The Discontinuous Nature of Kriging Interpolation for Digital Terrain Modeling

Kriging is a widely employed method for interpolating and estimating elevations from digital elevation data. Its place of prominence is due to its elegant theoretical foundation and its convenient practical implementation. From an interpolation point of view, kriging is equivalent to a thin-plate spline and is one species among the many in the genus of weighted inverse distance methods, albeit with attractive properties. However, from a statistical point of view, kriging is a best linear unbiased estimator and, consequently, has a place of distinction among all spatial estimators because any other linear estimator that performs as well as kriging (in the least squares sense) must be equivalent to kriging, assuming that the parameters of the semivariogram are known. Therefore, kriging is often held to be the gold standard of digital terrain model elevation estimation. However, I prove that, when used with local support, kriging creates discontinuous digital terrain models, which is to say, surfaces with “rips” and “tears” throughout them. This result is general; it is true for ordinary kriging, kriging with a trend, and other forms. A U.S. Geological Survey (USGS) digital elevation model was analyzed to characterize the distribution of the discontinuities. I show that the magnitude of the discontinuity does not depend on surface gradient but is strongly dependent on the size of the kriging neighborhood.

Construcción de repositorios institucionales open source con Software Greenstone

Se aborda la construcción de repositorios institucionales open source con Software Greenstone. Se realiza un recorrido teórico y otro modélico desarrollando en él una aplicación práctica. El primer recorrido, que constituye el marco teórico, comprende una descripción, de: la filosofía open access (acceso abierto) y open source (código abierto) para la creación de repositorios institucionales. También abarca en líneas generales las temáticas relacionadas al protocolo OAI, el marco legal en lo que hace a la propiedad intelectual, las licencias y una aproximación a los metadatos. En el mismo recorrido se abordan aspectos teóricos de los repositorios institucionales: acepciones, beneficios, tipos, componentes intervinientes, herramientas open source para la creación de repositorios, descripción de las herramientas y finalmente, la descripción ampliada del Software Greenstone; elegido para el desarrollo modélico del repositorio institucional colocado en un demostrativo digital. El segundo recorrido, correspondiente al desarrollo modélico, incluye por un lado el modelo en sí del repositorio con el Software Greenstone; detallándose aquí uno a uno los componentes que lo conforman. Es el insumo teórico-práctico para el diseño -paso a paso- del repositorio institucional. Por otro lado, se incluye el resultado de la modelización, es decir el repositorio creado, el cual es exportado en entorno web a un soporte digital para su visibilización. El diseño del repositorio, paso a paso, constituye el núcleo sustantivo de aportes de este trabajo de tesina

Construcción de repositorios institucionales open source con Software Greenstone

Se aborda la construcción de repositorios institucionales open source con Software Greenstone. Se realiza un recorrido teórico y otro modélico desarrollando en él una aplicación práctica. El primer recorrido, que constituye el marco teórico, comprende una descripción, de: la filosofía open access (acceso abierto) y open source (código abierto) para la creación de repositorios institucionales. También abarca en líneas generales las temáticas relacionadas al protocolo OAI, el marco legal en lo que hace a la propiedad intelectual, las licencias y una aproximación a los metadatos. En el mismo recorrido se abordan aspectos teóricos de los repositorios institucionales: acepciones, beneficios, tipos, componentes intervinientes, herramientas open source para la creación de repositorios, descripción de las herramientas y finalmente, la descripción ampliada del Software Greenstone; elegido para el desarrollo modélico del repositorio institucional colocado en un demostrativo digital. El segundo recorrido, correspondiente al desarrollo modélico, incluye por un lado el modelo en sí del repositorio con el Software Greenstone; detallándose aquí uno a uno los componentes que lo conforman. Es el insumo teórico-práctico para el diseño -paso a paso- del repositorio institucional. Por otro lado, se incluye el resultado de la modelización, es decir el repositorio creado, el cual es exportado en entorno web a un soporte digital para su visibilización. El diseño del repositorio, paso a paso, constituye el núcleo sustantivo de aportes de este trabajo de tesina

Torque control of switched reluctance motors

This paper presents the performance of an instantaneous torque control method. The simulation and experimental results illustrate the capability of Switched Reluctance Motors (SRM) being used in the motor drive industry. Based on experimental data, the advantages of this control method and its disadvantages in practical implementation were studied. The model used in the simulation is the linear magnetic model which has the 12/8 structure, the same structure as the experimental switched reluctance motor.

