In recent decades, the industry of communications has acquired huge significance, and nowadays constitutes an essential tool for the society information. Thus, the exponential growth in demand of broadband services and the increasing amount of information to be transmitted have spurred the evolution of the access network infrastructure to effectively meet the user needs in an effective way in terms of costs of both installation and maintenance. Passive optical networks (PON) are currently considered the most efficient and least costly alternative to deploy fiber to the home environment. In order to allow many users simultaneously coexist PONs based on time multiplexing (TDMA) have been developed. Looking ahead, however, it is expected that these techniques do not meet the requirements on access networks. In consequence, other multiple access techniques such as Wavelength Division Multiplexing Access (WDMA) or Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) are currently under study and development for use in the next generation of PONs. Particularly, in recent years OFDM has stood out among the scientific community to be considered a solution with great potential on future implementation of PONs. This is especially true due to the capacity of OFDM to work with multilevel modulations, its high tolerance to chromatic dispersion, and its high flexibility and granularity in terms of bandwidth management. Given the above, the aim of this Thesis is to study deeply the advantages and challenges of implementing the standard OFDM as an access network solution; likewise, it offers solutions to improve its performance. In order to evaluate the main structures and strategies for OFDM-based PON, a comparative analysis of all of them is performed firstly, highlighting their sensitivity levels, maximum range and number of users. A key aspect for network providers is the cost of operation, deployment and maintenance of networks. As a low-cost solution, this Thesis proposes a network model called Statistical-OFDMA-PON based on intensity modulation and direct detection. In addition, dynamic bandwidth management strategies are applied into this model getting an improvement in the power balance which in turn, allows to increase the maximum range and the scalability in number of users. One of the main OFDM problems is the Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) which increases with the number of carriers. This thesis proposes a new algorithm based on folding the signal and transmitting auxiliary information in order to compensate the PAPR effect and thus increase the sensitivity of the optical system. On the other hand, OFDMA requires a large number of operations in the digital domain resulting in a high computational effort, which in turn results in an increased cost. For this reason, this Thesis presents a study on the optimization of the required resolution in the Digital-to-Analog / Analog-to-Digital Converters (DAC/ADCs) maintaining the transmission quality. The optimization of the computation time may make the OFDMA-based optical network more attractive for future PONs. Finally, another problem concerning the OFDM optical networks is their sensitivity to Phase Noise (PN). In this regard, this Thesis presents a study of the effect of the laser linewidth and its dependence on signal bandwidth. A mitigation technique based on pilot tones is implemented and the limiting values for the laser linewidth are found to be within the reach of present low-cost light sources. / En estas últimas décadas, la industria de las comunicaciones ha adquirido gran importancia y hoy en día, constituye una herramienta imprescindible para el funcionamiento en la sociedad de la información. Así pues, el crecimiento exponencial en la demanda de servicios de banda ancha y la carga de información cada vez mayor que se necesita transmitir ha estimulado la evolución de las infraestructuras del tramo de acceso a la red para poder satisfacer las necesidades del usuario de forma efectiva en términos de costes de instalación y de mantenimiento. Las redes ópticas pasivas (Passive Optical Networks, PON) son actualmente consideradas la alternativa más eficiente y de menor coste para desplegar fibra hasta los hogares. Con el fin de permitir que muchos usuarios coexistan simultáneamente se han desarrollado PONs basadas en multiplexación en tiempo (Time Division Multiplexing Access, TDMA). De cara al futuro, sin embargo, se prevé que estas técnicas no permitan cubrir las exigencias sobre las redes de acceso. En consecuencia, otras técnicas de acceso múltiple al medio como el acceso múltiple por división de longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing Access, WDMA) o el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, OFDMA) se encuentran actualmente en proceso de estudio y desarrollo para su uso en la futura generación de PONs. En concreto, en los últimos años OFDM se ha destacado entre la comunidad científica al considerarse una solución con gran potencial para su futura implantación en redes de acceso pasivas. Esto es especialmente cierto debido a la capacidad que el OFDM para trabajar con modulaciones multinivel, así como su alta tolerancia a la dispersión cromática y a la gran flexibilidad y granularidad que posibilita en términos de gestión del ancho de banda. Por todo lo anterior, el objetivo de esta Tesis es estudiar con profundidad las ventajas y los retos de aplicar el estándar OFDM como solución de red de acceso; del mismo modo, ofrece soluciones para mejorar su rendimiento. Con el objetivo de evaluar las principales estructuras basadas en OFDM-PON, en primer lugar se realiza un análisis comparativo de todas ellas destacando sus niveles de sensibilidad, máximo alcance y número de usuarios. Un aspecto fundamental para los proveedores de red es el coste de operación, despliegue y mantenimiento de las redes. Como solución de bajo coste, esta Tesis propone un modelo de red llamado Statistical-OFDMA-PON que se basa en modulación de intensidad y detección directa. Además, este modelo se completa con estrategias de gestión dinámica del ancho de banda de los usuarios que conforman la estructura de red propuesta consiguiendo una mejora en el balance de potencias que permite aumentar distancia y número de usuarios. Uno de los principales problemas del OFDM es el alto nivel de la relación de potencia de pico a potencia media (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) creciente con el número de portadoras. Esta Tesis propone un nuevo algoritmo basado en el pliegue de la señal y la transmisión de información auxiliar para compensar el efecto del PAPR aumentando así la sensibilidad del sistema óptico. Por otro lado, OFDMA requiere un número elevado de operaciones en el dominio digital resultando en un alto esfuerzo computacional que a su vez se traduce en un aumento del coste. Por esta razón, esta Tesis presenta un estudio sobre la optimización de la resolución requerida en los conversores analógicodigital (Digital-to-Analog/Analog-to-Digital Converters, DAC/ADCs) manteniendo la calidad de transmisión. La optimización del tiempo de cómputo requerido puede dotar de un mayor atractivo la solución de red óptica basada en OFDMA. Finalmente, otro de los problemas que presentan las redes ópticas OFDM es su sensibilidad frente al ruido de fase (Phase Noise, PN). En este aspecto, esta Tesis presenta un estudio del efecto del ancho de línea del láser y su dependencia con el ancho de banda de la señal. Técnicas de mitigación basadas en tonos piloto han sido implementadas y se han encontrado los valores limitantes del ancho de línea dentro del alcance de los láseres de bajo coste.

