Personal space is a human’s imaginary system of precaution and an important concept for exploring territoriality, but between humans and technology because machinic agencies transfer, relocate, enact and reenact territorially. Literatures of territoriality, violence and affect are uniquely brought together, with chatbots as the research object to argue that their ongoing development as artificial agents, and the ambiguity of violence they can engender, have broader ramifications for a socio-technical research programme. These literatures help to understand the interrelation of virtual and actual spatiality relevant to research involving chatrooms and internet forums, automated systems and processes, as well as human and machine agencies; because all of these spaces, methods and agencies involve the personal sphere. The thesis is an ethical tale of cruel techno-science that is performed through conceptualisations from the creative arts, constituting a PhD by practice. This thesis chronicles four chatbots, taking into account interventions made in fine art, design, fiction and film that are omitted from a history of agent technology. The thesis re-interprets Edward Hall’s work on proxemics, personal space and territoriality, using techniques of the bricoleur and rudiments (an undeveloped and speculative method of practice), to understand chatbot techniques such as the pick-up, their entrapment logics, their repetitions of hateful speech, their nonsense talk (including how they disorientate spatial metaphors), as well as how developers switch on and off their learning functionality. Semi-structured interviews and online forum postings with chatbot developers were used to expand and reflect on the rudimentary method. To urge that this project is timely is itself a statement of anxiety. Chatbots can manipulate, exceed, and exhaust a human understanding of both space and time. Violence between humans and machines in online and offline spaces is explored as an interweaving of agency and spatiality. A series of rudiments were used to probe empirical experiments such as the Prisoner’s Dilemma (Tucker, 1950). The spatial metaphors of confinement as a parable of entrapment, are revealed within that logic and that of chatbots. The ‘Obedience to Authority’ experiments (Milgram, 1961) were used to reflect on the roles played by machines which are then reflected into a discussion of chatbots and the experiments done in and around them. The agency of the experimenter was revealed in the machine as evidenced with chatbots which has ethical ramifications. The argument of personal space is widened to include the ways machinic territoriality and its violence impacts on our ways of living together both in the private spheres of our computers and homes, as well as in state-regulated conditions (Directive-3, 2003). The misanthropic aspects of chatbot design are reflected through the methodology of designing out of fear. I argue that personal spaces create misanthropic design imperatives, methods and ways of living. Furthermore, the technological agencies of personal spaces have a confining impact on the transient spaces of the non-places in a wider discussion of the lift, chatroom and car. The violent origins of the chatbot are linked to various imaginings of impending disaster through visualisations, supported by case studies in fiction to look at the resonance of how anxiety transformed into terror when considering the affects of violence.

Cette thèse porte sur le monitorage des simulations de circuits en signaux mixtes. Dans le domaine de la vérification de matériel, l'utilisation de formalismes déclaratifs pour la specification, dans le cadre de la validation par simulation, s'est installée dans la pratique courante. Cependant, le manque de fonctionnalités visant à spécifier les comportements asynchrones, ou l'intégration insuffisante des résultats de la vérification, rend les language d'assertions et de mesures inopérants pour la vérification de comportements en signaux mixtes. Nous proposons des outils théoriques et pratiques pour la description et le monitorage de ces comportements, qui comportent des aspects à la fois discrets et continus. Pour cela, nous nous appuyons sur des travaux antérieurs portant sur les extensions temps-réel de la logique temporelle et des expressions régulières. Nous décrivons de nouveaux algorithmes pour calculer la distance entre une trace de simulation et une propriété en logique temporelle données. Une nouvelle procédure de diagnostic est conçue pour déboguer efficacement de telles traces. Le monitorage des comportements continus est ensuite étendu à d'autres formes d'assertions basées sur des expressions régulières. Ces expressions constituent la base de notre language de description de mesures, qui permet de définir conjointement la mesure et les intervals temporels sur lesquels cette mesure doit être prise. Nous montrons comment d'autres mesures, déjà mises en œuvre dans les simulateurs analogiques peuvent être importées dans les descriptions digitales. Ceci permet d'étendre vers le domaine en signaux mixtes les approches hiérarchiques utilisées en vérification de circuits digitaux. / This thesis is concerned with the monitoring of mixed-signal circuit simulations. In the field of hardware verification, the use of declarative property languages in combination with simulation is now standard practice. However the lack of features to specify asynchronous behaviors, or the insufficient integration of verification results, makes existing assertion and measurement languages unable to enforce mixed-signal requirements. We propose several theoretical and practical tools for the description and automatic monitoring of such behaviors, that feature both discrete and continuous aspects. For this we build on previous work on real-time extensions of temporal logic and regular expressions. We describe new algorithms to compute the distance from some simulation trace to temporal logic specifications, whose complexity is not higher than traditional monitoring. A novel diagnostic procedure is provided in order to efficiently debug such traces. The monitoring of continuous behaviors is then extended to other forms of assertions based on regular expressions. These expressions form the basis of our measurement language, that describes conjointly a measure and the patterns over which that measure should be taken. We show how other measurements implemented in analog circuits simulators can be ported to digital descriptions, this way extending structured verification approaches used for digital designs toward mixed-signal.

