaconsequenceofthe deuteron beam interaction, making impossible any change or maintenance task once the accelerator operation has started. Hence the design has to be very robust and all the hypotheses employed in the design mustbecarefully checked. Most of the work in the thesis is concentrated in estimating the heat transfer coefficient which is decisive in the obtained results, and is also employed as boundary condition in the mechanical analysis. For such task, correlations which applicability range is the adequate for the beam dump conditions (annular channel, water-surface temperature differences of tens of degrees) have been compiled. In a second step the heat transfer coefficients obtained from the selected correlation (Petukhov- Gnielinski) have been compared with the ones deduced from the 3D fluid dynamic simulations, obtaining satisfactory results. Finally an experimental validation has been performed employing a prototype and a hydraulic circuit that supplies a flow with the requested parameters in the beam dump. After several tries and improvements in the experiment, the heat transfer coefficients for different flows and heating powers have been obtained. Considering the uncertainty in the measurements the experimental values agree reasonably well (in the order of 15%) with the ones obtained from the correlations. Due to radiological reasons the quality of the cooling water must be controlled, hence minimizing the copper corrosion. After performing a bibligraphic study the most adequate water parameters were identified (conductivity, pH and dissolved oxygen concentration). As part of this thesis a corrosion study of the beam dump cooling circuit has been performed with the double aim of determining if corrosion can pose a risk for the copper beam dump , and obtaining an estimation of the corrosion velocitytodimension the water purification system. TRACT code(TRansport and ACTivation) has been employed for such study adapting the code for the beam dump case. For such study a collaboration with the code responsible (Panos Karditsas) at Culham (UKAEA) was established. The work developed in this thesis has supposed the publication of three articles in JCR journals (”Journal of Nuclear Materials” y ”Fusion Engineering and Design”), as well as presentations in more than four conferences and relevant meetings.

Towards cost reduction in concentrating solar power: innovative design for an efficient fresnel based solar field

Energía termosolar (de concentración) es uno de los nombres que hacen referencia en español al término inglés “concentrating solar power”. Se trata de una tecnología basada en la captura de la potencia térmica de la radiación solar, de forma que permita alcanzar temperaturas capaces de alimentar un ciclo termodinámico convencional (o avanzado); el futuro de esta tecnología depende principalmente de su capacidad para concentrar la radiación solar de manera eficiente y económica. La presente tesis está orientada hacia la resolución de ciertos problemas importantes relacionados con este objetivo. La mencionada necesidad de reducir costes en la concentración de radiación solar directa, asegurando el objetivo termodinámico de calentar un fluido hasta una determinada temperatura, es de vital importancia. Los colectores lineales Fresnel han sido identificados en la literatura científica como una tecnología con gran potencial para alcanzar esta reducción de costes. Dicha tecnología ha sido seleccionada por numerosas razones, entre las que destacan su gran libertad de diseño y su actual estado inmaduro. Con el objetivo de responder a este desafío se desarrollado un detallado estudio de las propiedades ópticas de los colectores lineales Fresnel, para lo cual se han utilizado métodos analíticos y numéricos de manera combinada. En primer lugar, se han usado unos modelos para la predicción de la localización y la irradiación normal directa del sol junto a unas relaciones analíticas desarrolladas para estudiar el efecto de múltiples variables de diseño en la energía incidente sobre los espejos. Del mismo modo, se han obtenido analíticamente los errores debidos al llamado “off-axis aberration”, a la apertura de los rayos reflejados en los espejos y a las sombras y bloqueos entre espejos. Esto ha permitido la comparación de diferentes formas de espejo –planos, circulares o parabólicos–, así como el diseño preliminar de la localización y anchura de los espejos y receptor sin necesidad de costosos métodos numéricos. En segundo lugar, se ha desarrollado un modelo de trazado de rayos de Monte Carlo con el objetivo de comprobar la validez del estudio analítico, pero sobre todo porque este no es preciso en el estudio de la reflexión en espejos. El código desarrollado está específicamente ideado para colectores lineales Fresnel, lo que ha permitido la reducción del tiempo de cálculo en varios órdenes de magnitud en comparación con un programa comercial más general. Esto justifica el desarrollo de un nuevo código en lugar de la compra de una licencia de otro programa. El modelo ha sido usado primeramente para comparar la intensidad de flujo térmico y rendimiento de colectores Fresnel, con y sin reflector secundario, con los colectores cilíndrico parabólicos. Finalmente, la conjunción de los resultados obtenidos en el estudio analítico con el programa numérico ha sido usada para optimizar el campo solar para diferentes orientaciones –Norte-Sur y Este-Oeste–, diferentes localizaciones –Almería y Aswan–, diferentes inclinaciones hacia el Trópico –desde 0 deg hasta 32 deg– y diferentes mínimos de intensidad del flujo en el centro del receptor –10 kW/m2 y 25 kW/m2–. La presente tesis ha conducido a importantes descubrimientos que deben ser considerados a la hora de diseñar un campo solar Fresnel. En primer lugar, los espejos utilizados no deben ser plano, sino cilíndricos o parabólicos, ya que los espejos curvos implican mayores concentraciones y rendimiento. Por otro lado, se ha llegado a la conclusión de que la orientación Este-Oeste es más propicia para localizaciones con altas latitudes, como Almería, mientras que en zonas más cercanas a los trópicos como Aswan los campos Norte-Sur conducen a mayores rendimientos. Es de destacar que la orientación Este-Oeste requiere aproximadamente la mitad de espejos que los campos Norte-Sur, puediendo estar inclinados hacia los Trópicos para mejorar el rendimiento, y que alcanzan parecidos valores de intensidad térmica en el receptor todos los días a mediodía. Sin embargo, los campos con orientación Norte-Sur permiten un flujo más constante a lo largo de un día. Por último, ha sido demostrado que el uso de diseños pre-optimizados analíticamente, con anchura de espejos y espaciado entre espejos variables a lo ancho del campo, pueden implicar aumentos de la energía generada por metro cuadrado de espejos de hasta el 6%. El rendimiento óptico anual de los colectores cilíndrico parabólicos es 23 % mayor que el rendimiento de los campos Fresnel en Almería, mientras que la diferencia es de solo 9 % en Aswan. Ello implica que, para alcanzar el mismo precio de electricidad que la tecnología de referencia, la reducción de costes de instalación por metro cuadrado de espejo debe estar entre el 10 % y el 25 %, y que los colectores lineales Fresnel tienen más posibilidades de ser desarrollados en zonas de bajas latitudes. Como consecuencia de los estudios desarrollados en esta tesis se ha patentado un sistema de almacenamiento que tiene en cuenta la variación del flujo térmico en el receptor a lo largo del día, especialmente para campos con orientación Este-Oeste. Este invento permitiría el aprovechamiento de la energía incidente durante más parte del año, aumentando de manera apreciable los rendimientos óptico y térmico. Abstract Concentrating solar power is the common name of a technology based on capturing the thermal power of solar radiation, in a suitable way to reach temperatures able to activate a conventional (or advanced) thermodynamic cycle to generate electricity; this quest mainly depends on our ability to concentrate solar radiation in a cheap and efficient way. The present thesis is focused to highlight and help solving some of the important issues related to this problem. The need of reducing costs in concentrating the direct solar radiation, but without jeopardizing the thermodynamic objective of heating a fluid up to the required temperature, is of prime importance. Linear Fresnel collectors have been identified in the scientific literature as a technology with high potential to reach this cost reduction. This technology has been selected because of a number of reasons, particularly the degrees of freedom of this type of concentrating configuration and its current immature state. In order to respond to this challenge, a very detailed exercise has been carried out on the optical properties of linear Fresnel collectors. This has been done combining analytic and numerical methods. First, the effect of the design variables on the ratio of energy impinging onto the reflecting surface has been studied using analytically developed equations, together with models that predict the location and direct normal irradiance of the sun at any moment. Similarly, errors due to off-axis aberration, to the aperture of the reflected energy beam and to shading and blocking effects have been obtained analytically. This has allowed the comparison of different shapes of mirrors –flat, cylindrical or parabolic–, as well as a preliminary optimization of the location and width of mirrors and receiver with no need of time-consuming numerical models. Second, in order to prove the validity of the analytic results, but also due to the fact that the study of the reflection process is not precise enough when using analytic equations, a Monte Carlo Ray Trace model has been developed. The developed code is designed specifically for linear Fresnel collectors, which has reduced the computing time by several orders of magnitude compared to a wider commercial software. This justifies the development of the new code. The model has been first used to compare radiation flux intensities and efficiencies of linear Fresnel collectors, both multitube receiver and secondary reflector receiver technologies, with parabolic trough collectors. Finally, the results obtained in the analytic study together with the numeric model have used in order to optimize the solar field for different orientations –North-South and East-West–, different locations –Almería and Aswan–, different tilts of the field towards the Tropic –from 0 deg to 32 deg– and different flux intensity minimum requirements –10 kW/m2 and 25 kW/m2. This thesis work has led to several important findings that should be considered in the design of Fresnel solar fields. First, flat mirrors should not be used in any case, as cylindrical and parabolic mirrors lead to higher flux intensities and efficiencies. Second, it has been concluded that, in locations relatively far from the Tropics such as Almería, East-West embodiments are more efficient, while in Aswan North- South orientation leads to a higher annual efficiency. It must be noted that East-West oriented solar fields require approximately half the number of mirrors than NS oriented fields, can be tilted towards the Equator in order to increase the efficiency and attain similar values of flux intensity at the receiver every day at midday. On the other hand, in NS embodiments the flux intensity is more even during each single day. Finally, it has been proved that the use of analytic designs with variable shift between mirrors and variable width of mirrors across the field can lead to improvements in the electricity generated per reflecting surface square meter up to 6%. The annual optical efficiency of parabolic troughs has been found to be 23% higher than the efficiency of Fresnel fields in Almería, but it is only around 9% higher in Aswan. This implies that, in order to attain the same levelized cost of electricity than parabolic troughs, the required reduction of installation costs per mirror square meter is in the range of 10-25%. Also, it is concluded that linear Fresnel collectors are more suitable for low latitude areas. As a consequence of the studies carried out in this thesis, an innovative storage system has been patented. This system takes into account the variation of the flux intensity along the day, especially for East-West oriented solar fields. As a result, the invention would allow to exploit the impinging radiation along longer time every day, increasing appreciably the optical and thermal efficiencies.

Power-frequency control of hydropower plants with long penstocks in isolated systems with wind generation

In this paper the power-frequency control of hydropower plants with long penstocks is addressed. In such configuration the effects of pressure waves cannot be neglected and therefore commonly used criteria for adjustment of PID governors would not be appropriate. A second-order Π model of the turbine-penstock based on a lumped parameter approach is considered. A correction factor is introduced in order to approximate the model frequency response to the continuous case in the frequency interval of interest. Using this model, several criteria are analysed for adjusting the PI governor of a hydropower plant operating in an isolated system. Practical criteria for adjusting the PI governor are given. The results are applied to a real case of a small island where the objective is to achieve a generation 100% renewable (wind and hydro). Frequency control is supposed to be provided exclusively by the hydropower plant. It is verified that the usual criterion for tuning the PI controller of isolated hydro plants gives poor results. However, with the new proposed adjustment, the time response is considerably improved

A Dynamically Adaptable Image Processing Application Trading Off Between High Performance, Consumption and Dependability in Real Time

As embedded systems evolve, problems inherent to technology become important limitations. In less than ten years, chips will exceed the maximum allowed power consumption affecting performance, since, even though the resources available per chip are increasing, frequency of operation has stalled. Besides, as the level of integration is increased, it is difficult to keep defect density under control, so new fault tolerant techniques are required. In this demo work, a new dynamically adaptable virtual architecture (ARTICo3) to allow dynamic and context-aware use of resources is implemented in a high performance Wireless Sensor node (HiReCookie) to perform an image processing application.

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine

La industria de la energía eólica marina ha crecido de forma significativa durante los últimos 15 años, y se espera que siga creciendo durante los siguientes. La construcción de torres en aguas cada vez más profundas y el aumento en potencia y tamaño de las turbinas han creado la necesidad de diseñar estructuras de soporte cada vez más fiables y optimizadas, lo que requiere un profundo conocimiento de su comportamiento. Este trabajo se centra en la respuesta dinámica de una turbina marina con cimentación tipo monopilote y sobre la que actúa la fuerza del viento. Se han realizado cálculos con distintas propiedades del suelo para cubrir un rango de rigideces que va desde una arena muy suelta a una muy densa. De este modo se ha analizado la influencia que tiene la rigidez del suelo en el comportamiento de la estructura. Se han llevado a cabo análisis estáticos y dinámicos en un modelo de elementos finitos implementado en Abaqus. El desplazamiento en la cabeza de la torre y la tensión en su base se han obtenido en función de la rigidez del suelo, y con ellos se ha calculado la amplificación dinámica producida cuando la frecuencia natural del sistema suelo‐cimentación torre se aproxima a la frecuencia de la carga. Dos diferentes enfoques a la hora de modelizar el suelo se han comparado: uno utilizando elementos continuos y otro utilizando muelles elásticos no lineales. Por último, un análisis de fiabilidad se ha llevado a cabo con un modelo analítico para calcular la probabilidad de resonancia del sistema, en el que se han considerado las propiedades de rigidez del suelo como variables aleatorias. Offshore wind energy industry has experienced a significant growth over the past 15 years, and it is expected to continue its growth in the coming years. The expansion to increasingly deep waters and the rise in power and size of the turbines have led to a need for more reliable and optimized support designs, which requires an extensive knowledge of the behaviour of these structures. This work focuses on the dynamic response of an offshore wind turbine founded on a monopile and subjected to wind loading. Different soil properties have been considered in order to cover the range of stiffness from a very loose to a very dense sand. In this way, the influence of stiffness on the structure behaviour has been assessed. Static and dynamic analyses have been carried out by means of a finite element model implemented in Abaqus. Head displacement and stress at the tower base have been obtained as functions of soil stiffness, and they have been used to calculate the dynamic amplification that is produced when the natural frequency of the system soil‐foundation‐tower approaches the load frequency. Two different approaches of soil modelling have been compared: soil modelled as a continuum and soil simulated with non linear elastic springs. Finally, a reliability analysis to assess the probability of resonance has been performed with an analytical model, in which soil stiffness properties are considered as stochastic variables.

