Variational analysis of analog integrated circuits based on symbolic analysis

ADOLFO ADAIR PALMA RODRIGUEZ (2012)

It is well known that with the down-scaling of the integrated circuit (IC) technology,

nanometer circuit designs become more and more sensitive to process variations. It

is caused in part by matching requirements between transistors. Those variations are

produced by fluctuations at the moment of manufacturing and have been continuously

increasing in relative magnitude as IC technology continues to scale to 45nm and below.

That is why the integrated circuit designer must study these process variations in order

to obtain more and more reliable circuits. Analog circuit designers usually perform a

Monte-Carlo (MC) simulation to analyze the stochastic mismatch and to predict the

variational responses of their designs under faults. As MC analysis requires a large

number of repeated circuit simulations, its computational cost is very expensive. In

this Thesis, a new performance bound analysis of analog circuits considering process

variations are proposed. The new method applies a recently reported graph based analysis

approach to generate the symbolic transfer function of a linear(ized) analog circuit. As a

result of applying symbolic analysis, one can have a good understanding on the behavior of the analog IC with respect to its circuit elements, and for that same reason, repeated

simulations as in MC analysis aren't needed, because the analytical expression is helpful

in determining performance bounds. For instance, in this Thesis, the frequency response

bounds (maximum and minimum) are obtained by performing nonlinear constrained

optimization, where the magnitude of the transfer function is the objective function to

be optimized subject to some ranges of process variational parameters. As shown in

this Thesis, the response bounds given by the optimization method are very accurate.

Furthermore, experimental results on testing several analog ICs show that the proposed

method gives the correct bounds, as those provided by the Monte Carlo analysis, while

the time process is comparable to the Monte Carlo simulation.

Es bien sabido que con el escalamiento de la tecnología de circuitos integrados (IC),

los circuitos de dimensiones nanométricas se vuelven más sensibles a las variaciones de

proceso, debidas en parte a los requerimientos de acople entre transistores. Estas variaciones

son producidas por fluctuaciones al momento de fabricarlos y se han incrementado

debido al continuo escalamiento de la tecnología por debajo de los 45nm. Es por eso

que los diseñadores de circuitos integrados deben estudiar estas variaciones de proceso

para obtener circuitos cada vez más confiables. Los diseñadores analógicos usualmente

realizan el análisis Monte-Carlo (MC) para analizar la disparidad estocástica y para

predecir las respuestas variacionales de sus diseños bajo fallas. Dado que el análisis MC

requiere un gran número de simulaciones repetidas, su costo computacional es alto. En

esta Tesis, un nuevo método de análisis variacional para circuitos analógicos considerando

variaciones de proceso es propuesto. Este nuevo método aplica un análisis basado en

grafos, reportado recientemente, para generar la función de transferencia simbólica de

un circuito analógico linealizado. Como resultado de aplicar análisis simbólico, se puede tener un buen entendimiento del funcionamiento de un IC analógico con respecto a sus

elementos de circuito, y por esa misma razón, no se requiere hacer simulaciones repetidas

como en el análisis MC, porque la expresión analítica es útil para obtener los bordes de

comportamiento. Por lo pronto, en esta Tesis, los límites de la respuesta en frecuencia

(máximo y mínimo) son obtenidos por medio de optimización con restricciones, en las

que la magnitud de la función de transferencia es la función objetivo a ser optimizada

sujeta a algunos rangos de los parámetros dados por las variaciones de proceso. Como se

muestra en esta Tesis, los límites obtenidos de este método son muy exactos. Además,

resultados experimentales para varios IC analógicos muestran que el método propuesto

calcula los límites correctos, como los obtenidos en el análisis MC, mientras que el tiempo

de ejecución es comparable a la simulación MC.

Master thesis

Non-monte Carlo methods Symbol manipulation Optimization Simulation CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA

Caracterización de muestras Ex – vivo de nopal para su empleo en óptica biomédica

MANUEL ABRAHAM LOPEZ PACHECO (2012)

El nopal puede ser utilizado de forma confiable durante un periodo de 7 días y se puede considerar como un “estándar óptico” de fácil obtención en las técnicas de espectroscopia de reflexión difusa o tomografía óptica coherente.

Así mismo es posible evaluar configuraciones de puntas de prueba distintas o relacionadas a las utilizadas en este trabajo de tesis, además, puede ser utilizado en prácticas introductorias al conocimiento del esparcimiento de luz en medios turbios.

Debido a la estabilidad en sus espectros de reflexión difusa e imágenes OCT del nopal, es posible sugerir este vegetal como prueba de eficacia durante la creación de dispositivos de medición con características similares a los utilizados.

