Performance analysis with network-enhanced complexities: On fading measurements, event-triggered mechanisms, and cyber attacks

Copyright © 2014 Derui Ding et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.Nowadays, the real-world systems are usually subject to various complexities such as parameter uncertainties, time-delays, and nonlinear disturbances. For networked systems, especially large-scale systems such as multiagent systems and systems over sensor networks, the complexities are inevitably enhanced in terms of their degrees or intensities because of the usage of the communication networks. Therefore, it would be interesting to (1) examine how this kind of network-enhanced complexities affects the control or filtering performance; and (2) develop some suitable approaches for controller/filter design problems. In this paper, we aim to survey some recent advances on the performance analysis and synthesis with three sorts of fashionable network-enhanced complexities, namely, fading measurements, event-triggered mechanisms, and attack behaviors of adversaries. First, these three kinds of complexities are introduced in detail according to their engineering backgrounds, dynamical characteristic, and modelling techniques. Then, the developments of the performance analysis and synthesis issues for various networked systems are systematically reviewed. Furthermore, some challenges are illustrated by using a thorough literature review and some possible future research directions are highlighted.This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grants 61134009, 61329301, 61203139, 61374127, and 61374010, the Royal Society of the UK, and the Alexander von Humboldt Foundation of Germany

Méthodes statistiques de détection d’observations atypiques pour des données en grande dimension

La détection d’observations atypiques de manière non-supervisée est un enjeu crucial dans la pratique de la statistique. Dans le domaine de la détection de défauts industriels, cette tâche est d’une importance capitale pour assurer une production de haute qualité. Avec l’accroissement exponentiel du nombre de mesures effectuées sur les composants électroniques, la problématique de la grande dimension se pose lors de la recherche d’anomalies. Pour relever ce challenge, l’entreprise ippon innovation, spécialiste en statistique industrielle et détection d’anomalies, s’est associée au laboratoire de recherche TSE-R en finançant ce travail de thèse. Le premier chapitre commence par présenter le contexte du contrôle de qualité et les différentes procédures déjà mises en place, principalement dans les entreprises de semi-conducteurs pour l’automobile. Comme ces pratiques ne répondent pas aux nouvelles attentes requises par le traitement de données en grande dimension, d’autres solutions doivent être envisagées. La suite du chapitre résume l’ensemble des méthodes multivariées et non supervisées de détection d’observations atypiques existantes, en insistant tout particulièrement sur celles qui gèrent des données en grande dimension. Le Chapitre 2 montre théoriquement que la très connue distance de Mahalanobis n’est pas adaptée à la détection d’anomalies si celles-ci sont contenues dans un sous-espace de petite dimension alors que le nombre de variables est grand.Dans ce contexte, la méthode Invariant Coordinate Selection (ICS) est alors introduite comme une alternative intéressante à la mise en évidence de la structure des données atypiques. Une méthodologie pour sélectionner seulement les composantes d’intérêt est proposée et ses performances sont comparées aux standards habituels sur des simulations ainsi que sur des exemples réels industriels. Cette nouvelle procédure a été mise en oeuvre dans un package R, ICSOutlier, présenté dans le Chapitre 3 ainsi que dans une application R shiny (package ICSShiny) qui rend son utilisation plus simple et plus attractive.Une des conséquences directes de l’augmentation du nombre de dimensions est la singularité des estimateurs de dispersion multivariés, dès que certaines variables sont colinéaires ou que leur nombre excède le nombre d’individus. Or, la définition d’ICS par Tyler et al. (2009) se base sur des estimateurs de dispersion définis positifs. Le Chapitre 4 envisage différentes pistes pour adapter le critère d’ICS et investigue de manière théorique les propriétés de chacune des propositions présentées. La question de l’affine invariance de la méthode est en particulier étudiée. Enfin le dernier chapitre, se consacre à l’algorithme développé pour l’entreprise. Bien que cet algorithme soit confidentiel, le chapitre donne les idées générales et précise les challenges relevés, notamment numériques.The unsupervised outlier detection is a crucial issue in statistics. More specifically, in the industrial context of fault detection, this task is of great importance for ensuring a high quality production. With the exponential increase in the number of measurements on electronic components, the concern of high dimensional data arises in the identification of outlying observations. The ippon innovation company, an expert in industrial statistics and anomaly detection, wanted to deal with this new situation. So, it collaborated with the TSE-R research laboratory by financing this thesis work. The first chapter presents the quality control context and the different procedures mainly used in the automotive industry of semiconductors. However, these practices do not meet the new expectations required in dealing with high dimensional data, so other solutions need to be considered. The remainder of the chapter summarizes unsupervised multivariate methods for outlier detection, with a particular emphasis on those dealing with high dimensional data. Chapter 2 demonstrates that the well-known Mahalanobis distance presents some difficulties to detect the outlying observations that lie in a smaller subspace while the number of variables is large. In this context, the Invariant Coordinate Selection (ICS) method is introduced as an interesting alternative for highlighting the structure of outlierness. A methodology for selecting only the relevant components is proposed. A simulation study provides a comparison with benchmark methods. The performance of our proposal is also evaluated on real industrial data sets. This new procedure has been implemented in an R package, ICSOutlier, presented in Chapter 3, and in an R shiny application (package ICSShiny) that makes it more user-friendly. When the number of dimensions increases, the multivariate scatter matrices turn out to be singular as soon as some variables are collinear or if their number exceeds the number of individuals. However, in the presentation of ICS by Tyler et al. (2009), the scatter estimators are defined as positive definite matrices. Chapter 4 proposes three different ways for adapting the ICS method to singular scatter matrices and theoretically investigates their properties. The question of affine invariance is analyzed in particular. Finally, the last chapter is dedicated to the algorithm developed for the company. Although the algorithm is confidential, the chapter presents the main ideas and the challenges, mostly numerical, encountered during its development