The &-prolog system: Exploiting independent and-parallelism

The &-Prolog system, a practical implementation of a parallel execution niodel for Prolog exploiting strict and non-strict independent and-parallelism, is described. Both automatic and manual parallelization of programs is supported. This description includes a summary of the system's language and architecture, some details of its execution model (based on the RAP-WAM model), and data on its performance on sequential workstations and shared memory multiprocessors, which is compared to that of current Prolog systems. The results to date show significant speed advantages over state-of-the-art sequential systems.

Do charges to freight trucks and trains in the European Union reflect their social marginal costs? Application to the case of Spain

In the last few years, the European Union (EU) has become greatly concerned about the environmental costs of road transport in Europe as a result of the constant growth in the market share of trucks and the steady decline in the market share of railroads. In order to reverse this trend, the EU is promoting the implementation of additional charges for heavy goods vehicles (HGV) on the trunk roads of the EU countries. However, the EU policy is being criticised because it does not address the implementation of charges to internalise the external costs produced by automobiles and other transport modes such as railroad. In this paper, we first describe the evolution of the HGV charging policy in the EU, and then assess its practical implementation across different European countries. Second, and of greater significance, by using the case study of Spain, we evaluate to what extent the current fees on trucks and trains reflect their social marginal costs, and consequently lead to an allocative-efficient outcome. We found that for the average case in Spain the truck industry meets more of the marginal social cost produced by it than does the freight railroad industry. The reason for this lies in the large sums of money paid by truck companies in fuel taxes, and the subsidies that continue to be granted by the government to the railroads.

Understanding intermediate-band solar cells

The intermediate-band solar cell is designed to provide a large photogenerated current while maintaining a high output voltage. To make this possible, these cells incorporate an energy band that is partially filled with electrons within the forbidden bandgap of a semiconductor. Photons with insufficient energy to pump electrons from the valence band to the conduction band can use this intermediate band as a stepping stone to generate an electron-hole pair. Nanostructured materials and certain alloys have been employed in the practical implementation of intermediate-band solar cells, although challenges still remain for realizing practical devices. Here we offer our present understanding of intermediate-band solar cells, as well as a review of the different approaches pursed for their practical implementation. We also discuss how best to resolve the remaining technical issues.

Provisos for classic linear oscillator design methods. New linear oscillator design based on the NDF/RRT

In this paper, the classic oscillator design methods are reviewed, and their strengths and weaknesses are shown. Provisos for avoiding the misuse of classic methods are also proposed. If the required provisos are satisfied, the solutions provided by the classic methods (oscillator start-up linear approximation) will be correct. The provisos verification needs to use the NDF (Network Determinant Function). The use of the NDF or the most suitable RRT (Return Relation Transponse), which is directly related to the NDF, as a tool to analyze oscillators leads to a new oscillator design method. The RRT is the "true" loop-gain of oscillators. The use of the new method is demonstrated with examples. Finally, a comparison of NDF/RRT results with the HB (Harmonic Balance) simulation and practical implementation measurements prove the universal use of the new methods.

Hairpin lengthening: algorithmic results.

We consider here a new variant of the hairpin completion, called hairpin lengthening, which seems more appropriate for practical implementation. The variant considered here concerns the lengthening of the word that forms a hairpin structure, such that this structure is preserved, without necessarily completing the hairpin. Although our motivation is based on biological phenomena, the present paper is more about some algorithmic properties of this operation. Finally, we propose an algorithm for computing the hairpin lengthening distance between two words in quadratic time.

