nn-usb-fpga/course/.docs/book/intro.tex

\chapter{Introdución}

\section{Visión, Paradigmas, y Dificultades}
El gran avance de las técnicas de fabricación de Circuitos Integrados ha
permitido que los sistemas digitales sean partes fundamentales de nuestra
vida, aún sin darnos cuenta, diariamente interactuamos con ellos,
facilitando las tareas cotidianas. Los niveles de integración actuales
permiten construir sistemas cada vez más pequeños, veloces y de menor
consumo de potencia, lo cual ha favorecido su difusión. El uso de los sistemas
digitales en \'áreas como la aviación, la industria automovil\'{\i}stica, la
bioingenier\'{\i}a, etc. demanda de estos un alto desempeño y un
funcionamiento continuo, el no cumplimiento de estas exigencias traer\'{\i}a
consecuencias desastrosas.

Una de las t\'ecnicas utilizadas actualmente para aumentar la confiabilidad
de un sistema es la redundancia hardware, esta redundancia se logra
adicionando unidades funcionales de reserva, que entrar\'an en operaci\'on
cuando la unidad operativa en un determinado momento falle. Otra t\'ecnica
utilizada es la distribuci\'on de tareas en varias unidades de procesamiento.
Con esto no se depende de la confiabilidad de un sistema complejo y costoso
sino que se dispone de muchas unidades de c\'omputo simples y econ\'omicas;
pero que en conjunto son m\'as robustas que el sistema centralizado. Sin
embargo, contar con varias unidades de procesamiento genera nuevos retos como
la divisi\'on y coordinaci\'on de tareas; la forma de realizar estas funciones
de forma \'optima ha sido el objetivo de muchos estudios, los cuales
contin\'uan hasta hoy.

La tecnolog\'{\i}a de los semiconductores adelanta a la capacidad de
utilizaci\'on por parte de los diseñadores, lo cual crea una brecha en la
productividad: cada año, el n\'umero de transistores disponibles aumenta en un
58\% mientras las utilizaci\'on por parte de los diseñadores lo hace en un
21\% {\cite{KAK01}}. A medida que aumenta el campo de aplicaci\'on de los
sistemas digitales, lo hacen las exigencias de funcionamiento a ellos
impuestas, nuevos retos en el diseño se presentan a medida que los sistemas
embebidos se integran a nuestra vida diaria, se hace necesario diseñar nuevas
t\'ecnicas que permitan eliminar la brecha en la productividad.


\subsection{Futuro de los Sistemas Computacionales}

\begin{quote}
  "The best way to predict the future is to invent it."
  
  Alan Kay
\end{quote}

\subsubsection{Computador Ubicuo}

Observando la tendencia actual de los sistemas electr\'onicos, se puede
especular que el computador tal como lo conocemos actualmente desaparecer\'a
{\cite{WM91}}, ya que estar\'a en todas partes, ubicuo, interactuando con los
seres humanos para realzar el mundo que ellos viven. Se pasar\'a de un esquema
en el que existe un computador para uno o varios usuarios (PC, mainframe) a
uno en el que existan muchos computadores para un usuario. Estos computadores
disponen de grandes capacidades de c\'alculo y de comunicaci\'on, pero a la
vez, poseen un grado de integraci\'on tal que ser\'an invisibles; para aclarar
como se puede lograr esta invisibilidad, imag\'{\i}nense que existen sistemas
embebidos construidos con t\'ecnicas de microfabricaci\'on y que son capaces
de tomar su energ\'{\i}a de fuentes alternas como la temperatura, la
radiaci\'on solar, o a partir de fen\'omenos qu\'{\i}micos, debido a su
reducido tamaño, estos sistemas pueden integrarse a objetos o pintarse sobre
ellos, de tal forma que no sean visibles ante los ojos humanos. Esta
desaparici\'on no solo ser\'a una consecuencia de la tecnolog\'{\i}a, sino de
la sicolog\'{\i}a humana; cuando las personas asimilan perfectamente algo y se
convierte en parte de la vida diaria no se es consciente de su utilizaci\'on.
Por ejemplo, cuando observamos una señal de tr\'ansito capturamos la
informaci\'on sin ser conscientes de la realizaci\'on del acto de la lectura.

\begin{figure}[h]
\begin{center} \includegraphics[scale=.6]{./images/Ubiquitous.jpg} \end{center}
\caption{Concepto de Computador Ubiquo.}
\end{figure}


Hasta el momento el diseño de sistemas tanto software como hardware se ha
centrado en las m\'aquinas, las personas se encargan de crear condiciones
adecuadas de trabajo para ellas. Nos vemos obligados a interactuar con estas
utilizando su propio lenguaje, lo cual dificulta su manejo. En el futuro la
computaci\'on tendr\'a como centro al ser humano, estar\'a en todas partes
dispuesta a ayudarle en sus tareas diarias. No tendr\'an que llevar
computadoras con ellos, se podr\'a interactuar con ellas en cualquier parte a
trav\'es de dispositivos como HandHelds, tel\'efonos celulares, etc  no tendremos que 
preocuparnos por nuestra privacidad ya que ellas se encargar\'an de eso {\cite{Oxygen}}.



Un nuevo t\'ermino aparece en el escenario del diseño de Sistemas Digitales:
Los \textit{ambientes Inteligentes}, este t\'ermino se utiliza para describir
entornos electr\'onicos sensibles a la presencia de personas, en estos
entornos los usuarios interact\'uan de forma natural con recursos
computacionales que les ayudan a la realizaci\'on de tareas. Es una nueva
\'area de desarrollo que involucra a profesionales en las \'areas de:
Ingenier\'{\i}a Electr\'onica, Ingenier\'{\i}a Mec\'anica, Ciencias de la
computaci\'on, redes y comunicaciones, ciencias sociales y humanistas.



En las siguientes secciones se estudiar\'a el impacto de la computaci\'on
ubicua en el diseño de los sistemas digitales siguiendo los lineamientos de
Marc Weiss {\cite{WM91}} y David Servat {\cite{DS02}}.

