Developing a tool supporting humans to design and evaluate CLB-based circuits requires a lot of know-how and research from different fields of computer science. In this work, the newly developed application q2d, especially its design and implementation will be introduced as a possible tool for approaching CLB circuit development with graphical UI support. Design decisions and implementation will be discussed and a workflow example will be given.

Der Asynchronous Transfer Mode (ATM) stellt die zukünftige und einheitliche Basistechnologie für das Breitband-ISDN dar. Da nahezu alle wesentlichen Protokollfunktionen in Hardware realisierbar sind, soll nachfolgend ein Überblick über bereits angebotene VLSI-Schaltkreise gegeben werden. Eine Systematisierung und Einordnung vorhandener ATM-Chips hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und ihres Funktionsumfangs erfolgt in Hinblick auf das sogenannte B-ISDN-Referenzmodell. Dieses Schichtenmodell definiert die notwendigen Protokolle und Schnittstellen für den Asynchronous Transfer Mode. Zum grundlegenden Verständnis wird einleitend eine kurze Einführung in die Basisprinzipien von ATM gegeben.

Developing a tool supporting humans to design and evaluate CLB-based circuits requires a lot of know-how and research from different fields of computer science. In this work, the newly developed application q2d, especially its design and implementation will be introduced as a possible tool for approaching CLB circuit development with graphical UI support. Design decisions and implementation will be discussed and a workflow example will be given.:1 Introduction 1.1 Forethoughts 1.2 Theoretical Background 1.2.1 Definitions 1.2.2 Expressing Connections between Circuit Elements 1.2.3 Global Context and Target Function 1.2.4 Problem formulation as QBF and SAT 2 Description of the Implemented Tool 2.1 Design Decisions 2.1.1 Choice of Language, Libraries and Frameworks 2.1.2 Solving the QBF Problem 2.1.3 Design of the Internally Used Meta-Model 2.1.4 User Interface Ergonomics 2.1.5 Aspects of Schematic Visualization 2.1.6 Limitations 2.2 Implemented Features 2.2.1 Basic Interaction 2.2.2 User-Defined Components 2.2.3 Generation of Circuit Symbols 2.2.4 Methods for Specifying Functional Behaviour 3 Implementation Details 3.1 Classes Involved in the Component Meta-Model 3.2 The Document Entry Class and its Factory 3.3 Model and View 3.3.1 The Model Element Hierarchy 3.3.2 The Schematics Element Hierarchy 3.4 The Quantor Interface 4 An Example Workflow 4.1 The Task 4.2 A Component Descriptor for Xilinx’ LUT6-2 4.3 Designing the Model 4.4 Computing the Desired Configuration 5 Summary and Outlook 5.1 Achieved Results 5.2 Suggested Improvements References A Acronyms and Glossary B UML Diagrams

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein Molekül zu finden und mittels hochauflösender Techniken zu untersuchen, das auf passivierten Halbleiteroberflächen als Schalter in atomaren Schaltkreisen wirken kann. Für diesen Zweck stehen Moleküle zur Verfügung, die aus mindestens einem aromatischen Ring und einer Ankergruppe bestehen, die kovalent auf Silizium bindet. Um einzelne Moleküle auf leitenden Substraten zu untersuchen, hat sich die Nutzung eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops (low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM) als geeignetes Werkzeug erwiesen. Zum Einen ist damit die topographische und spektroskopische Charakterisierung von leitenden Proben auf atomarer Ebene möglich, zum Anderen können einzelne Moleküle und Nanostrukturen hochpräzise bewegt oder elektrisch angesprochen werden. Atomare Schaltkreise können besonders präzise auf passivierten Halbleiteroberflächen hergestellt werden. So ist es zum Beispiel möglich, eine Reihe Wasserstoffatome gezielt mit Hilfe einer STM-Spitze von der Oberfläche zu desorbieren. Durch die Überlappung der dann freien Orbitale entstehen, je nach Richtung auf der Oberfläche, atomare Drähte mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Da die Drähte empfindlich