Satellite communication will play a central role towards fulfilling next generation 5G communication requirements. As a matter of fact, anytime-anywhere connectivity cannot be conceived without the presence of the satellite segment. Indeed, satellite communication industry is not only targeting popular markets but also to high dense populated areas where the satellite will become an essential element to decongest the terrestrial wireless network. In order to deliver broadband interactive data traffic, satellite payloads are currently implementing a multibeam radiation pattern. The use of a multibeam architecture brings several advantages in front of a single global beam transmission. First, as an array fed reflector is employed, the antenna gain to noise ratio can be increased leading to high gain in the achievable throughput. Second, different symbols can be simultaneously sent to geographically separated areas, allowing a spatially multiplexed communication. Last but not least, the available bandwidth can be reused in sufficiently separated beams, increasing the spectrum reuse in the overall coverage area. Whenever the system designers target the terabit satellite system the aforementioned multibeam architecture shall be reconsidered. Indeed, the achievable rates can be extremely increased in case a more aggressive frequency reuse is deployed and interference mitigation techniques are implemented either at the user terminal (multiuser detection) or in the transmitter (precoding). Our study deals with the problem of precoding and linear filtering receiving methods for multibeam satellite systems when full frequency reuse is considered. Concretely, we consider the particular restrictions of satellite communications which, in contrast to terrestrial communication systems, suffer from additional drawbacks. First, the feeder link shall aggregate the overall data traffic leading to a very large rate requirement. This required data rate is even increased whenever linear filtering at the return link and precoding in the forward link are deployed. This is because the feed signals, which are larger than the number of beams, shall be computed on ground. In order to solve this problem, we propose a hybrid architecture where the satellite payload is equipped with a fixed processing. This on-board processing linearly transforms the received and transmitted data in order to keep the feeder link rate requirement low. The on-board processing results to be the same for both return and forward links, leading to a large reduction of the payload complexity, mass and cost. Second, as the data traffic can be generated by different gateways, the precoding method shall be designed accordingly. In contrast to previous works, this work studies the case where the collaboration between different gateways is limited. In addition to the aforementioned contribution, in this work some unexplored aspects of multi-gateway multibeam precoding are also investigated. Finally, we consider an important phenomena that currently needs to be treated in multibeam systems: the fact that a single codeword is embedded the information of multiple users in each beam. This leads to the difficult so-called multigroup multicast model, whose optimization requires computationally complex operations. In order to solve this problem: i) we propose a two-stage precoding design in order to both limit the multibeam interference and to enhance the intra-beam minimum user signal power, ii) a robust version of the proposed precoder based on a first perturbation model is presented. This mechanism behaves well when the channel state information is corrupted, iii) we propose a per beam user grouping mechanism so as its robust version in order to increase the precoding gain. Forth, a method for dealing with the multiple gateway architecture is presented that offers high throughputs with a low inter-gateway communication. / La comunicación por satélite desempeñará un papel central en el cumplimiento de los requisitos de comunicación 5G de próxima generación. Como cuestión de hecho, la conectividad cualquier momento y lugar no se puede concebir sin la presencia del segmento satelital. De hecho, la industria de la comunicación por satélite no sólo se dirige a los mercados populares, sino también a la alta densas zonas pobladas donde el satélite se convertirá en un elemento esencial para descongestionar la red inalámbrica terrestre. Para entregar el tráfico de datos interactiva de banda ancha, las cargas útiles de satélites están implementando un diagrama de radiación de haces múltiples. El uso de una arquitectura multihaz aporta varias ventajas frente a un único haz de transmisión global. En primer lugar, como se emplea un reflector alimentado matriz, la ganancia de antena a ruido puede aumentar dando lugar a una alta ganancia en el rendimiento alcanzable. En segundo lugar, diferentes símbolos pueden ser enviados simultáneamente a las áreas separadas geográficamente, lo que permite una comunicación multiplexada espacialmente. Por último, pero no menos importante, el ancho de banda disponible puede ser reutilizado en las vigas suficientemente separadas, el aumento de la reutilización del espectro en el área de cobertura global. Cada vez que los diseñadores de sistemas se dirigen el sistema de satélites terabit se reconsideró la arquitectura multihaz mencionado. De hecho, las tasas alcanzables pueden ser extremadamente aumentaron en caso de reutilización de frecuencias más agresiva está desplegado y las técnicas de reducción de interferencias se implementan ya sea en el terminal de usuario (detección multiusuario) o en el transmisor (precodificación). Nuestros estudio aborda el problema de precodificación y filtrado lineal recibir métodos para sistemas de satélites multihaz cuando se considera la reutilización de frecuencias completa. Concretamente, consideramos las restricciones particulares de comunicaciones por satélite que, en