Méthodes statistiques de détection d’observations atypiques pour des données en grande dimension

La détection d’observations atypiques de manière non-supervisée est un enjeu crucial dans la pratique de la statistique. Dans le domaine de la détection de défauts industriels, cette tâche est d’une importance capitale pour assurer une production de haute qualité. Avec l’accroissement exponentiel du nombre de mesures effectuées sur les composants électroniques, la problématique de la grande dimension se pose lors de la recherche d’anomalies. Pour relever ce challenge, l’entreprise ippon innovation, spécialiste en statistique industrielle et détection d’anomalies, s’est associée au laboratoire de recherche TSE-R en finançant ce travail de thèse. Le premier chapitre commence par présenter le contexte du contrôle de qualité et les différentes procédures déjà mises en place, principalement dans les entreprises de semi-conducteurs pour l’automobile. Comme ces pratiques ne répondent pas aux nouvelles attentes requises par le traitement de données en grande dimension, d’autres solutions doivent être envisagées. La suite du chapitre résume l’ensemble des méthodes multivariées et non supervisées de détection d’observations atypiques existantes, en insistant tout particulièrement sur celles qui gèrent des données en grande dimension. Le Chapitre 2 montre théoriquement que la très connue distance de Mahalanobis n’est pas adaptée à la détection d’anomalies si celles-ci sont contenues dans un sous-espace de petite dimension alors que le nombre de variables est grand.Dans ce contexte, la méthode Invariant Coordinate Selection (ICS) est alors introduite comme une alternative intéressante à la mise en évidence de la structure des données atypiques. Une méthodologie pour sélectionner seulement les composantes d’intérêt est proposée et ses performances sont comparées aux standards habituels sur des simulations ainsi que sur des exemples réels industriels. Cette nouvelle procédure a été mise en oeuvre dans un package R, ICSOutlier, présenté dans le Chapitre 3 ainsi que dans une application R shiny (package ICSShiny) qui rend son utilisation plus simple et plus attractive.Une des conséquences directes de l’augmentation du nombre de dimensions est la singularité des estimateurs de dispersion multivariés, dès que certaines variables sont colinéaires ou que leur nombre excède le nombre d’individus. Or, la définition d’ICS par Tyler et al. (2009) se base sur des estimateurs de dispersion définis positifs. Le Chapitre 4 envisage différentes pistes pour adapter le critère d’ICS et investigue de manière théorique les propriétés de chacune des propositions présentées. La question de l’affine invariance de la méthode est en particulier étudiée. Enfin le dernier chapitre, se consacre à l’algorithme développé pour l’entreprise. Bien que cet algorithme soit confidentiel, le chapitre donne les idées générales et précise les challenges relevés, notamment numériques.The unsupervised outlier detection is a crucial issue in statistics. More specifically, in the industrial context of fault detection, this task is of great importance for ensuring a high quality production. With the exponential increase in the number of measurements on electronic components, the concern of high dimensional data arises in the identification of outlying observations. The ippon innovation company, an expert in industrial statistics and anomaly detection, wanted to deal with this new situation. So, it collaborated with the TSE-R research laboratory by financing this thesis work. The first chapter presents the quality control context and the different procedures mainly used in the automotive industry of semiconductors. However, these practices do not meet the new expectations required in dealing with high dimensional data, so other solutions need to be considered. The remainder of the chapter summarizes unsupervised multivariate methods for outlier detection, with a particular emphasis on those dealing with high dimensional data. Chapter 2 demonstrates that the well-known Mahalanobis distance presents some difficulties to detect the outlying observations that lie in a smaller subspace while the number of variables is large. In this context, the Invariant Coordinate Selection (ICS) method is introduced as an interesting alternative for highlighting the structure of outlierness. A methodology for selecting only the relevant components is proposed. A simulation study provides a comparison with benchmark methods. The performance of our proposal is also evaluated on real industrial data sets. This new procedure has been implemented in an R package, ICSOutlier, presented in Chapter 3, and in an R shiny application (package ICSShiny) that makes it more user-friendly. When the number of dimensions increases, the multivariate scatter matrices turn out to be singular as soon as some variables are collinear or if their number exceeds the number of individuals. However, in the presentation of ICS by Tyler et al. (2009), the scatter estimators are defined as positive definite matrices. Chapter 4 proposes three different ways for adapting the ICS method to singular scatter matrices and theoretically investigates their properties. The question of affine invariance is analyzed in particular. Finally, the last chapter is dedicated to the algorithm developed for the company. Although the algorithm is confidential, the chapter presents the main ideas and the challenges, mostly numerical, encountered during its development