\subsubsection{Ambientes Inteligentes.}

En la actualidad, cada vez con m\'as frecuencia, se notan signos de la
invasi\'on digital, por ejemplo, en el aumento de chips embebidos en los
dispositivos que utilizamos a diario. Se ha demostrado {\cite{MW93}} que una
persona que vive en un pa\'{\i}s industrializado se ve confrontada con un
promedio de 40 chips al d\'{\i}a, de los cuales 5 son capaces de comunicarse
en redes. Se estima que dentro de 10 años estaremos en contacto con cientos de
estos chips, la mayor\'{\i}a de los cuales acceden a densas redes de
informaci\'on {\cite{DS02}}, muchos de estos artefactos toman la apariencia de
objetos que utilizamos en nuestra vida diaria (herramientas, vestuario,
electrodom\'esticos, etc) pero son mejorados con sensores, actuadores,
procesadores y software embebido. Una de las razones de la aparici\'on de
estos sistemas es econ\'omica. Las industrias han visto como se muestran
signos de recesi\'on en los mercados tradicionales. Por lo tanto, buscan
nuevos productos en los que pueden ser embebidos chips y software. El
an\'alisis de los procesos de adopci\'on de los dispositivos tecnol\'ogicos de
hoy muestra que la introducci\'on en el mercado de nuevos dispositivos genera
la alteraci\'on o la creaci\'on de nuevos h\'abitos {\cite{DS02}}. Esta
invasi\'on electr\'onica trae consigo una serie de efectos que resultan poco
pr\'acticos e inc\'omodos para sus usuarios humanos:
\begin{itemize}
  \item La interacci\'on se realiza utilizando el lenguaje del dispositivo,
  este lenguaje no es \'unico, por lo tanto debemos aprender un tipo de
  lenguaje para un tipo de aplicaci\'on determinda.
  
  \item Estos dispositivos no pueden comunicarse entre s\'{\i}, por lo que nos
  vemos obligados a buscar \textit{traductores} que sirvan de puente
  entre ellos.
  
  \item Est\'an construidos para operar en un ambiente determinado, lo cual
  nos obliga a movilizarnos con el f\'{\i}n de utilizarlos.
  
  \item No realizan distinci\'on entre usuarios, cada vez que un usuario
  diferente los use debe configurar sus preferencias.
\end{itemize}


Los ambientes inteligentes son entornos electr\'onicos que son sensibles y
responden a la presencia de personas {\cite{EA01}}. Est\'an compuestos por
muchos dispositivos distribuidos que interact\'uan con el usuario de forma
natural. El concepto fue construido con base en las ideas de Marc Weiser
{\cite{WM91}}, en {\cite{NRC01}} se puede encontrar un resumen de los
desarrollos y retos recientes en este campo de investigaci\'on. En un ambiente
inteligente, las personas est\'an rodeadas por redes de dispositivos
inteligentes embebidos que proporcionan informaci\'on ubicua, comunicaci\'on,
servicios y entretenimiento {\cite{APaET03}}. Adem\'as, estos dispositivos se
adaptan por si mismos a los usuarios, y anticipan sus necesidades. La
electr\'onica puede integrarse en el vestuario, los muebles, autom\'oviles,
casas, oficinas y sitios p\'ublicos, introduciendo el problema del desarrollo
de nuevos conceptos de interfaz de usuario que permitan la interacci\'on
natural con estos entornos. Las funciones b\'asicas que deben realizar los
ambientes inteligentes son:
\begin{itemize}
  \item Conocimiento del entorno.
  
  \item Sistemas inal\'ambricos Distribuidos.
  
  \item Interacci\'on natural con los usuarios.
\end{itemize}


La visi\'on de los ambientes inteligentes es que las aplicaciones ser\'an cada
vez m\'as y m\'as distribuidas y ser\'an ejecutadas en plataformas que
proporcionan recursos de forma din\'amica. Estas aplicaciones deben cumplir
con las funciones mencionadas anteriormente. Los nuevos retos que generan los
ambientes inteligentes al diseño de Sistemas embebidos se pueden dividir en
interacci\'on y adaptaci\'on:


\begin{itemize}
  \item Interacci\'on con:
  \begin{itemize}
    \item las aplicaciones,
    
    \item la plataforma Hardware,
    
    \item otros dispositivos,
    
    \item el usuario.
  \end{itemize}
  
  
  \item Adaptaci\'on:
  \begin{itemize}
    \item al cambio de aplicaciones y necesidades del usuario,
    
    \item a la cantidad de recursos Hardware,
    
    \item a cambios en el entorno.
  \end{itemize}
\end{itemize}


\subsubsection{Consecuencias de la aparici\'on de los sistemas de computaci\'on
ubicua.}

La aparici\'on de la computaci\'on ubicua no es una revoluci\'on, por el
contrario es una consecuencia l\'ogica de la evoluci\'on de las relaciones
entre los usuarios y los sistemas de computadores, los cuales se han
caracterizado por una democratizaci\'on de acceso a los equipos y una
descentralizaci\'on de la infraestructura subyacente. En el primer
per\'{\i}odo (1950-1970) se compart\'{\i}an recursos a trav\'es de terminales,
es decir, se contaba con un computador para muchos usuarios. En los 80s, la
aparici\'on de los computadores personales impulsa la relaci\'on personal
entre los computadores y usuarios. El los 90s la aparici\'on de Internet
permiti\'o compartir recursos a trav\'es de un computador personal. Internet
no es m\'as que un paso adelante hacia la llegada de los sistemas de
computaci\'on ubicua. La misma filosof\'{\i}a de simplificaci\'on y
descentralizaci\'on prevalece hasta hoy y nos conducir\'a a una situaci\'on
donde miles de dispositivos computacionales estar\'an disponibles para
realizar nuestras tareas y se compartir\'an recursos a trav\'es de redes m\'as
intrincadas que Internet. En conclusi\'on se pasar\'a de un esquema en el que
se ten\'{\i}a un computador para muchos usuarios a uno en el que se tienen
muchos (tal vez miles o millares) elementos computacionales para servir a un
usuario.

Estos sistemas ser\'an componentes de una infraestructura computacional que
difiere radicalmente de las que conocemos hoy, y deben poseer las siguientes
caracter\'{\i}sticas:
\begin{itemize}
  \item Descentralizados: la centralizaci\'on adem\'as de impr\'actica no
  permite que diferentes usuarios puedan controlar sus componentes.
  