Aprendizaje multimedia en inglés: Análisis de circuitos

Este proyecto tiene como objetivo facilitar el aprendizaje multimedia en inglés de los conceptos básicos relacionados con el análisis de circuitos para los alumnos de grado de la nuestra escuela, en especial para los de nuevo ingreso. El aprendizaje será realizado directamente en inglés, cumpliendo así el doble objetivo: por un lado el de abordar unos conceptos nuevos para el alumno de ingeniería y, además, el poder hacerlo en inglés, lo que le servirá para llegar a mejorar su nivel de competencia en la lengua extranjera, o al menos mantenerlo. El proyecto realizado tiene varios apartados. En primer lugar, un apartado didáctico en el que se exponen los conceptos básicos sobre el análisis de circuitos que se quieren explicar, siempre orientados al aprendizaje de inglés. Para abordar estos nuevos temas de un modo didáctico y que incite al autoaprendizaje, se recurrirá a la tecnología y por medio de vídeos e imágenes y actividades didácticas multimedia se podrá afrontar la asignatura con facilidad e interés para captar los conceptos en una lengua extranjera. Se han diseñado actividades para la práctica de: la audición, con dictado y asociación de sonidos con palabras; de la comprensión lectora y adquisición de vocabulario, con ejercicios de rellenar huecos y emparejar definiciones. Las actividades se han adaptado a la plataforma Moodle para obtener la retroalimentación de los alumnos, si se desea. El apartado de aprendizaje se complementará con un glosario específico y alfabéticamente ordenado donde también dispondremos de la transcripción fonética de cada una de las palabras incluidas en el mismo. Para llegar a conseguir el objetivo didáctico se ha diseñado un sitio web capaz de albergar todo el contenido anterior. Abstract The main objective of this Project has been to facilitate a multimedia resource for learning in English the basic concepts related to circuit analysis. The final product is directly addressed to the undergraduate students at a Telecommunications School, the EUITT from Universidad Politécnica de Madrid. Learning technical notions directly in English serves the students to reach the double purpose of not only acquiring a number of new concepts but also improving their proficiency in the foreign language or keeping up with their level of English through their studies. The project has several sections. There is a didactic section which explains the basic concepts using videos and images in order to approach the subject with ease and interest. This part is supplemented with a glossary in alphabetic order provided with the phonetics of the English words and some multimedia exercises for practicing different skills mainly listening, reading, and using technical vocabulary in English. All these activities have been adapted to the platform Moodle so that the students results can be assessed, if convenient. On the other hand, the practical implementation of the Project has consisted of designing a website capable of including all of the points mentioned above.

La financiación y la inversión inmobiliaria : repercusiones en el urbanismo y la arquitectura