Vertical stacking—based on modern manufacturing and integration technologies—of multiple 2D chips enables three-dimensional integrated circuits (3D ICs). This exploitation of the third dimension is generally accepted for aiming at higher packing densities, heterogeneous integration, shorter interconnects, reduced power consumption, increased data bandwidth, and realizing highly-parallel systems in one device. However, the commercial acceptance of 3D ICs is currently behind its expectations, mainly due to challenges regarding manufacturing and integration technologies as well as design automation. This work addresses three selected, practically relevant design challenges: (i) increasing the constrained reusability of proven, reliable 2D intellectual property blocks, (ii) planning different types of (comparatively large) through-silicon vias with focus on their impact on design quality, as well as (iii) structural planning of massively-parallel, 3D-IC-specific interconnect structures during 3D floorplanning. A key concept of this work is to account for interconnect structures and their properties during early design phases in order to support effective and high-quality 3D-IC-design flows. To tackle the above listed challenges, modular design-flow extensions and methodologies have been developed. Experimental investigations reveal the effectiveness and efficiency of the proposed techniques, and provide findings on 3D integration with particular focus on interconnect structures. We suggest consideration of these findings when formulating guidelines for successful 3D-IC design automation. / Dreidimensional integrierte Schaltkreise (3D-ICs) beruhen auf neuartigen Herstellungs- und Integrationstechnologien, wobei vor allem “klassische” 2D-ICs vertikal zu einem neuartigen 3D-System gestapelt werden. Dieser Ansatz zur Erschließung der dritten Dimension im Schaltkreisentwurf ist nach Expertenmeinung dazu geeignet, höhere Integrationsdichten zu erreichen, heterogene Integration zu realisieren, kürzere Verdrahtungswege zu ermöglichen, Leistungsaufnahmen zu reduzieren, Datenübertragungsraten zu erhöhen, sowie hoch-parallele Systeme in einer Baugruppe umzusetzen. Aufgrund von technologischen und entwurfsmethodischen Schwierigkeiten bleibt jedoch bisher die kommerzielle Anwendung von 3D-ICs deutlich hinter den Erwartungen zurück. In dieser Arbeit werden drei ausgewählte, praktisch relevante Problemstellungen der Entwurfsautomatisierung von 3D-ICs bearbeitet: (i) die Verbesserung der (eingeschränkten) Wiederverwendbarkeit von zuverlässigen 2D-Intellectual-Property-Blöcken, (ii) die komplexe Planung von verschiedenartigen, verhältnismäßig großen Through-Silicion Vias unter Beachtung ihres Einflusses auf die Entwurfsqualität, und (iii) die strukturelle Einbindung von massiv-parallelen, 3D-IC-spezifischen Verbindungsstrukturen während der Floorplanning-Phase. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Verbindungsstrukturen mit deren wesentlichen Eigenschaften bereits in den frühen Phasen des Entwurfsprozesses zu berücksichtigen. Dies begünstigt einen qualitativ hochwertigen Entwurf von 3D-ICs. Die in dieser Arbeit vorgestellten modularen Entwurfsprozess-Erweiterungen bzw. -Methodiken dienen zur effizienten Lösung der oben genannten Problemstellungen. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die Wirksamkeit sowie die Effektivität der erarbeiten Methoden. Darüber hinaus liefern sie praktische Erkenntnisse bezüglich der Anwendung von 3D-ICs und der Planung deren Verbindungsstrukturen. Diese Erkenntnisse sind zur Ableitung von Richtlinien für den erfolgreichen Entwurf von 3D-ICs dienlich.

This dissertation describes the development, design, implementation and evaluation of a data acquisition system, with the main aim of using it for data collection on a laboratory pilot ball mill. An open-source prototype hardware platform was utilised in the implementation of the data acquisition function, however, with limitations. An analogue signal conditioning card has been successfully developed to interface the analogue signals to the dual domain ADC module. Model-based software development was used to design and develop the algorithms to control the DAS acquisition process, but with limited capabilities. A GUI application has been developed and used for the collection and storage of the raw data on the host system. The DAS prototype was calibrated and collected data successfully through all the channels; however, the input signal bandwidth was limited to 2Hz. / Electrical and Mining Engineering / M. Tech. (Electrical Engineering)