  \item Manejar la variaci\'on de su configuraci\'on: debido a la adici\'on o
  substracci\'on de sus componentes, o por la forma en que los usuarios los
  usan.
  
  \item Estar inmersos en las comunidades humanas con varios tamaños y
  necesidades, y operar con informaci\'on incompleta sobre su entorno.
  
  \item Unir combinaciones altamente heterog\'eneas de software y hardware,
  las cuales pueden diferir por su funci\'on o por su procesamiento,
  comunicaci\'on o capacidades de acci\'on.
  
  \item Ser el resultado de combinaciones de componentes, que pudieron no ser
  vistos en tiempo de diseño, sin embargo, producen comportamientos emergentes
  interesantes.
  
  \item Adaptarse de forma cont\'{\i}nua a su entorno con el f\'{\i}n de
  mejorar su desempeño.
\end{itemize}

El diseño de estos sistemas requiere nuevas fuentes de inspiraci\'on; una
direcci\'on promisoria es verlos y diseñarlos como \textit{ecosistemas de agentes físicos} organizados seg\'un principios
biol\'ogicos, qu\'{\i}micos o f\'{\i}sicos {\cite{DS02}}.

\section{Estado del Diseño Electrónico en Colombia}

En la actualidad Colombia atraviesa por una $''$\textit{\textit{crisis}}$''$ a
nivel de diseño de sistemas digitales, existe un atraso muy grande en esta
\'area; a nuestro modo de ver existen dos grandes responsables de esta situaci\'on.
Por un lado, las pol\'{\i}ticas de la mayor\'{\i}a de las industrias al no
realizar inversi\'on de capital en sus departamentos de I+D; algunas de ellas
ni siquiera cuentan con este departamento. Por otro lado, las Universidades no
cuentan con programas actualizados que permitan explotar los avances
realizados en las industrias electr\'onica y de semiconductores; en un gran
n\'umero de Universidades Colombianas a\'un se trabaja con dispositivos de
funci\'on fija como las familias 74 y 40. Los lenguajes de descripci\'on de
hardware han sido adoptados recientemente en la mayor\'{\i}a de programas de
ingenier\'{\i}a electr\'onica, pero en algunos casos no existe una base
metodol\'ogica que soporte su adecuada utilizaci\'on. La disponibilidad de
dispositivos l\'ogicos programables (FPGAs, CPLDs) es limitada debido a la
inexistencia de un proveedor local. Se dedican cursos completos para
$''$enseñar$''$ a programar microprocesadores de 8 bits en lenguaje
ensamblador y muchos educadores a\'un miran con desconfianza a los lenguajes
de alto nivel como el C, C++. En muy pocos programas de Ingenier\'{\i}a
Electr\'onica no se cuenta con una asignatura dedicada a sistemas operativos y
en muchos de ellos no se le da la importancia que tiene la enseñanza de
lenguajes estructurados.

La situaci\'on se agrava a\'un m\'as al ver el estado de la relaci\'on entre
la universidad y la industria, la cual no existe en algunos casos. Desde el
punto de vista industrial los resultados obtenidos en la academia parten de
entornos ideales y no se tienen en cuenta las caracter\'{\i}sticas de los
entornos industriales, lo cual da como resultado sistemas poco robustos y con
problemas funcionales. Por otro lado, los tiempos de desarrollos son muy
largos ya que la mayor\'{\i}a de las universidades Colombianas no cuenta
con grupos de investigaci\'on que tengan miembros dedicados de forma
exclusiva al desarrollo de este tipo de proyectos, la mayor\'{\i}a \ de los
miembros de estos grupos son temporales (estudiantes de pregrado) y sin paga,
lo cual no garantiza el cumplimiento ni la continuidad de las investigaciones.

\subsection{Apropiación de Conocimiento}
  
Para que Colombia deje de ser un país que consume tecnología y llegue en algún momento a ser generador de productos tecnológicos, es necesario que se genere un conocimiento que permita esta transición. ``Para que el conocimiento sea motor de desarrollo es necesario el traspaso desde sus creadores a la sociedad, mediante la conversión a tecnologías que produzcan cambios radicales que incrementen la producción. Esa transmisión de tecnología generadora de crecimiento económico esta influenciada por diversos factores: medio geográfico, leyes de propiedad industrial, costos laborales, nivel de ciencia y tecnología, religión, tipos de instituciones, resistencia a innovar, políticas de estado, guerras, factores demográficos, entre otros'' \cite{Mok90}
 
Pero como apropiar este conocimiento? Arrow \cite{Arr62} afirma que la apropicación de conocimiento puede efectuarse de varias formas: ``aprender haciendo'', ``aprender usando'', ``aprender leyendo''. Cuando una empresa decide transmitir su conocimiento disponible, lo hace en procesos de investigaciones conjuntas, en actividades de producción, y distribución, mercadeo, servicio y soporte operativo o riesgo compartido.                    También se presentan alianzas entre firmas como: contratos de I+D, acuerdos de licencias, licencias cruzadas. La conformación de estas asociaciones permite crear redes tecnológicas dominadas por países industrializados con sus respectivas empresas multinacionales monopolizando conocimiento \cite{Mar04}
 
Para Colombia, el problema radica en que las empresas de capital nacional no están adquiriendo el conocimiento necesario para lograr innovaciones al interior de las mismas. De forma que puedan ser competitivas y logren acceder a mercados internacionales ofreciendo productos innovadores, de calidad y a precios competitivos. Con efectos directos como: generación de empleos especializados, desarrollo tecnológico e industrial sostenido, ampliación del acervo de conocimiento nacional y disminución de la salida de divisas (al mejorar los procesos de negociación) y creación de externalidades positivas \cite{Mar04}.
 
Ligado al problema de la senda tecnológica está el del grado de lo tácito del conocimiento científico. Teece \cite{Tee81} señala que al existir conocimiento tácito toda la tecnología disponible no se transfiere de los productores a los receptores o compradores de la misma. Por tanto, los países seguidores siempre van a estar a la zaga tecnológica. Forbes y Wield \cite{FW00} señalan que los esfuerzos adaptativos son mayores porque deben acomodar las ``innovaciones'' a los materiales locales, fuerza laboral nativa, mercados internos y medio ambiente local. Entonces, el problema no se limita a cómo transferir conocimiento, cómo develar su parte tácita y cómo extraerlo de las multinacionales, sino que radica en el bajo poder de negociación y adquisición de tecnología por firmas pequeñas y medianas, las cuales carecen de recursos y tienen procesos deficientes de contratación.
 