Con este trabajo se documentó por primera vez el comportamiento de luz polarizada en nopal (Opuntia sp) pero es necesario ampliar el espectro de experimentación.

Se encontró que las técnicas utilizadas en este trabajo pueden ser aplicadas no solo en el mundo de la medicina, sino también en el mundo de las ciencias agrícolas caracterizando otros tipos de tejidos vegetales.

Master thesis

Biomedical optical imaging Biological tissues Polarization Light polarization Monte Carlo methods CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

10B+ZnS(Ag) as an alternative to 3 He-based detectors for Radiation Portal Monitors

HECTOR RENE VEGA CARRILLO (2017)

Typical radiation portal monitor systems, RPM, deployed to detect illicit trafficking of radioactive materials include a set of gamma-ray detectors and neutron detectors. Usually the employed neutron detectors are pressurized 3 He-based neutron detectors tubes. Due the shortage of 3 He reported since 2009, the amount of 3 He available for use in gas proportional counter neutron detectors has become limited, while the demand has significantly increased, especially for homeland security applications. For this reason, many different alternatives are being investigated for its use in RPM systems. The aim of this work is to study a scintillation detector ZnS(Ag) mixed with highly enriched 10B, 10B+ZnS(Ag). Using Monte Carlo methods, MCNPX code, the response of two neutron detectors based on 10B+ZnS(Ag), manufactured by BridgePort Instruments LLC with different geometries, were estimated by calculating the number of 10B(n,α) 7Li reactions for 29 monoenergetic neutron sources.

Measurements and models were made, and both detectors were compared. The importance of the

distance with respect to the ground was studied. The response with a 252Cf moderated neutron source

(0.5 cm lead and 2.5 cm polyethylene) was calculated in order to compare with other studied

alternatives in the USA by Pacific National Northwest Laboratory, PNNL. With these results we

conclude that neutron detectors using 10B+ZnS(Ag) are an interesting alternative for replacing 3

He detectors. From the analysis with MCNPX we propose an improvement in the detector design.

Producción Científica de la Universidad Autónoma de Zacatecas UAZ

Article

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA Radiation Portal Monitors Monte Carlo methods

Neutron features at the UPM neutronics hall

HECTOR RENE VEGA CARRILLO (2012)

The neutronics hall of the Nuclear Engineering Department at the Polytechnical University of Madrid has been characterized. The neutron spectra and the ambient dose equivalent produced by an 241AmBe source were measured at various source-to-detector distances on the new bench. Using Monte Carlo methods a detailed model of the neutronics hall was designed, and neutron spectra and the ambient dose equivalent were calculated at the same locations where measurements were carried out. A good agreement between measured and calculated values was found.

Producción Científica de la Universidad Autónoma de Zacatecas UAZ

Article

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA neutron spectra Monte Carlo methods 241AmBe source

Análisis teórico y experimental de la determinación de los parámetros ópticos mediante la video reflectometría

MARGARITA CUNILL RODRIGUEZ (2012)

En este trabajo de tesis doctoral se ha realizado un estudio teórico y experimental de una instalación de video reflectometría implementada para determinar las propiedades ópticas de muestras líquidas y gelatinosas (a base de intralípido-10%) con propiedades de esparcimiento similares a la dermis de la piel humana. En el plano teórico se abordaron los aspectos siguientes: 1) investigar la validez de la expresión analítica del modelo dipolar para describir la reflexión difusa Rd(r); 2) la simulación estocástica de Rd(r) para una fuente de luz láser similar a la de la instalación experimental; y 3) la simulación analítica de Rd(r) para el caso de incidencia oblicua de un haz de luz infinitamente fino con ángulos próximos a la normal. Los aspectos experimentales abordados fueron los siguientes: 1) propuesta y evaluación de un método para determinar el factor de escala de la instalación experimental; 2) investigación de la influencia del plano de enfoque de la cámara CCD y de las fronteras del contenedor de los phantoms en la determinación de las curvas Rd(r) y de las propiedades ópticas; y 3) evaluación del efecto de la rugosidad en las curvas de reflexión difusa para muestras gelatinosas cuya rugosidad superficial alcanzan valores promedio de hasta 1.1 μm.