Proactive and reactive thermal aware optimization techniques to minimize the environmental impact of data centers

Los Centros de Datos se encuentran actualmente en cualquier sector de la economía mundial. Están compuestos por miles de servidores, dando servicio a los usuarios de forma global, las 24 horas del día y los 365 días del año. Durante los últimos años, las aplicaciones del ámbito de la e-Ciencia, como la e-Salud o las Ciudades Inteligentes han experimentado un desarrollo muy significativo. La necesidad de manejar de forma eficiente las necesidades de cómputo de aplicaciones de nueva generación, junto con la creciente demanda de recursos en aplicaciones tradicionales, han facilitado el rápido crecimiento y la proliferación de los Centros de Datos. El principal inconveniente de este aumento de capacidad ha sido el rápido y dramático incremento del consumo energético de estas infraestructuras. En 2010, la factura eléctrica de los Centros de Datos representaba el 1.3% del consumo eléctrico mundial. Sólo en el año 2012, el consumo de potencia de los Centros de Datos creció un 63%, alcanzando los 38GW. En 2013 se estimó un crecimiento de otro 17%, hasta llegar a los 43GW. Además, los Centros de Datos son responsables de más del 2% del total de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Esta tesis doctoral se enfrenta al problema energético proponiendo técnicas proactivas y reactivas conscientes de la temperatura y de la energía, que contribuyen a tener Centros de Datos más eficientes. Este trabajo desarrolla modelos de energía y utiliza el conocimiento sobre la demanda energética de la carga de trabajo a ejecutar y de los recursos de computación y refrigeración del Centro de Datos para optimizar el consumo. Además, los Centros de Datos son considerados como un elemento crucial dentro del marco de la aplicación ejecutada, optimizando no sólo el consumo del Centro de Datos sino el consumo energético global de la aplicación. Los principales componentes del consumo en los Centros de Datos son la potencia de computación utilizada por los equipos de IT, y la refrigeración necesaria para mantener los servidores dentro de un rango de temperatura de trabajo que asegure su correcto funcionamiento. Debido a la relación cúbica entre la velocidad de los ventiladores y el consumo de los mismos, las soluciones basadas en el sobre-aprovisionamiento de aire frío al servidor generalmente tienen como resultado ineficiencias energéticas. Por otro lado, temperaturas más elevadas en el procesador llevan a un consumo de fugas mayor, debido a la relación exponencial del consumo de fugas con la temperatura. Además, las características de la carga de trabajo y las políticas de asignación de recursos tienen un impacto importante en los balances entre corriente de fugas y consumo de refrigeración. La primera gran contribución de este trabajo es el desarrollo de modelos de potencia y temperatura que permiten describes estos balances entre corriente de fugas y refrigeración; así como la propuesta de estrategias para minimizar el consumo del servidor por medio de la asignación conjunta de refrigeración y carga desde una perspectiva multivariable. Cuando escalamos a nivel del Centro de Datos, observamos un comportamiento similar en términos del balance entre corrientes de fugas y refrigeración. Conforme aumenta la temperatura de la sala, mejora la eficiencia de la refrigeración. Sin embargo, este incremente de la temperatura de sala provoca un aumento en la temperatura de la CPU y, por tanto, también del consumo de fugas. Además, la dinámica de la sala tiene un comportamiento muy desigual, no equilibrado, debido a la asignación de carga y a la heterogeneidad en el equipamiento de IT. La segunda contribución de esta tesis es la propuesta de técnicas de asigación conscientes de la temperatura y heterogeneidad que permiten optimizar conjuntamente la asignación de tareas y refrigeración a los servidores. Estas estrategias necesitan estar respaldadas por modelos flexibles, que puedan trabajar en tiempo real, para describir el sistema desde un nivel de abstracción alto. Dentro del ámbito de las aplicaciones de nueva generación, las decisiones tomadas en el nivel de aplicación pueden tener un impacto dramático en el consumo energético de niveles de abstracción menores, como por ejemplo, en el Centro de Datos. Es importante considerar las relaciones entre todos los agentes computacionales implicados en el problema, de forma que puedan cooperar para conseguir el objetivo común de reducir el coste energético global del sistema. La tercera contribución de esta tesis es el desarrollo de optimizaciones energéticas para la aplicación global por medio de la evaluación de los costes de ejecutar parte del procesado necesario en otros niveles de abstracción, que van desde los nodos hasta el Centro de Datos, por medio de técnicas de balanceo de carga. Como resumen, el trabajo presentado en esta tesis lleva a cabo contribuciones en el modelado y optimización consciente del consumo por fugas y la refrigeración de servidores; el modelado de los Centros de Datos y el desarrollo de políticas de asignación conscientes de la heterogeneidad; y desarrolla mecanismos para la optimización energética de aplicaciones de nueva generación desde varios niveles de abstracción. ABSTRACT Data centers are easily found in every sector of the worldwide economy. They consist of tens of thousands of servers, serving millions of users globally and 24-7. In the last years, e-Science applications such e-Health or Smart Cities have experienced a significant development. The need to deal efficiently with the computational needs of next-generation applications together with the increasing demand for higher resources in traditional applications has facilitated the rapid proliferation and growing of data centers. A drawback to this capacity growth has been the rapid increase of the energy consumption of these facilities. In 2010, data center electricity represented 1.3% of all the electricity use in the world. In year 2012 alone, global data center power demand grew 63% to 38GW. A further rise of 17% to 43GW was estimated in 2013. Moreover, data centers are responsible for more than 2% of total carbon dioxide emissions. This PhD Thesis addresses the energy challenge by proposing proactive and reactive thermal and energy-aware optimization techniques that contribute to place data centers on a more scalable curve. This work develops energy models and uses the knowledge about the energy demand of the workload to be executed and the computational and cooling resources available at data center to optimize energy consumption. Moreover, data centers are considered as a crucial element within their application framework, optimizing not only the energy consumption of the facility, but the global energy consumption of the application. The main contributors to the energy consumption in a data center are the computing power drawn by IT equipment and the cooling power needed to keep the servers within a certain temperature range that ensures safe operation. Because of the cubic relation of fan power with fan speed, solutions based on over-provisioning cold air into the server usually lead to inefficiencies. On the other hand, higher chip temperatures lead to higher leakage power because of the exponential dependence of leakage on temperature. Moreover, workload characteristics as well as allocation policies also have an important impact on the leakage-cooling tradeoffs. The first key contribution of this work is the development of power and temperature models that accurately describe the leakage-cooling tradeoffs at the server level, and the proposal of strategies to minimize server energy via joint cooling and workload management from a multivariate perspective. When scaling to the data center level, a similar behavior in terms of leakage-temperature tradeoffs can be observed. As room temperature raises, the efficiency of data room cooling units improves. However, as we increase room temperature, CPU temperature raises and so does leakage power. Moreover, the thermal dynamics of a data room exhibit unbalanced patterns due to both the workload allocation and the heterogeneity of computing equipment. The second main contribution is the proposal of thermal- and heterogeneity-aware workload management techniques that jointly optimize the allocation of computation and cooling to servers. These strategies need to be backed up by flexible room level models, able to work on runtime, that describe the system from a high level perspective. Within the framework of next-generation applications, decisions taken at this scope can have a dramatical impact on the energy consumption of lower abstraction levels, i.e. the data center facility. It is important to consider the relationships between all the computational agents involved in the problem, so that they can cooperate to achieve the common goal of reducing energy in the overall system. The third main contribution is the energy optimization of the overall application by evaluating the energy costs of performing part of the processing in any of the different abstraction layers, from the node to the data center, via workload management and off-loading techniques. In summary, the work presented in this PhD Thesis, makes contributions on leakage and cooling aware server modeling and optimization, data center thermal modeling and heterogeneityaware data center resource allocation, and develops mechanisms for the energy optimization for next-generation applications from a multi-layer perspective.

Descripción de parámetros glóticos basados en el modelado de los pliegues vocales para la detección de patología de la voz