contraste con los sistemas de comunicación terrestres, sufren de desventajas adicionales. En primer lugar, el enlace de conexión deberá agregar el tráfico global de datos que conduce a un requisito tasa muy grande. Esta velocidad de datos requerida es incluso aumentó cada vez filtrado lineal en el enlace de retorno y precodificación en el enlace directo se despliegan. Esto se debe a que las señales de alimentación, que son más grandes que el número de haces, se computarán en el suelo. Con el fin de resolver este problema, se propone una arquitectura híbrida, donde la carga útil del satélite está equipado con un procesamiento fijo. Este procesamiento a bordo transforma linealmente los datos recibidos y transmitidos con el fin de mantener el requisito de baja tasa de enlace de conexión. Los resultados del procesamiento de a bordo para ser el mismo para ambos enlaces directo y de retorno, dando lugar a una gran reducción de la complejidad de carga útil, la masa y el coste. En segundo lugar, como el tráfico de datos puede ser generada por diferentes puertas de enlace, el método de precodificación deberá ser diseñado en consecuencia. A diferencia de los trabajos anteriores, este trabajo estudia el caso en que la colaboración entre las diferentes pasarelas es limitado. Además de la contribución anterior, en este trabajo también se investigan algunos aspectos inexplorados de multi-gateway multihaz precodificación. Finalmente, consideramos un fenómeno importante que necesita actualmente para ser tratados en sistemas multihaz: el hecho de que una sola palabra de código se incrusta la información de múltiples usuarios en cada viga. Esto conduce a la denominada modelo de multidifusión multigrupo difícil, cuya optimización requiere operaciones computacionalmente complejos. En tal escenario, el diseño de precodificación en el enlace directo será dirigido.

This PhD dissertation describes the research and development of a new low-cost medium wavelength infrared MWIR monolithic imager technology for high-speed uncooled industrial applications. It takes the baton on the latest technological advances in the field of vapour phase deposition (VPD) PbSe-based medium wavelength IR (MWIR) detection accomplished by the industrial partner NIT S.L., adding fundamental knowledge on the investigation of novel VLSI analog and mixed-signal design techniques at circuit and system levels for the development of the readout integrated device attached to the detector. The work supports on the hypothesis that, by the use of the preceding design techniques, current standard inexpensive CMOS technologies fulfill all operational requirements of the VPD PbSe detector in terms of connectivity, reliability, functionality and scalability to integrate the device. The resulting monolithic PbSe-CMOS camera must consume very low power, operate at kHz frequencies, exhibit good uniformity and fit the CMOS read-out active pixels in the compact pitch of the focal plane, all while addressing the particular characteristics of the MWIR detector: high dark-to-signal ratios, large input parasitic capacitance values and remarkable mismatching in PbSe integration. In order to achieve these demands, this thesis proposes null inter-pixel crosstalk vision sensor architectures based on a digital-only focal plane array (FPA) of configurable pixel sensors. Each digital pixel sensor (DPS) cell is equipped with fast communication modules, self-biasing, offset cancellation, analog-to-digital converter (ADC) and fixed pattern noise (FPN) correction. In-pixel power consumption is minimized by the use of comprehensive MOSFET subthreshold operation. The main aim is to potentiate the integration of PbSe-based infra-red (IR)-image sensing technologies so as to widen its use, not only in distinct scenarios, but also at different stages of PbSe-CMOS integration maturity. For this purpose, we posit to investigate a comprehensive set of functional blocks distributed in two parallel approaches: • Frame-based “Smart” MWIR imaging based on new DPS circuit topologies with gain and offset FPN correction capabilities. This research line exploits the detector pitch to offer fully-digital programmability at pixel level and complete functionality with input parasitic capacitance compensation and internal frame memory. • Frame-free “Compact”-pitch MWIR vision based on a novel DPS lossless analog integrator and configurable temporal difference, combined with asynchronous communication protocols inside the focal plane. This strategy is conceived to allow extensive pitch compaction and readout speed increase by the suppression of in-pixel digital filtering, and the use of dynamic bandwidth allocation in each pixel of the FPA. In order make the electrical validation of first prototypes independent of the expensive PbSe deposition processes at wafer level, investigation is extended as well to the development of affordable sensor emulation strategies and integrated test platforms specifically oriented to image read-out integrated circuits. DPS cells, imagers and test chips have been fabricated and characterized in standard 0.15μm 1P6M, 0.35μm 2P4M and 2.5μm 2P1M CMOS technologies, all as part of research projects with industrial partnership. The research has led to the first high-speed uncooled frame-based IR quantum imager monolithically fabricated in a standard VLSI CMOS technology, and has given rise to the Tachyon series [1], a new line of commercial IR cameras used in real-time industrial, environmental and transportation control systems. The frame-free architectures investigated in this work represent a firm step forward to push further pixel pitch and system bandwidth up to the limits imposed by the evolving PbSe detector in future generations of the device. / La present tesi doctoral descriu la recerca i el desenvolupament d'una nova tecnologia monolítica d'imatgeria infraroja de longitud d'ona mitja (MWIR), no refrigerada i de baix cost, per