Biossensores de colesterol baseados no sistema poli(álcool vinílico)/ftalocianina

A new amperometric biosensor for the determining cholesterol based on the immobilization of cholesterol oxidase (ChOx) in a crosslinked poly(vinyl alcohol) (PVA) matrix and the charge transfer mediator copper phtahalocyanine (Ftc) is described. The biosensor was obtained by the complexation-mediated solubilization method, where Ftc was dispersed in high concentration in an organic aprotic solvent for the formation of the electron donor-acceptor complex. The crosslinked PVA membranes were characterized by differential scanning calorimetry (DSC), thermomechanical analysis (TMA), electronic spectroscopy (UV/Vis) and vibrational (FTIR) spectroscopy. The water transport through the biosensor membrane was studied by the equilibrium degree of swelling. The results of DSC and TMA indicate that both, the glass transition temperature (Tg) and Young modulus were increased systematically with crosslinking density of the hydrogel. The water diffusion coefficient decreased with the increase in the crosslinking degree indicating that the water molecules possess a lower degree of translational mobility and are "tightly bound" in the PVA-borate complex structure. Semiempirical calculations using PM3-d have been performed on the Ftc/PVA charge transfer complex. The geometry parameters, heats of formation, ionization potential, HOMO-LUMO energy differences are also reported and compared with the vibrational (FTIR) spectra and conductivity experimental results. The developed biosensor has been used for the determination of cholesterol with an acceptable accuracy. Under optimal conditions, the biosensor shows a linear response to cholesterol in the range of 0.1 mM to 5.17 mM, with a fast response (12 s) and high sensitivity.Neste trabalho foi desenvolvido um novo biossensor para determinação de colesterol baseado na imobilização da enzima colesterol oxidase (COx) em uma matriz de poli(álcool vinílico) (PVA) reticulada com ácido bórico e com ftalocianina de cobre (Ftc) como mediador de elétrons. O biossensor foi obtido através da técnica da evaporação do solvente a partir de uma solução contendo Ftc e COx. As membranas reticuladas de PVA foram caracterizadas por calorimetria diferencial exploratória (DSC), análise termogravimétrica (TMA) e espectroscopia eletrônica (UV/Vis) e vibracional (FTIR). O transporte de água através da membrana do biossensor foi estudada. Os resultados da análise DSC e TMA indicaram que tanto a temperatura de transição vítrea (Tg) quanto o módulo de Young cresceram com o aumento da densidade de reticulações do hidrogel. O coeficiente de difusão de água diminuiu com o aumento da densidade de reticulações, indicando que a reticulação das membranas diminuiu a mobilidade da água na estrutura PVA/Borato. Cálculos semi-empirícos pela metodologia PM3-d foram realizados no complexo PVA/Ftc. Os parâmetros geométricos, calor de formação, potencial de ionização e orbitais HOMO-LUMO foram calculados e comparados com a o espectro vibracional (FTIR) e os resultados da caracterização elétrica. O biossensor desenvolvido foi utilizado para determinação de colesterol com grande eficiência. Sob condições ótimas, o biossensor apresentou uma resposta linear para concentrações de colesterol de 0.1 mM a 5.17 mM, com uma resposta rápida (12 s) e alta sensibilidade

A Security-aware and LUT-based CAD Flow for the Physical Synthesis of eASICs

Numerous threats are associated with the globalized integrated circuit (IC) supply chain, such as piracy, reverse engineering, overproduction, and malicious logic insertion. Many obfuscation approaches have been proposed to mitigate these threats by preventing an adversary from fully understanding the IC (or parts of it). The use of reconfigurable elements inside an IC is a known obfuscation technique, either as a coarse grain reconfigurable block (i.e., eFPGA) or as a fine grain element (i.e., FPGA-like look-up tables). This paper presents a security-aware CAD flow that is LUT-based yet still compatible with the standard cell based physical synthesis flow. More precisely, our CAD flow explores the FPGA-ASIC design space and produces heavily obfuscated designs where only small portions of the logic resemble an ASIC. Therefore, we term this specialized solution an "embedded ASIC" (eASIC). Nevertheless, even for heavily LUT-dominated designs, our proposed decomposition and pin swapping algorithms allow for performance gains that enable performance levels that only ASICs would otherwise achieve. On the security side, we have developed novel template-based attacks and also applied existing attacks, both oracle-free and oracle-based. Our security analysis revealed that the obfuscation rate for an SHA-256 study case should be at least 45% for withstanding traditional attacks and at least 80% for withstanding template-based attacks. When the 80\% obfuscated SHA-256 design is physically implemented, it achieves a remarkable frequency of 368MHz in a 65nm commercial technology, whereas its FPGA implementation (in a superior technology) achieves only 77MHz