Vertical stacking—based on modern manufacturing and integration technologies—of multiple 2D chips enables three-dimensional integrated circuits (3D ICs). This exploitation of the third dimension is generally accepted for aiming at higher packing densities, heterogeneous integration, shorter interconnects, reduced power consumption, increased data bandwidth, and realizing highly-parallel systems in one device. However, the commercial acceptance of 3D ICs is currently behind its expectations, mainly due to challenges regarding manufacturing and integration technologies as well as design automation. This work addresses three selected, practically relevant design challenges: (i) increasing the constrained reusability of proven, reliable 2D intellectual property blocks, (ii) planning different types of (comparatively large) through-silicon vias with focus on their impact on design quality, as well as (iii) structural planning of massively-parallel, 3D-IC-specific interconnect structures during 3D floorplanning. A key concept of this work is to account for interconnect structures and their properties during early design phases in order to support effective and high-quality 3D-IC-design flows. To tackle the above listed challenges, modular design-flow extensions and methodologies have been developed. Experimental investigations reveal the effectiveness and efficiency of the proposed techniques, and provide findings on 3D integration with particular focus on interconnect structures. We suggest consideration of these findings when formulating guidelines for successful 3D-IC design automation.:1 Introduction 1.1 The 3D Integration Approach for Electronic Circuits 1.2 Technologies for 3D Integrated Circuits 1.3 Design Approaches for 3D Integrated Circuits 2 State of the Art in Design Automation for 3D Integrated Circuits 2.1 Thermal Management 2.2 Partitioning and Floorplanning 2.3 Placement and Routing 2.4 Power and Clock Delivery 2.5 Design Challenges 3 Research Objectives 4 Planning Through-Silicon Via Islands for Block-Level Design Reuse 4.1 Problems for Design Reuse in 3D Integrated Circuits 4.2 Connecting Blocks Using Through-Silicon Via Islands 4.2.1 Problem Formulation and Methodology Overview 4.2.2 Net Clustering 4.2.3 Insertion of Through-Silicon Via Islands 4.2.4 Deadspace Insertion and Redistribution 4.3 Experimental Investigation 4.3.1 Wirelength Estimation 4.3.2 Configuration 4.3.3 Results and Discussion 4.4 Summary and Conclusions 5 Planning Through-Silicon Vias for Design Optimization 5.1 Deadspace Requirements for Optimized Planning of Through-Silicon Vias 5.2 Multiobjective Design Optimization of 3D Integrated Circuits 5.2.1 Methodology Overview and Configuration 5.2.2 Techniques for Deadspace Optimization 5.2.3 Design-Quality Analysis 5.2.4 Planning Different Types of Through-Silicon Vias 5.3 Experimental Investigation 5.3.1 Configuration 5.3.2 Results and Discussion 5.4 Summary and Conclusions 6 3D Floorplanning for Structural Planning of Massive Interconnects 6.1 Block Alignment for Interconnects Planning in 3D Integrated Circuits 6.2 Corner Block List Extended for Block Alignment 6.2.1 Alignment Encoding 6.2.2 Layout Generation: Block Placement and Alignment 6.3 3D Floorplanning Methodology 6.3.1 Optimization Criteria and Phases and Related Cost Models 6.3.2 Fast Thermal Analysis 6.3.3 Layout Operations 6.3.4 Adaptive Optimization Schedule 6.4 Experimental Investigation 6.4.1 Configuration 6.4.2 Results and Discussion 6.5 Summary and Conclusions 7 Research Summary, Conclusions, and Outlook Dissertation Theses Notation Glossary Bibliography / Dreidimensional integrierte Schaltkreise (3D-ICs) beruhen auf neuartigen Herstellungs- und Integrationstechnologien, wobei vor allem “klassische” 2D-ICs vertikal zu einem neuartigen 3D-System gestapelt werden. Dieser Ansatz zur Erschließung der dritten Dimension im Schaltkreisentwurf ist nach Expertenmeinung dazu geeignet, höhere Integrationsdichten zu erreichen, heterogene Integration zu realisieren, kürzere Verdrahtungswege zu ermöglichen, Leistungsaufnahmen zu reduzieren, Datenübertragungsraten zu erhöhen, sowie hoch-parallele Systeme in einer Baugruppe umzusetzen. Aufgrund von technologischen und entwurfsmethodischen Schwierigkeiten bleibt jedoch bisher die kommerzielle Anwendung von 3D-ICs deutlich hinter den Erwartungen zurück. In dieser Arbeit werden drei ausgewählte, praktisch relevante Problemstellungen der Entwurfsautomatisierung von 3D-ICs bearbeitet: (i) die Verbesserung der (eingeschränkten) Wiederverwendbarkeit von zuverlässigen 2D-Intellectual-Property-Blöcken, (ii) die komplexe Planung von verschiedenartigen, verhältnismäßig großen Through-Silicion Vias unter Beachtung ihres Einflusses auf die Entwurfsqualität, und (iii) die strukturelle Einbindung von massiv-parallelen, 3D-IC-spezifischen Verbindungsstrukturen während der Floorplanning-Phase. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Verbindungsstrukturen mit deren wesentlichen Eigenschaften bereits in den frühen Phasen des Entwurfsprozesses zu berücksichtigen. Dies begünstigt einen qualitativ hochwertigen Entwurf von 3D-ICs. Die in dieser Arbeit vorgestellten modularen Entwurfsprozess-Erweiterungen bzw. -Methodiken dienen zur effizienten Lösung der oben genannten Problemstellungen. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die Wirksamkeit sowie die Effektivität der erarbeiten Methoden. Darüber hinaus liefern sie praktische Erkenntnisse bezüglich der Anwendung von 3D-ICs und der Planung deren Verbindungsstrukturen. Diese Erkenntnisse sind zur Ableitung von Richtlinien für den erfolgreichen Entwurf von 3D-ICs dienlich.:1 Introduction 1.1 The 3D Integration Approach for Electronic Circuits 1.2 Technologies for 3D Integrated Circuits 1.3 Design Approaches for 3D Integrated Circuits 2 State of the Art in Design Automation for 3D Integrated Circuits 2.1 Thermal Management 2.2 Partitioning and Floorplanning 2.3 Placement and Routing 2.4 Power and Clock Delivery 2.5 Design Challenges 3 Research Objectives 4 Planning Through-Silicon Via Islands for Block-Level Design Reuse 4.1 Problems for Design Reuse in 3D Integrated Circuits 4.2 Connecting Blocks Using Through-Silicon Via Islands 4.2.1 Problem Formulation and Methodology Overview 4.2.2 Net Clustering 4.2.3 Insertion of Through-Silicon Via Islands 4.2.4 Deadspace Insertion and Redistribution 4.3 Experimental Investigation 4.3.1 Wirelength Estimation 4.3.2 Configuration 4.3.3 Results and Discussion 4.4 Summary and Conclusions 5 Planning Through-Silicon Vias for Design Optimization 5.1 Deadspace Requirements for Optimized Planning of Through-Silicon Vias 5.2 Multiobjective Design Optimization of 3D Integrated Circuits 5.2.1 Methodology Overview and Configuration 5.2.2 Techniques for Deadspace Optimization 5.2.3 Design-Quality Analysis 5.2.4 Planning Different Types of Through-Silicon Vias 5.3 Experimental Investigation 5.3.1 Configuration 5.3.2 Results and Discussion 5.4 Summary and Conclusions 6 3D Floorplanning for Structural Planning of Massive Interconnects 6.1 Block Alignment for Interconnects Planning in 3D Integrated Circuits 6.2 Corner Block List Extended for Block Alignment 6.2.1 Alignment Encoding 6.2.2 Layout Generation: Block Placement and Alignment 6.3 3D Floorplanning Methodology 6.3.1 Optimization Criteria and Phases and Related Cost Models 6.3.2 Fast Thermal Analysis 6.3.3 Layout Operations 6.3.4 Adaptive Optimization Schedule 6.4 Experimental Investigation 6.4.1 Configuration 6.4.2 Results and Discussion 6.5 Summary and Conclusions 7 Research Summary, Conclusions, and Outlook Dissertation Theses Notation Glossary Bibliography

Sie entwickeln Entwurfssysteme für elektronische Baugruppen? Dann gehören für Sie die mit der Pinzuordnung verbundenen Optimierungskriterien - die Verdrahtbarkeit im Elektronikentwurf - zum Berufsalltag. Um die Verdrahtbarkeit unter verschiedenen Gesichtspunkten zu verbessern, werden in diesem Buch neu entwickelte Algorithmen vorgestellt. Sie ermöglichen erstmals die automatisierte Pinzuordnung für eine große Anzahl von Bauelementen in hochkomplexen Schaltungen. Alle Aspekte müssen in kürzester Zeit exakt erfasst, eingeschätzt und im Entwurfsprozess zu einem optimalen Ergebnis geführt werden. Die beschriebenen Methoden reduzieren den Entwicklungsaufwand für elektronische Systeme auf ein Minimum und ermöglichen intelligente Lösungen auf der Höhe der Zeit. Die vorliegende Arbeit behandelt die Optimierung der Pinzuordnung und die dafür notwendige Verdrahtbarkeitsvorhersage im hierarchischen Layoutentwurf. Dabei werden bekannte Methoden der Verdrahtbarkeitsvorhersage aus allen Schritten des Layoutentwurfs zusammengetragen, gegenübergestellt und auf ihre Eignung für die Pinzuordnung untersucht. Dies führt schließlich zur Entwicklung einer Vorhersagemethode, die speziell an die Anforderungen der Pinzuordnung angepasst ist. Die Pinzuordnung komplexer elektronischer Geräte ist bisher ein vorwiegend manueller Prozess. Es existieren also bereits Erfahrungen, welche jedoch weder formalisiert noch allgemein verfügbar sind. In den vorliegenden Untersuchungen werden Methoden der Pinzuordnung algorithmisch formuliert und damit einer Automatisierung zugeführt. Besondere Merkmale der Algorithmen sind ihre Einsetzbarkeit bereits während der Planung des Layouts, ihre Eignung für den hierarchisch gegliederten Layoutentwurf sowie ihre Fähigkeit, die Randbedingungen differenzieller Paare zu berücksichtigen. Die beiden untersuchten Aspekte der Pinzuordnung, Verdrahtbarkeitsvorhersage und Zuordnungsalgorithmen, werden schließlich zusammengeführt, indem die neue entwickelte Verdrahtbarkeitsbewertung zum Vergleichen und Auswählen der formulierten Zuordnungsalgorithmen zum Einsatz kommt.:1 Einleitung 1.1 Layoutentwurfsprozess elektronischer Baugruppen 1.2 Ziel der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Pinzuordnung 2.1.1 Definitionen 2.1.2 Freiheitsgrad 2.1.3 Komplexität und Problemgröße 2.1.4 Optimierungsziel 2.1.5 Randbedingungen 2.2 Reale Entwurfsbeispiele der Pinzuordnung 2.2.1 Hierarchieebenen eines Personal Computers 2.2.2 Multi-Chip-Module auf Hauptplatine 2.3 Einteilung von Algorithmen der Pinzuordnung 2.3.1 Klassifikation nach der Einordnung in den Layoutentwurf 