Los resultados teóricos demostraron: 1) que el criterio de un 1 mfp’ como distancia radial que marca el límite para el uso de la expresión analítica del modelo dipolar no es totalmente válido, lo cual propició la propuesta de un procedimiento de ajuste óptimo de los datos, demostrándose además, que al emplear este algoritmo para la extracción de las propiedades ópticas de un medio simulado (curvas sintéticas) se obtienen errores de recuperación inferiores a un 2% para el coeficiente de esparcimiento reducido μs’; 2) que no existen diferencias significativas en la extracción de las propiedades ópticas cuando se trata de un haz Gaussiano con diámetro igual a 1 mm; y 3) que los errores de extracción de μs’, es siempre inferior a un 5% para las dos zonas donde tiene interés realizar el ajuste de los datos experimentales. Hasta donde conocemos un análisis como este no aparece reportado en la literatura consultada.

Doctoral thesis

Biomedical optical imaging Biomedical materials Diffusion Monte Carlo methods CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

Estudio del esparcimiento de la luz en el ojo humano

ISMAEL KELLY PEREZ (2011)

The human eye is the most important image formation system that we know. The

optics of the eye focuses light down onto the plane of the retina. Because of the

eyes biological basis, it grows, ages and suffers disease. These processes affect the

quality of image formation on the retina. In cataract formation, an increase in the

light scattering produces a degradation of the image. This degradation is due to

the forward scattering of the light. In order to evaluate the optical quality of the

eye, clinicians use a slit lamp. This instrument helps the clinician to examine the

crystalline lens. However, only the back scattering of light is available, and that

results in an indirect measure of the effect of this phenomenon. Our work consists

of simulating with the computer, the scattering in the human eye with cataracts.

The purpose is to analyze the relation between forward and backward scattering.

We made a model of the human optical system in which there is a distribution

of particles inside the crystalline lens. Using the Monte Carlo Method and the

exact ray trace theory, we simulate the photon pathways in the eye. The small

bodies have a refractive index which is different to that of the media and they are

spherical. Scattering of light in these bodies is simulated using Mie theory. We

show the results of our computational model and compare these results with other

ones we obtained with a physical model of a human eye with scattering.

El ojo humano es el sistema formador de imágenes más importante que conocemos.

La función principal de este sistema es captar luz y enviarla a la retina,

para formar una imagen en su superficie. Debido a que el ojo está constituido por

tejidos biológicos, _este crece, envejece y padece enfermedades. Todos estos procesos

afectan la calidad de la imagen que se forma en la retina. Cuando se forman

cataratas, el esparcimiento de la luz aumenta, lo que provoca que la imagen pierda

calidad óptica. Esta degradación de la imagen es debida al esparcimiento de la luz

que se genera en la misma dirección que la luz incidente. Para evaluar la calidad

óptica del ojo, los oftalmólogos recurren a la lámpara de hendidura. Este instrumento

ayuda al especialista a examinar el lente cristalino. Sin embargo, con esta

técnica sólo se analiza el efecto del esparcimiento en sentido opuesto al de la luz incidente,

lo que da como resultado una medida indirecta del efecto de este fenómeno

en la formación de la imagen en la retina. Nuestro trabajo consiste en simular con

la computadora el efecto del esparcimiento en el ojo humano con cataratas. El

propósito es analizar la relación entre el esparcimiento que se dirige hacia adelante

y el que se dirige hacia atrás. Hemos diseñado un modelo computacional del sistema

óptico del ojo en el cual hay una distribución de partículas dentro del lente

cristalino. Haciendo uso del método Monte Carlo y de la teoría de trazo de rayos

exacto, simulamos los recorridos de los fotones en el ojo. Las partículas dentro

del cristalino, muestran un índice de refracción que es diferente al del medio que

las rodea y son esféricas. El esparcimiento de la luz generado por estas partículas

se simula aplicando la teoría de Mie. En este trabajo mostramos los resultados

de nuestro modelo computacional y los comparamos con otros resultados que se

obtuvieron a partir de un modelo físico del ojo humano con esparcimiento.

Doctoral thesis

Eye Scattering Mie scattering Ray tracing Monte carlo methods CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

Improving the efficiency of algebraic subspace clustering through randomized low-rank matrix approximations

FABRICIO OTONIEL PEREZ PEREZ (2013)

In many research areas, such as computer vision, image processing, pattern recognition,

or systems identification, the segmentation of heterogeneous high-dimensional data sets is

one of the most common and important tasks. Based on the subspace clustering approach,

the Generalized Principal Component Analysis (GPCA) is an algebraic-geometric method

that attempts to perform this task. However, due to GPCA requires performing matrix

decompositions whose computational cost is cubic with respect to the size of the matrix (in

the worst case), the data segmentation becomes expensive when such size is very large.