El presente trabajo de tesis doctoral tiene por finalidad demostrar que las decisiones de financiación y de inversión inmobiliaria en España influyen de manera determinante en la configuración del proceso urbanístico y arquitectónico. Este planteamiento inicial obliga a formular las siguientes cuestiones: - En una primera fase, la situación en España del sector inmobiliario y su relación con el sector financiero en el contexto de la actual crisis financiera, iniciada en el año 2008. - Los métodos de análisis y selección de inversiones y su aplicación a los proyectos de inversión en función de la naturaleza de los activos inmobiliarios. - La valoración inmobiliaria para determinadas entidades financieras. - Características de la gestión financiera empresarial y de las empresas inmobiliarias. - El origen de fondos para financiar el proceso urbanístico y arquitectónico mediante las instituciones de inversión colectiva inmobiliaria y el mercado inmobiliario. - La regulación actual en España, a nivel estatal, del suelo como materia prima del sector inmobiliario. - La edificación residencial y el mercado inmobiliario en el actual contexto económico. - La posibilidad de crear en España un mercado de derivados basado en activos inmobiliarios. - Cómo repercute la actividad económica, a través de la inversión y la financiación, en los activos inmobiliarios, en el urbanismo y la arquitectura. Las cuestiones precedentes se resuelven de forma sistemática y metodológica en esta tesis doctoral estructurada en tres grandes bloques (inversión, financiación y repercusiones en el urbanismo y la arquitectura), obteniendo una serie de respuestas reflejadas en el desarrollo del presente trabajo que se sintetizan en las siguientes líneas: - La actual crisis financiera iniciada en el año 2008 ha provocado en España el colapso del sector inmobiliario y una nueva concepción en la naturaleza de los activos inmobiliarios. El sector inmobiliario trae causa del sector financiero, en especial del crédito bancario. - Dependencia y vinculación del sector inmobiliario español de la política monetaria europea: la incorporación de España a la moneda única transforma por completo el sector inmobiliario español. - Los métodos de análisis y selección de inversiones se conforman como instrumentos relevantes que nos permiten jerarquizar nuestros proyectos. No obstante, presentan una serie de limitaciones y dificultades de aplicación práctica, por lo que no deben considerarse como herramientas que nos aporten una única solución irrefutable. - La valoración de activos inmobiliarios se constituye en un pilar básico que fundamenta la correcta aplicación de los fondos. - La inversión en activos inmobiliarios puede realizarse de forma directa o indirecta. En este último supuesto, con una influencia relevante de las innovaciones financieras surgidas en los últimos años. - Las instituciones de inversión colectiva y el mercado hipotecario constituyen instituciones fundamentales capaces de captar importantes cantidades de fondos que impulsan y financian el proceso urbanístico y arquitectónico. - El complejo y cambiante sistema jurídico español en materia de suelo, dificulta la implementación de los procesos urbanísticos y arquitectónicos. - Tras la crisis financiera de 2008, los activos inmobiliarios tienen un comportamiento similar a otros activos en cuanto a subidas y bajadas de precios. En el actual sistema económico, la especulación forma parte inherente a la naturaleza de los activos inmobiliarios. - Desde una perspectiva teórica, existe la posibilidad de crear un mercado de derivados que tenga como subyacente activos de naturaleza inmobiliaria. - Sin actividad económica, el proceso urbanístico y arquitectónico carecerá finalmente de sentido y tenderá a desaparecer. No obstante, son las innovaciones tecnológicas, a nivel de producto y proceso, las principales causantes del impulso de la actividad económica. - A pesar de lo expresado en los documentos urbanísticos internacionales, la transformación del urbanismo y la arquitectura dependen principalmente de la actividad económica y la tecnología. En un segundo nivel, la inversión y la financiación condicionan y definen el urbanismo y la arquitectura, incluso a nivel de proyecto si se pretende su materialización. En base al desarrollo previo, el objetivo fundamental de esta tesis doctoral ha sido demostrar que las decisiones de financiación y de inversión tienen una importancia capital y determinan la configuración de los activos inmobiliario, del urbanismo y la arquitectura, por lo que deben ser tenidas en cuenta no sólo en su materialización sino incluso en la propia concepción del proceso creativo. ABSTRACT The present dissertation aims to show that real estate financing and investment decisions in Spain play a predominant role in structuring urban development and architectural solutions. The issues addressed to support that contention include: - As a preliminary study, the situation of the real estate industry in Spain and its relationship to the financial sector in the context of the 2008 financial crisis. - The methods used to analyse and select investments and their application to investment projects, by type of real estate asset. - Appraisal of certain financial institutions’ real estate asset holdings. - Characteristics of financial institution and real estate company corporate management. - Sourcing funds for financing urban development and architecture through real estate investment trusts and the real estate market. - Present nation-wide regulations on landed property in Spain as a raw material for the real estate industry. - Residential building construction and the real estate market in the present economic context. - The possibility of creating a real estate asset-based derivatives market in Spain - The impact of economic activity, through investment and financing, on real estate assets, urban development and architecture. The aforementioned issues are addressed systematically and methodically in this dissertation, which is divided into three major units: investment, financing, and impact on urban development and architecture. The conclusions drawn are summarised below. - The financial crisis that began in 2008 has induced the collapse of the Spanish real estate industry and spawned a new perception of the nature of real estate assets. The real estate industry is dependent upon the financial sector, in particular on bank loans. - The Spanish real estate industry also depends on and is related to European monetary policy: Spain’s adherence to the single currency ushered in a thorough overhaul of its real estate industry. - Investment analysis and selection methods constitute highly suitable tools for project evaluation and ranking. Nonetheless, inasmuch as their practical implementation is subject to a series of limitations and difficulties, they should not be thought able to deliver a single irrefutable solution. - Real estate asset appraisal is a mainstay to the rightful application of funds. - Real estate asset investments can be made directly or indirectly. The latter approach is heavily influenced by the financial innovations forthcoming in recent years. - Investment trusts and the mortgage market are key institutions able to raise substantial funding, thereby driving and financing urban development and architecture. - Spain’s complex and changing legal provisions on land management are an obstacle to urban development and architecture. - Since the 2008 crisis, real estate assets have behaved much like other assets in terms of rising and falling prices. In the present economic context, speculation is indivisible from real estate assets. - Theoretically speaking, a derivatives market with real estate holdings as the underlying assets lies within the realm of possibility. - In the absence of economic activity, urban development and architecture are senseless pursuits and tend to disappear. Technological innovation in products and processes are the main drivers of economic activity. - Despite the opinion expressed in international papers on the subject, the transformation of urban development and architecture depend primarily on economic activity and technology. In a second dimension, investment and financing condition and define urban development and architecture, even at the design level for projects aspiring to actual construction. Pursuant to the foregoing, the primary aim of this dissertation is to show that financial and investment decisions are of cardinal importance and determine the structure of real estate assets, urban development and architecture. They must consequently be borne in mind not only in connection with implementation, but also with conceptual design and the creative process itself. I