2.3.2 Klassifikation nach Optimierungsverfahren 2.3.3 Zusammenfassung 2.4 Verdrahtbarkeitsvorhersage 2.4.1 Definitionen 2.4.2 Vorhersagegenauigkeit und zeitlicher Rechenaufwand 2.4.3 Methoden der Verdrahtbarkeitsvorhersage 3 Stand der Technik 3.1 Pinzuordnung 3.1.1 Einordnung in den Layoutentwurf 3.1.2 Optimierungsverfahren 3.2 Verdrahtbarkeitsvorhersage 3.2.1 Partitionierbarkeit 3.2.2 Verdrahtungslänge 3.2.3 Verdrahtungsweg 3.2.4 Verdrahtungsdichte 3.2.5 Verdrahtungsauslastung und Overflow 3.2.6 Manuelle optische Bewertung 3.2.7 Interpretation und Wichtung der Kriterien 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Pinzuordnungs-Algorithmen 5.1 Voraussetzungen 5.2 Topologische Heuristiken 5.2.1 Wiederholtes Unterteilen 5.2.2 Kreuzungen minimieren 5.2.3 Projizieren auf Gerade 5.3 Lineare Optimierung 5.4 Differenzielle Paare 5.5 Pinzuordnung in Hierarchieebenen 5.6 Nutzen der Globalverdrahtung 5.6.1 Methode 5.6.2 Layout der Ankerkomponenten 5.7 Zusammenfassung 6 Verdrahtbarkeitsbewertung während der Pinzuordnung 6.1 Anforderungen 6.2 Eignung bekannter Bewertungskriterien 6.2.1 Partitionierbarkeit / Komplexitätsanalyse 6.2.2 Verdrahtungslängen 6.2.3 Verdrahtungswege 6.2.4 Verdrahtungsdichte 6.2.5 Verdrahtungsauslastung 6.2.6 Overflow 6.2.7 Schlussfolgerung 6.3 Probabilistische Verdrahtungsdichtevorhersage 6.3.1 Grenzen probabilistischer Vorhersagen 6.3.2 Verdrahtungsumwege 6.3.3 Verdrahtungsdichteverteilung 6.3.4 Gesamtverdrahtungsdichte und Hierarchieebenen 6.4 Bewertung der Verdrahtungsdichteverteilung 6.4.1 Maßzahlen für die Verdrahtbarkeit eines Netzes 6.4.2 Maßzahlen für die Gesamtverdrahtbarkeit 6.5 Zusammenfassung 7 Pinzuordnungs-Bewertung 7.1 Anforderungen 7.2 Kostenterme 7.3 Normierung 7.3.1 Referenzwerte für Eigenschaften der Verdrahtungsdichte 7.3.2 Referenzwerte für Verdrahtungslängen 7.3.3 Referenzwerte für Signalkreuzungen 7.4 Gesamtbewertung der Verdrahtbarkeit 7.5 Priorisierung der Kostenterme 7.6 Zusammenfassung 8 Ergebnisse 8.1 Verdrahtbarkeitsbewertung 8.1.1 Charakteristik der ISPD-Globalverdrahtungswettbewerbe 8.1.2 Untersuchte probabilistische Schätzer 8.1.3 Kriterien zum Bewerten der Vorhersagegenauigkeit 8.1.4 Vorhersagegenauigkeit der probabilistischen Schätzer 8.2 Pinzuordnungs-Bewertung 8.2.1 Vollständige Analyse kleiner Pinzuordnungs-Aufgaben 8.2.2 Pinzuordnungs-Aufgaben realer Problemgröße 8.2.3 Differenzielle Paare 8.2.4 Nutzen der Globalverdrahtung 8.2.5 Hierarchieebenen 8.3 Zusammenfassung 9 Gesamtzusammenfassung und Ausblick Verzeichnisse Zeichen, Benennungen und Einheiten Abkürzungsverzeichnis Glossar Anhang A Struktogramme der Pinzuordnungs-Algorithmen A.1 Wiederholtes Unterteilen A.2 Kreuzungen minimieren A.3 Projizieren auf Gerade A.4 Lineare Optimierung A.5 Zufällige Pinzuordnung A.6 Differenzielle Paare A.7 Pinzuordnung in Hierarchieebenen A.8 Nutzen der Globalverdrahtung B Besonderheit der Manhattan-Länge während der Pinzuordnung C Weitere Ergebnisse C.1 Multipinnetz-Zerlegung C.1.1 Grundlagen C.1.2 In dieser Arbeit angewendete Multipinnetz-Zerlegung C.2 Genauigkeit der Verdrahtungsvorhersage C.3 Hierarchische Pinzuordnung Literaturverzeichnis / This work deals with the optimization of pin assignments for which an accurate routability prediction is a prerequisite. Therefore, this contribution introduces methods for routability prediction. The optimization of pin assignments, for which these methods are needed, is done after initial placement and before routing. Known methods of routability prediction are compiled, compared, and analyzed for their usability as part of the pin assignment step. These investigations lead to the development of a routability prediction method, which is adapted to the specific requirements of pin assignment. So far pin assignment of complex electronic devices has been a predominantly manual process. Hence, practical experience exists, yet, it had not been transferred to an algorithmic formulation. This contribution develops pin assignment methods in order to automate and improve pin assignment. Distinctive characteristics of the thereby developed algorithms are their usability during layout planning, their capability to integrate into a hierarchical design flow, and the consideration of differential pairs. Both aspects, routability prediction and assignment algorithms, are finally brought together by using the newly developed routability prediction to evaluate and select the assignment algorithms.:1 Einleitung 1.1 Layoutentwurfsprozess elektronischer Baugruppen 1.2 Ziel der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Pinzuordnung 2.1.1 Definitionen 2.1.2 Freiheitsgrad 2.1.3 Komplexität und Problemgröße 2.1.4 Optimierungsziel 2.1.5 Randbedingungen 2.2 Reale Entwurfsbeispiele der Pinzuordnung 2.2.1 Hierarchieebenen eines Personal Computers 2.2.2 Multi-Chip-Module auf Hauptplatine 2.3 Einteilung von Algorithmen der Pinzuordnung 2.3.1 Klassifikation nach der Einordnung in den Layoutentwurf 