Multi-Scale Host-Aware Modeling for Analysis and Tuning of Synthetic Gene Circuits for Bioproduction

[ES] Esta Tesis ha sido dedicada al modelado multiescala considerando al anfitrión celular para el análisis y ajuste de circuitos genéticos sintéticos para bioproducción. Los objetivos principales fueron: 1. El desarrollo de un modelo que considere el anfitrión celular de tamaño reducido enfocado para simulación y análisis. 2. El desarrollo de herramientas de programación para el modelado y la simulación, orientada a la biología sintética. 3. La implementación de un modelo multiescala que considere las escalas relevantes para la bioproducción (biorreactor, célula y circuito sintético). 4. El análisis del controlador antitético considerando las interacciones célula-circuito, como ejemplo de aplicación de las herramientas desarrolladas. 5. El desarrollo y la validación experimental de leyes de control robusto para biorreactores continuos. El trabajo presentado en esta Tesis cubre las tres escalas del proceso de bioproducción. La primera escala es el biorreactor: esta escala considera la dinámica macroscópica del sustrato y la biomasa, y como estas dinámica se conecta con el estado interno de las células. La segunda escala es la célula anfitriona: esta escala considera la dinámica interna de la célula y la competencia por los recursos limitados compartidos para la expresión de proteínas. La tercera escala es el circuito genético sintético: esta escala considera la dinámica de expresión de los circuitos sintéticos exógenos y la carga que inducen en la célula anfitriona. Por último, como > escala, parte de la Tesis se ha dedicado a desarrollar herramientas de software para el modelado y la simulación. Este documento se divide en siete capítulos. El Capítulo 1 es una introducción general al trabajo de la Tesis y su justificación; también presenta un mapa visual de la Tesis y enumera las principales contribuciones. El Capítulo 2 muestra el desarrollo del modelo del anfitrión celular (los Capítulos 4 y 5 hacen uso de este modelo para sus simulaciones). El Capítulo 3 presenta OneModel: una herramienta de software desarrollada en la Tesis que facilita el modelado y la simulación en biología sintética, en particular, facilita el uso del modelo del anfitrión celular. El Capítulo 4 utiliza el modelo del anfitrión celular para montar el modelo multiescala que considera el biorreactor y analiza el título, la productividad y el rendimiento en la expresión de una proteína exógena. El Capítulo 5 analiza un circuito más complejo, el recientemente propuesto y muy citado controlador biomolecular antitético, utilizando el modelo del anfitrión celular. El Capítulo 6 muestra el diseño de estrategias de control no lineal que permiten controlar la concentración de biomasa en un biorreactor continuo de forma robusta. El Capítulo 7 resume y presenta las principales conclusiones de la Tesis. En el Apéndice A se muestra el desarrollo teórico del modelo del anfitrión celular. Esta Tesis destaca la importancia de estudiar la carga celular en los sistemas biológicos, ya que estos efectos son muy notables y generan interacciones entre circuitos aparentemente independientes. La Tesis proporciona herramientas para modelar, simular y diseñar circuitos genéticos sintéticos teniendo en cuenta estos efectos de carga y permite el desarrollo de modelos que conecten estos fenómenos en los circuitos genéticos sintéticos, que van desde la dinámica intracelular de la expresión génica hasta la dinámica macroscópica de la población de células dentro del biorreactor.[CA] Aquesta Tesi tracta del modelat multiescala considerant l'amfitrió ce\lgem ular per a l'anàlisi i ajust de circuits genètics sintètics per a bioproducció. Els objectius principals van ser: 1. El desenvolupament d'un model de grandària reduïda que considere l'amfitrió ce\lgem ular, enfocat al seu ús en simulació i anàlisi. 2. El desenvolupament d'eines de programari per al modelatge i la simulació, orientada a la biologia sintètica. 3. La implementació d'un model multiescala que considere les escales rellevants per a la bioproducció (bioreactor, cè\lgem ula i circuit sintètic). 4. L'anàlisi del controlador antitètic considerant les interacciones cè\lgem ula-circuit, com a exemple d'aplicació de les eines desenvolupades. 5. El desenvolupament i la validació experimental de lleis de control robust per a bioreactors continus. El treball presentat en aquesta Tesi cobreix les tres escales del procés de bioproducció. La primera escala és el bioreactor: aquesta escala considera la dinàmica macroscòpica del substrat i la biomassa, i com aquestes dinàmiques es connecten amb l'estat intern de les cè\lgem ules. La segona escala és la cè\lgem ula amfitriona: aquesta escala considera la dinàmica interna de la cè\lgem ula i la competència pels recursos limitats compartits per a l'expressió de proteïnes. La tercera escala és la del circuit genètic sintètic: aquesta escala considera la dinàmica d'expressió de circuits sintètics exógens i la càrrega que indueixen en la cè\lgem ula amfitriona. Finalment, com a > escala, part de la Tesi s'ha dedicat a desenvolupar eines de programari per al modelatge i la simulació. Aquest document es divideix en set capítols. El Capítol 1 és una introducció general al treball de la Tesi i la seua justificació; també presenta un mapa visual de la Tesi i enumera les principals contribucions. El Capítol 2 mostra el desenvolupament del model de l'amfitrió ce\lgem ular (els Capítols 4 i 5 fan ús d'aquest model