Conceptual design of the beryllium rotating target for the ESS-Bilbao facility

The ESS-Bilbao facility, hosted by the University of the Basque Country (UPV/EHU), envisages the operation of a high-current proton accelerator delivering beams with energies up to 50 MeV. The time-averaged proton current will be 2.25 mA, delivered by 1.5 ms proton pulses with a repetition rate of 20 Hz. This beam will feed a neutron source based upon the Be (p,n) reaction, which will enable the provision of relevant neutron experimentation capabilities. The neutron source baseline concept consists in a rotating beryllium target cooled by water. The target structure will comprise a rotatable disk made of 6061-T6 aluminium alloy holding 20 beryllium plates. Heat dissipation from the target relies upon a distribution of coolant-flow channels. The practical implementation of such a concept is here described with emphasis put on the beryllium plates thermo-mechanical optimization, the chosen coolant distribution system as well as the mechanical behavior of the assembly.

Laser Shock Micro-Forming as an Emerging Technique for Microsystems Shaping and Adjustment

Continuous and long-pulse lasers have been extensively used for the forming of metal sheets for macroscopic mechanical applications. However, for the manufacturing of Micro-Mechanical Systems (MMS), the applicability of such type of lasers is limited by the long relaxation time of the thermal fields responsible for the forming phenomena. As a consequence, the final sheet deformation state is attained only after a certain time, what makes the generated internal residual stress fields more dependent on ambient conditions and might difficult the subsequent assembly process. The use of short pulse (ns) lasers provides a suitable parameter matching for the laser forming of an important range of sheet components used in MEMS. The short interaction time scale required for the predominantly mechanic (shock) induction of deformation residual stresses allows the successful processing of components in a medium range of miniaturization (particularly important according to its frequent use in such systems). In the present paper, Laser Shock Micro-Forming (LSμF) is presented as an emerging technique for Microsystems parts shaping and adjustment along with a discussion on its physical foundations and practical implementation possibilities developed by the authors.

Development and experimental evaluation of a complete solar thermophotovoltaic system

We present a practical implementation of a solar thermophotovoltaic (TPV) system. The system presented in this paper comprises a sunlight concentrator system, a cylindrical cup-shaped absorber/emitter (made of tungsten coated with HfO2), and an hexagonal-shaped water-cooled TPV generator comprising 24 germanium TPV cells, which is surrounding the cylindrical absorber/emitter. This paper focuses on the development of shingled TPV cell arrays, the characterization of the sunlight concentrator system, the estimation of the temperature achieved by the cylindrical emitters operated under concentrated sunlight, and the evaluation of the full system performance under real outdoor irradiance conditions. From the system characterization, we have measured short-circuit current densities up to 0.95 A/cm2, electric power densities of 67 mW/cm2, and a global conversion efficiency of about 0.8%. To our knowledge, this is the first overall solar-to-electricity efficiency reported for a complete solar thermophotovoltaic system. The very low efficiency is mainly due to the overheating of the cells (up to 120 °C) and to the high optical concentrator losses, which prevent the achievement of the optimum emitter temperature. The loss analysis shows that by improving both aspects, efficiencies above 5% could be achievable in the very short term and efficiencies above 10% could be achieved with further improvements.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.