En este orden de ideas, si el país no es un innovador neto ¿no debería más bien mostrar una tendencia a importar conocimiento? Y las firmas nacionales ¿no deberían ser las que más efectuaran este tipo de contratos, para así acceder al conocimiento de la tecnología adquirida? En resumen, conociendo mejor qué tecnología se importa y qué tipos de contratos se utilizan, es posible crear marcos de referencia para empresas nacionales que estén interesadas en adquirir tecnología. Esto produciría externalidades positivas en empresas importadoras de conocimiento y, a su vez, en la economía del país. Con una adecuada importación de conocimientos tecnológicos se crearía una ventaja competitiva de carácter estructural, basada en un acervo de conocimiento tecnológico que permita incrementar la productividad en todos los sectores económicos de manera permanente \cite{Mar04}.
 
Según los estudios realizados por Martínez, con base en registros del Decreto 259/92, del Incomex. La importación de conocimiento no está siendo empleada con el propósito de utilizar tecnologías de punta que permitan efectuar innovaciones al interior de las empresas y de los sectores. Las empresas nacionales se limitan a comprar un determinado dispositivo, sin tener el conocimiento para operarlo, hacerle mantenimiento ni mucho menos mejorarlo, por lo que se ven obligadas a contratar con el vendedor contratos para dicho fín. Esto indica que la adquisición de tecnología no se realiza con base en programa desarrollado de antemano, sino son una respuesta a cambios en el mercado, lo cual evidencia la inexistencia de programas de innovación encaminados a la disminución de la brecha tecnológica.
 

\subsection{Situación de la Industria Electrónica en Colombia}
 
La industria electrónica nacional no es ajena a las políticas que siguen las empresas nacionales en cuanto a la apropiación de tecnología; Colombia depende totalmente de economías más desarrolladas para el suministro de dispositivos electrónicos en diversas areas (comunicaciones, entretenimiento, industria, medicina, etc). Mientras en otros sectores de la economía han pasado de ser consumidores a exportadores, y adquieren nuevas tecnologías para ser más competitivos, el sector electrónico del país ha reducido sus actividades de Investigación y Desarrollo hasta el punto de depender totalmente de productos externos, de los cuales, algunos son de baja calidad y no suplen los requerimientos del mercado local, pero son utilizados porque son muy económicos.
 
En la actualidad la industria electrónica presenta una gran dinámica a nivel mundial, el uso de los sistemas electrónicos se extiende a todas las actividades humanas; La demanda mundial de este tipo de sistemas aumentará de forma dramática en los próximos años, especialmente en los sectores de tecnología médica, movilidad, seguridad, comunicaciones y consumo \cite{ETPoSSI(09}. El mercado de los sistemas embebidos es una industria que movió alrededor de 25 billones de dólares en el 2008 según Venture Development Corporation \cite{Vc08}. Por otro lado, la inversión de capital necesaria para el diseño de Sistemas Embebidos es relativamente baja, gracias a la gran demanda originada, los insumos y los servicios de fabricación son muy económicos, las herramientas de desarrollo necesarias para la programación y depuración de este tipo de sistemas son de libre distribución.  

Desafortunadamente en Colombia la industria electrónica se encuentra muy rezagada en relación a las de los países industrializados, y las ventajas y oportunidades de negocios mencionadas anteriormente no son aprovechadas en la actualidad. 

Según ASESEL \footnote{Asociación de entidades del Sector Electrónico} en el 2001 existían 154 empresas productoras de componentes y equipos de la cadena electrónica. Dentro de los productos que la industria electrónica exporta se encuentran registrados: Circuitos integrados, circuitos impresos, microestructuras, instrumentos para medida y control, Instrumentos y aparatos eléctricos o electrónicos. Es importante decir que la industria colombiana, en la actualidad no fabrica circuitos integrados, ni microestructuras, por lo que estas son ventas de productos comprados en países desarrollados. Según Proexport el 91\% de las exportaciones son realizadas por Bogotá y los destinos se encuentran en países cercanos como Venezuela, Perú, Ecuador y USA. 

La electrónica en Colombia y en el mundo hace parte de esas industrias que se mueven velozmente en un
camino desconocido, como consecuencia se hace necesario tener una actualización constante de los
avances tecnológicos y las proyecciones futuras del sector. Debido a la importancia del sector tecnológico es primordial que en Colombia se esté consciente del estado actual y que se puede hacer en términos de
Investigación Científica y Desarrollo Tecnológico (I+D) en Ingeniería Electrónica.

Un estudio realizado en la Universidad Nacional de Colombia \cite{MTRR07} identificó los siguientes obstáculos para el desarrollo de la industria electrónica en Colombia: Deficientes relaciones Universidad Empresa, Pobre enfoque académico hacia la industria, baja calidad de los productos nacionales, políticas gubernamentales, falta de cultura de Investigación y Reducida apropiación tecnológica, competencia de países asiáticos, atraso tecnológico, limitado recurso humano con formación avanzada.

De los problemas expuestos anteriormente podemos identificar cuales son los que más afectan el desarrollo de la industria electrónica en Colombia, el que más perjudica sin lugar a dudas es el atraso tecnológico, no es posible ser competitivo en el mercado electrónico mundial con tecnologías y metodologías de diseño obsoletas. \footnote{En Colombia trabajamos aún con circuitos integrados que se crearon en la decada de los 80 del siglo pasado y utilizamos lenguajes de programación como el \textit{assembler}, para el cual el tiempo de aprendizaje, desarrollo y de depuración es muy largo} La culpa de este atraso tecnológico no es exclusiva de la industria, aunque, como vimos anteriormente muchas industrial Colombianas se resisten al cambio y prefieren comprar equipos en el exterior a buscarlos localmente, la falta de confiabilidad en los productos Colombianos agrava este problema, esta falta de confianza en la industria local no es infundada, la mayoría de los productos Colombianos no cumplen con las normas mínimas de calidad y utilizan productos de bajo costo obtenidos en remates de componetes.