per a les seues simulacions). El Capítol 3 presenta OneModel: una eina de programari desenvolupada en la Tesi que facilita el modelatge i la simulació en biologia sintètica, en particular, facilita l'ús del model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 4 utilitza el model de l'amfitrió ce\lgem ular per a muntar el model multiescala que considera el bioreactor i analitza el títol, la productivitat i el rendiment en l'expressió d'una proteïna exògena. El Capítol 5 analitza un circuit més complex, el recentment proposat i molt citat controlador biomolecular antitètic, utilitzant el model de l'amfitrió ce\lgem ular. El Capítol 6 mostra el disseny d'estratègies de control no lineal que permeten controlar la concentració de biomassa en un bioreactor continu de manera robusta. El Capítol 7 resumeix i presenta les principals conclusions de la Tesi. En l'Apèndix A es mostra el desenvolupament teòric del model de l'amfitrió ce\lgem ular. Aquesta Tesi destaca la importància d'estudiar la càrrega ce\lgem ular en els sistemes biològics, ja que aquests efectes són molt notables i generen interaccions entre circuits aparentment independents. La Tesi proporciona eines per a modelar, simular i dissenyar circuits genètics sintètics tenint en compte aquests efectes de càrrega i permet el desenvolupament de models que connecten aquests fenòmens en els circuits genètics sintètics, que van des de la dinàmica intrace\lgem ular de l'expressió gènica fins a la dinàmica macroscòpica de la població de cè\lgem ules dins del bioreactor.[EN] This Thesis was devoted to the multi-scale host-aware analysis and tuning of synthetic gene circuits for bioproduction. The main objectives were: 1. The development of a reduced-size host-aware model for simulation and analysis purposes. 2. The development of a software toolbox for modeling and simulation, oriented to synthetic biology. 3. The implementation of a multi-scale model that considers the scales relevant to bioproduction (bioreactor, cell, and synthetic circuit). 4. The host-aware analysis of the antithetic controller, as an example of the application of the developed tools. 5. The development and experimental validation of robust control laws for continuous bioreactors. The work presented in this Thesis covers the three scales of the bioproduction process. The first scale is the bioreactor: this scale considers the macroscopic substrate and biomass dynamics and how these dynamics connect to the internal state of the cells. The second scale is the host cell: this scale considers the internal dynamics of the cell and the competition for limited shared resources for protein expression. The third scale is the synthetic genetic circuit: this scale considers the dynamics of expressing exogenous synthetic circuits and the burden they induce on the host cell. Finally, as a > scale, part of the Thesis was devoted to developing software tools for modeling and simulation. This document is divided into seven chapters. Chapter 1 is an overall introduction to the Thesis work and its justification; it also presents a visual map of the Thesis and lists the main contributions. Chapter 2 shows the development of the host-aware model (Chapters 4 and 5 make use of this model for their simulations). Chapter 3 presents OneModel: a software tool developed in the Thesis that facilitates modeling and simulation for synthetic biology---in particular, it facilitates the use of the host-aware model---. Chapter 4 uses the host-aware model to assemble the multi-scale model considering the bioreactor and analyzes the titer, productivity (rate), and yield in expressing an exogenous protein. Chapter 5 analyzes a more complex circuit, the recently proposed and highly cited antithetic biomolecular controller, using the host-aware model. Chapter 6 shows the design of nonlinear control strategies that allow controlling the concentration of biomass in a continuous bioreactor in a robust way. Chapter 7 summarizes and presents the main conclusions of the Thesis. Appendix A shows the theoretical development of the host-aware model. This Thesis emphasizes the importance of studying cell burden in biological systems since these effects are very noticeable and generate interactions between seemingly unconnected circuits. The Thesis provides tools to model, simulate and design synthetic genetic circuits taking into account these burden effects and allowing the development of models that connect phenomena in synthetic genetic circuits, ranging from the intracelullar dynamics of gene expression to the macroscopic dynamics of the population of cells inside the bioreactor.This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 grant number PID2020-117271RB-C21, and MINECO/AEI, EU grant number DPI2017-82896- C2-1-R. The author was recipient of the grant “Programa para la Formación de Personal Investigador (FPI) de la Universitat Politècnica de València — Subprograma 1 (PAID-01-2017)”. The author was also a grantee of the predoctoral stay “Ayudas para Movilidad de Estudiantes de Doctorado de la Universitat Politècnica de València 2019”. The Control Theory and Systems Biology Lab of the ETH Zürich is acknowledged for accepting the author in their facilities as predoctoral stay and their valuable collaboration sharing knowledge.Santos Navarro, FN. (2022). Multi-Scale Host-Aware Modeling for Analysis and Tuning of Synthetic Gene Circuits for Bioproduction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183473Premios Extraordinarios de tesis doctorale