a usos industrials d'alta velocitat. El treball pren el relleu dels últims avenços assolits pel soci industrial NIT S.L. en el camp dels detectors MWIR de PbSe depositats en fase vapor (VPD), afegint-hi coneixement fonamental en la investigació de noves tècniques de disseny de circuits VLSI analògics i mixtes pel desenvolupament del dispositiu integrat de lectura unit al detector pixelat. Es parteix de la hipòtesi que, mitjançant l'ús de les esmentades tècniques de disseny, les tecnologies CMOS estàndard satisfan tots els requeriments operacionals del detector VPD PbSe respecte a connectivitat, fiabilitat, funcionalitat i escalabilitat per integrar de forma econòmica el dispositiu. La càmera PbSe-CMOS resultant ha de consumir molt baixa potència, operar a freqüències de kHz, exhibir bona uniformitat, i encabir els píxels actius CMOS de lectura en el pitch compacte del pla focal de la imatge, tot atenent a les particulars característiques del detector: altes relacions de corrent d'obscuritat a senyal, elevats valors de capacitat paràsita a l'entrada i dispersions importants en el procés de fabricació. Amb la finalitat de complir amb els requisits previs, es proposen arquitectures de sensors de visió de molt baix acoblament interpíxel basades en l'ús d'una matriu de pla focal (FPA) de píxels actius exclusivament digitals. Cada píxel sensor digital (DPS) està equipat amb mòduls de comunicació d'alta velocitat, autopolarització, cancel·lació de l'offset, conversió analògica-digital (ADC) i correcció del soroll de patró fixe (FPN). El consum en cada cel·la es minimitza fent un ús exhaustiu del MOSFET operant en subllindar. L'objectiu últim és potenciar la integració de les tecnologies de sensat d'imatge infraroja (IR) basades en PbSe per expandir-ne el seu ús, no només a diferents escenaris, sinó també en diferents estadis de maduresa de la integració PbSe-CMOS. En aquest sentit, es proposa investigar un conjunt complet de blocs funcionals distribuïts en dos enfocs paral·lels: - Dispositius d'imatgeria MWIR "Smart" basats en frames utilitzant noves topologies de circuit DPS amb correcció de l'FPN en guany i offset. Aquesta línia de recerca exprimeix el pitch del detector per oferir una programabilitat completament digital a nivell de píxel i plena funcionalitat amb compensació de la capacitat paràsita d'entrada i memòria interna de fotograma. - Dispositius de visió MWIR "Compact"-pitch "frame-free" en base a un novedós esquema d'integració analògica en el DPS i diferenciació temporal configurable, combinats amb protocols de comunicació asíncrons dins del pla focal. Aquesta estratègia es concep per permetre una alta compactació del pitch i un increment de la velocitat de lectura, mitjançant la supressió del filtrat digital intern i l'assignació dinàmica de l'ample de banda a cada píxel de l'FPA. Per tal d'independitzar la validació elèctrica dels primers prototips respecte a costosos processos de deposició del PbSe sensor a nivell d'oblia, la recerca s'amplia també al desenvolupament de noves estratègies d'emulació del detector d'IR i plataformes de test integrades especialment orientades a circuits integrats de lectura d'imatge. Cel·les DPS, dispositius d'imatge i xips de test s'han fabricat i caracteritzat, respectivament, en tecnologies CMOS estàndard 0.15 micres 1P6M, 0.35 micres 2P4M i 2.5 micres 2P1M, tots dins el marc de projectes de recerca amb socis industrials. Aquest treball ha conduït a la fabricació del primer dispositiu quàntic d'imatgeria IR d'alta velocitat, no refrigerat, basat en frames, i monolíticament fabricat en tecnologia VLSI CMOS estàndard, i ha donat lloc a Tachyon, una nova línia de càmeres IR comercials emprades en sistemes de control industrial, mediambiental i de transport en temps real.

As CMOS technology scales down, Process, Voltage, Temperature and Ageing (PVTA) variations have an increasing impact on the performance and power consumption of electronic devices. These issues may hold back the continuous improvement of these devices in the near future. There are several ways to face the variability problem: to increase the operating margins of maximum clock frequency, the implementation of lithographic friendly layout styles, and the last one and the focus of this thesis, to adapt the circuit to its actual manufacturing and environment conditions by tuning some of the adjustable parameters once the circuit has been manufactured. The main challenge of this thesis is to develop a low-area variability compensation mechanism to automatically mitigate PVTA variations in run-time, i.e. while integrated circuit is running. This implies the development of a sensor to obtain the most accurate picture of variability, and the implementation of a control block to knob some of the electrical parameters of the circuit. / A mesura que la tecnologia CMOS escala, les variacions de Procés, Voltatge, Temperatura i Envelliment (PVTA) tenen un impacte creixent en el rendiment i el consum de potència dels dispositius electrònics. Aquesta problemàtica podria arribar a frenar la millora contínua d'aquests dispositius en un futur proper. Hi ha diverses maneres d'afrontar el problema de la variabilitat: relaxar el marge de la freqüència màxima d'operació, implementar dissenys físics de xips més fàcils de litografiar, i per últim i com a tema principal d'aquesta tesi, adaptar el xip a les condicions de fabricació i d'entorn mitjançant la modificació d'algun dels seus paràmetres ajustables una vegada el circuit ja ha estat fabricat. El principal repte d'aquesta tesi és desenvolupar un mecanisme de compensació de variabilitat per tal de mitigar les variacions PVTA de manera automàtica en temps d'execució, és a dir, mentre el xip està funcionant. Això implica el desenvolupament d'un sensor capaç de mesurar la variabilitat de la manera més acurada possible, i la implementació d'un bloc de control que permeti l'ajust d'alguns dels paràmetres elèctrics dels circuits.