Otro actor que contribuye al retraso tecnológico es el sector académico; Según el Sistema Nacional de Información Superior, durante los últimos 10 años se han abierto 230 programas relacionados con la industria electrónica, estos programas están repartidos entre programas de formación Universitaria, tecnológica terminal y de técnica profesional, la mayoría de estos centros de formación se encuentran ubicados en 3 Departamentos: Bogotá, Antioquia y Valle \cite{DZSC+07}. El número de Ingenieros graduados en un año es entre 2 y 8 veces mayor que en los países en vía de desarrollo y doce veces mayor que los que se gradúan en los países desarrollados. En Colombia, este aumento es aportado por instituciones de poca consolidación; además, las preferencias en la educación superior son Formación técnica / form. tecnológica / form. profesional que es justamente lo opuesto a la de los países desarrollados \cite{MDAG99}.

Por otro lado, el contenido de las asignaturas relacionadas directamente con la industria electrónica se encuentran muy desactualizados, y fuera del contexto mundial, se utilizan metodologías de diseño antiguas en las que primaba la experiencia del diseñador, se realizan tareas manuales, repetitivas que pueden ser realizadas por herramientas de diseño moderno, los currículos son conservadores hay poca experimentación y su estructuración y metodologías son muy clásicas. Adicionalmente, muchos investigadores dedican sus estudios en proyectos que no aportan al desarrollo del país únicamente porque están de moda. Otro problema adicional radica en la falta de experiencia en el sector productivo por parte del personal académico, un componente importante de los profesores nunca han sido parte de un proceso productivo o de un proceso de desarrollo que tenga como fín la creación de un producto comercial, razón por la cual se evita la experimentación y se da más énfasis al análisis y solo se llega a una simulación. 

De lo anterior podemos concluir que en Colombia se presenta una sobre-oferta de profesionales en el área electrónica, muchos de los cuales provienen de instituciones educativas con poca consolidación, y que han sido formados con programas desactualizados que no tienen en cuenta los avances tecnológicos y metodológicos, lo cual explica la pobreza de ingenieros con altos niveles de formación. Por esta razón no es de extrañar la poca confianza que tienen los industriales en los productos nacionales.

Lo anterior unido a la falta de políticas de estado que: tracen normas encaminadas a incentivar la inversión en investigación y desarrollo, defina líneas y campos de investigación, regule la oferta laboral y los programas académicos, generan el clima perfecto para que el atraso tecnológico se mantenga durante mucho tiempo y Colombia no deje de ser un consumidor de tecnología. Según John Kao, uno de los grandes expertos del mundo en innovación, los países desarrollados no invierten en Ciencia Tecnología e Innovación (CTI) porque son ricos, sino que son ricos porque invierten en CTI.


\subsubsection{Tecnologías de Información y Comunicación}
En la actualidad existe un especial interés por parte del gobierno \footnote{ La Agenda de Conectividad es el programa del Ministerio de Comunicaciones, encargado de impulsar el uso y masificación de las Tecnologías de Información y Comunicación -TIC- como herramienta dinamizadora del desarrollo social y económico del país ()} en impulsar las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC). Este programa no debe centrarse en solo difundir el uso de internet y aumentar el número de personas que tienen acceso a un computador. ``La tecnología es simplemente la infraestructura, si la infraestructura no está acompañada por la creación de habilidades y conocimiento la adopción de TICs no ayudará a obtener los beneficios que esperamos, sin embargo, ayudarán con los intereses de los más poderosos y de las naciones más ricas.'' \footnote{Brito Lidia, ``Enabling Environment, ICT for Development and the Millennium Development Goals'',página 20, 2005}. Las TICs deben utilizar la educación como pricipal herramienta para reducir la \textit{brecha tecnológica} que existe entre las diferentes regiones de nuestro país y de nuestro país con los paises desarrollados.

Hearn, Simpson, Lennie y Kimber \cite{HSL+04} \cite{MJF05} nombran las siguientes características para que las TICs contribuyan con el desarrollo regional.
\begin{enumerate}
  \item Conseguir claridad en especificar objetivos sostenibles, las regiones no se
       pueden dar el lujo de esperar a que todo les sea entregado y listo, ponerlo a
       funcionar, debe existir un plan para evitar que la tecnología se vuelva
       obsoleta y se acabe el proyecto por esta causa.
  \item Apalancar el desarrollo de la empresa pequeña ayudado por personal y
       financiación del gobierno y utilizando las fortalezas de las industrias locales.
  \item Construir basado en las industrias fuertes locales; Aprender de las
       experiencias globales mientras que se construye en acciones locales
  \item Encontrar innovadores modelos de negocios para aprovecharlos en nuevas
       oportunidades de contenidos y aplicaciones.
  \item Asegurar el envolvimiento de la comunidad en la decisión, planeación y
       evaluación de proyectos. Hemos visto que para que un proyecto de
       tecnología tenga éxito se debe involucrar a la sociedad civil, a ellos deben ir
       dirigidos los principales beneficios, deben ser ellos quienes se capaciten y
       de esta forma el proyecto va a funcionar.
  \item Adoptar una metodología de aprendizaje a través de ciclos de evaluación
       basados en una acción investigativa.

\end{enumerate}

Adicionalmente es necesario buscar el bien común por encima del individual, razón por la cual debemos preguntarnos quienes son los favorecidos por la difusión de estas tecnologías, no tiene sentido invertir grandes sumas de dinero para llevar estas tecnología a lugares donde no saben como utilizarlas y más aún, en lugares donde las necesidades básicas no han sido resueltas. Es importante pensar en las personas a las que se va a beneficiar y preparar el camino para que el impacto sea mayor, sin educación y sin entrenamiento no se le puede sacar provecho a estas tecnologías. Debemos crear herramientas que integren a nuestros pueblos y que permitan colaborar entre ellas.