Coordination dynamics in the sensorimotor loop

The last two decades have witnessed radical changes of perspective about the nature of intelligence and cognition, leaving behind some of the assumptions of computational functionalism. From the myriad of approaches seeking to substitute the old rule-based symbolic perception of mind, we are especially interested in two of them. The first is Embodied and Situated Cognition, where the advances in modeling complex adaptive systems through computer simulations have reconfigured the way in which mechanistic, embodied and interactive explanations can conceptualize the mind. We are particularly interested in the concept of sensorimotor loop, which brings a new perspective about what is needed for a meaningful interaction with the environment, emphasizing the role of the coordination of effector and sensor activities while performing a concrete task. The second one is the framework of Coordination Dynamics, which has been developed as a result of the increasing focus of neuroscience on self-organized oscillatory brain dynamics. It provides formal tools to study the mechanisms through which complex biological systems stabilize coordination states under conditions in which they would otherwise become unstable. We will merge both approaches and define coordination in the sensorimotor loop as the main phenomena behind the emergence of cognitive behavior. At the same time, we will provide methodological tools and concepts to address this hypothesis. Finally, we will present two case studies based on the proposed approach: 1. We will study the phenomenon known as “intermittent behavior”, which is observed in organisms at different levels (from microorganisms to higher animals). We will propose a model that understands intermittent behavior as a general strategy of biologica organization when an organism has to adapt to complex changing environments, and would allow to establish effective sensorimotor loops even in situations of instable engagement with the world. 2. We will perform a simulation of a phonotaxis task performed by an agent with an oscillator network as neural controller. The objective will be to characterize robust adaptive coupling between perceptive activity and the environmental dynamics just through phase information processing. We will observe how the robustness of the coupling crucially depends of how the sensorimotor loop structures and constrains both the emergent neural and behavioral patterns. We will hypothesize that this structuration of the sensorimotor space, in which only meaningful behavioral patterns can be stabilized, is a key ingredient for the emergence of higher cognitive abilities