Las patologías de la voz se han transformado en los últimos tiempos en una problemática social con cierto calado. La contaminación de las ciudades, hábitos como el de fumar, el uso de aparatos de aire acondicionado, etcétera, contribuyen a ello. Esto alcanza más relevancia en profesionales que utilizan su voz de manera frecuente, como, por ejemplo, locutores, cantantes, profesores o teleoperadores. Por todo ello resultan de especial interés las técnicas de ayuda al diagnóstico que son capaces de extraer conclusiones clínicas a partir de una muestra de la voz grabada con un micrófono, frente a otras invasivas que implican la exploración utilizando laringoscopios, fibroscopios o videoendoscopios, técnicas en cualquier caso mucho más molestas para los pacientes al exigir la introducción parcial del instrumental citado por la garganta, en actuaciones consideradas de tipo quirúrgico. Dentro de aquellas técnicas se ha avanzado mucho en un período de tiempo relativamente corto. En lo que se refiere al diagnóstico de patologías, hemos pasado en los últimos quince años de trabajar principalmente con parámetros extraídos de la señal de voz –tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia– y con escalas elaboradas con valoraciones subjetivas realizadas por expertos a hacerlo también con parámetros procedentes de estimaciones de la fuente glótica. La importancia de utilizar la fuente glótica reside, a grandes rasgos, en que se trata de una señal vinculada directamente al estado de la estructura laríngea del locutor y también en que está generalmente menos influida por el tracto vocal que la señal de voz. Es conocido que el tracto vocal guarda más relación con el mensaje hablado, y su presencia dificulta el proceso de detección de patología vocal. Estas estimaciones de la fuente glótica han sido obtenidas a través de técnicas de filtrado inverso desarrolladas por nuestro grupo de investigación. Hemos conseguido, además, profundizar en la naturaleza de la señal glótica: somos capaces de descomponerla y relacionarla con parámetros biomecánicos de los propios pliegues vocales, obteniendo estimaciones de elementos como la masa, la pérdida de energía o la elasticidad del cuerpo y de la cubierta del pliegue, entre otros. De las componentes de la fuente glótica surgen también los denominados parámetros biométricos, relacionados con la forma de la señal, que constituyen por sí mismos una firma biométrica del individuo. También trabajaremos con parámetros temporales, relacionados con las diferentes etapas que se observan dentro de la señal glótica durante un ciclo de fonación. Por último, consideraremos parámetros clásicos de perturbación y energía de la señal. En definitiva, contamos ahora con una considerable cantidad de parámetros glóticos que conforman una base estadística multidimensional, destinada a ser capaz de discriminar personas con voces patológicas o disfónicas de aquellas que no presentan patología en la voz o con voces sanas o normofónicas. Esta tesis doctoral se ocupa de varias cuestiones: en primer lugar, es necesario analizar cuidadosamente estos nuevos parámetros, por lo que ofreceremos una completa descripción estadística de los mismos. También estudiaremos cuestiones como la distribución de los parámetros atendiendo a criterios como el de normalidad estadística de los mismos, ocupándonos especialmente de la diferencia entre las distribuciones que presentan sujetos sanos y sujetos con patología vocal. Para todo ello emplearemos diferentes técnicas estadísticas: generación de elementos y diagramas descriptivos, pruebas de normalidad y diversos contrastes de hipótesis, tanto paramétricos como no paramétricos, que considerarán la diferencia entre los grupos de personas sanas y los grupos de personas con alguna patología relacionada con la voz. Además, nos interesa encontrar relaciones estadísticas entre los parámetros, de cara a eliminar posibles redundancias presentes en el modelo, a reducir la dimensionalidad del problema y a establecer un criterio de importancia relativa en los parámetros en cuanto a su capacidad discriminante para el criterio patológico/sano. Para ello se aplicarán técnicas estadísticas como la Correlación Lineal Bivariada y el Análisis Factorial basado en Componentes Principales. Por último, utilizaremos la conocida técnica de clasificación Análisis Discriminante, aplicada a diferentes combinaciones de parámetros y de factores, para determinar cuáles de ellas son las que ofrecen tasas de acierto más prometedoras. Para llevar a cabo la experimentación se ha utilizado una base de datos equilibrada y robusta formada por doscientos sujetos, cien de ellos pertenecientes al género femenino y los restantes cien al género masculino, con una proporción también equilibrada entre los sujetos que presentan patología vocal y aquellos que no la presentan. Una de las aplicaciones informáticas diseñada para llevar a cabo la recogida de muestras también es presentada en esta tesis. Los distintos estudios estadísticos realizados nos permitirán identificar aquellos parámetros que tienen una mayor contribución a la hora de detectar la presencia de patología vocal. Alguno de los estudios, además, nos permitirá presentar una ordenación de los parámetros en base a su importancia para realizar la detección. Por otra parte, también concluiremos que en ocasiones es conveniente realizar una reducción de la dimensionalidad de los parámetros para mejorar las tasas de detección. Por fin, las propias tasas de detección constituyen quizá la conclusión más importante del trabajo. Todos los análisis presentes en el trabajo serán realizados para cada uno de los dos géneros, de acuerdo con diversos estudios previos que demuestran que los géneros masculino y femenino deben tratarse de forma independiente debido a las diferencias orgánicas observadas entre ambos. Sin embargo, en lo referente a la detección de patología vocal contemplaremos también la posibilidad de trabajar con la base de datos unificada, comprobando que las tasas de acierto son también elevadas. Abstract Voice pathologies have become recently in a social problem that has reached a certain concern. Pollution in cities, smoking habits, air conditioning, etc. contributes to it. This problem is more relevant for professionals who use their voice frequently: speakers, singers, teachers, actors, telemarketers, etc. Therefore techniques that are capable of drawing conclusions from a sample of the recorded voice are of particular interest for the diagnosis as opposed to other invasive ones, involving exploration by laryngoscopes, fiber scopes or video endoscopes, which are techniques much less comfortable for patients. Voice quality analysis has come a long way in a relatively short period of time. In regard to the diagnosis of diseases, we have gone in the last fifteen years from working primarily with parameters extracted from the voice signal (both in time and frequency domains) and with scales drawn from subjective assessments by experts to produce more accurate evaluations with estimates derived from the glottal source. The importance of using the glottal source resides broadly in that this signal is linked to the state of the speaker's laryngeal structure. Unlike the voice signal (phonated speech) the glottal source, if conveniently reconstructed using adaptive lattices, may be less influenced by the vocal tract. As it is well known the vocal tract is related to the articulation of the spoken message and its influence complicates the process of voice pathology detection, unlike when using the reconstructed glottal source, where vocal tract influence has been almost completely removed. The estimates of the glottal source have been obtained through inverse filtering techniques developed by our research group. We have also deepened into the nature of the glottal signal, dissecting it and relating it to the biomechanical parameters of the vocal folds, obtaining several estimates of items such as mass, loss or elasticity of cover and body of the vocal fold, among others. From the components of the glottal source also arise the so-called biometric parameters, related to the shape of the signal, which are themselves a biometric signature of the individual. We will also work with temporal parameters related to the different stages that are observed in the glottal signal during a cycle of phonation. Finally, we will take into consideration classical perturbation and energy parameters. In short, we have now a considerable amount of glottal parameters in a multidimensional statistical basis, designed to be able to discriminate people with pathologic or dysphonic voices from those who do not show pathology. This thesis addresses several issues: first, a careful analysis of these new parameters is required, so we will offer a complete statistical description of them. We will also discuss issues such as distribution of the parameters, considering criteria such as their statistical normality. We will take special care in the analysis of the difference between distributions from healthy subjects and the distributions from pathological subjects. To reach these goals we will use different statistical techniques such as: generation of descriptive items and diagramas, tests for normality and hypothesis testing, both parametric and nonparametric. These latter techniques consider the difference between the groups of healthy subjects and groups of people with an illness related to voice. In addition, we are interested in finding statistical relationships between parameters. There are various reasons behind that: eliminate possible redundancies in the model, reduce the dimensionality of the problem and establish a criterion of relative importance in the parameters. The latter reason will be done in terms of discriminatory power for the criterion pathological/healthy. To this end, statistical techniques such as Bivariate Linear Correlation and Factor Analysis based on Principal Components will be applied. Finally, we will use the well-known technique of Discriminant Analysis classification applied to different combinations of parameters and factors to determine which of these combinations offers more promising success rates. To perform the experiments we have used a balanced and robust database, consisting of two hundred speakers, one hundred of them males and one hundred females. We have also used a well-balanced proportion where subjects with vocal pathology as well as subjects who don´t have a vocal pathology are equally represented. A computer application designed to carry out the collection of samples is also presented in this thesis. The different statistical analyses performed will allow us to determine which parameters contribute in a more decisive way in the detection of vocal pathology. Therefore, some of the analyses will even allow us to present a ranking of the parameters based on their importance for the detection of vocal pathology. On the other hand, we will also conclude that it is sometimes desirable to perform a dimensionality reduction in order to improve the detection rates. Finally, detection rates themselves are perhaps the most important conclusion of the work. All the analyses presented in this work have been performed for each of the two genders in agreement with previous studies showing that male and female genders should be treated independently, due to the observed functional differences between them. However, with regard to the detection of vocal pathology we will consider the possibility of working with the unified database, ensuring that the success rates obtained are also high.

Propellantless deorbiting of space debris by bare electrodynamic tethers : final report

A Space tether is a thin, multi-kilometers long conductive wire, joining a satellite and some opposite end mass, and keeping vertical in orbit by the gravity-gradient. The ambient plasma, being highly conductive, is equipotential in its own co-moving frame. In the tether frame, in relative motion however, there is in the plasma a motional electric field of order of 100 V/km, product of (near) orbital velocity and geomagnetic field. The electromotive force established over the tether length allows plasma contactor devices to collect electrons at one polarized-positive (anodic) end and eject electrons at the opposite end, setting up a current along a standard, fully insulated tether. The Lorentz force exerted on the current by the geomagnetic field itself is always drag; this relies on just thermodynamics, like air drag. The bare tether concept, introduced in 1992 at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM), takes away the insulation and has electrons collected over the tether segment coming out polarized positive; the concept rests on 2D (Langmuir probe) current-collection in plasmas being greatly more efficient than 3D collection. A Plasma Contactor ejects electrons at the cathodic end. A bare tether with a thin-tape cross section has much greater perimeter and de-orbits much faster than a (corresponding) round bare tether of equal length and mass. Further, tethers being long and thin, they are prone to cuts by abundant small space debris, but BETs has shown that the tape has a probability of being cut per unit time smaller by more than one order of magnitude than the corresponding round tether (debris comparable to its width are much less abundant than debris comparable to the radius of the corresponding round tether). Also, the tape collects much more current, and de-orbits much faster, than a corresponding multi-line “tape” made of thin round wires cross-connected to survive debris cuts. Tethers use a dissipative mechanism quite different from air drag and can de-orbit in just a few months; also, tape tethers are much lighter than round tethers of equal length and perimeter, which can capture equal current. The 3 disparate tape dimensions allow easily scalable design. Switching the cathodic Contactor off-on allows maneuvering to avoid catastrophic collisions with big tracked debris. Lorentz braking is as reliable as air drag. Tethers are still reasonably effective at high inclinations, where the motional field is small, because the geomagnetic field is not just a dipole along the Earth polar axis. BETs is the EC FP7/Space Project 262972, financed in about 1.8 million euros, from 1 November 2010 to 31 January 2014, and carrying out RTD work on de-orbiting space debris. Coordinated by UPM, it has partners Università di Padova, ONERA-Toulouse, Colorado State University, SME Emxys, DLR–Bremen, and Fundación Tecnalia. BETs work involves 1) Designing, building, and ground-testing basic hardware subsystems Cathodic Plasma Contactor, Tether Deployment Mechanism, Power Control Module, and Tape with crosswise and lengthwise structure. 2) Testing current collection and verifying tether dynamical stability. 3) Preliminary design of tape dimensions for a generic mission, conducive to low system-to-satellite mass ratio and probability of cut by small debris, and ohmic-effects regime of tether current for fast de-orbiting. Reaching TRL 4-5, BETs appears ready for in-orbit demostration.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Design, Technology and Characterization of Micromechanised Sensors and Actuators for Harsh Environments

Los sistemas micro electro mecánicos (MEMS) han demostrado ser una exitosa familia de dispositivos que pueden usarse como plataforma para el desarrollo de dispositivos con aplicaciones en óptica, comunicaciones, procesado de señal y sensorización. Los dispositivos MEMS estándar suelen estar fabricados usando tecnología de silicio. Sin embargo, el rendimiento de estos MEMS se puede mejorar si se usan otros materiales. Por ejemplo, el diamante nanocristalino (NCD) ofrece unas excelentes propiedades mecánicas, transparencia y una superficie fácil de funcionalizar. Por otro lado, el sistema de materiales (In; Ga; Al)N, los materiales IIIN, se pueden usar para producir estructuras monocristalinas con alta sensibilidad mecánica y química. Además, el AlN se puede depositar por pulverización catódica reactiva sobre varios substratos, incluyendo NCD, para formar capas policristalinas orientadas con alta respuesta piezoeléctrica. Adicionalmente, tanto el NCD como los materiales III-N muestran una gran estabilidad térmica y química, lo que los hace una elección idónea para desarrollar dispositivos para aplicaciones para alta temperatura, ambientes agresivos e incluso para aplicaciones biocompatibles. En esta tesis se han usado estos materiales para el diseño y medición de demostradores tecnológicos. Se han perseguido tres objetivos principales: _ Desarrollo de unos procesos de fabricación apropiados. _ Medición de las propiedades mecánicas de los materiales y de los factores que limitan el rendimiento de los dispositivos. _ Usar los datos medidos para desarrollar dispositivos demostradores complejos. En la primera parte de esta tesis se han estudiado varias técnicas de fabricación. La estabilidad de estos materiales impide el ataque y dificulta la producción de estructuras suspendidas. Los primeros capítulos de esta disertación se dedican al desarrollo de unos procesos de transferencia de patrones por ataque seco y a la optimización del ataque húmedo sacrificial de varios substratos propuestos. Los resultados de los procedimientos de ataque se presentan y se describe la optimización de las técnicas para la fabricación de estructuras suspendidas de NCD y materiales III-N. En un capítulo posterior se estudia el crecimiento de AlN por pulverización catódica. Como se ha calculado en esta disertación para obtener una actuación eficiente de MEMS, las capas de AlN han de ser finas, típicamente d < 200 nm, lo que supone serias dificultades para la obtención de capas orientadas con respuesta piezoeléctrica. Las condiciones de depósito se han mapeado para identificar las fronteras que proporcionan el crecimiento de material orientado desde los primeros pasos del proceso. Además, durante la optimización de los procesos de ataque se estudió un procedimiento para fabricar películas de GaN nanoporoso. Estas capas porosas pueden servir como capas sacrificiales para la fabricación de estructuras suspendidas de GaN con baja tensión residual o como capas para mejorar la funcionalización superficial de sensores químicos o biológicos. El proceso de inducción de poros se discutirá y también se presentarán experimentos de ataque y funcionalización. En segundo lugar, se han determinado las propiedades mecánicas del NCD y de los materiales III-N. Se han fabricado varias estructuras suspendidas para la medición del módulo de Young y de la tensión residual. Además, las estructuras de NCD se midieron en resonancia para calcular el rendimiento de los dispositivos en términos de frecuencia y factor de calidad. Se identificaron los factores intrínsecos y extrínsecos que limitan ambas figuras de mérito y se han desarrollado modelos para considerar estas imperfecciones en las etapas de diseño de los dispositivos. Por otra parte, los materiales III-N normalmente presentan grandes gradientes de deformación residual que causan la deformación de las estructuras al ser liberadas. Se han medido y modelado estos efectos para los tres materiales binarios del sistema para proporcionar puntos de interpolación que permitan predecir las características de las aleaciones del sistema III-N. Por último, los datos recabados se han usado para desarrollar modelos analíticos y numéricos para el diseño de varios dispositivos. Se han estudiado las propiedades de transducción y se proporcionan topologías optimizadas. En el último capítulo de esta disertación se presentan diseños optimizados de los siguientes dispositivos: _ Traviesas y voladizos de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicados a nanoconmutadores de RF para señales de alta potencia. _ Membranas circulares de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicadas a lentes sintonizables. _ Filtros ópticos Fabry-Pérot basados en cavidades aéreas y membranas de GaN actuadas electrostáticamente. En resumen, se han desarrollado unos nuevos procedimientos optimizados para la fabricación de estructuras de NCD y materiales III-N. Estas técnicas se han usado para producir estructuras que llevaron a la determinación de las principales propiedades mecánicas y de los parámetros de los dispositivos necesarios para el diseño de MEMS. Finalmente, los datos obtenidos se han usado para el diseño optimizado de varios dispositivos demostradores. ABSTRACT Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have proven to be a successful family of devices that can be used as a platform for the development of devices with applications in optics, communications, signal processing and sensorics. Standard MEMS devices are usually fabricated using silicon based materials. However, the performance of these MEMS can be improved if other material systems are used. For instance, nanocrystalline diamond (NCD) offers excellent mechanical properties, optical transparency and ease of surface functionalization. On the other hand, the (In; Ga; Al)N material system, the III-N materials, can be used to produce single crystal structures with high mechanical and chemical sensitivity. Also, AlN can be deposited by reactive sputtering on various substrates, including NCD, to form oriented polycrystalline layers with high piezoelectric response. In addition, both NCD and III-N materials exhibit high thermal and chemical stability, which makes these material the perfect choice for the development of devices for high temperatures, harsh environments and even biocompatible applications. In this thesis these materials have been used for the design and measurement of technological demonstrators. Three main objectives have been pursued: _ Development of suitable fabrication processes. _ Measurement of the material mechanical properties and device performance limiting factors. _ Use the gathered data to design complex demonstrator devices. In a first part of the thesis several fabrication processes have been addressed. The stability of these materials hinders the etching of the layers and hampers the production of free standing structures. The first chapters of this dissertation are devoted to the development of a dry patterning etching process and to sacrificial etching optimization of several proposed substrates. The results of the etching processes are presented and the optimization of the technique for the manufacturing of NCD and III-N free standing structures is described. In a later chapter, sputtering growth of thin AlN layers is studied. As calculated in this dissertation, for efficient MEMS piezoelectric actuation the AlN layers have to be very thin, typically d < 200 nm, which poses serious difficulties to the production of c-axis oriented material with piezoelectric response. The deposition conditions have been mapped in order to identify the boundaries that give rise to the growth of c-axis oriented material from the first deposition stages. Additionally, during the etching optimization a procedure for fabricating nanoporous GaN layers was also studied. Such porous layers can serve as a sacrificial layer for the release of low stressed GaN devices or as a functionalization enhancement layer for chemical and biological sensors. The pore induction process will be discussed and etching and functionalization trials are presented. Secondly, the mechanical properties of NCD and III-N materials have been determined. Several free standing structures were fabricated for the measurement of the material Young’s modulus and residual stress. In addition, NCD structures were measured under resonance in order to calculate the device performance in terms of frequency and quality factor. Intrinsic and extrinsic limiting factors for both figures were identified and models have been developed in order to take into account these imperfections in the device design stages. On the other hand, III-N materials usually present large strain gradients that lead to device deformation after release. These effects have been measured and modeled for the three binary materials of the system in order to provide the interpolation points for predicting the behavior of the III-N alloys. Finally, the gathered data has been used for developing analytic and numeric models for the design of various devices. The transduction properties are studied and optimized topologies are provided. Optimized design of the following devices is presented at the last chapter of this dissertation: _ AlN=NCD piezoelectrically actuated beams applied to RF nanoswitches for large power signals. _ AlN=NCD piezoelectrically actuated circular membranes applied to tunable lenses. _ GaN based air gap tunable optical Fabry-Pérot filters with electrostatic actuation. On the whole, new optimized fabrication processes has been developed for the fabrication of NCD and III-N MEMS structures. These processing techniques was used to produce structures that led to the determination of the main mechanical properties and device parameters needed for MEMS design. Lastly, the gathered data was used for the design of various optimized demonstrator devices.

Recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados mediante proyección térmica para aplicaciones espaciales y de alta temperatura

Los recubrimientos lubricantes sólidos son requeridos para reducir la fricción y prevenir el desgaste en componentes que operan a altas temperaturas o en vacío (vehículos espaciales, industria química, motores diésel, turbinas aeronáuticas y de generación de energía…). Los lubricantes líquidos pierden sus características cuando las condiciones de presión, temperatura o ambientales son severas (oxidación, inestabilidad térmica, volatilidad,…), por ejemplo los aceites minerales convencionales se descomponen a temperaturas próximas a 200 ºC. Por tanto, la única manera de poder conseguir una adecuada lubricación a temperaturas extremas es por medio de sólidos, que cada vez más, se aplican en forma de recubrimientos. Estos recubrimientos podrían ser empleados en componentes de vehículos espaciales reutilizables, donde se pueden alcanzar, en la reentrada en la atmósfera, temperaturas de 700 ºC (bisagras, rodamientos, articulaciones y zonas de sellado en las superficies de control, y rodamientos de las turbobombas y las cajas de engranajes). Dichos recubrimientos también deberían ser capaces de proporcionar una lubricación efectiva a bajas temperaturas para las operaciones en tierra, para las operaciones de arranque en frío, incluso en el espacio. El conjunto de requisitos que tendrían que satisfacer las capas tribológicas relacionadas con estas condiciones extremas es muy diverso, lo que hace que el concepto de capas tipo composite (aquéllas constituidas por varios componentes) sea, en principio, muy adecuado para estas aplicaciones. Recubrimientos composite proyectados térmicamente constituidos por una matriz dura y conteniendo lubricantes sólidos pueden ser una buena solución desde el punto de vista tribológico. El “Lewis Research Centre” de la NASA ha estado desarrollando recubrimientos autolubricantes tipo composite, constituidos por la combinación de materiales duros como el carburo de cromo, junto con lubricantes sólidos como plata o la eutéctica de fluoruros de calcio y bario, en una matriz de NiCr, para su uso en aplicaciones terrestres a alta temperatura. Estos recubrimientos han sido aplicados mediante proyección térmica, siendo denominados como series PS100, PS200, PS300 y PS400, reduciendo de forma significativa el coeficiente de fricción y mejorando la resistencia al desgaste en un amplio margen de temperaturas. Otra nueva familia de materiales con comportamiento tribológico prometedor son las aleaciones cuasicristalinas (QC). Presentan características muy atractivas: alta dureza, baja fricción, alto límite elástico de compresión... Son muy frágiles como materiales másicos, por lo que se intentan aplicar en forma de recubrimientos. Se pueden depositar mediante proyección térmica. Algunos de estos materiales cuasicristalinos, como AlCoFeCr, poseen coeficientes de dilatación próximos al de los materiales metálicos, alta estabilidad térmica, baja conductividad térmica y una elevada resistencia a la oxidación y a la corrosión en caliente. En esta tesis se han desarrollado recubrimientos tipo composite conteniendo cuasicristales como componente antidesgaste, NiCr como componente tenaz, y Ag y la eutéctica de BaF2-CaF2, como lubricantes sólidos. Estos recubrimientos han sido depositados con diferentes composiciones (denominadas TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) mediante distintos procesos de proyección térmica: plasma en aire (PS), plasma en baja presión (LPPS) y combustión a alta velocidad (HVOF). Los recubrimientos se han generado sobre el sustrato X-750, una superaleación base níquel, endurecible por precipitación, con muy buena resistencia mecánica y a la oxidación hasta temperaturas de 870 ºC y, además, es empleada en aplicaciones aeroespaciales e industriales. Los recubrimientos han sido caracterizados microestructuralmente en INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), mediante SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) y XRD (X-Ray Diffraction), y tribológicamente mediante medidas de microdureza y ensayos en tribómetro POD (Pin On Disc) para determinar los coeficientes de fricción y de desgaste. Los recubrimientos han sido ensayados tribológicamente a alta temperatura en INTA y en vacío en AMTTARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), en Seibersdorf (Austria). Se ha estudiado la influencia de la carga normal aplicada, la velocidad lineal y el material del pin. De entre las diferentes series de recubrimientos cuasicristalinos tipo composite desarrolladas, dos de ellas, TH100 y TH103 han presentado una excelente calidad microestructural (baja porosidad, distribución uniforme de fases…) y se han mostrado como excelentes recubrimientos antidesgaste. Sin embargo, estas capas presentan un pobre comportamiento como autolubricantes a temperatura ambiente, aunque mejoran mucho a alta temperatura o en vacío. Los resultados del trabajo presentado en esta tesis han proporcionado nuevo conocimiento respecto al comportamiento tribológico de recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados por proyección térmica. Sin embargo, dichos resultados, aunque son muy prometedores, no han puesto de manifiesto el adecuado comportamiento autolubricante que se pretendía y, además, como ocurre en cualquier trabajo de investigación, durante el desarrollo del mismo siempre aparecen nuevas dudas por resolver. Se proponen nuevas líneas de trabajo futuro que complementen los resultados obtenidos y que puedan encaminar hacia la obtención de un recubrimiento que mejore su comportamiento autolubricante. ABSTRACT Solid lubricant coatings are required to reduce friction and prevent wear in components that operate at high temperatures or under vacuum (space vehicles, chemical industry, diesel engines, power generation turbines and aeronautical turbines, for instance). In these cases neither greases nor liquid lubricants can be employed and the only practicable approach to lubrication in such conditions is by means of solids. These are increasingly applied in the form of coatings which should exhibit low shear strength, whilst maintaining their chemical stability at extremes temperatures and in the space environment. In the space field, these coatings would be employed in re-usable space plane applications, such as elevon hinges, where temperatures of 700 ºC are reached during re-entry into the Earth’s atmosphere. These coatings should also be capable of providing effective lubrication at lower temperatures since “cold start” operation may be necessary, even in the space environment. The diverse and sometimes conflictive requirements in high temperature and space-related tribological coatings make the concept of composite coatings highly suitable for these applications. Thermal-sprayed composites containing solid lubricants in a hard matrix perform well tribologically. NASA‘s Lewis Research Centre had developed self-lubricating composite coatings for terrestrial use, comprising hard materials like chromium carbide as well as solid lubricant additives such as silver and BaF2-CaF2 eutectic on a Ni-Cr matrix. These coatings series, named PS100, PS200, PS300 and PS400, are applied by thermal spray and significantly reduce friction coefficients, improving wear resistance over a wide temperature range. Quasicrystalline alloys (QC) constitute a new family of materials with promising tribological behaviour. Some QC materials exhibit a combination of adequate antifriction properties: low friction coefficient, high hardness and high yield strength under compression, and can be easily produced as coatings on top of metallic and non-metallic materials. Among these QC alloys, AlCoFeCr has high hardness (700 HV0.1), a thermal expansion coefficient close to that of metals, high thermal stability, low thermal conductivity and good oxidation and hot corrosion resistance. However most QC materials have the disadvantage of being very brittle. In order to take advantage of the excellent tribological properties of QCs, thick composite lubricant coatings were prepared containing them as the hard phase for wear resistance, Ag and BaF2-CaF2 eutectic as lubricating materials and NiCr as the tough component. These coatings were deposited in different composition mixtures (named TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) by different thermal spray processes: air plasma spray (PS), low pressure plasma spray (LPPS) and high velocity oxy-fuel (HVOF), on X-750 substrates. X-750 is an age-hardenable nickel-base superalloy with very good strength and a good resistance to oxidising combustion gas environments at temperatures up to about 870 ºC and it is widely used in aerospace and industrial applications. Coatings have been characterized microstructurally, at INTA (National Institute for Aerospace Technology), by means of SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy- Energy Dispersive Spectroscopy) and XRD (X-Ray Diffraction), and tribologically by microhardness measurements and pin-on-disc testing to determine friction coefficients as well as wear resistance. The coatings were tested tribologically at high temperature at INTA and under vacuum at AMTT-ARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), in Seibersdorf (Austria). Different loads, linear speeds and pin materials were studied. TH100 and TH103 QC alloy matrix composite coatings were deposited by HVOF with excellent microstructural quality (low porosity, uniform phase distribution) and showed to be excellent wear resistant coatings. However these QC alloy matrix composite coatings are poor as a self-lubricant at room temperature but much better at high temperature or in vacuum. The results from the work performed within the scope of this thesis have provided new knowledge concerning the tribological behavior of self-lubricating quasicrystalline composite coatings deposited by thermal spraying. Although these results are very promising, they have not shown an adequate self-lubricating behavior as was intended, and also, as in any research, the results have in addition raised new questions. Future work is suggested to complement the results of this thesis in order to improve the selflubricating behaviour of the coatings.

La Ordenación del Territorio en las Ciudades Globales Europeas: El caso de Madrid