Evaluating Architectural, Redundancy, and Implementation Strategies for Radiation Hardening of FinFET Integrated Circuits

In this article, authors explore radiation hardening techniques through the design of a test chip implemented in 16-nm FinFET technology, along with architectural and redundancy design space exploration of its modules. Nine variants of matrix multiplication were taped out and irradiated with neutrons. The results obtained from the neutron campaign revealed that the radiation-hardened variants present superior resiliency when either local or global triple modular redundancy (TMR) schemes are employed. Furthermore, simulation-based fault injection was utilized to validate the measurements and to explore the effects of different implementation strategies on failure rates. We further show that the interplay between these different implementation strategies is not trivial to capture and that synthesis optimizations can effectively break assumptions about the effectiveness of redundancy schemes

Sensores sólidos para detecção de óxido nítrico baseados em cucurbit[6]uril e em siloxano-poli(oxipropileno)

O óxido nítrico (NO) é um radical livre conhecido por desempenhar importantes funções fisiológicas, sendo associado, entre outros processos, ao fator de relaxamento da musculatura lisa vascular, importante para a regulagem da pressão sanguínea. Para a determinação dos mecanismos através do qual o NO influencia e controla os processos fisiológicos, é de fundamental importância o desenvolvimento de sensores que possibilitem a sua determinação quantitativa. Neste trabalho, foram obtidos e caracterizados sensores sólidos para NO através de duas maneiras: 1 - Enquadramento do complexo ferro(II)-dietilditiocarbamato (FeDETC) na matriz híbrida de siloxano-poli(oxipropileno) (PPO) utilizando um método sol-gel modificado. 2 - Formação de um complexo de inclusão do FeDETC com cucurbit[n]urilas. A detecção de N0, nesses sensores, se dá através de Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica, baseada na formação de um complexo paramagnético estável ferro(II)-DETC-NO, o qual exibe três linhas características no espectro de RPE(gef=2,04). Os sendores apresentaram bom desempenho. O sensor baseado em PPO, apresentou sensibilidade de 2,5x108 μM-1, com faixa de trabalho entre 100 nM e 1 mM. O sensor CB[6]FeDETC apresentou o limite de detecção de 2,9 nM, limite de quantificação de 16 nM. A faixa de trabalho desse sensor é de 1,37x1015 spings/g a 1x1019 spins/g. Esses resultados são comparáveis aos melhores sensores divulgados na literaturaThe nitrogen monoxide (NO) is a free radical known to play important physiological roles, being associated with, among other processes, the relaxation factor of vascular smooth muscles, important for the regulation of blood pressure. To determine the mechanisms by which NO influences and controls the physiological processess is of fundamental importance the development of sensors that allow quantitative determination of NO. In this work, solid-state sensors for NO were obtained by two ways: 1 - Encapsulation of the complex iron (II)-diethyldithiocarbamate (FeDETC) in the hybrid matrix of siloxane-poly (oxipropilene) (PPO) using a modified sol-gel method. 2 - Formation of an inclusion complex with the FeDETC cucurbit[n]uril. The detection of NO in these sensors, is performed by Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy, based on the formation of a stable paramagnetic complex iron[II]-DETC-NO, which displays three eharacteristic lines in the EPR spectrum (gef=2,04). The sensors showed good performeance. The PPO based sensor showed a sensitivity of 2.5x108 μM-1, a working range between 100 nM and 1 mM. The sensor CB[6]/FeDETC showed the detection limit of 2.9 nM, quantification limit of 16 nM. The working range of this sensor is between 1.37x1015 spins/g and 1x1019 spins/g. These results are comparable to the best sensors reported in the literatureFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP

Aplicações da composição funcional para CMOS e tecnologias emergentes

The advances in semiconductor industry over the last decades have been strongly based on continuous scaling down of dimensions in manufactured CMOS devices. The use of CMOS devices profoundly relies on AND/OR/Inverter logic. As the CMOS scaling is reaching its physical limits, researchers increase the effort to prolong the CMOS life. Also, it is necessary to investigate alternative devices, which in many cases implies the use of different basic logic operations. As the commercial synthesis tools are not able to handle these technologies efficiently, there is an opportunity to research alternative logic implementations better suited for these new devices. This thesis focuses on presenting efficient algorithms to design circuits in both CMOS and new technologies while integrating these algorithms into regular design flows. For this task, we apply the functional composition technique, to efficiently synthesize both CMOS and emerging technologies. The functional composition is a bottom-up synthesis approach, providing flexibility to implement algorithms with optimal or suboptimal results for different technologies. To investigate how the functional composition compares to the state-of-the-art synthesis methods, we propose to apply this synthesis paradigm into six different scenarios. Two of them focus on CMOS-based circuits, and other four are based on emerging technologies. Regarding CMOSbased circuits, we investigate functional composition to investigate multi-output factorization in a circuit resynthesis flow. Also, we manipulate approximate functions to synthesize approximate triple modular redundancy (ATMR) modules. Concerning emerging technologies, we explore functional composition over spin-diode circuits and other promising approaches based on different logic implementations: threshold logic, majority logic, and implication logic. Results present a considerable improvement over the state-of-the-art methods for both CMOS and emerging technologies applications, demonstrating the ability to handle different technologies and showing the possibility to improve technologies not explored yet.Os avanços da indústria de semicondutores nas últimas décadas foram baseados fortemente na contínua redução de tamanho dos dispositivos CMOS fabricados. Os usos de dispositivos CMOS dependem profundamente da lógica de portas E/OU/INV. À medida que os dispositivos CMOS estão atingindo oslimites fisicos, pesquisadores aumento esforço para prolongar a vida útil da tecnologia CMOS. Também é necessário investigar dispositivos alternativos, que em muitos casos implicam no uso de operações lógicas básicas diferentes. Como as ferramentas comerciais de síntese não são capazes de manipular eficientemente estas tecnologias Esta tese de doutorado foca em produzir algoritmos eficientes para projeto de circuitos tanto em CMOS quanto em novas tecnologias, integrando estes algorithmos em fluxos de projeto. Para esta tarefa, aplicamos a técnica da composição functional, para sintetizar eficiente tanto em CMOS quanto em tecnologias emergentes. A composição funcional é uma abordagem de síntese de baixo para cima, provendo flexibilidade para implementar algoritmos com resultados ótimos ou sub-ótimos para diferentes tecnologias. A fim de investigar como a composição funcional se compara às abordagens de síntese estado-da-arte, propomos aplicar esse paradigma de síntese em seis cenários diferentes. Dois deles se concentram em circuitos baseados em CMOS e outros quatro em circuitos baseados em tecnologias emergentes. Em relação a circuitos baseados em CMOS, investigamos a composição funcional para fatoração de funções multi-saídas, aplicadas em um fluxo de resíntese. Também manipulamos funções aproximadas, a fim de sintetizar módulos de redundância tripla aproximada. No que diz respeito as tecnologias emergentes, exploramos a composição funcional através de diodos spintrônicos e outras abordagens promissoras com base em diferentes implementações de lógica: a lógica de limiar, lógica majoritária e lógica de implicação. Resultados apresentam uma melhoria considerável em relação aos métodos estadoda- arte tanto para aplicações CMOS quanto aplicações de tecnologias emergentes, demonstrando a capacidade de lidar com diferentes tecnologias e mostrando a possibilidade de melhorar tecnologias ainda não exploradas

Composição final e aplicações

This work presents functional composition (FC) as a new paradigm for combinational logic synthesis. FC is a bottom-up approach to synthesize Boolean functions, being able to evaluate the cost of intermediate sub-functions, exploring a larger number of different candidate combinations. These are interesting advantages when compared to the top-down behavior of functional decomposition. FC presents great flexibility to implement algorithms with optimal or suboptimal results for different applications. The proposed strategy presents good results for the synthesis of Boolean functions targeting different technologies. FC is based on the following principles: (1) the representation of logic functions is done by a bonded pair of functional and structural representations; (2) the algorithm starts from a set of initial functions; (3) simpler functions are associated to create more complex ones; (4) there is a partial order, enabling dynamic programming; (5) a set of allowed functions can be used in order to reduce execution time/memory consumption. This work presents functional composition algorithms for Boolean factoring, including optimal factoring, Boolean factoring considering the exclusive-OR operator, minimum decision chain computation and synthesis of functions considering only majority and inverter logic gates.Este trabalho apresenta a composição funcional (CF) como um novo paradigma para realização da síntese lógica de blocos combinacionais. CF usa uma abordagem ascendente para sintetizar funções Booleanas, sendo capaz de avaliar os custos das funções intermediárias e explorando dessa forma um grande número de combinações diferentes de funções candidatas. Há vantagens interessantes quando comparado à abordagem descendente da decomposição funcional. CF apresenta grande flexibilidade para criar algoritmos com resultados ótimos ou subótimos para diferentes aplicações. A estratégia proposta apresenta bons resultados para síntese de funções Booleanas visando diferentes tecnologias. CF é baseado nos seguintes princípios: (1) representação de funções lógicas como um par ligado com representações funcional e estrutural; (2) o algoritmo começa de um conjunto de funções iniciais; (3) funções mais simples são associadas para criar funções mais complexas; (4) existe uma ordem parcial que permite o uso da programação dinâmica; (5) um conjunto de funções permitidas pode ser mantido para reduzir o tempo de execução/consumo de memória. Este trabalho apresenta algoritmos de composição funcional para fatoração Booleana, incluindo fatoração ótima, fatoração considerando o operador OU-exclusivo, computação de cadeias mínimas de decisão e síntese de funções considerando somente portas lógicas majoritárias e inversores