Fast and Complex Data Memory systems has become a necessity in modern computational units in today's integrated circuits. These memory systems are integrated in form of large embedded memory for data manipulation and storage. This goal has been achieved by the aggressive scaling of transistor dimensions to few nanometer (nm) sizes, though; such a progress comes with a drawback, making it critical to obtain high yields of the chips. Process variability, due to manufacturing imperfections, along with temporal aging, mainly induced by higher electric fields and temperature, are two of the more significant threats that can no longer be ignored in nano-scale embedded memory circuits, and can have high impact on their robustness. Static Random Access Memory (SRAM) is one of the most used embedded memories; generally implemented with the smallest device dimensions and therefore its robustness can be highly important in nanometer domain design paradigm. Their reliable operation needs to be considered and achieved both in cell and also in architectural SRAM array design. Recently, and with the approach to near/below 10nm design generations, novel non-FET devices such as Memristors are attracting high attention as a possible candidate to replace the conventional memory technologies. In spite of their favorable characteristics such as being low power and highly scalable, they also suffer with reliability challenges, such as process variability and endurance degradation, which needs to be mitigated at device and architectural level. This thesis work tackles such problem of reliability concerns in memories by utilizing advanced reconfiguration techniques. In both SRAM arrays and Memristive crossbar memories novel reconfiguration strategies are considered and analyzed, which can extend the memory lifetime. These techniques include monitoring circuits to check the reliability status of the memory units, and architectural implementations in order to reconfigure the memory system to a more reliable configuration before a fail happens. / Actualmente, el diseño de sistemas de memoria en circuitos integrados busca continuamente que sean más rápidos y complejos, lo cual se ha vuelto de gran necesidad para las unidades de computación modernas. Estos sistemas de memoria están integrados en forma de memoria embebida para una mejor manipulación de los datos y de su almacenamiento. Dicho objetivo ha sido conseguido gracias al agresivo escalado de las dimensiones del transistor, el cual está llegando a las dimensiones nanométricas. Ahora bien, tal progreso ha conllevado el inconveniente de una menor fiabilidad, dado que ha sido altamente difícil obtener elevados rendimientos de los chips. La variabilidad de proceso - debido a las imperfecciones de fabricación - junto con la degradación de los dispositivos - principalmente inducido por el elevado campo eléctrico y altas temperaturas - son dos de las más relevantes amenazas que no pueden ni deben ser ignoradas por más tiempo en los circuitos embebidos de memoria, echo que puede tener un elevado impacto en su robusteza final. Static Random Access Memory (SRAM) es una de las celdas de memoria más utilizadas en la actualidad. Generalmente, estas celdas son implementadas con las menores dimensiones de dispositivos, lo que conlleva que el estudio de su robusteza es de gran relevancia en el actual paradigma de diseño en el rango nanométrico. La fiabilidad de sus operaciones necesita ser considerada y conseguida tanto a nivel de celda de memoria como en el diseño de arquitecturas complejas basadas en celdas de memoria SRAM. Actualmente, con el diseño de sistemas basados en dispositivos de 10nm, dispositivos nuevos no-FET tales como los memristores están atrayendo una elevada atención como posibles candidatos para reemplazar las actuales tecnologías de memorias convencionales. A pesar de sus características favorables, tales como el bajo consumo como la alta escabilidad, ellos también padecen de relevantes retos de fiabilidad, como son la variabilidad de proceso y la degradación de la resistencia, la cual necesita ser mitigada tanto a nivel de dispositivo como a nivel arquitectural. Con todo esto, esta tesis doctoral afronta tales problemas de fiabilidad en memorias mediante la utilización de técnicas de reconfiguración avanzada. La consideración de nuevas estrategias de reconfiguración han resultado ser validas tanto para las memorias basadas en celdas SRAM como en `memristive crossbar¿, donde se ha observado una mejora significativa del tiempo de vida en ambos casos. Estas técnicas incluyen circuitos de monitorización para comprobar la fiabilidad de las unidades de memoria, y la implementación arquitectural con el objetivo de reconfigurar los sistemas de memoria hacia una configuración mucho más fiables antes de que el fallo suceda

Connect, upload, download, share and transfer anything at anytime and anywhere is not a futuristic vision and is indeed a real demand on current and future wireless and fixed communication systems. From the point of view of service providers, efficient usage of the limited resources on the radio frequency (RF) spectrum is one of the biggest challenges. This technological challenge have to be faced from many different approaches and one is certainly the RF hardware equipment on the wireless devices, base stations and satellite equipment. Among the RF components into the RF chain, the filtering stage is without any doubt one of the most critical components, which usually have to be individual for any communication system or have to operate in a multistandard and multimode communication environment. Our devices are equipped with more and more radios and there are many scenarios where it is desirable from a user perspective to operate these simultaneously. Adding to the challenges, many of these bands are very close together and therefore require highly selective filters. When this happens it is essential that they can operate without detrimental mutual interference. These bands must be isolated to avoid interference. This demands for continuous research on filter a) performance improvement and b) size reduction. This is even more stringent in satellite equipment where the live of the device is longer and the size and weight of the equipment