New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs

Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones. To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach. The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way. The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos. Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística. Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática. Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus. Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística. Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica. Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi

Transient error mitigation by means of approximate logic circuits

Mención Internacional en el título de doctorThe technological advances in the manufacturing of electronic circuits have allowed to greatly improve their performance, but they have also increased the sensitivity of electronic devices to radiation-induced errors. Among them, the most common effects are the SEEs, i.e., electrical perturbations provoked by the strike of high-energy particles, which may modify the internal state of a memory element (SEU) or generate erroneous transient pulses (SET), among other effects. These events pose a threat for the reliability of electronic circuits, and therefore fault-tolerance techniques must be applied to deal with them. The most common fault-tolerance techniques are based in full replication (DWC or TMR). These techniques are able to cover a wide range of failure mechanisms present in electronic circuits. However, they suffer from high overheads in terms of area and power consumption. For this reason, lighter alternatives are often sought at the expense of slightly reducing reliability for the least critical circuit sections. In this context a new paradigm of electronic design is emerging, known as approximate computing, which is based on improving the circuit performance in change of slight modifications of the intended functionality. This is an interesting approach for the design of lightweight fault-tolerant solutions, which has not been yet studied in depth. The main goal of this thesis consists in developing new lightweight fault-tolerant techniques with partial replication, by means of approximate logic circuits. These circuits can be designed with great flexibility. This way, the level of protection as well as the overheads can be adjusted at will depending on the necessities of each application. However, finding optimal approximate circuits for a given application is still a challenge. In this thesis a method for approximate circuit generation is proposed, denoted as fault approximation, which consists in assigning constant logic values to specific circuit lines. On the other hand, several criteria are developed to generate the most suitable approximate circuits for each application, by using this fault approximation mechanism. These criteria are based on the idea of approximating the least testable sections of circuits, which allows reducing overheads while minimising the loss of reliability. Therefore, in this thesis the selection of approximations is linked to testability measures. The first criterion for fault selection developed in this thesis uses static testability measures. The approximations are generated from the results of a fault simulation of the target circuit, and from a user-specified testability threshold. The amount of approximated faults depends on the chosen threshold, which allows to generate approximate circuits with different performances. Although this approach was initially intended for combinational circuits, an extension to sequential circuits has been performed as well, by considering the flip-flops as both inputs and outputs of the combinational part of the circuit. The experimental results show that this technique achieves a wide scalability, and an acceptable trade-off between reliability versus overheads. In addition, its computational complexity is very low. However, the selection criterion based in static testability measures has some drawbacks. Adjusting the performance of the generated approximate circuits by means of the approximation threshold is not intuitive, and the static testability measures do not take into account the changes as long as faults are approximated. Therefore, an alternative criterion is proposed, which is based on dynamic testability measures. With this criterion, the testability of each fault is computed by means of an implication-based probability analysis. The probabilities are updated with each new approximated fault, in such a way that on each iteration the most beneficial approximation is chosen, that is, the fault with the lowest probability. In addition, the computed probabilities allow to estimate the level of protection against faults that the generated approximate circuits provide. Therefore, it is possible to generate circuits which stick to a target error rate. By modifying this target, circuits with different performances can be obtained. The experimental results show that this new approach is able to stick to the target error rate with reasonably good precision. In addition, the approximate circuits generated with this technique show better performance than with the approach based in static testability measures. In addition, the fault implications have been reused too in order to implement a new type of logic transformation, which consists in substituting functionally similar nodes. Once the fault selection criteria have been developed, they are applied to different scenarios. First, an extension of the proposed techniques to FPGAs is performed, taking into account the particularities of this kind of circuits. This approach has been validated by means of radiation experiments, which show that a partial replication with approximate circuits can be even more robust than a full replication approach, because a smaller area reduces the probability of SEE occurrence. Besides, the proposed techniques have been applied to a real application circuit as well, in particular to the microprocessor ARM Cortex M0. A set of software benchmarks is used to generate the required testability measures. Finally, a comparative study of the proposed approaches with approximate circuit generation by means of evolutive techniques have been performed. These approaches make use of a high computational capacity to generate multiple circuits by trial-and-error, thus reducing the possibility of falling into local minima. The experimental results demonstrate that the circuits generated with evolutive approaches are slightly better in performance than the circuits generated with the techniques here proposed, although with a much higher computational