2.3.2 Klassifikation nach Optimierungsverfahren 2.3.3 Zusammenfassung 2.4 Verdrahtbarkeitsvorhersage 2.4.1 Definitionen 2.4.2 Vorhersagegenauigkeit und zeitlicher Rechenaufwand 2.4.3 Methoden der Verdrahtbarkeitsvorhersage 3 Stand der Technik 3.1 Pinzuordnung 3.1.1 Einordnung in den Layoutentwurf 3.1.2 Optimierungsverfahren 3.2 Verdrahtbarkeitsvorhersage 3.2.1 Partitionierbarkeit 3.2.2 Verdrahtungslänge 3.2.3 Verdrahtungsweg 3.2.4 Verdrahtungsdichte 3.2.5 Verdrahtungsauslastung und Overflow 3.2.6 Manuelle optische Bewertung 3.2.7 Interpretation und Wichtung der Kriterien 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Pinzuordnungs-Algorithmen 5.1 Voraussetzungen 5.2 Topologische Heuristiken 5.2.1 Wiederholtes Unterteilen 5.2.2 Kreuzungen minimieren 5.2.3 Projizieren auf Gerade 5.3 Lineare Optimierung 5.4 Differenzielle Paare 5.5 Pinzuordnung in Hierarchieebenen 5.6 Nutzen der Globalverdrahtung 5.6.1 Methode 5.6.2 Layout der Ankerkomponenten 5.7 Zusammenfassung 6 Verdrahtbarkeitsbewertung während der Pinzuordnung 6.1 Anforderungen 6.2 Eignung bekannter Bewertungskriterien 6.2.1 Partitionierbarkeit / Komplexitätsanalyse 6.2.2 Verdrahtungslängen 6.2.3 Verdrahtungswege 6.2.4 Verdrahtungsdichte 6.2.5 Verdrahtungsauslastung 6.2.6 Overflow 6.2.7 Schlussfolgerung 6.3 Probabilistische Verdrahtungsdichtevorhersage 6.3.1 Grenzen probabilistischer Vorhersagen 6.3.2 Verdrahtungsumwege 6.3.3 Verdrahtungsdichteverteilung 6.3.4 Gesamtverdrahtungsdichte und Hierarchieebenen 6.4 Bewertung der Verdrahtungsdichteverteilung 6.4.1 Maßzahlen für die Verdrahtbarkeit eines Netzes 6.4.2 Maßzahlen für die Gesamtverdrahtbarkeit 6.5 Zusammenfassung 7 Pinzuordnungs-Bewertung 7.1 Anforderungen 7.2 Kostenterme 7.3 Normierung 7.3.1 Referenzwerte für Eigenschaften der Verdrahtungsdichte 7.3.2 Referenzwerte für Verdrahtungslängen 7.3.3 Referenzwerte für Signalkreuzungen 7.4 Gesamtbewertung der Verdrahtbarkeit 7.5 Priorisierung der Kostenterme 7.6 Zusammenfassung 8 Ergebnisse 8.1 Verdrahtbarkeitsbewertung 8.1.1 Charakteristik der ISPD-Globalverdrahtungswettbewerbe 8.1.2 Untersuchte probabilistische Schätzer 8.1.3 Kriterien zum Bewerten der Vorhersagegenauigkeit 8.1.4 Vorhersagegenauigkeit der probabilistischen Schätzer 8.2 Pinzuordnungs-Bewertung 8.2.1 Vollständige Analyse kleiner Pinzuordnungs-Aufgaben 8.2.2 Pinzuordnungs-Aufgaben realer Problemgröße 8.2.3 Differenzielle Paare 8.2.4 Nutzen der Globalverdrahtung 8.2.5 Hierarchieebenen 8.3 Zusammenfassung 9 Gesamtzusammenfassung und Ausblick Verzeichnisse Zeichen, Benennungen und Einheiten Abkürzungsverzeichnis Glossar Anhang A Struktogramme der Pinzuordnungs-Algorithmen A.1 Wiederholtes Unterteilen A.2 Kreuzungen minimieren A.3 Projizieren auf Gerade A.4 Lineare Optimierung A.5 Zufällige Pinzuordnung A.6 Differenzielle Paare A.7 Pinzuordnung in Hierarchieebenen A.8 Nutzen der Globalverdrahtung B Besonderheit der Manhattan-Länge während der Pinzuordnung C Weitere Ergebnisse C.1 Multipinnetz-Zerlegung C.1.1 Grundlagen C.1.2 In dieser Arbeit angewendete Multipinnetz-Zerlegung C.2 Genauigkeit der Verdrahtungsvorhersage C.3 Hierarchische Pinzuordnung Literaturverzeichnis

[ES] La capacidad de las células madre para proliferar formando distintas células especializadas les otorga la potencialidad de servir de base para terapias efectivas para patologías cuyo tratamiento era inimaginable hasta hace apenas dos décadas. Sin embargo, esta capacidad se encuentra mediada por estímulos fisiológicos, químicos, y eléctricos, específicos y complejos, que dificultan su traslación a la rutina clínica. Por ello, las células madre representan un campo de estudio en el que se invierten amplios esfuerzos por parte de la comunidad científica. En el ámbito de la regeneración nerviosa, para modular su desarrollo y diferenciación el tratamiento farmacológico, la electroestimulación, y la estimulación optogenética son técnicas que están consiguiendo prometedores resultados. Es por ello por lo que en la presente tesis se ha desarrollado un conjunto de sistemas electrónicos para permitir la aplicación combinada de estas técnicas in vitro, con perspectiva a su aplicación in vivo. Hemos diseñado una novedosa tecnología para la liberación eléctricamente controlada de fármacos. Esta tecnología está basada en nanopartículas de sílice mesoporosa y puertas moleculares de bipiridina-heparina. Las puertas moleculares son electroquímicamente reactivas, y encierran los fármacos en el interior de las nanopartículas, liberándolos ante un estímulo eléctrico. Hemos caracterizado esta tecnología, y la hemos validado mediante la liberación controlada de rodamina en cultivos celulares de HeLa. Para la combinación de liberación controlada de fármacos y electroestimulación hemos desarrollado dispositivos que permiten aplicar los estímulos eléctricos de forma configurable desde una interfaz gráfica de usuario. Además, hemos diseñado un módulo de expansión que permite multiplexar las señales