significantly contributes to the payload of the satellite and strongly affects the cost. The number of selective or channelizing filters in a satellite equipment are numerous and present into the input multiplexing, always present in any satellite transponder. Channel filters in input multiplexers take up a substantial portion of modern satellite payloads in terms of size and mass. High selective filters can be achieved by the use of high quality factor resonators on the implementation of high order filter with usually a complex configuration - several transmission zeros to increase and tailored the selectivity and equalization zeros to obtain a linear group delay response of the filter. Although several innovative technologies can achieve high performance filter with a considerable compact size, the required filter response flexibility and heritage demanded on the on-board satellite equipment, demands for using conventional technologies for the filter implementation. This results in bulky filter configurations, where a size reduction inherently involves a reduction on the quality factor, which in turn give rises into a degradation of the filter performance. The goal of this work is the implementation of a new class of filters with the used of lossy resonators. Note that success of this goal will result in high performance filter with reduced sized and suitable to be used in satellite equipment. The size reduction, in this novel class of filters, comes along an increment of the overall filter insertion losses, although the filter shape factor it is still high-performed. Although this limits the application of such new class of filters, there are very promising in RF input front-end architectures where the filter (or input multiplexer filtering stage) connects after and amplifier structures, as in a satellite equipment. This demands for achieving three intermediate goals: 1) create a new mathematical formulation of the filter response which considers the limited losses of the resonators from the very beginning, 2) provide the suitable synthesized network of the new filter topologies. This new topologies usually results in conventional topologies with an additional coupled resistive network which provides a selective dissipation along the filter band, and 3) evaluate the technological issues for the implementation of this new class of filters. The later objective have been achieved by the implementation of three prototypes. / Conectar, cargar, descargar, compartir y transferir datos en cualquier momento y en cualquier lugar, no es una visión futurista y es de hecho una demanda real en los sistemas de comunicación inalámbrica y fijos actuales y futuros. Desde el punto de vista de los proveedores de servicios, el uso eficiente del espectro frecuencial es uno de los retos más grandes. Este desafío tecnológico requiere de muchos enfoques diferentes y uno de ellos es sin duda desde el punto de vista de los dispositivos de RF que forman los sistemas de comunicaciones. Entre los componentes dentro de la cadena de RF, la etapa de filtrado es sin ninguna duda uno de los componentes más críticos, y que en general debe ser único para cualquier sistema de comunicación y / o debe operar en un entorno de comunicación multiestándar. Los dispositivos actuales están equipados con más y más sistemas, que en muchos casos es deseable desde la perspectiva del usuario poder operar simultáneamente. Además muchos de estos sistemas se encuentran en bandas frecuenciales muy próximas entre sí y por lo tanto requieren de filtros muy selectivos. Cuando esto sucede, es esencial poder operar sin interferencia mutua. Esto exige de una investigación continua en el diseño de filtros, para) la mejora de su respuesta y b) reducción de tamaño. Estas demandas son aún más estrictos en equipos de satélites donde el tamaño y peso del equipo contribuye significativamente a la carga útil del satélite y afecta fuertemente al coste. El número de filtros selectivos o de canal en un equipo de satélite es grande y presente sobre todo en la multiplexación de entrada. Los multiplexores de entrada ocupan una parte sustancial de las cargas útiles de los satélites modernos en términos de tamaño y masa. Filtros altamente selectivos se pueden conseguir mediante el uso de resonadores con un factor calidad alto, con un gran número de resonadores y generalmente con una configuración compleja - varios ceros de transmisión para aumentar la selectividad y de ecualizar el retraso de grupo del filtro. Aunque varias tecnologías innovadoras pueden conseguir filtros de altas prestaciones con configuraciones compactas, la demanda por el uso de tecnologías convencionales en aplicaciones de espacio, exige el uso de configuraciones de filtro voluminosos, donde una reducción de tamaño implica inherentemente una reducción en el factor de calidad, que a su vez produce una degradación de las prestaciones del filtro. El objetivo de este trabajo es la implementación de una nueva clase de filtros con el uso de resonadores con pérdidas. Logro de este objetivo se traducirá en filtros de alto rendimiento con tamaño reducido y adecuado para ser utilizado en equipos de satélites. La reducción en las dimensiones, en esta nueva clase de filtros, resulta en un incremento de las pérdidas de inserción totales del filtro, aunque el shape factor del filtro corresponde al de un filtro de altas prestaciones. Aunque este incremento en las pérdidas de inserción puede limitar la aplicación de esta nueva clase de filtros, hay muchas arquitecturas donde el filtro (o etapa de filtrado multiplexor de entrada) se conecta después del amplificador, donde las pérdidas y prestaciones del sistema se ven compensadas, como es el caso de un equipo satelital. El éxito del objetivo final exige conseguir tres objetivos intermedios: 1) crear una nueva formulación matemática para la respuesta del filtro que considera las pérdidas de los resonadores desde el principio, 2) proporcionar la red sintetizada de las nuevas topologías de filtro. Estas nuevas topologías resultan en topologías convencionales con una red resistiva adicional que proporciona una disipación selectiva a lo largo de la banda de filtro, y 3) evaluar las cuestiones tecnológicas para la implementación de esta nueva clase de filtros.