En la Comunidad de Madrid el modelo de ocupación del territorio en las dos últimas décadas ha obedecido a factores de oferta del mercado y no a las necesidades de la población, ello provoca un consumo de suelo y de recursos que conducen a una sobrexplotación insostenible. Las metrópolis globales están experimentando rápidas e intensas transformaciones, basadas en los paradigmas emergentes de la globalización, la gobernanza, la metropolizacion y la dispersión de las actividades en el territorio y a través de ellos se abordan los planes de Londres, París y las tentativas de Madrid. La globalización provoca la pérdida de soberanía de las administraciones publicas y la competitividad entre las ciudades globales en Europa, Londres, Paris y Madrid, son centros de poder, de concentración y crecimiento donde se produce la dualización del espacio y donde la desigualdad participa de la restructuración urbana, concentración de pobreza frente a espacios de la nueva clase emergente en donde dominan los sectores de servicios y las tecnologías de la información. Frente al desarrollo urbano neoliberal de regulación a través del mercado y basada en criterios de eficiencia de la Nueva Gestión Pública, se vislumbra la posibilidad de que la sociedad se administre a si misma por medio de acciones voluntarias y responsables que promuevan los intereses colectivos mediante el reconocimiento de su propia identidad, introduciendo el concepto de gobernanza. Frente, a la explotación del territorio por parte de la sociedad extractiva que genera corrupcion, se propone un modelo de cooperación público-privada basado en la confianza mutua, un marco regulador estable, la transparencia y la información a cuyo flujo más homogéneo contribuirán sin duda las TICs. En todo este proceso, las regiones metropolitanas en Europa se erigen como motores del crecimiento, donde los límites administrativos son superados, en un territorio cada vez más extendido y donde los gobiernos locales tienen que organizarse mediante un proceso de cooperación en la provisión de servicios que ayuden a evitar los desequilibrios territoriales. El fenómeno de la dispersión urbana en desarrollos de baja densidad, los centros comerciales periféricos, la expulsión hacia la periferia de las actividades de menor valor añadido y la concentración de funciones directivas en el centro, conducen a una fragmentación del territorio en islas dependientes del automóvil y a procesos de exclusión social por la huida de las rentas altas y la expulsión de las rentas bajas de los centros urbanos. Se crean fragmentos monofuncionales y discontinuos, apoyados en las autovías, lugares carentes de identidad y generadores de despilfarro de recursos y una falta de sostenibilidad ambiental, económica y social. El estudio de la cultura de la planificación en Europa ayuda a comprender los diferentes enfoques en la ordenación del territorio y el proceso de convergencia entre las diferentes regiones. Los documentos de la UE se basan en la necesidad de la competitividad para el crecimiento europeo y la cohesión social y en relación al territorio en los desarrollos policéntricos, la resolución del dualismo campo-ciudad, el acceso equilibrado a las infraestructuras, la gestión prudente de la naturaleza, el patrimonio y el fomento de la identidad. Se proponen dos niveles de estudio uno actual, los últimos planes de Londres y Paris y el otro la evolución de las tentativas de planes en la Región madrileña siempre en relación a los paradigmas emergentes señalados y su reflejo en los documentos. El Plan de Londres es estratégico, con una visión a largo plazo, donde se confiere un gran interés al proceso, al papel del alcalde como líder y su adaptación a las circunstancias cambiantes, sujeto a las incertidumbres de una ciudad global. El desarrollo del mismo se concibe a través de la colaboración y cooperación entre las administraciones y actores. La estructura del documento es flexible, establece orientaciones y guías indicativas, para la redacción de los planes locales, no siendo las mismas vinculantes y con escasa representación grafica. El Plan de París es más un plan físico, similar al de otros centros europeos, trabaja sobre los sectores y sobre los territorios, con información extensa, con características de “Plan Latino” por la fuerza de la expresión gráfica, pero al mismo tiempo contiene una visión estratégica. Es vinculante en sus determinaciones y normativas, se plantea fomentar, pero también prohibir. Ambos planes tratan la competitividad internacional de sus centros urbanos, la igualdad social, la inclusión de todos los grupos sociales y la vivienda como una cuestión de dignidad humana. Londres plantea la gobernanza como cooperación entre sector público-privado y la necesaria cooperación con las regiones limítrofes, en París las relaciones están más institucionalizadas resaltando la colaboración vertical entre administraciones. Ambos plantean la densificación de nodos servidos por transporte público, modos blandos y el uso los TODs y la preservación de la infraestructura verde jerarquizada, la potenciación de la red azul y la mejora del paisaje de las periferias. En las “tentativas” de planes territoriales de Madrid se constata que estuvieron sujetas a los ciclos económicos. El primer Documento las DOT del año 1984, no planteaba crecimiento, ni económico ni demográfico, a medio plazo y por ello no proponía una modificación del modelo radio concéntrico. Se trataba de un Plan rígido volcado en la recuperación del medio rural, de la ciudad, el dimensionamiento de los crecimientos en función de las dotaciones e infraestructuras existentes. Aboga por la intervención de la administración pública y la promoción del pequeño comercio. Destaca el desequilibrio social en función de la renta, la marginación de determinados grupos sociales, el desequilibrio residencia/empleo y la excesiva densidad. Incide en la necesidad de viviendas para los más desfavorecidos mediante el alquiler, la promoción suelo público y la promoción del ferrocarril para dar accesibilidad al espacio central. Aboga por el equipamiento de proximidad y de pequeño tamaño, el tratamiento paisajístico de los límites urbanos de los núcleos y el control de las actividades ilegales señalando orientaciones para el planeamiento urbano. Las Estrategias (1989) contienen una visión: la modificación del modelo territorial, mediante la intervención pública a través de proyectos. Plantea la reestructuración económica del territorio, la reconversión del aparato productivo, la deslocalización de actividades de escaso valor añadido y una mayor ubicuidad de la actividad económica. Incide en la difusión de la centralidad hacia el territorio del sur, equilibrándolo con el norte, tratando de recomponer empleo y residencia, integrando al desarrollo económico las periferias entre sí y con el centro. Las actuaciones de transporte consolidarían las actuaciones, modificando el modelo radio concéntrico facilitando la movilidad mediante la red de cercanías y la intermodalidad. El plan se basaba en el liderazgo del Consejero, no integrando sectores como el medio ambiente, ni estableciendo un documento de seguimiento de las actuaciones que evaluara los efectos de las políticas y su aportación al equilibrio territorial, a través de los proyectos realizados. El Documento Preparatorio de las Bases (1995), es más de un compendio o plan de planes, recoge análisis y propuestas de los documentos anteriores y de planes sectoriales de otros departamentos. Presenta una doble estructura: un plan físico integrador clásico, que abarca los sectores y territorios, y recoge las Estrategias previas añadiendo puntos fuertes, como el malestar urbano y la rehabilitación el centro. Plantea la consecución del equilibrio ambiental mediante el crecimiento de las ciudades existentes, la vertebración territorial basada en la movilidad y en la potenciación de nuevas centralidades, la mejora de la habitabilidad y rehabilitación integral del Centro Urbano de Madrid, y la modernización del tejido productivo existente. No existe una idea-fuerza que aglutine todo el documento, parte del reconocimiento de un modelo existente concentrado y congestivo, un centro urbano dual y dos periferias al este y sur con un declive urbano y obsolescencia productiva y al oeste y norte con una dispersión que amenaza al equilibrio medioambiental. Señala como aspectos relevantes, la creciente polarización y segregación social, la deslocalización industrial, la aparición de las actividades de servicios a las empresas instaladas en las áreas metropolitanas, y la dispersión de las actividades económicas en el territorio por la banalización del uso del automóvil. Se plantea el reto de hacer ciudad de la extensión suburbana y su conexión con el sistema metropolitano, mediante una red de ciudades integrada y complementaria, en búsqueda de un mayor equilibrio y solidaridad territorial. Las Bases del PRET (1997) tenían como propósito iniciar el proceso de concertación en que debe basarse la elaboración del Plan. Parte de la ciudad mediterránea compacta, y diversa, y de la necesidad de que las actividades económicas, los servicios y la residencia estén en proximidad, resolviéndolo mediante una potente red de transporte público que permitiese una accesibilidad integrada al territorio. El flujo de residencia hacia la periferia, con un modelo ajeno de vivienda unifamiliar y la concentración del empleo en el centro producen desequilibrio territorial. Madrid manifiesta siempre apostó por la densificación del espacio central urbanizado, produciendo su congestión, frente al desarrollo de nuevos suelos que permitieran su expansión territorial. Precisa que es necesario preservar los valores de centralidad de Madrid, como generador de riqueza, canalizando toda aquella demanda de centralidad, hacia espacios más periféricos. El problema de la vivienda no lo ve solo como social, sino como económico, debido a la pérdida de empleos que supone su paralización. Observa ya los crecimientos residenciales en el borde de la region por el menor valor del suelo. Plantea como la política de oferta ha dado lugar a un modelo de crecimiento fragmentado, desequilibrado, desestructurado, con fuertes déficits dotacionales y de equipamiento, que inciden en la segregación espacial de las rentas, agravando el proceso de falta de identidad morfológica y de desarraigo de los valores urbanos. El plan señalaba que la presión sobre el territorio creaba su densificación por las limitaciones de espacio, Incidía en limitar el peso de la intervención pública, no planteando propuestas de cooperación público-privado. La mayor incoherencia estriba en que los objetivos eran innovadores y coinciden en su mayoría con las propuestas estudiadas de Londres o Paris, pero se intentan implementar a través de un cambio hacia un modelo reticulado homogéneo, expansivo sobre el territorio, que supone un consumo de suelo y de infraestructuras para solucionar un problema inexistente, la gestión de la densidad. Durante las dos últimas décadas en ausencia de un plan regional, la postura neoliberal fue la de un exclusivo control de legalidad del planeamiento, los municipios entraron en un proceso de competencia para aprovechar las iniciales ventajas económicas de los crecimientos detectados, que proporcionaban una base económica “sólida” a unos municipios con escasos recursos en sus presupuestos municipales. La legislación se modifica a requerimiento de grupos interesados, no existiendo un marco estable. Se pierde la figura del plan no solo a nivel regional, si no en los sectores y el planeamiento municipal donde los municipios tiende a basarse en modificaciones puntuales con la subsiguiente pérdida del modelo urbanístico. La protección ambiental se estructura mediante un extenso nivel de figuras, con diversidad de competencias que impide su efectiva protección y control. Este proceso produce un despilfarro en la ocupación del suelo, apoyada en las infraestructuras viarias, y un crecimiento disperso y de baja densidad, cada vez más periférico, produciéndose una segmentación social por dualización del espacio en función de niveles de renta. Al amparo del boom inmobiliario, se produce una falta de política social de vivienda pública, más basada en la dinamización del mercado con producción de viviendas para rentas medias que en políticas de alquiler para determinados grupos concentrándose estas en los barrios desfavorecidos y en la periferia sur. Se produce un incremento de la vivienda unifamiliar, muchas veces amparada en políticas públicas, la misma se localiza en el oeste principalmente, en espacios de valor como el entorno del Guadarrama o con viviendas más baratas por la popularización de la tipología en la frontera de la Región. El territorio se especializa a modo de islas monofuncionales, las actividades financieras y de servicios avanzados a las empresas se localizan en el norte y oeste próximo, se pierde actividad industrial que se dispersa más al sur, muchas veces fuera de la región. Se incrementan los grandes centros comerciales colgados de las autovías y sin población en su entorno. Todo este proceso ha provocado una pérdida de utilización del transporte público y un aumento significativo del uso del vehículo privado. En la dos últimas décadas se ha producido en la región de Madrid desequilibrio territorial y segmentación social, falta de implicación de la sociedad en el territorio, dispersión del crecimiento y un incremento de los costes ambientales, sociales y económicos, situación, que solo, a través del uso racional del territorio se puede reconducir, apoyado en una planificación integrada sensible y participativa. ABSTRACT In Madrid the model of land occupation in the past two decades has been driven by market supply factors rather than the needs of the population. This results in a consumption of land and resources that leads to unsustainable overexploitation. Addressing this issue must be done through sensitive and participatory integrated planning. Global cities are experiencing rapid and intense change based on the emerging paradigms of globalization, governance, metropolization and the dispersion of activities in the territory. Through this context, a closer look will be taken at the London and Paris plans as well as the tentative plans of Madrid. Globalization causes the loss of state sovereignty and the competitiveness among global cities in Europe; London, Paris and Madrid. These are centres of power, concentration and growth where the duality of space is produced, and where inequality plays a part in urban restructuration. There are concentrated areas of poverty versus areas with a new emerging class where the services sector and information technologies are dominant. The introduction of ICTs contributes to a more homogeneous flow of information leading, us to the concept of governance. Against neoliberal urban development based on free market regulations and efficiency criteria as established by the “New Public Management”, emerge new ways where society administers itself through voluntary and responsible actions to promote collective interests by recognizing their own identity. A new model of public-private partnerships surfaces that is based on mutual trust, transparency, information and a stable regulatory framework in light of territorial exploitation by the “extractive society” that generates corruption. Throughout this process, European metropolitan regions become motors of growth where administrative boundaries are overcome in an ever expanding territory where government is organized through cooperative processes to provide services that protect against regional imbalances. Urban sprawl or low-density development as seen in peripheral shopping centres, the off-shoring of low added-value activities to the periphery, and the concentration of business and top management functions in the centre, leads to a fragmentation of the territory in automobile dependent islands and a process of social exclusion brought on by the disappearance of high incomes. Another effect is the elimination of low income populations from urban centres. In consequence, discontinuous expansions and mono-functional places that lack identity materialize supported by a highway network and high resource consumption. Studying the culture of urban planning in Europe provides better insight into different approaches to spatial planning and the process of convergence between different regions. EU documents are based on the need of competitiveness for European growth and social cohesion. In relation to polycentric development territory they are based on a necessity to solve the dualism between field and city, balanced access to infrastructures, prudent management of nature and solidifying heritage and identity Two levels of study unfold, the first being the current plans of London and Île-de-France and the second being the evolution of tentative plans for the Madrid region as related to emerging paradigms and how this is reflected in documents. The London Plan is strategic with a long-term vision that focuses on operation, the role of the mayor as a pivotal leader, and the adaptability to changing circumstances brought on by the uncertainties of a global city. Its development is conceived through collaboration and cooperation between governments and stakeholders. The document structure is flexible, providing guidance and indicative guidelines on how to draft local plans so they are not binding, and it contains scarce graphic representation. The Plan of Paris takes on a more physical form and is similar to plans of other European centres. It emphasizes sectors and territories, using extensive information, and is more characteristic of a “Latin Plan” as seen in its detailed graphic expression. However, it also contains a strategic vision. Binding in its determinations and policy, it proposes advancement but also prohibition. Both plans address the international competitiveness of urban centres, social equality, inclusion of all social groups and housing as issues of human dignity. London raises governance and cooperation between public and private sector and the need for cooperation with neighbouring regions. In Paris, the relations are more institutionalized highlighting vertical collaboration between administrations. Both propose nodes of densification served by public transportation, soft modes and the use of TOD, the preservation of a hierarchical green infrastructure, and enhancing the landscape in urban peripheries. The tentative territorial plans for the Madrid region provide evidence that they were subject to economic cycles. The first document of master guidelines (1984) does not address either economic or demographic growth in the mid term and therefore does not propose the modification of the radio-concentric model. It is a rigid plan focused on rural and urban recovery and the dimensioning of growth that depends on endowments and infrastructures. It advocates government intervention and promotes small business. The plan emphasizes social imbalance in terms of income, marginalization of certain social groups, the imbalance of residence/employment and excessive density. It stresses the need for social rent housing for the underprivileged, promotes public land, and the supports rail accessibility to the central area. It backs facilities of proximity and small size, enhancing the landscaping of city borders, controlling illegal activities and draws out guidelines for urban planning. The strategies (1989) contain a vision: Changing the territorial model through public intervention by means of projects. They bring to light economic restructuring of territory, the reconversion of the productive apparatus, relocation of low value-added activities, and greater ubiquity of economic activity. They also propose the diffusion of centrality towards southern territories, balancing it with the north in an attempt to reset employment and residence that integrates peripheral economic development both in the periphery and the centre. Transport would consolidate the project, changing the radius-concentric model and facilitating mobility through a commuter and inter-modality network. The plan derives itself from the leadership of the minister and does not integrate sectors such as environment. It also does not incorporate the existence of a written document that monitors performance to evaluate the effects of policies and their contribution to the territorial balance. The Preparatory Document of the Bases, (1995) is more a compendium, or plan of plans, that compiles analysis and proposals from previous documents and sectorial plans from other departments. It has a dual structure: An integrating physical plan covering the sectors and territories that includes the previous strategies while adding some strengths. One such point is the urban discomfort and the rehabilitation of the centre. It also poses the achievement of environmental balance through the growth of existing cities, the territorial linking based on mobility, strengthening new centres, improving the liveability and comprehensive rehabilitation of downtown Madrid, and the modernization of the existing production network. There is no one powerful idea that binds this document. This is due to the recognition of an existing concentrate and congestive model, a dual urban centre, two eastern and southern suburbs suffering from urban decay, and an obsolescent productive north and west whose dispersion threatens the environmental balance. Relevant aspects the document highlights are increasing polarization and social segregation, industrial relocation, the emergence of service activities to centralized companies in metropolitan areas and the dispersion of economic activities in the territory by the trivialization of car use. It proposes making the city from the suburban sprawl and its connection to the metropolitan system through a network of integrated and complementary cities in search of a better balance and territorial solidarity. The Bases of PRET (1997) aims to start the consultation process that must underpin the development of the plan. It stems from a compact and diverse Mediterranean city along with the need for economic activities, services and residences that are close. To resolve the issue, it presents a powerful network of public transport that allows integrated accessibility to the territory. The flow of residence to the periphery based on a foreign model of detached housing and an employment concentration in the centre produces territorial imbalance. Madrid always opted for the densification of the central space, producing its congestion, against the development of new land that would allow its territorial expansion. The document states that the necessity to preserve the values of the housing problem is not only viewed as social, but also economic due to the loss of jobs resulting from their paralysis. It notes the residential growth in the regional border due to the low price of land and argues that the policy of supply has led to a fragmented model of growth that is unbalanced, unstructured, with strong infrastructure and facility deficits that affect the spatial segregation of income and aggravate the lack of morphological identity, uprooting urban values. The pressure on the territory caused its densification due to space limitation; the proposed grid model causes land consumption and infrastructure to solve a non-problem, density. Focusing on limiting the weight of public intervention, it does not raise proposals for public-private cooperation. The biggest discrepancy is that the targets were innovative and mostly align with the proposals in London and Paris. However, it proposes to be implemented through a shift towards a uniform gridded model that is expansive over territory. During the last two decades, due to the absence of a regional plan, a neoliberal stance held exclusive control of the legality of urban planning. The municipalities entered a competition process to take advantage of initial economic benefits of such growth. This provided a “solid” economic base for some municipalities with limited resources in their municipal budgets. The law was amended without a legal stable framework at the request of stakeholders. The character of the plan is lost not only regionally, but also in the sectors and municipal planning. This tends to be based on specific changes with the loss of an urban model. Environmental protection is organized through an extensive number of protection figures with diverse competencies that prevent its effective protection. This process squanders the use of the land, backed by increasing road infrastructure, dispersed occupations with low-density growth causing a social segmentation due to space duality based on income levels. During the housing boom, there is a reduction in social public housing policy mostly due to a boost in the market of housing production for average incomes than in rental policies for needy social groups that focus on disadvantaged neighbourhoods and southern suburbs. As a result, there is an increase in single-family housing, often protected by public policy. This is located primarily in the west in areas of high environmental value such as Guadarrama. There is also cheaper housing due to the popularization of typology in the border region. There, territory works as a mono-functional islands. Financial activities and advanced services for companies are located to the north and west where industrial activity is lost as it migrates south, often outside the region. The number of large shopping centres hanging off the highway infrastructure with little to no surrounding population increases. This process leads to the loss of dependency on public transport and a significant increase in the use of private vehicles. The absence of regional planning has produced more imbalance, more social segmentation, more dispersed growth and a lot of environmental, social and economic costs that can only be redirected through rational territorial.