effort. In summary, several original fault mitigation techniques with approximate logic circuits are proposed. These approaches are demonstrated in various scenarios, showing that the scalability and adaptability to the requirements of each application are their main virtuesLos avances tecnológicos en la fabricación de circuitos electrónicos han permitido mejorar en gran medida sus prestaciones, pero también han incrementado la sensibilidad de los mismos a los errores provocados por la radiación. Entre ellos, los más comunes son los SEEs, perturbaciones eléctricas causadas por el impacto de partículas de alta energía, que entre otros efectos pueden modificar el estado de los elementos de memoria (SEU) o generar pulsos transitorios de valor erróneo (SET). Estos eventos suponen un riesgo para la fiabilidad de los circuitos electrónicos, por lo que deben ser tratados mediante técnicas de tolerancia a fallos. Las técnicas de tolerancia a fallos más comunes se basan en la replicación completa del circuito (DWC o TMR). Estas técnicas son capaces de cubrir una amplia variedad de modos de fallo presentes en los circuitos electrónicos. Sin embargo, presentan un elevado sobrecoste en área y consumo. Por ello, a menudo se buscan alternativas más ligeras, aunque no tan efectivas, basadas en una replicación parcial. En este contexto surge una nueva filosofía de diseño electrónico, conocida como computación aproximada, basada en mejorar las prestaciones de un diseño a cambio de ligeras modificaciones de la funcionalidad prevista. Es un enfoque atractivo y poco explorado para el diseño de soluciones ligeras de tolerancia a fallos. El objetivo de esta tesis consiste en desarrollar nuevas técnicas ligeras de tolerancia a fallos por replicación parcial, mediante el uso de circuitos lógicos aproximados. Estos circuitos se pueden diseñar con una gran flexibilidad. De este forma, tanto el nivel de protección como el sobrecoste se pueden regular libremente en función de los requisitos de cada aplicación. Sin embargo, encontrar los circuitos aproximados óptimos para cada aplicación es actualmente un reto. En la presente tesis se propone un método para generar circuitos aproximados, denominado aproximación de fallos, consistente en asignar constantes lógicas a ciertas líneas del circuito. Por otro lado, se desarrollan varios criterios de selección para, mediante este mecanismo, generar los circuitos aproximados más adecuados para cada aplicación. Estos criterios se basan en la idea de aproximar las secciones menos testables del circuito, lo que permite reducir los sobrecostes minimizando la perdida de fiabilidad. Por tanto, en esta tesis la selección de aproximaciones se realiza a partir de medidas de testabilidad. El primer criterio de selección de fallos desarrollado en la presente tesis hace uso de medidas de testabilidad estáticas. Las aproximaciones se generan a partir de los resultados de una simulación de fallos del circuito objetivo, y de un umbral de testabilidad especificado por el usuario. La cantidad de fallos aproximados depende del umbral escogido, lo que permite generar circuitos aproximados con diferentes prestaciones. Aunque inicialmente este método ha sido concebido para circuitos combinacionales, también se ha realizado una extensión a circuitos secuenciales, considerando los biestables como entradas y salidas de la parte combinacional del circuito. Los resultados experimentales demuestran que esta técnica consigue una buena escalabilidad, y unas prestaciones de coste frente a fiabilidad aceptables. Además, tiene un coste computacional muy bajo. Sin embargo, el criterio de selección basado en medidas estáticas presenta algunos inconvenientes. No resulta intuitivo ajustar las prestaciones de los circuitos aproximados a partir de un umbral de testabilidad, y las medidas estáticas no tienen en cuenta los cambios producidos a medida que se van aproximando fallos. Por ello, se propone un criterio alternativo de selección de fallos, basado en medidas de testabilidad dinámicas. Con este criterio, la testabilidad de cada fallo se calcula mediante un análisis de probabilidades basado en implicaciones. Las probabilidades se actualizan con cada nuevo fallo aproximado, de forma que en cada iteración se elige la aproximación más favorable, es decir, el fallo con menor probabilidad. Además, las probabilidades calculadas permiten estimar la protección frente a fallos que ofrecen los circuitos aproximados generados, por lo que es posible generar circuitos que se ajusten a una tasa de fallos objetivo. Modificando esta tasa se obtienen circuitos aproximados con diferentes prestaciones. Los resultados experimentales muestran que este método es capaz de ajustarse razonablemente bien a la tasa de fallos objetivo. Además, los circuitos generados con esta técnica muestran mejores prestaciones que con el método basado en medidas estáticas. También se han aprovechado las implicaciones de fallos para implementar un nuevo tipo de transformación lógica, consistente en sustituir nodos funcionalmente similares. Una vez desarrollados los criterios de selección de fallos, se aplican a distintos campos. En primer lugar, se hace una extensión de las técnicas propuestas para FPGAs, teniendo en cuenta las particularidades de este tipo de circuitos. Esta técnica se ha validado mediante experimentos de radiación, los cuales demuestran que una replicación parcial con circuitos aproximados puede ser incluso más robusta que una replicación completa, ya que un área más pequeña reduce la probabilidad de SEEs. Por otro lado, también se han aplicado las técnicas propuestas en esta tesis a un circuito de aplicación real, el microprocesador ARM Cortex M0, utilizando un conjunto de benchmarks software para generar las medidas de testabilidad necesarias. Por ´último, se realiza un estudio comparativo de las técnicas desarrolladas con la generación de circuitos aproximados mediante técnicas evolutivas. Estas técnicas hacen uso de una gran capacidad de cálculo para generar múltiples circuitos mediante ensayo y error, reduciendo la posibilidad de caer en algún mínimo local. Los resultados confirman que, en efecto, los circuitos generados mediante técnicas evolutivas son ligeramente mejores en prestaciones que con las técnicas aquí propuestas, pero con un coste computacional mucho mayor. En definitiva, se proponen varias técnicas originales de mitigación de fallos mediante circuitos aproximados. Se demuestra que estas técnicas tienen diversas aplicaciones, haciendo de la flexibilidad y adaptabilidad a los requisitos de cada aplicación sus principales virtudes.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Raoul Velazco.- Secretario: Almudena Lindoso Muñoz.- Vocal: Jaume Segura Fuste