Consequently, the present thesis work is intended to support our initial hypothesis: it

is possible to find matrix decompositions via randomized schemes that not only reduce

the computational costs, but also they maintain the effectiveness of their results. This

allows GPCA to manipulate both large and heterogeneous high-dimensional data sets, and

thus GPCA can enter into domains where its applicability has been partially or totally

restricted.

Master thesis

Data analysis Data reduction Deterministic algorithms Randomized algorithms Subspace clustering Polynomial approximation Numerical linear algebra Singular value decomposition Monte Carlo methods Principal component analysis CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA MATEMÁTICAS CIENCIA DE LOS ORDENADORES

Cálculo de los parámetros ópticos de la piel usando algoritmos genéticos

BEATRIZ MORALES CRUZADO (2008)

In this work we present the results obtained by means of a program developed to calculate

the optical parameters of the skin: the absorption coefficient, the scattering coefficient and

the scattering anisotropy factor starting from value experimentally measured (the total

transmittance, the collimated transmittance and the diffuse reflectance) of a sample of

bioligical tissue. The program bases its operation on genetic algorithms and in the method

Monte Carlo Multi-Layered (MCML), that it is of the public domain. Finally, we compare

our results with the simplified Kubelka-Munk’s model and with some results published in

the literature[1,2]. Also, we discuss its importance inside the medical applications.

En este trabajo presentamos los resultados obtenidos mediante un programa desarrollado

para calcular los parámetros ópticos de la piel: coeficiente de absorción, coeficiente de

esparcimiento y factor de anisotropía a partir de los valores medidos experimentalmente

(la transmitancia total, transmitancia colimada y reflectancia difusa) de una muestra de

tejido biológico. El programa basa su funcionamiento en algoritmos genéticos y en el

método Monte Carlo para multicapas, que es del dominio público llamado Monte Carlo

Multi-Layered (MCML). Finalmente, comparamos nuestros resultados con el modelo

simplificado de Kubelka-Munk y con algunos resultados publicados en la literatura[1,2].

Además, discutimos su importancia dentro de las aplicaciones médicas.

Master thesis

Biological tissues Genetic algorithms Monte carlo methods. CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA OPTICA GEOMÉTRICA

Exploración de ambientes estructurados para búsqueda de objetos con un robot móvil usando información obtenida de internet

RAMON IZQUIERDO CORDOVA (2016)

La búsqueda de un objeto por un robot móvil en un ambiente conocido implica resolver una

serie de retos computacionales. Primero, definir cuáles son los lugares más probables donde se

puede encontrar el objeto. Segundo, diseñar una estrategia eficiente para obtener un orden de

exploración de las habitaciones. Tercero, diseñar una estrategia de búsqueda del objeto dentro de

cada habitación. Cuarto, realizar la tarea de identificación del objeto. Por último, integrar todos

los componentes y probarlos en un robot real.

En este trabajo se proponen y analizan estrategias para ejecutar cada una de las primeras tres

actividades mencionadas. Además, se implementan estas estrategias propuestas en un robot real y

se realizan pruebas de búsqueda y reconocimiento de objetos.

Para estimar las localizaciones probables de los objetos buscados se proponen métodos que miden

cuantitativamente las relaciones objeto-habitación en cuatro bases de datos: Google, DBPedia,

ConceptNet, y Word2Vec. Además, se proponen tres métodos que combinan la información de las

bases de datos: conteo Borda, combinación no pesada, y combinación pesada. Este último método

es el que obtiene los mejores resultados en una evaluación que mide la calidad de las estimaciones

de las localizaciones de los objetos comparándolas contra las obtenidas por una consulta a usuarios.

Master thesis

Real robot Object recognition Monte Carlo methods Likely to object location CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA MATEMÁTICAS CIENCIA DE LOS ORDENADORES

Passive neutron area monitor with CR39

HECTOR RENE VEGA CARRILLO (2013)

In high-intensity, mixed and pulsed neutron fields the use of

spectrometers or area monitors with ac ve detectors is useless; in these

condi ons neutron measuring devices must have a passive detector. Here a

passive neutron area monitor with CR39 track detector was designed and the

response was calculated. Materials and Methods: The response of a passive

neutron area monitor with CR39 track detector has been calculated with the

MCNPX code. To increase the detec on efficiency a 10B converter was

included. The response was calculated using 47 monoenerge c neutron

sources. Results: A passive neutron area monitor using a CR39 with 10B

converter was designed where fluence and H*(10) responses were calculated.

Conclusion: The shape of the responses is similar to responses reported for

neutron monitors with ac ve detectors.

Producción Científica de la Universidad Autónoma de Zacatecas UAZ

Article

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA Neutron dosimetry passive detector CR-39 Monte Carlo response.