El centro comercial : una teoría tipológica : claves para el reconocimiento de una arquitectura ignorada

Existe en el panorama edificado un patrimonio construido que se reconoce como Centro Comercial. Un conjunto entendido, en sentido genérico, como familia arquitectónica que tiene características propias y específicas que la identifican. El objeto de la presente tesis doctoral consiste en argumentar que este conjunto constituye un nuevo tipo en el panorama de las tipologías arquitectónicas. Un tipo con entidad propia, que se conecta a una forma diferente de entender la idea de modelo. Un concepto que va más allá de la consideración tradicional del término. Modelo virtual. Este tipo, que surge de una estructura teórica que hemos denominado teoría tipológica, se constituye en una herramienta más para el estudio y el desarrollo proyectual de los espacios arquitectónicos, tanto del propio Centro Comercial como del conjunto de la disciplina arquitectónica, como referencia legítima. El presente trabajo de tesis se inicia con un bloque introductorio denominado Método. Definimos en él una metodología que hemos llamado emocional. Trata de la oportunidad de la tesis. Del porqué de un título que recoge la palabra ignorada. Del interés que suscita el asunto en el contexto del momento presente. Oportunidad e interés en base a una vida profesional dedicada al mundo del Centro Comercial y a la importancia del patrimonio elegido como objeto de estudio. También ha sido un aliciente detectar como las planificaciones del territorio y de los ámbitos de las relaciones colectivas no han sido capaces de integrar un resultado satisfactorio. Quizás por no considerar la complejidad de sus muchas facetas. En consecuencia, el texto busca la esencia del Centro Comercial como soporte para la crítica de su impacto en los nuevos escenarios de relación que la sociedad y el entorno físico imponen. Ámbitos donde los mecanismos históricos del asociacionismo tradicional han dado paso a otros, como el Centro Comercial, de exaltación del individualismo, pero demandados por una sociedad que se identifica con ellos. Espacios que, con Galbraith, existen por de la perversidad intrínseca del binomio consumo-producción que inducen la perplejidad. Ésta pasa a formar parte de la esencia del nuevo espacio comercial, como quedó de manifiesto en el Congreso de Minnesota de 1997, sobre el Centro Comercial. Una sociedad que ha girado hacia el logro material en términos de culto, ocasionando creciente valor significante del consumo. Razón última de la humanidad al decir de Rem Koolhaas. Culto que desemboca en la urgencia de alcanzar niveles de estatus y de identificación con el grupo. Dos parámetros que marcan la relación con el otro. Relación de comparación que excita la necesidad de posesión de objetos que llevaban a recrear en el consumidor la ilusión de ser especiales, de no pasar desapercibidos. El producto de consumo, el objeto, se eleva a la consideración de valor social. En el Centro Comercial se venden valores. Marketing de valores. El deseo del individuo, no la necesidad, queda involucrado en el proceso. La oportunidad y el interés de este estudio surgen además para aclarar el significado de un espacio que sirve al consumidor y a su entorno. Un significado que alcanza sentido, entre otros, por la aparición de un nuevo contexto tras la Segunda Guerra Mundial. Suburbanización, automóvil, nivel de vida, un nuevo papel de la mujer. La Era del Consumo. Una era que genera la paradoja de un individuo con autodeterminación y autosuficiencia crecientes, en un mundo cada vez más condicionado y controlado por dinámicas de ofertas mediatizadas e ilimitadas. La arquitectura en este contexto ha de juzgarse por su relación con un hombre contemporáneo que camina hacia una progresiva excepcionalidad. Cerramos la presentación justificando el término ignorada que aparece en el Título de la Tesis. Subrayamos la escasa existencia de estudios estructurados que relacionen Centro Comercial y arquitectura. Realidad que se constata partiendo del libro de Pevsner, Historia de las Tipologías Arquitectónicas, de 1976. Analizamos también la aceptación que el Centro Comercial, valorado en algunos ámbitos como arquitectura populista. Primer Capítulo, los antecedentes. Se propone un recorrido histórico por la arquitectura comercial de todos los tiempos. El Documento busca concretar las características de la arquitectura comercial a lo largo de la historia para determinar relaciones entre ella y el Centro Comercial. Estas correspondencias van a permitir contestar la pregunta retórica que nos hacemos al inicio del Capítulo: ¿Es la arquitectura del Centro Comercial una arquitectura subsidiaria, o tiene personalidad propia independiente de la del mundo comercial? Con Zevi40, queremos dejar constancia que la relación arquitectura-historia es imprescindible en la tarea proyectual. Un análisis novedoso solo es posible desde la búsqueda de unas raíces auténticas. Así mismo, con Guy de Maupassant, estamos convencidos que “La arquitectura, a través de los siglos, ha tenido el privilegio de dar un símbolo a cada una de las épocas, de resumir con un pequeñísimo número de monumentos típicos, el modo de pensar, de soñar de una raza y de una civilización”. Este recorrido se inicia interpretando la arquitectura comercial minoica. Llegaremos, paso a paso, hasta el siglo XX, los grandes itinerarios comerciales y el Centro Comercial. Se descubren una serie de invariantes que permiten comparar y extraer conclusiones. Resulta novedoso constatar que el Centro Comercial nace para dar respuesta al hombre contemporáneo en su afán consumista. También lo es la rápida implantación y evolución del Centro Comercial en un corto periodo de sesenta años frente al ritmo sosegado de otras soluciones comerciales. Novedad es ver como el comercio y sus arquitecturas nacen abiertos, bajo tenderetes y el Centro Comercial se presenta cerrado. Así mismo, las referencias sacras constituyen un elemento de novedad para la reflexión, en un contexto materialista. Y tantas otras. En Minos, la óptica comercial ofrece otra visión de su legendaria cultura. ¿Palacio o plataforma logística?, gestión centralizada del intercambio, ¿vida pública y vida privada? Así, hasta llegar al siglo XIX. Sus las galerías y sus pasajes acristalados concebidos en primera instancia como medida de recomposición urbana. Espacio entendido desde lo público-privado, desde lo interior-exterior, desde el dentro-afuera, desde lo cerrado-abierto. Con los nuevos mercados de abastos, representan una revolución en el ámbito de la funcionalidad, de la máquina, de la gestión moderna y de las relaciones del ciudadano con la ciudad apoyado en base al intercambio de bienes de consumo. El Centro Comercial es heredero de esta transformación. El Gran Almacén, por otra parte, es el reflejo de otra gran revolución. La que va ligada a la producción y comercialización en masa, las comunicaciones, el precio fijo y el aumento del nivel de vida. El Centro Comercial reinterpreta estas situaciones insertándolas en un nuevo modelo de gestión. En el siglo XX, maestro en técnicas de venta, aparece el hipermercado. El Híper, con su carga de pedagogía, se incorpora al esquema orgánico del Centro Comercial. La tienda en si misma constituye la pieza base de dicho puzle orgánico. Es en esta época cuando la tienda empieza su despegue autónomo como arquitectura, aportando su experiencia. Tras ello, llegamos a las grandes rutas comerciales, que proponemos como metáfora del shopping. Cerramos el capítulo concluyendo con Eugenio Ferrer que “si establecemos una relación entre el espacio y el capitalismo, entonces podemos inferir que los espacios del consumo de masas (ECM) son configuraciones nuevas respecto al pasado (...), pero el sistema que lo introduce no lo es del todo”. Segundo Capítulo. Búsqueda de claves que permitan el reconocimiento del Centro Comercial. Llegados a este punto y con la perspectiva del tiempo cabe preguntarnos, ¿qué entendemos pues por Centro Comercial? ¿Cómo lo percibimos? Abordamos ahora el problema de la percepción del Centro Comercial y su significado. Además de constituirse en símbolo, referencia siempre presente, la eficacia del Shopping es una de las principales causas de su poder de atracción. El Centro Comercial resulta de la síntesis de la revolución del consumo y de la revolución de la gestión. Espacio eficaz del entretenimiento como destino. El usuario resuelve su vida cotidiana dentro de un hábitat que considera propio y que se entiende como el lugar hiperbólico de la transacción comercial. Espacio de la abundancia para el disfrute. Una arquitectura involucrada en esta eficacia. Su sentido del lugar no es otro que el Shopping, que se desenvuelve de forma análoga en todas partes. El hogar del consumidor. Las nuevas catedrales. Las catedrales del consumo. Destino místico. Lugar de peregrinación para el consumidor fervoroso. Espacio sagrado que integra al usuario en la cultura dominante. Cultura del consumo. Templos, donde el tiempo ha perdido su sentido. Paraíso. Un espacio donde la altura, la luz natural, la dimensión general refuerzan el carácter sacro de un espacio para una nueva religión laica. Un espacio seguro, protegido que nos acerca a ideas como la de útero materno, con su carga de calidez y de significación erótica aplicado al encuentro compra-comprador y, ligado a ello, la literatura especializada habla del Centro Comercial como nave espacial hiperesterilizada o de agujero negro que absorbe la energía cultural. Más allá, la simulación, donde se percibe un simulacro de ciudad. Simulacro coherente con todo lo que el Shopping desencadena a su alrededor. El lugar de los sueños, de la fantasía. Aquí los productos se han metamorfoseado en fetiches, en significados. Televisión tridimensional, donde el usuario actúa guiado por una pulsión similar al zapping. Espacio lúdico de la fascinación por comprar o de imaginar que se compra. Espacio de simulaciones que llevan a la ensoñación. Un nuevo lugar que sustituye al espacio cotidiano, con el señuelo de la protección, en un contexto imaginariamente público. Espacio de la hiperrealidad donde no se distingue la realidad de la fantasía, donde tras episodios de confusión y desconcierto, se borran las fronteras con lo imaginario. Espacio mágico, escenario del gran espectáculo del consumo, controlado milimétricamente, al modo de la visita a un gran monumento, que ha de sobrevivir a los tiempos para dar testimonio de nuestro momento. Un icono, un símbolo que transmite un mensaje, que solo el consumidor es capaz de interpretar. Una agitada mezcla, sin precedentes, de percepciones que hablan de perplejidad y asombro ante el fenómeno del Centro Comercial, su espacio y las reacciones del hombre contemporáneo. ¿Cuáles serían las claves que nos permitirían reconocer la calidad esencial de un Centro Comercial, en esta concurrencia de perplejidades? Primero, la función de servicio. Un espacio donde ocurren muchas más cosas que lo obvio, que la compra. Un edificio que se involucra con el entorno de la mano de lo inesperado, la sorpresa y las expectativas. Esta vocación de servicio conecta Centro Comercial y naturaleza arquitectónica. Función que sugiere percepciones ligadas a la experiencia de compra. Organismo que vive y late al unísono con su visitante, colocándose al servicio de sus necesidades, de su afán de consumo, del que vive. Segundo, la comunidad servida. El Centro comercial sirve a una sociedad concreta. La sociedad consumista. Una nueva sociedad que se identifica con el edificio desarrollando un sentido de comunidad al nivel de sus deseos. Esta comunidad que se configura a su alrededor, constituye el activo más poderoso para el éxito de su realidad cotidiana y de su futuro. Tercero, un compromiso de carácter holístico. La economía de la experiencia aplicada al afán consumista de una sociedad identificada con su Centro, da lugar a una experiencia holística planificada. Diseño emocional. Colaboración para el éxito de un conjunto de establecimientos comerciales que participan en la aventura espacio-comercial del Centro Comercial. Ellos son los inductores primarios del consumo. Pero esta colaboración tiene su culminación en la amplificación del mensaje, como un inmenso altavoz, que proviene de la unidad configurada por todos ellos. El reflejo de esta amplificación de mensajes, desde la poderosa unidad constituida, es el aumento de la rentabilidad, fin último de la operación. Cuarto, la forma a través de una identificación de carácter gestáltico. Desde la lectura gestáltica que hacemos de la unidad holística, se advierte una poderosa capacidad de comunicación del sistema con su contexto. Centro y entorno se tornan entonces cómplices que complementan sus realidades. El Centro Comercial, arquitectura estructurada como sistema se percibe –ha de percibirse- como forma unitaria que procede de una mirada de raíz gestáltica que continuamente la recompone desde una óptica espacial y física, ligada a la experiencia individual. Esta unidad formal, más allá de la forma real, se constituye en esencia de de su arquitectura. Quinto, el Centro Comercial como sistema. Un sistema soportado por la Teoría General de Sistemas. La consideración del Centro Comercial como sistema es consecuencia de su estructura holística. El todo no se comporta como la suma de las partes y estas no lo hacen como lo harían en solitario. De aquí surge la necesidad de diálogo permanente entre la comercialización –proceso de incorporación de partes- y su traducción al mundo del diseño –proceso de articular arquitectónicamente las partes. Como sistema así configurado, el Centro Comercial se inserta en el paradigma contemporáneo, lo que genera realidades duales que no son excluyentes y reacciones de perplejidad e incertidumbre que el sistema corrige con su capacidad de autorregulación. Aparece también el espectador cuántico, el visitante, el consumidor, que interactúa con el sistema. Desde las herramientas que nos aporta la idea de sistema complejo, afrontamos el Mix Comercial -en definitiva la eficaz localización de las piezas en orden a