Comparative Analysis of Locomotor Behavior and Descending Motor System Anatomy of Larval Zebrafish and Giant Danio

A major challenge for comparative biology is understanding what aspects of an animal’s locomotor repertoire represent general features of motor organization, versus specialized adaptations for its anatomy and ecological niche. In this thesis I investigate the Giant Danio larvae (Devario aequipinnatus) as a potential model for comparative studies with Zebrafish, a well-established animal model in neuroscience. To this end, I study the locomotor behavior of both species and how its differences are reflected in the underlying neural circuit structure. Initially, I compare the anatomy of the descending pathways controlling locomotion in Giant Danio to Zebrafish using retrograde labelling of reticulospinal neurons. I see a striking resemblance of the circuit in both species, with a roughly similar organization and the general division and number of cell clusters being very well conserved. Following, I compare visually guided behaviours in Giant Danio to different Zebrafish strains. Giant Danio show a stronger optomotor response than Zebrafish. The optomotor response of Giant Danio first appear around 4 days post fertilization and can be consistently and reliably evoked. During optomotor tracking Giant Danio show shorter interbout intervals and are able to track motion at higher speeds than Zebrafish. I also observe that the higher manoeuvrability of Giant Danio is also reflected during prey capture. Interestingly, Zebrafish strains derived from more recently wild-caught fish show more robust optomotor behaviour, closer to Giant Danio. Lastly, I demonstrate the suitability of using Giant Danio in a head-restrained preparation with a 3D virtual reality environment. Combined with the potential for comparative approaches with Zebrafish, the faster development, larger neurons, and the rich behavioural repertoire of Giant Danio make it a promising model for neuroscience