hinsichtlich ihrer chemischen Umgebung sind, können diese auch als logische Schaltelemente verwendet werden. Dafür werden die Drähte mit einzelnen Molekülen angesteuert. Geeignete Schaltmoleküle wurden zunächst auf der Au(111)-Oberfläche getestet. Dabei konnten grundlegende und interessante Eigenschaften von selbst-assemblierten Strukturen untersucht werden. Am Modellsystem von nicht-kovalent gebundenen 4-Acetylbiphenyl-Nanostrukturen auf Gold (111) wurde eine neue Methode entwickelt diese Molekülgruppen behutsam zu bewegen. Durch Anlegen eines Spannungspulses auf den Nanostrukturen konnten diese auf der Oberfläche über weite Strecken gezielt und ohne Beeinflussung der internen Struktur positioniert werden. Um Moleküle für zukünftige elektronische Anwendungen zu untersuchen wurde zunächst das Verfahren zur Präparation von sauberen Siliziumoberflächen in die hier verwendeten Anlage implementiert. Es konnten reproduzierbar saubere, (2×1) rekonstruierte Si(100)- Oberflächen präpariert und charakterisiert werden. Nach der erfolgreichen Präparation von Silizium-Oberflächen und der Entwicklung geeigneter Präparationsrezepte für das Schalter-Molekül 4-Acetylbiphenyl (ABP) wurden beide Systeme vereint. Das Molekül konnte erfolgreich auf die Silizium(100)-Oberfläche aufgebracht und die native Adsorptionskonfiguration durch das Anlegen von Spannungspulsen geändert werden. Das Schalten zwischen zwei Konfigurationen ist reproduzierbar und umkehrbar. ABP ist somit der erste umkehrbare molekulare Schalter, der jemals auf Silizium realisiert werden konnte. Bei der Untersuchung technomimetischer Moleküle in Radachsen-Form konnte bisher die Rollbewegung nur anhand der Analyse der Manipulationskurven nachvollzogen und belegt werden. In dieser Arbeit wurde das Rollen eines Nano-Radmoleküls bewiesen. Dazu wurde bei der Synthese in einem Teil der Subphthalocyanin-Räder eine Markierung in Form eines Stickstoffatoms gesetzt. Bei der lateralen Manipulation der Räder auf Gold(111) konnte dann durch Vergleich der STM-Bilder die Markierung verfolgt und darauf geschlossen werden, ob das Rad gerollt oder verschoben wurde. / The aim of this thesis is the investigation of switching properties of single organic molecules, which can be used as molecular latches on a passivated silicon surface. Suitable molecules should be composed of an anchor group that can bind covalently to the silicon surface as well as an aromatic ring for the latching effect. For the imaging as well as the manipulation of single molecules on conductive substrates, a low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM, is a versatile and powerful tool. On the one hand, STM provides topographical and spectroscopic characterization of single molecules on conductive surfaces at the atomic level. On the other hand, under the tip of a STM single molecules and nanostructures can be moved with atomic precision or can be addressed by voltage pulses. Moreover, by STM it is possible to build atomic-scale circuits on passivated semiconducting surfaces as silicon (100). The STM tip is used to extract single hydrogen atoms from the surface to built atomic wires. As the orbitals of the depassivated dangling bonds of the silicon surface overlap differently depending on the direction of the wire in reference to the surface reconstruction, the electrical properties of the wires differ. Moreover, the properties of the wires vary depending on the chemical environment. Taking advantage of these characteristics, the atomic wires can be used as atomic-scale logic elements. However, to bring the input signal to a single logic element, latches are required to controllably passivate and depassivate single dangling-bond pairs. During preliminary studies on possible molecular latches, interesting experiments could be performed on 4-acetylbiphenyl (ABP) on Au(111). The molecules self assemble in non-covalently bond groups of three or four molecules. These groups can be moved controllably by applying voltage pulses on top of the supramolecular structure. The manipulation is