sus relaciones y al organismo resultante- y su incidencia en la arquitectura que estamos concibiendo. Una arquitectura impredecible por lo mutable, que se erige en reto de la operación y del diseñador. Diseño que, de la mano del concepto de sistema se convierte en herramienta a mayor gloria de la operación global. El debate del estilismo no será más que el resultado del análisis en busca del éxito de esta operación. Sexto, una arquitectura de la negociación. Negociación como mecanismo proyectual y como resultado. La solución de proyecto nunca resulta evidente en el Centro Comercial como consecuencia de lo imprevisible del propio proceso de configuración. Su concreción solo puede ser fruto del compromiso de todos los agentes por conseguir el objetivo de la operación. Esto se consigue desde el equilibrio de intereses. Comerciales y de diseño. Un compromiso con la negociación y una negociación íntimamente ligada a la coordinación. Séptimo, el espacio y el tiempo. El debate espacio-tiempo condiciona y estructura la percepción del Centro Comercial. Introducimos conceptos como cronotopo –el instante y el lugar donde ocurre algo- y paradoja –incoherencia de la relación causa efecto- que sitúan el vínculo entre el tiempo y el espacio del Centro Comercial en un contexto de Shopping. En el discurrir paralelo del tiempo histórico –el tiempo de fuera- y del tiempo interior, el de dentro del Centro Comercial –tiempo presente o intemporalidad-, se produce el triunfo social del Centro Comercial que se traduce en haber sabido resolver en el espacio y en el tiempo las paradojas postmodernas del hombre contemporáneo. Octavo, de lo global. Globalidad que no es ajena a lo local. Una arquitectura que insertada en la dinámica de una economía de ámbito mundial, refleja las contradicciones que ella impone, fundamentalmente en los procesos de inclusión y exclusión, afectando de manera decisiva al debate de lo local, que el Centro Comercial debe incorporar como herramienta ineludible de reconocimiento. Terminamos el capítulo segundo manifestando como estas ocho claves, asumidas en su conjunto, confirman que el Centro Comercial puede aparecer como un todo conceptual cohesionado, pasando a formar parte de una familia arquitectónica coherente, cuya estructura funcional somos capaces de establecer. El Capítulo Tercero presenta con detalle la figura del arquitecto Víctor Gruen, creador reconocido del moderno Centro Comercial. Presentamos su trayectoria profesional observando como las diferentes claves analizadas en capítulos anteriores van apareciendo de manera natural a lo largo de ella "Victor Gruen may well have been the most influential architect of the twentieth century." Malcolm Gladwell. The Terrazo Jungle. Fifty Years Ago, The Mall Was Born. America Never Would Be The Same. 2004. In The New Yorker. Hombre complejo, conflictivo. Las paradojas a lo largo de su carrera fueron notables. Sin embargo siempre apareció como un hombre recto. Garret Eckbo, reconocido paisajista y colaborador de Gruen en el Centro Comercial peatonal del Centro urbano de Fresno, California, se asombraba de que alguien como Gruen hubiese sido capaz de combinar cortesía y humanidad en la carrera de ratas (sic) en la que se convirtió el universo de la comercialización americana y mantener la integridad542. Philip Johnson, en 1962, ponderando las muchas habilidades de Gruen manifestó que no estaba seguro si alguno de ellos, arquitectos artistas, hubiera sido capaz de hacer lo que Gruen hizo. A más, sobre Gruen, manifestó lo siguiente: "... El va más allá de la creación de un bello edificio. En jugar con la gente y sugerir lo que tienen que hacer, es un maestro. Y obtiene buenos resultados como hace la escultura. El suyo es un arte cívico, un sentido cívico.... Él es capaz de sentarse y poner cosas juntas. No es pomposo ni vano. Yo no me reuniría con él para hablar del diseño (de edificios). Víctor siente que cuando se habla de diseño se está ignorando todo el contexto... Su arquitectura es poderosamente limpia, no vuela la fantasía. Pero cuando te haces con su complejidad, ves que has descubierto algo más allá del diseño.... No puedes decir que haya alguien como él. La arquitectura tiene la suerte de tenerle como arquitecto..." Philip Johnson. Article in Fortune Review. 1962. El Documento de tesis cierra la visión de Gruen realizando un recorrido por los diferentes capítulos de su libro esencial, Shopping Towns Usa: The Planning of Shopping Centers. Solo su índice resulta un monumento al proceso de gestación del Centro Comercial. El libro, aquí simplemente mostrado en su estructura básica como un silencioso testigo, es la referencia canónica los Centros Comerciales contemporáneos, desde su aparición. . El Cuarto Capítulo del Documento de tesis es una recapitulación del trabajo anterior, en el que se sintetizan los conceptos de función y estilo relacionados con el Centro Comercial, se define en qué consiste cada uno de ellos y como, a partir de ahí, podemos afirmar que nos encontramos ante un tipo arquitectónico nuevo en el panorama de la disciplina arquitectónica. Terminamos el Capítulo integrando el Centro Comercial con un cuerpo teórico de referencias que se remiten a un tipo arquitectónico concreto y particular, acogiendo su singularidad como fenómeno arquitectónico autónomo. Como Conclusión de la tesis, resultado de todo lo anterior es decir, como consecuencia de la integración de un torrente de percepciones e intuiciones en un cuerpo teórico de referencias, deducidas de la existencia de unas claves que estructuran y penetran la esencia del singular modelo estudiado, haciéndolo detectable y seductor, resultan las características de un tipo arquitectónico con entidad propia que ordena, orienta y supedita la realidad y la existencia de esta nueva arquitectura. Una arquitectura nunca antes definida como tal, en el panorama tipológico de la disciplina. Teoría tipológica para una nueva arquitectura, que hemos ido proponiendo a lo largo del trabajo y que es coherente con los diferentes parámetros que se han analizado. Un conjunto edificado que, desde el estudio de sus claves esenciales y de sus invariantes perceptibles, aparece ahora más cercano, más familiar. Tanto que es posible destilar desde este conocimiento cercano e íntimo, una síntesis útil como referencia proyectual y como referencia para las grandes cuestiones que preocupan al discurrir del debate arquitectónico y sus ideas. El debate de la disciplina. El objeto de esta tesis, que consistía en establecer que el conjunto edificado que conocemos como Centro Comercial se constituye en un nuevo tipo en el panorama de las tipologías arquitectónicas, entendido el Centro Comercial en sentido genérico como familia arquitectónica con características propias y específicas que la hacen autónoma y reconocible, queda a nuestro juicio argumentado y justificado. ABSTRACT Within the frame of the built heritage there is a construction that is recognized as Shopping Center. An ensemble understood as an architectural family with its own specific recognizable characteristics. This thesis aims to explain that this building complex constitutes a new type in the panorama of architectural typology. This typology, with its singular identity, is connected to a way of understanding the idea of the model beyond an orthodox conception of the term understood as virtual model. This typology comes from a theoretical structure that we called typological theory, and it serves as yet another tool to reference the study and development design of the architectural spaces. In this first section, the Method, we emotionally explore the opportunities of this thesis. Why this typology has been ignored and the interest this work has in the present moment. An opportunity and an interest explained from an experience of a life dedicated to the world of Shopping Centers. The text then introduces the need for a rigorous knowledge of the Shopping Center’s essence in order to understand its impact in the frame of a new society and a new physical environment. A frame time where the historical mechanisms of association of civic community have given way to other gathering spaces like the Shopping Center, which encourages individualism, but is demanded by a society that relates to them. Spaces that, according to Galbraith, are a result of the intrinsic perversity of the unstoppable movement of the wheel of consumption-production. A society that has turned to worship of material achievement. Worship that provokes the appearance of an increasing value of consumption, according to Koolhaas, the only goal of humanity. Worship that ends in the need to reach certain status levels in the plane of a permanent comparison where the need of possession excites the consumer and gives them the illusion of being special. The product of consumption rises up to consideration of social values, entering a dynamic of marketing values, not only objects, but the desire of the individual remains. The study appears also to clarify the meaning of a space that serves the consumer and its context. A meaning that makes sense with the appearance of the suburbanization, the massive utilization of the car, the increase of living standards and the new role of women in the society after the Second World War, giving rise to the Age of Consumption. A world now determined and controlled by media and unlimited offers, where it’s necessary to place them in the context of the ordinary. An architecture that has to be judged precisely for its relation with this specific contemporary man. This section ends justifying the term ignored that appears in the Title of the Thesis, considering it in relation with the lack of studies structured about the Shopping Center and its architecture, drawing from Pevsner's work, A history of building types, 1976. Finally, the Shopping Center is analyzed with the most critical of thoughts, which considers it as populist architecture. The First Chapter, Precedents, proposes an historical tour of the commercial architecture throughout history. The Document looks to place on record the characteristics of the commercial architecture to set the connection between them and the Mall itself. These correspondences are going to allow us to answer the rhetorical question: is it the architecture of the Shopping Center a subsidiary architecture, or does it have its own personality independent from that of the commercial world? The reason of this historical search, citing Bruno Zevi, is that it is indispensable to establish the relationship between architecture and history, understating that an analysis is only possible when researching for their roots. Moreover, according to Guy de Maupassant, we are sure that architecture has had the privilege, across the centuries, of symbolizing as it were each age(…), through the harmony of lines and the charm of ornamentation all the grace and grandeur of an epoch. This historical reading, inseparable from a consistent design action, begins interpreting the commercial architecture of the Minoan to the 20th Century. Though this analysis of the big commercial itineraries and the study of the Shopping Center itself. A reading where we have found a series of constants that make it possible to draw conclusions from this comparison. The Mall appears to give response to the needs of a consumerist society. Comparing to the calm pace of the evolution of other commercial solutions, it is relevant its fast implantation and evolution in a short period of sixty years. Though via different solutions, the commercial spaces are considered taking into account the public-private relation, the interior-exterior, the inside-out, the closed-opened. Through that, the 19th century galleries and the food markets represent a revolution in functionality, in the machine, the modern management and the relations of the citizen within the city. All of this, the Mall inheritor feels. Likewise, the Department Store is the reflection of another great revolution. Production and commercialization en-mass, communications, the fixed price and increase of the living standard. The Mall reinterprets these situations inserting them in a new model of management. Already in the 20th century Mall and mass technologies of sale, the hypermarket is enthusiastically incorporated into the configuration of this organic scheme, constituting the base of one of the models, the French, that will be highly developed in the European continent. The shop itself constitutes, on the other hand, the key piece that completes the puzzle of the Mall and is in this epoch when it starts taking off as architecture, has an autonomous character. After all this, finally, we come to the big commercial routes, which we propose as metaphor of the shopping. Citing Eugenio Ferrer we can conclude that “If we establish a relation between the space and the capitalism, then we can infer that the spaces of the consumption of masses (ECM) are new configurations with regard to the past (...), but the system that introduces it it is not completely” Now we arrive at this point and with the perspective of time it is necessary to ask us, what do we understand about the Shopping Center? How do we perceive it? The second Chapter approaches the problem of the perception of the Mall and from this it is possible to detect and to identify key drivers that orientate the architectural comprehension of the space. The efficiency of the Shopping Center is its main power of attraction. A world that has ensued from the synthesis of the revolution of consumption and management. An effective cavern-like place of entertainment where the user, the consumer, the postmodern man solves his daily life inside a considered habitat. The hyperbolic place of commercial transaction. An abundance of space, that makes us perceive it as destination of entertainment. An architecture has evolved this efficiency, where the sense of place is at one with the sense of the Shopping. The home of the consumer. The new cathedrals. The cathedral of consumption. The place of peregrination for the fervent consumer. A sacred space that integrates