Aplicações da composição funcional para CMOS e tecnologias emergentes

The advances in semiconductor industry over the last decades have been strongly based on continuous scaling down of dimensions in manufactured CMOS devices. The use of CMOS devices profoundly relies on AND/OR/Inverter logic. As the CMOS scaling is reaching its physical limits, researchers increase the effort to prolong the CMOS life. Also, it is necessary to investigate alternative devices, which in many cases implies the use of different basic logic operations. As the commercial synthesis tools are not able to handle these technologies efficiently, there is an opportunity to research alternative logic implementations better suited for these new devices. This thesis focuses on presenting efficient algorithms to design circuits in both CMOS and new technologies while integrating these algorithms into regular design flows. For this task, we apply the functional composition technique, to efficiently synthesize both CMOS and emerging technologies. The functional composition is a bottom-up synthesis approach, providing flexibility to implement algorithms with optimal or suboptimal results for different technologies. To investigate how the functional composition compares to the state-of-the-art synthesis methods, we propose to apply this synthesis paradigm into six different scenarios. Two of them focus on CMOS-based circuits, and other four are based on emerging technologies. Regarding CMOSbased circuits, we investigate functional composition to investigate multi-output factorization in a circuit resynthesis flow. Also, we manipulate approximate functions to synthesize approximate triple modular redundancy (ATMR) modules. Concerning emerging technologies, we explore functional composition over spin-diode circuits and other promising approaches based on different logic implementations: threshold logic, majority logic, and implication logic. Results present a considerable improvement over the state-of-the-art methods for both CMOS and emerging technologies applications, demonstrating the ability to handle different technologies and showing the possibility to improve technologies not explored yet.Os avanços da indústria de semicondutores nas últimas décadas foram baseados fortemente na contínua redução de tamanho dos dispositivos CMOS fabricados. Os usos de dispositivos CMOS dependem profundamente da lógica de portas E/OU/INV. À medida que os dispositivos CMOS estão atingindo oslimites fisicos, pesquisadores aumento esforço para prolongar a vida útil da tecnologia CMOS. Também é necessário investigar dispositivos alternativos, que em muitos casos implicam no uso de operações lógicas básicas diferentes. Como as ferramentas comerciais de síntese não são capazes de manipular eficientemente estas tecnologias Esta tese de doutorado foca em produzir algoritmos eficientes para projeto de circuitos tanto em CMOS quanto em novas tecnologias, integrando estes algorithmos em fluxos de projeto. Para esta tarefa, aplicamos a técnica da composição functional, para sintetizar eficiente tanto em CMOS quanto em tecnologias emergentes. A composição funcional é uma abordagem de síntese de baixo para cima, provendo flexibilidade para implementar algoritmos com resultados ótimos ou sub-ótimos para diferentes tecnologias. A fim de investigar como a composição funcional se compara às abordagens de síntese estado-da-arte, propomos aplicar esse paradigma de síntese em seis cenários diferentes. Dois deles se concentram em circuitos baseados em CMOS e outros quatro em circuitos baseados em tecnologias emergentes. Em relação a circuitos baseados em CMOS, investigamos a composição funcional para fatoração de funções multi-saídas, aplicadas em um fluxo de resíntese. Também manipulamos funções aproximadas, a fim de sintetizar módulos de redundância tripla aproximada. No que diz respeito as tecnologias emergentes, exploramos a composição funcional através de diodos spintrônicos e outras abordagens promissoras com base em diferentes implementações de lógica: a lógica de limiar, lógica majoritária e lógica de implicação. Resultados apresentam uma melhoria considerável em relação aos métodos estadoda- arte tanto para aplicações CMOS quanto aplicações de tecnologias emergentes, demonstrando a capacidade de lidar com diferentes tecnologias e mostrando a possibilidade de melhorar tecnologias ainda não exploradas