Los dispositivos de Memoria Resistiva de Acceso Aleatorio (RRAM) han sido propuestos como posibles candidatos para substituir a las tecnologías actualmente empleadas como dispositivos de memoria no volátil. El origen de esta propuesta se basa en la observación de las extraordinarias propiedades requeridas para el escalamiento de este tipo de dispositivos. En este sentido, una gran variedad de óxidos que exhiben fenómenos de conmutación resistiva se han estudiado últimamente. Sin embargo, la falta de comprensión del mecanismo físico que produce la conmutación resistiva ha limitado principalmente su comercialización. En esta tesis, se exploran las propiedades de conmutación resistiva del óxido complejo La1-xSrxMnO3 y bicapa CeO2-x/La1-x SrxMnO3 para aplicaciones de dispositivos de memoria no volátil. En primer lugar se estudia la técnica de depósito de capas delgadas de La1-xSrxMnO3 y se realizan medidas de caracterización de las propiedades físicas y estructurales con el fin de optimizar al máximo este proceso. Además, se emplean técnicas de microfabricación para obtener dispositivos laterales tipo memristor metal/La1-xSrxMnO3/metal y metal/CeO2-x/La1-x SrxMnO3/CeO2-x/metal en los cuales se evalúa la conmutación resistiva a través de medidas I-V. De acuerdo con los resultados, se propone un mecanismo basado en el intercambio de iones de oxígeno como responsable de la conmutación resistiva de tipo bipolar y complementario inducida en este tipo de dispositivos laterales. Asimismo, basándonos en la conmutación de volumen inducida en dispositivos bicapa metal/CeO2-x/La1-x SrxMnO3/CeO2-x/metal se presenta un dispositivo de tres terminales como parte innovadora de este trabajo. La conducción de corriente a lo largo de la capa de La1-x SrxMnO3 se modula mediante el uso de un electrodo metálico que actúa como terminal de puerta. Como consecuencia de la observación de la conmutación de volumen, se confirma que la capa de CeO2-x actúa como reservorio de oxígeno la cual favorece el intercambio de iones de oxígeno con la capa de La1-xSrxMnO3 y que además modifica las propiedades de conmutación resistiva. También, se demuestra que la conmutación resistiva se produce homogéneamente en el interior de la capa de La1-xSrxMnO3 y que el proceso de electroformado para inducir el cambio de resistencia en los dispositivos bicapa no produce ruptura alguna ni en la capa de CeO2-x ni en la capa de La1-xSrxMnO3. Finalmente, las conclusiones obtenidas de los resultados de este trabajo pueden ser de relevancia para la comprensión de los fenómenos de conmutación resistiva en óxidos complejos. / Resistive Random Access Memory (RRAM) devices have been proposed as candidates to replace the actual technologies employed as non-volatile memory devices. The origin of this proposal relies on the observation of the extraordinary properties required for the scaling down of this kind of devices. In this regard, a great variety of oxide materials displaying resistive switching phenomena have been studied lately. However, the lack of understanding of the physical mechanism producing the resistive switching has limited mainly their commercialization. In this thesis, we explore the resistive switching properties of the complex oxide La1-xSrxMnO3 and bilayer CeO2-x/La1-x SrxMnO3 for non-volatile memory applications. First, we study the La1-xSrxMnO3 thin layer deposition technique and perform physical and structural characterization measurements in order to fully optimize this process. In addition, microfabrication techniques are used to obtain the memristor-like metal/La1-xSrxMnO3/metal and metal/CeO2-x/La1-x SrxMnO3/CeO2-x/metal lateral micro-devices where the resistive switching is evaluated through I-V measurements. In line with the results, a mechanism based on the oxygen ion exchange is proposed as responsible of the bipolar and complementary resistive switching induced in this kind of lateral devices. Furthermore, based on volume switching induced in metal/CeO2-x/La1-xSrxMnO3/CeO2-x/metal bilayers, a three-terminal device is presented as innovative part of this work. The current conduction along the La1-xSrxMnO3 layer is modulated by using a metal electrode which acts as a gate terminal. As a consequence of the evaluation of the volume switching, we confirm that the CeO2-x layer acts as an oxygen reservoir favouring the oxygen ion exchange with the La1-xSrxMnO3 layer and modify its resistive switching properties. In addition, we demonstrate that the resistive switching is homogenously produced inside of the La1-xSrxMnO3 layer and that the electroforming process to induce the resistive switching in bilayer devices does not produce any breakdown neither in the CeO2-x nor in the La1-x SrxMnO3 layer. Finally, the conclusions derived from our results can be of relevance for the understanding of the resistive switching phenomena in complex oxides.