En la actualidad esta política gubernamental se limita a comprar software propietario normalmente el sistema operativo MicroSoft Windows y aplicaciones del mismo fabricante como su suite Office y MSN. Esto no aporta absolutamente nada al desarrollo tecnológico del país ya que al ser un sistema operativo cerrado no es posible modificarlo o aprender sobre su funcionamiento, el usuario debe limitarse a aceptar lo que el fabricante le entrega y si quiere desarrollar apliaciones propias debe pagar por las herramientas de desarrollo y por la documentación. Microsoft utiliza una política de reducción de precios para los centros educativos y algunos centros gubernamentales, esta ``donación'' solo crea dependencia tecnológica y en la mayoría de los casos promueve acciones ilegales ya que (el costo de estos productos son los mismos en todo el mundo y en muchas ocasiones cuestan más que el computador sobre el que se ejecuta) los usuarios obtienen software ilegal, práctica que se generaliza a todo el software no solo al de Microsoft lo que hace que las empresas medianas y pequeñas locales sean forzadas a cerrar sus negocios. Por otro lado, al permitir que solo una empresa extranjera sea la que decide sobre el futuro del software utilizado en la mayoría de los computadores de una nación se está cediendo la soberanía para el beneficio de un particular foráneo.

Lo mismo sucede con los equipos que se utilizan para acceder a estas tecnologías, en la mayoría de los casos son fabricados en paises con diferentes culturas y diferentes necesidades. Es obvio que el país no puede fabricar ciertos equipos que se requieren para poder llevar estas tecnologías a las diferentes regiones, sin embargo, este trabajo proporciona una base sólida sobre la cual se puede desarrollar un producto similar al propuesto por el proyecto del MIT OLPC (One Laptop For Child), el cual busca construir un dispositivo de muy bajo costo (200 USD) que permita a los estudiantes y a la comunidad en general, aprender los conceptos básicos para poder utilizar estas tecnologías. De esta forma impulsamos la industra electrónica produciendo de forma masiva un dispositivo electrónico en el pais, diseñado para suplir necesidades de la región. Esta plataforma no solo poroporcionará la base para el desarrollo de las TICs, sino la base tecnológica sobre la cual se pueden desarrollar muchas soluciones a problemas de la industria local.


Es posible incluir el presente estudio en dicho programa de tal forma que el objetivo final de este programa no sea aumentar la venta de licencias de un determinado sistema Operativo o el número de computadores con acceso a internet, sino desarrollar en el pais la tecnología necesaria para que las universidades y empresas locales sean capaces de desarrollar dispositivos que permitan el acceso a estas tecnologías. 


\subsection{Estado de la Electrónica Digital en la Universidad Nacional de Colombia}

Hasta hace un año en las asignaturas del área de electrónica digital de la Universidad Nacional de Colombia (La Universidad pública más grande e importante del pais), se trabajaba con dispositivos que fueron sacados al mercado en 1966 y 1968, las familia lógica TTL 7400 y CMOS 4000. El problema principal al utilizar esta tecnología no es su año de creación, ni siquiera que en la actualidad se consideren obsoletas para el diseño de un sistema digital completo. \footnote{En la actualidad estas compuertas se utilizan para la implementación de pequeñas operaciones lógicas} El problema detrás del uso de esta tecnología se encuentra en la ausencia total de metodologías de diseño (en el caso Colombiano). Y el desconocimiento en herramientas tipo CAD. El proceso de diseño que realizaban los estudiantes era:

\begin{enumerate}
  \item Especificaciones del sistema.
  \item Generación manual de ecuaciones boolenas.
  \item Minimización manual utilizando mapas de Karnaugh.
  \item Implementación de las ecuaciones minimizadas utilizando las familias lógicas 7400 y 4000, sobre placas de pruebas (protoboards, breadboards)
  \item Pruebas del sistema.
\end{enumerate}

A manera de ejercicio académico se justifica el uso de las familias 7400 y 4000, sin embargo, el quedarse ahi no es bueno para una industria electrónica desactualizada, debido a que este tipo de implementaciones no pueden generar productos competitivos a nivel mundial. La razón de esto es que existen muchas fuentes de error en el proceso, generados por la ausencia de herramientas CAD que realicen las operaciones tediosas como las minimización de ecuaciones booleanas, las cuales están sujetas a errores humanos originados por cansancio, falta de concentración, etc. Otro aspecto que vale la pena resaltar es la falta de una simulación funcional, la mayoría de los estudiantes consultados no realizaban simulaciones funcionales y preferían probar el diseño una vez implementado físicamente, esto unido a la dificultad de depuración innata a este tipo de implementaciones, aumentaba considerablemente el tiempo requerido para realizar la implementación y pruebas del sistema.

En el segundo curso del área de electrónica digital, se introduce al estudiante al uso de los dispositivos lógicos programables (PLD) y los lenguajes de descripción de hardware (HDL) como herramientas para el diseño de sistemas digitales, al comienzo, el contenido de estos cursos se limitaba al uso de una herramienta de diseño y la enseñanza de nociones básicas del lenguaje VHDL, se daba más importancia al uso de la herramienta y no a la metodología de diseño, de nuevo el estudiante ataca los problemas sin una metodología de diseño clara. Vale la pena indicar que este curso fue dictado por profesores ocasionales durante los últimos cuatro años, cada profesor utilizaba contenidos y niveles de exigencia diferentes.

En la tercera parte del curso se trabaja con sistemas microcontrolados, se utilizan microcontroladores de 8 bits de diferentes familias y se utiliza el lenguaje ensamblador como herramienta de desarrollo. Una de las principales desventajas que presenta este curso (y de la línea en general) es la falta de continuidad en los contenidos y en la metodología utilizada, ya que el contenido de este curso se encuentra totalmente desligado al de los dos anteriores. Sin embargo, durante este curso se proporciona una metodología de diseño en la que los estudiantes emulan el comportamiento del microcontrolador antes de ser programado, sin embargo, esta práctica no es seguida por la mayoría de los estudiantes, una posible causa de este comportamiento puede ser la falta de metodologías de diseño en los cursos anteriores.