possible over long ranges and without losing the internal structure of the assemblies. For the investigation of promising candidates for future molecular electronics on silicon, a preparation procedure tailored to the used UHV machine was developed. During this process, clean (2×1) reconstructed Si(100) surfaces could be prepared reproducibly and were characterized by means of STM imaging and spectroscopy. Switches are essential for electronic circuitry, on macroscopic as well as microscopic level. For the implementation of molecular devices on silicon, ABP is a promising candidate for a latch. In this thesis, ABP was successfully deposited on Si(100) and was switched by applying voltage pulses on top of the molecule. Two stable conformations were found and switching was realized reproducibly and reversibly. In the last part of this work, the rolling of a double-wheel technomimetic molecule was demonstrated. This thesis shows the rolling of a nanowheel on Au(111) as opposed to pushing, pulling or sliding. For this, the subphthalocyanine wheels were tagged by nitrogen during their synthesis. As this tag has different electronic properties than the rest of the wheel, it can be monitored in the STM images. By comparing the images before and after the manipulation the position of the tag proves the actual rolling.

Der Asynchronous Transfer Mode (ATM) stellt die zukünftige und einheitliche Basistechnologie für das Breitband-ISDN dar. Da nahezu alle wesentlichen Protokollfunktionen in Hardware realisierbar sind, soll nachfolgend ein Überblick über bereits angebotene VLSI-Schaltkreise gegeben werden. Eine Systematisierung und Einordnung vorhandener ATM-Chips hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und ihres Funktionsumfangs erfolgt in Hinblick auf das sogenannte B-ISDN-Referenzmodell. Dieses Schichtenmodell definiert die notwendigen Protokolle und Schnittstellen für den Asynchronous Transfer Mode. Zum grundlegenden Verständnis wird einleitend eine kurze Einführung in die Basisprinzipien von ATM gegeben.

The present thesis addresses a sustainable approach to mechanically flexible and transparent electronic devices based on the amorphous oxide semiconductor zinc tin oxide (ZTO) as abundant and low-cost alternative to already industrially established materials such as amorphous indium gallium zinc oxide. ZTO thin films are deposited by radio frequency long-throw magnetron sputtering at room temperature to generally enable the implementation of common photolithography processes and further facilitate patterning of digital circuit elements on thermally unstable organic substrates. Starting with the most basic device building blocks of integrated circuitry, various types of field-effect transistors are fabricated by implementation of amorphous ZTO as active channel material. Metal-semiconductor field-effect transistors and pn heterodiode based junctions field-effect transistors as well as conventional metal-insulatorsemiconductor field-effect transistors are then compared regarding their electrical performance and long-term stability over a couple of months. A decisive step toward the successful interconnection of fundamental digital circuit elements, such as previously demonstrated simple inverters, is to ensure sufficient output level compatibility between the signals of associated logic components. Accordingly, the Schottky diode field-effect transistor logic approach is adapted for amorphous ZTO based devices in order to facilitate cascading of multiple inverters consisting of unipolar devices. Field-effect transistor properties as well as the circuit design have been continuously improved to enhance the overall performance in terms of functionality and low-voltage operation. Corresponding logic inverters are finally integrated in ring oscillator circuits to gain insights into the dynamic properties of digital circuit building blocks based on amorphous ZTO. Ultimately, ZTO has been fabricated on mechanically flexible polyimide substrates to determine the elastic and electrical