Els últims avenços en els sistemes reconfigurables han fet possible que les darreres famílies de FPGAs tinguin prou recursos per permetre la implementació de sistemes multiprocessadors utilitzant més de 100 nuclis (soft-core) en una única FPGA. En aquesta tesis presento com implementar solucions basades en aquests sistemes i dos escenaris on aquests sistemes tenen interès. Les FPGAs s’utilitzen cada vegada més en la computació d’altes prestacions ja que poden arribar a oferir més eficiència energètica que altres arquitectures com ara CPUs o GPGPUs. Tanmateix, la baixa programabilitat d’aquests sistemes, fruit de l’ús de llenguatges HDL és un inconvenient que limita la seva adopció. La introducció recent de fluxos de disseny per FPGA basats en OpenCL és un avenç per reduir la dificultat de programació, però malgrat tot, produeix arquitectures de propòsit específic que no poden reutilitzar-se per altres aplicacions a no ser que es reconfiguri la plataforma. Construint many-soft-cores que utilitzin acceleradors simples es poden aconseguir prestacions i eficiència energètica i tot i així, encara disposar d’un sistema útil per executar altres aplicacions. Per fer-ho possible les eines de disseny actual per FPGA s’han complementat per afegir suport per construir arquitectures many-soft-core, proporcionar models de programació paral·lels i mètodes eficients per analitzar i optimitzar els dissenys. Per altra banda, es mostra com els mateixos mètodes es poden utilizar per desenvolupar un sistema de temps real i alts nivells de seguretat mitjançant l’aïllament de tasques en els diferents nuclis del sistema. / The latest advances on reconfigurable systems resulted in FPGA devices with enough resources to implement multiprocessing systems with more than 100 soft-cores on a single FPGA. In this thesis I present how to implement solutions based on such systems and I present two scenarios where those kind of sytems would be valuable. FPGAs are increasingly being used in HPC computing as they can bring higher energy efficiency than other alternative architectures such as CPUs or GPGPUs. However, the programmability barrier imposed by HDL languages is a serious drawback that limits their adoption. The recent introduction of OpenCL toolchains for FPGAs is a step towards destroying the barrier, but still produce application specific designs that cannot be reused for other general purpose computing unless the platform is reconfigured. Building many-soft-cores using simple hardware accelerators can bring performance and energy efficiency and still provide a general purpose system to be used for different applications. To make it possible the current FPGA toolchains has been complemented to add support for fast many-soft-core platform description, provide convenient parallel programming models, and efficient methods to optimize the designs. On the other hand I show how the same methods can be applied to implement a system using a task isolation approach to meet the requirements of a hard real-time safety critical system.

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En la actualidad, el propósito de ahorrar energía y encontrar nuevas fuentes de energía renovables se ha convertido en un tema candente. Las fuentes de energía ambiental son la mejor solución para obtener energía gratis en prácticamente cualquier lugar. Fuentes de energía mecánica y, en particular, las vibraciones son una magnifica opción para recuperar una cantidad pequeña, pero interminable, de energía del ambiente para alimentar circuitos electrónicos de bajo consumo. Los dispositivos de recolección de energía nano- y microelectromecánicos (N/MEMS) pretenden ser el vínculo entre esos dos diferentes dominios. Un recolector de energía (energy scavenger) puede producir suficiente electricidad para alimentar un nodo autónomo de una red de sensores inalámbricos (WSN), sin la necesidad de una batería dedicada. Esta tesis se centra en el estudio, diseño, fabricación y caracterización de diferentes tipos de sistemas de recolección de energía a micro-escala. Los métodos de transducción investigados para convertir la energía mecánica en electricidad han sido el electrostático y el piezoeléctrico. El primero de ellos fue utilizado para integrar, en un mismo chip, un recolector de energía en una tecnología CMOS comercial. Después, se utilizaron dos diferentes tecnologías MEMS para la fabricación de un sistema electrostático y otro piezoeléctrico. Estos sistemas se han aprovechado de un concepto novedoso, definido por primera vez en esta tesis, llamado "Energy Harvester in Package". Este se basa en el uso del propio chip como masa inercial del resonador utilizado para recuperar la energía mecánica. La ventaja de este concepto es el aumento significativo de la densidad de potencia extraída en comparación con los diseños convencionales. Como resultado de estos procesos de fabricación, varios prototipos de diferentes sistemas de recolección de energía fueron fabricados y caracterizados, mostrando prometedoras expectativas. En la última parte de esta tesis, se realiza una extrapolación hacia dispositivos de recolección de energía a escala nanométrica. Esta se centra en el uso de nanohilos piezoeléctricos de ZnO para generar electricidad como consecuencia de movimientos. Esta innovadora área de investigación ha sido explorada y varios prototipos fueron fabricados para probar la combinación de elementos microscópicos resonantes y nanohilos piezoeléctricos de ZnO. / Nowadays, the aim of saving energy and finding new renewable sources has become a hot topic. Ambient energy sources are the best solution to obtain free energy in virtually any location. Mechanical energy sources and, in particular, vibrations are a wonderful option to recover a tiny but endless amount of energy from the environment to power lowconsumption electronics circuits. N/MEMS energy harvesting devices are aimed to be the link between these two different domains. An energy scavenger can generate enough electricity to power an autonomous node of a wireless sensor network (WSN) without the need of a dedicated battery. This thesis is focused on the study, design, fabrication and characterization of different approaches of vibration-driven energy harvesting systems at micro-scale. The transduction methods investigated to convert the mechanical energy into electricity have been the electrostatic and piezoelectric. The first one was used to monolithically integrate an energy scavenger into a commercial CMOS technology. Then, two different MEMS technologies for fabricating an electrostatic and a piezoelectric energy harvesting system were utilized. These systems took advantage of a novel concept, first defined in this thesis, called “Energy Harvesting in Package” that relies on the use of the whole die as inertial mass of the resonator utilized to recover the mechanical energy. The advantage of this concept is the significant increase of the extracted power density in comparison to the conventional approach. As a result of these fabrication processes, several prototypes of the converter part of different energy harvesting systems were developed and characterized showing promising expectations. In the last part of this thesis, a shift toward nano-scale energy scavenging devices is done. It is focused on the use of piezoelectric ZnO nanowires to generate electricity from motion. This cutting-edge field has been explored and several prototypes were fabricated to prove the combination of microscopic resonant elements with ZnO nanowires.