eléctricas a diferentes cultivos celulares. Además, hemos diseñado un dispositivo de estimulación optogenética. Este tipo de estimulación consiste en la modificación genética de las células para que sean sensibles a la radiación lumínica de determinada longitud de onda. En el ámbito de la regeneración de tejido mediante células precursoras neurales, es de interés poder inducir ondas de calcio, favoreciendo su diferenciación en neuronas y la formación de circuitos sinápticos. El dispositivo diseñado permite obtener imágenes en tiempo real mediante microscopía confocal de las respuestas transitorias de las células al ser irradiadas. El dispositivo se ha validado irradiando neuronas modificadas con luz pulsada de 100 ms. También hemos diseñado un dispositivo electrónico complementario de medida de irradiancia con el doble fin de permitir la calibración del equipo de irradiancia y medir la irradiancia en tiempo real durante los experimentos in vitro. Los resultados del uso de los bioactuadores en procesos complejos y dinámicos, como la regeneración de tejido nervioso, son limitados en lazo abierto. Uno de los principales aspectos analizados es el desarrollo de biosensores que permitiesen la cuantización de ciertas biomoléculas para ajustar la estimulación suministrada en tiempo real. Por ejemplo, la segregación de serotonina es una respuesta identificada en la elongación de células precursoras neurales, pero hay otras biomoléculas de interés para la implementación de un control en lazo cerrado. Entre las tecnologías en el estado del arte, los biosensores basados en transistores de efecto de campo (FET) funcionalizados con aptámeros son realmente prometedores para esta aplicación. Sin embargo, esta tecnología no permitía la medición simultánea de más de una biomolécula objetivo en un volumen reducido debido a las interferencias entre los distintos FETs, cuyos terminales se encuentran inmersos en la solución. Por ello, hemos desarrollado instrumentación electrónica capaz de medir simultáneamente varios de estos biosensores, y la hemos validado mediante la medición simultánea de pH y la detección preliminar de serotonina y glutamato. / [CA] La capacitat de les cèl·lules mare per a proliferar formant diferents cèl·lules especialitzades els atorga la potencialitat de servir de base per a teràpies efectives per a patologies el tractament de les quals era inimaginable fins fa a penes dues dècades. No obstant això, aquesta capacitat es troba mediada per estímuls fisiològics, químics, i elèctrics, específics i complexos, que dificulten la seua translació a la rutina clínica. Per això, les cèl·lules mare representen un camp d'estudi en el qual s'inverteixen amplis esforços per part de la comunitat científica. En l'àmbit de la regeneració nerviosa, per a modular el seu desenvolupament i diferenciació el tractament farmacològic, l'electroestimulació, i l'estimulació optogenética són tècniques que estan aconseguint prometedors resultats. És per això que en la present tesi s'ha desenvolupat un conjunt de sistemes electrònics per a permetre l'aplicació combinada d'aquestes tècniques in vitro, amb perspectiva a la seua aplicació in vivo. Hem dissenyat una nova tecnologia per a l'alliberament elèctricament controlat de fàrmacs. Aquesta tecnologia està basada en nanopartícules de sílice mesoporosa i portes moleculars de bipiridina-heparina. Les portes moleculars són electroquímicament reactives, i tanquen els fàrmacs a l'interior de les nanopartícules, alliberant-los davant un estímul elèctric. Hem caracteritzat aquesta tecnologia, i l'hem validada mitjançant l'alliberament controlat de rodamina en cultius cel·lulars de HeLa. Per a la combinació d'alliberament controlat de fàrmacs i electroestimulació hem desenvolupat dispositius que permeten aplicar els estímuls elèctrics de manera configurable des d'una interfície gràfica d'usuari. A més, hem dissenyat un mòdul d'expansió que permet multiplexar els senyals elèctrics a diferents cultius cel·lulars. A més, hem dissenyat un dispositiu d'estimulació optogenètica. Aquest tipus d'estimulació consisteix en la modificació genètica de les cèl·lules perquè siguen sensibles a la radiació lumínica de determinada longitud d'ona. En l'àmbit de la regeneració de teixit mitjançant cèl·lules precursores neurals, és d'interés poder induir ones de calci, afavorint la seua diferenciació en neurones i la formació de circuits sinàptics. El dispositiu dissenyat permet obtindré imatges en temps real mitjançant microscòpia confocal de les respostes transitòries de les cèl·lules en ser irradiades. El dispositiu s'ha validat irradiant neurones modificades amb llum polsada de 100 ms. També hem dissenyat un dispositiu electrònic complementari de mesura d'irradiància amb el doble fi de permetre el calibratge de l'equip d'irradiància i mesurar la irradiància en temps real durant els experiments in vitro. Els resultats de l'ús dels bioactuadors en processos complexos