properties of amorphous ZTO thin films in dependence on external tensile and compressive stress induced by mechanical bending. Further, associated flexible metal-semiconductor field-effect transistor are investigated regarding their performance stability under tensile strain. / Die vorliegende Arbeit umfasst die Herstellung und Charakterisierung aktiver elektrischer Bauelemente und integrierter Schaltkreise auf Basis des amorphen Oxidhalbleiters Zink-Zinnoxid (ZTO). Als vielversprechende nachhaltige und kostengünstigere Alternative zu dem bereits industriell etablierten Halbleiter Indium-Gallium-Zinkoxid wird insbesondere die Eignung von ZTO in optisch transparenter sowie mechanisch flexibler Elektronik untersucht. Um entsprechend Kompatibilität mit thermisch instabilen organischen Substraten sowie herkömmlichen Fotolithografieverfahren zu gewährleisten, beschränkt sich die Züchtung von ZTO-Dünnfilmen mittels Hochfrequenz-Magnetron-Distanzkathodenzerstäubung ausschließlich auf Herstellungsprozesse bei Raumtemperatur. Zunächst wird auf die Umsetzung verschiedener Feldeffekttransistor-Typen auf Basis amorphen ZTOs eingegangen, welche elektrisch charakterisiert und schließlich vor dem Hintergrund der Anwendung in integrierten Schaltkreisen vergleichend gegenübergestellt werden. Neben konventionellen Metall-Isolator-Halbleiterstrukturen wird vor allem näher auf Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sowie Sperrschicht-Feldeffekttransistoren auf der Grundlage von pn-Heteroübergängen eingegangen, da diese hauptsächlich in Bereichen hoher geforderter Schaltfrequenzen zum Einsatz kommen. Da integrierte Schaltkreise auf Basis unipolarer Feldeffekttransistoren eines Ladungsträgertyps inkonsistente Signaleingangs- sowie -ausgangspegel aufweisen, wird die Schottky- Dioden-Transistorlogik adaptiert, um entsprechend die Verknüpfung mehrerer Logikgatter auf Basis amorphen ZTOs zu gewährleisten. Durch geeignete Signalrückkopplung werden komplexere Schaltungen wie Ringoszillatoren realisiert, welche anhand von Laufzeitanalysen Aufschluss über die Schaltgeschwindigkeit ZTO basierter Feldeffekttransistoren geben. Abschließend werden amorphe ZTO-Dünnfilme auf flexiblen Polyimid-Substraten hergestellt und bezüglich der elastischen sowie elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von exzessivem mechanischen Stress untersucht. Darüber hinaus werden flexible Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren hinsichtlich ihrer Funktionalität und Stabilität gegenüber durch Biegeprozesse induzierte Verspannungen elektrisch charakterisiert.

During neocortical development, network activity undergoes a dramatic transition from largely synchronized, so-called cluster activity, to a relatively sparse pattern around the time of eye-opening in rodents. Biophysical mechanisms underlying this sparsification phenomenon remain poorly understood. Here, we present a dynamic systems modeling study of a developing neural network that provides the first mechanistic insights into sparsification. We find that the rest state of immature networks is strongly affected by the dynamics of a transient, unstable state hidden in their firing activities, allowing these networks to either be silent or generate large cluster activity. We address how, and which, specific developmental changes in neuronal and synaptic parameters drive sparsification. We also reveal how these changes refine the information processing capabilities of an in vivo developing network, mainly by showing a developmental reduction in the instability of network’s firing activity, an effective availability of inhibition-stabilized states, and an emergence of spontaneous attractors and state transition mechanisms. Furthermore, we demonstrate the key role of GABAergic transmission and depressing glutamatergic synapses in governing the spatiotemporal evolution of cluster activity. These results, by providing a strong link between experimental observations and model behavior, suggest how adult sparse coding networks may emerge developmentally.