the user in the dominant culture. A temple, where time itself has stopped existing. In this paroxysm, an expression of the Garden of Eden or Paradise itself. A space where the height, the natural daylight and the spatial dimension reinforce the sacred character of a new lay religion. Another common perception is that of a protected area, which leads to metaphors and considerations that suggest the idea of maternal womb, with its weight of erotic meaning, referring to the encounter of the shopper making a purchase. The literature also tells us about its perception as a sterile space capsule, a black hole that absorbs all cultural energy. Likewise, a world simulation where a mock city is perceived at first instance. Consistent with all that shopping triggers inside. A city, a space conceived as a place of dreams, fantasy, where the products have been metamorphosed into fetishes. Entertaining a television, three-dimensional television, where the user acts guided by a drive similar to zapping. A play area where the latest fascination is in the act of buying. Space simulations that unite and transcend creating atmospheres that lead to reverie. A new space replacing the daily space with the lure of safe space in a public context. A hyper-reality space with reality and fantasy, where borders are erased with imaginary episodes of confusion and bewilderment, without distinction. The charm and fascination of a space that reads like magic. The magic of a space which is defined as stage extravaganza, the large theatre, the consumer surveys in the fine control mode in which you visit a national monument. The shopping center has to survive the times to be a testimony of our time. An icon, a symbol that conveys a message, the message reads ‘consumer’. In short, a Shopping Center is a mix of unprecedented insights that speak of a widespread phenomenon of bewilderment. Its space and the reactions of contemporary man unfold in it like a fish in water. What are the key aspects which allow us to recognize the essential quality of a shopping center in this concurrence of perplexities? First, we want to record a service function of space much deeper than the immediately obvious, i.e. a purchase occurs. A building that appears to be involved with the environment and its people from the hand of the unexpected circumstances; surprise and attention. And that, in turn, also involves the visitor beyond the purchase. This dedication to service closely links the mall with its architectural nature. It is not the function of a lifeless machine. It is a feature that suggests unsuspected perceptions linked to the purchase, which speaks of an organism that lives and breathes in unison with the visitor. Second, in addition to the vocation of service-oriented desire for consumption, the Mall environment serves a particular society - The consumer society. A new society which relates to building a sense of community developed to the level of their desires. This community also constitutes the most powerful asset to the success of the daily life of the Shopping Center. Third, we emphasize that the so called economy of the experience is combined with the consumer zeal of a company that is identified by the Shopping Center. It connects to form a holistic and planned experience. This experience takes shape in the entity that ensues from the premeditated association and synergy, in the sense of a collaboration for success. A set of concrete commercial and independent establishments, take part in the spatial and commercial adventure that is the Mall and they are the instigators of the consumption. This holistic behavior finds culmination in the amplification of a claim that becomes unitary, like an immense force that leads to an increased profitability to all the levels. Consummation is a reference of one human being overturned in an architecture assimilated into a legitimate, emotional design with stability. A holistic quality is born of the essence of the building - and by virtue of the Conditions of Alexander, Christopher Alexander, determines the system condition of the Shopping Center. Fourth, we propose to establish what character the Mall will form when joined with the concept of its typology. This is going to allow the architectural work to be formed. As a result of the holistic structure that we see, the Mall is perceived as a system whose parts have their own function, justifying their existence in the ecosystem. Across a gestalt there is a powerful capacity of communication between the system and its context. We visualize on the one that stands out our building, turning both, Center and environment, in accomplices of a few special relations who complement each other in his realities. This relationship within a complex and diverse environment gives the Mall a range of unique spatial perceptions, the result of disparate experiences, which because of its root origin of gestalt, are integrated into a unified and coordinated manner fully intelligible and organized. This is the final formal essence of the Shopping Center. We can conclude here that the Mall as architecture is a structured system and should be perceived as a unit both from a physical and spatial perspective as this is the essence of its architecture. Fifth, the Mall as a system. A system which is being supported by a broad theoretical corpus, the General Systems Theory, which offers sufficient methodology to descend into consideration and give an enlightened conclusion on the overall understanding of the Mall. Consideration of the Mall as a system is a result of its holistic structure. The whole does not behave like any of the parties and they do not behave the way they used to before belonging to the whole, because they inhibit many of their qualities to their advantage. It arises the need for an ongoing dialogue between marketing processes and its translation into the physical world, the design. The system generates multiple perceptions to be integrated into a body which is to be understood as unitary. As a system, the Mall is inserted into the contemporary paradigm, creating dual realities that are not exclusive and are reactions of uncertainty that the system be properly designed at all levels, faced with their ability to self-regulate. Likewise, considering the visitor, the customer, like the quantum spectator who interacts with the system permanently. Moreover, a complex system confronts us with the Commercial mix, the effective location of parts in order to relate to the body and its importance in the architecture we are conceiving. Unpredictable architecture, which stands as the challenge of the operation and the designer. Design that becomes the tool of the system to create success for the overall operation. The discussion of the styling is merely the result of analysis that also seeks the success of the system, i.e. the styling should send the right message for the environment to ensure its survival. Sixth, the idea of negotiation as an architecture project, a mechanism inherent to the status of the proposed system. The project solution is never evident at the Shopping Center because of the unpredictability of the process itself. It can only be the fruit of the commitment of all stakeholders to achieve the objective of the operation. This is achieved from the balance of interests, of commercial and design. A commitment to negotiation and a negotiation linked to coordination. The pursuit of stability is key, as instability is always present and constantly requires strategies to build the object you are configuring. Seventh, proposes space-time itself as a circumstance that determines and structures the perception of the Mall in a singular way. We introduce concepts as chronotope and paradox to help us place the relationship between time and space within the Mall in the context of shopping. A consequence of the parallel flow of historical time - the time outside - and the time inside the Mall, the big shopping center formula is precisely that of having the feeling of timelessness in the space. The social triumph of the mall is the ability to resolve in space and in time all postmodern paradoxes and, beyond that, of contemporary man, condensing into a small space and time an enormous amount of cultural symbols, often contradictory, but they attract the practice of consumerism. Eighth, global level. Globalization which doesn’t ignore the local level. Architecture that is inserted into the dynamics of a global economy, reflects the contradictions that it imposes, mainly in the processes of inclusion and exclusion. Inclusion and exclusion affect the debate of the local level, which the Mall must incorporate as an unavoidable tool of recognition. The eight fundamental principles, when applied as a whole, confirm that the built heritage, which corresponds to the general Mall idea, can be presented as a cohesive conceptual whole. This becomes part of a coherent architectural family, whose functional structures are able to be established. The Third chapter presents in a detailed way the figure of the architect Victor Gruen, recognized as the creator of the modern Mall. Studying his professional experience, it is shown how the different keys analyzed in previous chapters are appearing in a natural way. "Victor Gruen may well have been the most influential architect of the twentieth century." Malcolm Gladwell. The Terrazo Jungle. Fifty Years Ago, The Mall Was Born. America Never Would Be The Same. 2004. In The New Yorker. He was a complex, troubled man and the paradoxes along his career were notable. Nevertheless, always he appeared as a straight man. Garret Eckbo, the recognized landscape painter and collaborator of Gruen was astonished how Gruen had been capable of combining comity and humanity in this career of rates, into that the American commercialization turned, Johnson, in 1962, weighting many Gruen's skills demonstrated that he was not sure if anyone of them, architects artists, had been capable of doing what Gruen did. He goes beyond just the creation of a beautiful building. In playing on people and suggesting what they ought to do, he is a master. (…) his architecture is clean - hardly architecture, no flights of fancy. But when you get hold of its complexity, you've got something beyond the design... You can't say there's someone like him. Architecture is lucky to have him as an architect." Philip Johnson. Article in Fortune Review. 1962. The Document of the thesis closes with Gruen's vision of realizing a tour through the different chapters of his essential book, Shopping towns USA: The Planning of Shopping Centers. It’s mere index turns out to be a monument to the process of the gestation of the Mall. The book, simply acted in its basic structure as a silent witness, as the canonical reference for the contemporary Malls. The Fourth Chapter of the Document of the thesis is a recapitulation of the previous work, which synthesizes the concepts of function and style related to the Shopping Center, and clearly defines how they are defined so we can conclude that we have found an architectural new type in the panorama of the architectural discipline. Therefore, the Conclusion of the thesis integrates this development in a theoretical body of references that relate to an architectural specific and particular type, which receives the singularity of the Shopping Center as an architectural independent phenomenon as it has tried to demonstrate from the beginning of the work. To conclude, as a result of the integrative process and the development of the theoretical body of references, the essential characteristics of the order and concept of the architectural typology form the existence of a new architecture; architecture never before defined as such, in the theoretical typology of the discipline. A theoretical typology for a new architecture is proposed throughout the discussed research and forms a conclusion of the different parameters that have been analysed. As a building complex, from the study of the essential characteristics and of the perceptible constants, the typology is more clearly defined and thus, becomes a useful tool and precedent for the consideration of the discipline. The thesis then justifies how the building complex known as Shopping Center constitutes a new type of architectural typology.

A methodology to estimate uncertainty for emission projections through sensitivity analysis

Air pollution abatement policies must be based on quantitative information on current and future emissions of pollutants. As emission projections uncertainties are inevitable and traditional statistical treatments of uncertainty are highly time/resources consuming, a simplified methodology for nonstatistical uncertainty estimation based on sensitivity analysis is presented in this work. The methodology was applied to the “with measures” scenario for Spain, concretely over the 12 highest emitting sectors regarding greenhouse gas and air pollutants emissions. Examples of methodology application for two important sectors (power plants, and agriculture and livestock) are shown and explained in depth. Uncertainty bands were obtained up to 2020 by modifying the driving factors of the 12 selected sectors and the methodology was tested against a recomputed emission trend in a low economic-growth perspective and official figures for 2010, showing a very good performance. Implications: A solid understanding and quantification of uncertainties related to atmospheric emission inventories and projections provide useful information for policy negotiations. However, as many of those uncertainties are irreducible, there is an interest on how they could be managed in order to derive robust policy conclusions. Taking this into account, a method developed to use sensitivity analysis as a source of information to derive nonstatistical uncertainty bands for emission projections is presented and applied to Spain. This method simplifies uncertainty assessment and allows other countries to take advantage of their sensitivity analyses.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.