i dinàmics, com la regeneració de teixit nerviós, són limitats en llaç obert. Un dels principals aspectes analitzats és el desenvolupament de biosensors que permeteren la quantització de certes biomolècules per a ajustar l'estimulació subministrada en temps real. Per exemple, la segregació de serotonina és una resposta identificada amb l'elongació de les cèl·lules precursores neurals, però hi ha altres biomolècules d'interés per a la implementació d'un control en llaç tancat. Entre les tecnologies en l'estat de l'art, els biosensors basats en transistors d'efecte de camp (FET) funcionalitzats amb aptàmers són realment prometedors per a aquesta aplicació. No obstant això, aquesta tecnologia no permetia el mesurament simultani de més d'una biomolècula objectiu en un volum reduït a causa de les interferències entre els diferents FETs, els terminals dels quals es troben immersos en la solució. Per això, hem desenvolupat instrumentació electrònica capaç de mesurar simultàniament diversos d'aquests biosensors i els hem validat amb mesurament simultani del pH i la detecció preliminar de serotonina i glutamat. / [EN] The stem cells' ability to proliferate to form different specialized cells gives them the potential to serve as the basis for effective therapies for pathologies whose treatment was unimaginable until just two decades ago. However, this capacity is mediated by specific and complex physiological, chemical, and electrical stimuli that complicate their translation to clinical routine. For this reason, stem cells represent a field of study in which the scientific community is investing a great deal of effort. In the field of nerve regeneration, to modulate their development and differentiation, pharmacological treatment, electrostimulation, and optogenetic stimulation are techniques that are achieving promising results. For this reason, we have developed a set of electronic systems to allow the combined application of these techniques in vitro, with a view to their application in vivo. We have designed a novel technology for the electrically controlled release of drugs. This technology is based on mesoporous silica nanoparticles and bipyridine-heparin molecular gates. The molecular gates are electrochemically reactive and entrap the drugs inside the nanoparticles, releasing them upon electrical stimulus. We have characterized this technology and validated it by controlled release of rhodamine in HeLa cell cultures. For combining electrostimulation and controlled drug release we have developed devices that allow applying the different electrical stimuli in a configurable way from a graphical user interface. In addition, we have designed an expansion module that allows multiplexing electrical signals to different cell cultures. In addition, we have designed an optogenetic stimulation device. This type of stimulation consists of genetically modifying cells to make them sensitive to light radiation of a specific wavelength. In tissue regeneration using neural precursor cells, it is interesting to be able to induce calcium waves, favoring the cell differentiation into neurons and the formation of synaptic circuits. The designed device enable the obtention of real-time images through confocal microscopy of the transient responses of cells upon irradiation. The device has been validated by irradiating modified neurons with 100 ms pulsed light stimulation. We have also designed a complementary electronic irradiance measurement device to allow calibration of the irradiator equipment and measuring irradiance in real time during in vitro experiments. The results of using bioactuators in complex and dynamic processes, such as nerve tissue regeneration, are limited in an open loop. One of the main aspects analyzed is the development of biosensors that would allow quantifying of specific biomolecules to adjust the stimulation provided in real time. For instance, serotonin secretion is an identified response of neural precursor cells elongation, among other biomolecules of interest for the implementation of a closed-loop control. Among the state-of-the-art technologies, biosensors based on field effect transistors (FETs) functionalized with aptamers are promising for this application. However, this technology did not allow the simultaneous measurement of more than one target biomolecule in a small volume due to interferences between the different FETs, whose terminals are immersed in the solution. This is why we have developed electronic instrumentation capable of simultaneously measuring several of these biosensors, and we have validated it with the simultaneous pH measurement and the preliminary detection of serotonin and glutamate. / Monreal Trigo, J. (2023). Electronic Devices for the Combination of Electrically Controlled Drug Release, Electrostimulation, and Optogenetic Stimulation for Nerve Tissue Regeneration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193841