During neocortical development, network activity undergoes a dramatic transition from largely synchronized, so-called cluster activity, to a relatively sparse pattern around the time of eye-opening in rodents. Biophysical mechanisms underlying this sparsification phenomenon remain poorly understood. Here, we present a dynamic systems modeling study of a developing neural network that provides the first mechanistic insights into sparsification. We find that the rest state of immature networks is strongly affected by the dynamics of a transient, unstable state hidden in their firing activities, allowing these networks to either be silent or generate large cluster activity. We address how, and which, specific developmental changes in neuronal and synaptic parameters drive sparsification. We also reveal how these changes refine the information processing capabilities of an in vivo developing network, mainly by showing a developmental reduction in the instability of network’s firing activity, an effective availability of inhibition-stabilized states, and an emergence of spontaneous attractors and state transition mechanisms. Furthermore, we demonstrate the key role of GABAergic transmission and depressing glutamatergic synapses in governing the spatiotemporal evolution of cluster activity. These results, by providing a strong link between experimental observations and model behavior, suggest how adult sparse coding networks may emerge developmentally.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein Molekül zu finden und mittels hochauflösender Techniken zu untersuchen, das auf passivierten Halbleiteroberflächen als Schalter in atomaren Schaltkreisen wirken kann. Für diesen Zweck stehen Moleküle zur Verfügung, die aus mindestens einem aromatischen Ring und einer Ankergruppe bestehen, die kovalent auf Silizium bindet. Um einzelne Moleküle auf leitenden Substraten zu untersuchen, hat sich die Nutzung eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops (low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM) als geeignetes Werkzeug erwiesen. Zum Einen ist damit die topographische und spektroskopische Charakterisierung von leitenden Proben auf atomarer Ebene möglich, zum Anderen können einzelne Moleküle und Nanostrukturen hochpräzise bewegt oder elektrisch angesprochen werden. Atomare Schaltkreise können besonders präzise auf passivierten Halbleiteroberflächen hergestellt werden. So ist es zum Beispiel möglich, eine Reihe Wasserstoffatome gezielt mit Hilfe einer STM-Spitze von der Oberfläche zu desorbieren. Durch die Überlappung der dann freien Orbitale entstehen, je nach Richtung auf der Oberfläche, atomare Drähte mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Da die Drähte empfindlich hinsichtlich ihrer chemischen Umgebung sind, können diese auch als logische Schaltelemente verwendet werden. Dafür werden die Drähte mit einzelnen Molekülen angesteuert. Geeignete Schaltmoleküle wurden zunächst auf der Au(111)-Oberfläche getestet. Dabei konnten grundlegende und interessante Eigenschaften von selbst-assemblierten Strukturen untersucht werden. Am Modellsystem von nicht-kovalent gebundenen 4-Acetylbiphenyl-Nanostrukturen auf Gold (111) wurde eine neue Methode entwickelt diese Molekülgruppen behutsam zu bewegen. Durch Anlegen eines Spannungspulses auf den Nanostrukturen konnten diese auf der Oberfläche über weite Strecken gezielt und ohne Beeinflussung der internen Struktur positioniert werden. Um Moleküle für zukünftige elektronische Anwendungen zu untersuchen wurde zunächst das Verfahren zur Präparation von sauberen Siliziumoberflächen in die hier verwendeten Anlage implementiert. Es konnten reproduzierbar saubere, (2×1) rekonstruierte Si(100)- Oberflächen präpariert und charakterisiert werden. Nach der erfolgreichen Präparation von Silizium-Oberflächen und der Entwicklung geeigneter Präparationsrezepte für das Schalter-Molekül 4-Acetylbiphenyl (ABP) wurden beide Systeme vereint. Das Molekül konnte erfolgreich auf die Silizium(100)-Oberfläche aufgebracht und die native Adsorptionskonfiguration durch das Anlegen von Spannungspulsen geändert werden. Das Schalten zwischen zwei Konfigurationen ist reproduzierbar und umkehrbar. ABP ist somit der erste umkehrbare molekulare Schalter, der jemals auf Silizium realisiert werden konnte. Bei der Untersuchung technomimetischer Moleküle in Radachsen-Form konnte bisher die Rollbewegung nur anhand der Analyse der Manipulationskurven nachvollzogen und belegt werden. In dieser Arbeit wurde das Rollen eines Nano-Radmoleküls