La sensación que queda al terminar el área de electrónica digital es que lo único que importa son los microcontroladores y que lo visto en los primeros cursos no es muy útil. La siguiente tabla muestra los problemas encontrados en el área de electrónica digital de las carreras de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional de Colombia:

\begin{enumerate}
  \item Falta de una metodología de diseño.
  \item Utilización de herramientas obsoletas: Familias Lógicas, lenguajes de programación.
  \item Poco uso de las herramientas CAD.
  \item Falta de continuidad en las asignaturas.
  \item Falta de docentes.
  \item No se suministra una formación adecuada que ayude a la industria electronica a salir del retraso tecnológico.
\end{enumerate}


\section{Descripción de la Tésis}

\subsection{Objetivos e Hipótesis}

\subsubsection{Ojetivo Principal}

Desarrollar una metodología para la transferencia tecnológica y de conocimientos en el área de Sistemas Embebidos.
El objetivo de este trabajo es contribuir a dar solución al problema del atraso tecnológico en Colombia, puntualmente en los siguientes puntos:

\subsubsection{Objetivos Secundarios}

\begin{itemize}
  \item Formulación de una metodología para la transferencia tecnológica y de conocimientos en el área de Sistemas Embebidos en Colombia.
  \item Formulación de una metodología de Diseño y producción para Sistemas Embebidos aplicable en el entorno local.
  \item Identificación de las habilidades requeridas para los profesionales y técnicos en la Industria Electrónica para estar acorde con la tendencia de la industria electrónica mundial y formulación de recomenadaciones para la industria y los organismos gubernamentales encaminadas a mejora la productividad de la industria electrónica del país.
  \item Desarrollo de Plataformas Hardware que utilicen tecnología de punta.
  \item Diseño de los programas de las asignaturas del área de electrónica digital en programas de pregrado para incorporar las nuevas metodologías modernas de diseño y producción.
\end{itemize}



\subsubsection{Hipótesis}
Las recomendaciones dadas por los estudios sobre como solucionar el problema del desarrollo tecnológico, hablan de como se debe trabajar de forma local, teniendo en cuenta la experiencia generada globalmente, Por lo que partiemos de la hipótesis que es posible utilizar técnicas de auto-organización para que diferentes centros de formación y producción distribuidos a lo largo del país encuentren la forma de distribuir de forma eficiente los recursos (Información, conocimiento, recursos económicos) comunes para alcanzar en forma conjunta el objetivo principal: Encontrar políticas de auto-gobierno que permitan el beneficio de la comunidad.


\subsection{Aproximaciones}

El problema del atraso tecnológico en Colombia debe ser atacado desde varios flancos para que pueda ser resuelto de forma efectiva. Como se indicó anteriormente solo con el trabajo conjunto de la industria,  la academia y las politicas gubernamentales podremos avanzar en la solución del problema. El trabajo realizado acá solo puede contribuir a la solución del problema con soluciones encaminadas a la industria y la academia.

Porqué se eligió el área de diseño de sistemas digitales para atacar el problema del atraso tecnológico? Básicamente porque este sector es el que presenta un mayor retraso en el pais, adicionalmente, muchas áreas del conocimiento (como control, instrumentación, medición, comunicaciones, robótica, etc) se apoyan en dispositivos digitales como herramientas para implementar aplicaciones. Por otro lado, existe una gran demanda de productos especializados con capacidades de comunicación especiales y de procesamiento, tanto en el mercado de productos de consumo (Entretenimiento, electrodimésticos, etc), como en el mercado de productos espscializados (Sistemas de control, sistemas de medición, etc).

Para que el estudio realizado tenga un mayor impacto se deben evitar temas en los que se requieran grandes inversiones en infra-estructuras como por ejemplo diseño y fabricación de Circuitos Integrados o aplicaciones en nanotecnología, ya que los laboratorios necesarios son muy costosos  y en el país no existe aún la demanda suficiente que sostenga los costos de funcionamiento de este tipo de procesos. Teniendo en cuenta esto, existen varias alternativas en las que el país podría llegar a ser competitivo a corto plazo y generar productos que compitan con los ofrecidos por industrias de países desarrollados, estas son:

\begin{itemize}
  \item Desarrollo de núcleos de Propiedad Intelectual (IPs)
  \item Desarrollo de dispositivos dedicados a resolver problemas específicos utilizando dispositivos semiconductores ya existentes.
    \begin{itemize}
      \item Diseño de plataformas de Desarrollo Hardware robustas.
      \item Creación de plataformas de desarrollo software estables.
      \item Desarrollo de aplicaciones basadas en las plataformas de desarrollo ya creadas.
    \end{itemize}
  \item Desarrollo de aplicaciones HW/SW para que sean fabricadas en otros países con mayor oferta en servicios de manufactura.
\end{itemize}

Los sistemas embebidos proporcionan una visión completa del proceso de producción de nuevos dispositivos: Concepción, Diseño, Implementación y Operación, adicionalmente es un mercado que mueve miles de millones de Dólares al año y su campo de acción abarca casi todas las actividades humanas (Educación, entrtenimiento, transporte, salud, productividad), existe una infinidad de herramientas Hardware (Procesadores, SoCs, FPGAs, diseños de referencia, herramientas CAD) y Software (Compiladores, depuradores, librerías, Sistemas Operativos, Aplicaciones) y una gran dinámica en la industria que proporciona servicios de manufactura (suministro de componentes, fabricación, pruebas, distribución). Lo que permite ingresar a este mercado con bajas inversiones de dinero, lo que es ideal para la situación actual del país (baja inversión en I+D), y es perfecta para que recién egresados puedan crear nuevos productos y servicios utilizando sistemas embebidos. 

Para asegurar que existan profesionales capaces de utilizar los nuevos conocimientos es necesario crear cursos de actualización a diferentes niveles: Cursos de capacitación, Diplomados, Líneas de profundización en pregrado y posgrado; Modificar el contenido de las asignaturas de las materias relacionadas con la electrónica digital para actualizar sus contenidos y las metodologías de diseño adecuadas, tambien es necesario un cambio en el enfoque, debemos pasar de un perfil analítico a un perfil de diseñador-investigador, en el que todo diseño debe culminar en un producto funcional, y no quedarse solo en las simulaciones. Adicionalmente, es necesario contar con una buena documentación que facilite el proceso de adopción de estos nuevos conocimientos.