bewiesen. Dazu wurde bei der Synthese in einem Teil der Subphthalocyanin-Räder eine Markierung in Form eines Stickstoffatoms gesetzt. Bei der lateralen Manipulation der Räder auf Gold(111) konnte dann durch Vergleich der STM-Bilder die Markierung verfolgt und darauf geschlossen werden, ob das Rad gerollt oder verschoben wurde. / The aim of this thesis is the investigation of switching properties of single organic molecules, which can be used as molecular latches on a passivated silicon surface. Suitable molecules should be composed of an anchor group that can bind covalently to the silicon surface as well as an aromatic ring for the latching effect. For the imaging as well as the manipulation of single molecules on conductive substrates, a low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM, is a versatile and powerful tool. On the one hand, STM provides topographical and spectroscopic characterization of single molecules on conductive surfaces at the atomic level. On the other hand, under the tip of a STM single molecules and nanostructures can be moved with atomic precision or can be addressed by voltage pulses. Moreover, by STM it is possible to build atomic-scale circuits on passivated semiconducting surfaces as silicon (100). The STM tip is used to extract single hydrogen atoms from the surface to built atomic wires. As the orbitals of the depassivated dangling bonds of the silicon surface overlap differently depending on the direction of the wire in reference to the surface reconstruction, the electrical properties of the wires differ. Moreover, the properties of the wires vary depending on the chemical environment. Taking advantage of these characteristics, the atomic wires can be used as atomic-scale logic elements. However, to bring the input signal to a single logic element, latches are required to controllably passivate and depassivate single dangling-bond pairs. During preliminary studies on possible molecular latches, interesting experiments could be performed on 4-acetylbiphenyl (ABP) on Au(111). The molecules self assemble in non-covalently bond groups of three or four molecules. These groups can be moved controllably by applying voltage pulses on top of the supramolecular structure. The manipulation is possible over long ranges and without losing the internal structure of the assemblies. For the investigation of promising candidates for future molecular electronics on silicon, a preparation procedure tailored to the used UHV machine was developed. During this process, clean (2×1) reconstructed Si(100) surfaces could be prepared reproducibly and were characterized by means of STM imaging and spectroscopy. Switches are essential for electronic circuitry, on macroscopic as well as microscopic level. For the implementation of molecular devices on silicon, ABP is a promising candidate for a latch. In this thesis, ABP was successfully deposited on Si(100) and was switched by applying voltage pulses on top of the molecule. Two stable conformations were found and switching was realized reproducibly and reversibly. In the last part of this work, the rolling of a double-wheel technomimetic molecule was demonstrated. This thesis shows the rolling of a nanowheel on Au(111) as opposed to pushing, pulling or sliding. For this, the subphthalocyanine wheels were tagged by nitrogen during their synthesis. As this tag has different electronic properties than the rest of the wheel, it can be monitored in the STM images. By comparing the images before and after the manipulation the position of the tag proves the actual rolling.

This study presents a novel frequency modulated continuous wave (FMCW) radar system based on sub-harmonic generation, where a 24 GHz frequency divider-by-10 is used as an active reflector tag. A practical prototype is designed and fabricated on a GF45nm-Silicon on Insulator (SOI) technology for the 24 GHz building blocks, while a GF0.18 μm 7WL Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor (BiCMOS) technology was used for the 2.4 GHz receiver and baseband. System measurement results show that as opposed to conventional primary radars, the proposed system is immune to strong multi-path interferences resulting from direct reflections of the interrogating signal. The system achieves a ranging precision of 3.7 mm with loop measurements. Moreover, when measured in an indoor environment, the ranging results show a ranging precision and accuracy of 5.8 and 22.3 cm, respectively, which outperform other FMCW radars in the literature.