Las actividades anteriores pueden garantizar que a corto plazo el pais forme profesionales capaces de realizar diseño de sistemas digitales utilizando metodologías de diseño adecuadas y herramientas de diseño moderno, pero para que estos cambios sean adoptados por las industrias debe crearse un vínculo con las Universidades para que estas últimas proporcionen profesionales con las competencias requeridas en el medio. También es necesario que existan políticas gubernamentales que estimulen el consumo de los productos locales y protejan las industrias que realicen actividades encaminadas al desarrollo tecnológico del pais. Adicionalmente es necesario capacitar a las empresas en el uso de nuevas tecnologías y en el proceso de producción masivo, si se desea competir con los productos provenientes del exterior es prioritario que nuestras industrias conozcan estos procesos y donde pueden realizarse.

Como parte del trabajo de esta investigación se tomó una empresa recién formada, con poco capital de inversión, dedicada al diseño de sistemas digitales y se trabajó con ella en la realización de productos con tecnología de punta,  

Por otro lado, aprovechando que la realización de este trabajo coincidió con la re-estructuración de todos los programas académicos de la Universidad Nacional de Colombia, se pudo realizar un cambio total en el contenido de las asignaturas pertenecientes al área de la electrónica digital, estos cambios están encaminados a suplir las necesidades de la industria local y los habilidades necesarias para que nuestros profesionales pasen de ser empleados que comercializan productos foráneos a creadores de empresas que desarrollan sus propios productos.

Por último y no menos importante, todo este proceso se realizó utilizando herramientas de libre distribución y utilizando una filosofía adoptada de los movimientos de Software Libre \footnote{http://www.fsf.org/} y hardware abierto\footnote{http://en.wikipedia.org/wiki/Open\_source\_hardware}, en las cuales, en palabras de sus fundadores ``el usuario tiene libertad de ejecutar, copiar, distribuir, estudiar, cambiar y mejorar el software''. En el caso del hardware se suministra información sobre los archivos de diseño: Esquemáticos, lista de materiales, archivos gerber para la fabricación de los PCBs y software de configuración utilizando herramientas libres. Si queremos que nuestro pais salga del atraso tecnológico en el que se encuentra no podemos trabajar en comunidades aisladas dentro de nuestro pais, ni aislados del entorno mundial, es necesario crear una comunidad que aporte conocimientos que sean utilizados por todos. De aquí la importancia de los conceptos de los movimientos de HW y SW libre.

El movimiento de SW libre demostró que es posible generar una cultura en la que los aportes de la comunidadad pueden generar productos de gran calidad, y el secreto de su rápido crecimiento es justamente lo que lo diferencia de productos similares: La apertura del código fuente y la posibilidad de hacer modificaciones. Esta idea revolucionaria, permite que miles de personas alrededor del mundo utilicen el conocimiento requerido para escribir esta aplicación de forma directa, y adicionalmente, permite que este conocimiento sea transmitido ya que es posible realizar preguntas a las personas que desarrollaron el producto. Este modelo puede ser utilizado como política del entorno académico e industrial Colombiano para aprovechar de una forma más eficiente, los pocos recursos que suministra el estado para el desarrollo tecnológico.

Aprovechando lo posición provilegiada que tiene la Universidad Nacional de Colombia como el centro de formación superior más importante de Colombia, así como el respeto y la credibilidad que tiene el entorno productivo nacional, es posible hacer cambios que tengan un impacto profundo sobre la industria electrónica a corto plazo. Para avanzar en este sentido, el presente trabajo suminstrará la base para generar los cambios en el área de electrónica digital, estas modificaciones están encaminadas a crear en nuestros profesionales las habilidades necesarias para la creación de empresas con productos que suplen las demandas de la industria local. Adicionalmente, se pone a disposición de la comunidad interesada, la información necesaria para construir, programar y modificar una plataforma de desarrollo que puede ser utilizada como base para la solución de problemas locales, siguiendo la filosofía del Software y Hardware libre, esta información se encuentra disponible para todo el mundo, y es el punto de partida para la formación de una comunidad que coopera para avanzar en el cumplimiento de un objetivo común. Sin embargo, estos pasos no son suficientes para que un producto pueda ser comercializado en cantidades relativamente grandes, por lo que es necesario mostrar los pasos que se deben seguir para esto y donde se puede realizar el montaje, en este punto se debe crear una base de datos de fabricantes y de distribuidores de componentes y se deben definir las normas nacionales e internacionales que deben cumplirse para que el producto sea distribuido.

% \subsection{Contribuciones}
% Las contribuciones de este trabajo se resumen a continuación:
% 
% \begin{itemize}
%   
%   \item Adopción y transferencia tecnologica: Con el fín de lograr un estado en el que el país sea soberano en cuanto a la tecnología que utiliza se estudió profundamente el diseño de Sistemas Embebidos, se implementaron plataformas de desarrollo para las arquitecturas más utilizadas en esta área, utilizando el sistema operativo GNU-Linux como herramienta de desarrollo.
%   
%   \item Las plataformas de desarrollo ECB\_AT91 y ECBOT, primeras computadoras en una sola placa (SBC -Single Board Computer) abiertas diseñadas en Colombia. La información necesaria para su fabricación y utilización hacen parte de este documento. Estas plataformas pueden ser utilizadas como base de aplicaciones comerciales, o como plataforma educativa para la enseñanza de Sistemas Embebidos.
%   
%   \item Una metodología de trabajo que permite compartir el trabajo realizado por diferentes grupos de investigación o departamentos de I+D para generar conocimiento que permita que Colombia desarrolle tecnología propia, específicamente en el área de los Sistemas Embebidos. Esta información es el recurso común con el que cuentan los miembros de esta ``red'' \footnote{En los movimientos de Hardware y Software libre estas asociaciones reciben el nombre de \textit{comunidades}} y los trabajos de la misma deben estar encaminados a aumentar dichos recursos, por lo que las actividades relizadas deben buscar el bien común y no el individual.
%   
%   \item Se realizó un cambio total en las asignaturas que hacen parte del área de Electrónica Digital en la universidad más importante del país, los contenidos fueron actualizados para que reflejaran el estado de la industria a nivel mundial; Adicionalmente, se cambió el enfoque para que los ingenieros adquieran capacidades que les permitan dar soluciones a problemas reales. 
% 
% \end{itemize}


% \subsection{Organización}