The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability

Integrated Circuits and Systems for Smart Sensory Applications

Connected intelligent sensing reshapes our society by empowering people with increasing new ways of mutual interactions. As integration technologies keep their scaling roadmap, the horizon of sensory applications is rapidly widening, thanks to myriad light-weight low-power or, in same cases even self-powered, smart devices with high-connectivity capabilities. CMOS integrated circuits technology is the best candidate to supply the required smartness and to pioneer these emerging sensory systems. As a result, new challenges are arising around the design of these integrated circuits and systems for sensory applications in terms of low-power edge computing, power management strategies, low-range wireless communications, integration with sensing devices. In this Special Issue recent advances in application-specific integrated circuits (ASIC) and systems for smart sensory applications in the following five emerging topics: (I) dedicated short-range communications transceivers; (II) digital smart sensors, (III) implantable neural interfaces, (IV) Power Management Strategies in wireless sensor nodes and (V) neuromorphic hardware

Topical Workshop on Electronics for Particle Physics

The purpose of the workshop was to present results and original concepts for electronics research and development relevant to particle physics experiments as well as accelerator and beam instrumentation at future facilities; to review the status of electronics for the LHC experiments; to identify and encourage common efforts for the development of electronics; and to promote information exchange and collaboration in the relevant engineering and physics communities

Microarchitectural Low-Power Design Techniques for Embedded Microprocessors

With the omnipresence of embedded processing in all forms of electronics today, there is a strong trend towards wireless, battery-powered, portable embedded systems which have to operate under stringent energy constraints. Consequently, low power consumption and high energy efficiency have emerged as the two key criteria for embedded microprocessor design. In this thesis we present a range of microarchitectural low-power design techniques which enable the increase of performance for embedded microprocessors and/or the reduction of energy consumption, e.g., through voltage scaling. In the context of cryptographic applications, we explore the effectiveness of instruction set extensions (ISEs) for a range of different cryptographic hash functions (SHA-3 candidates) on a 16-bit microcontroller architecture (PIC24). Specifically, we demonstrate the effectiveness of light-weight ISEs based on lookup table integration and microcoded instructions using finite state machines for operand and address generation. On-node processing in autonomous wireless sensor node devices requires deeply embedded cores with extremely low power consumption. To address this need, we present TamaRISC, a custom-designed ISA with a corresponding ultra-low-power microarchitecture implementation. The TamaRISC architecture is employed in conjunction with an ISE and standard cell memories to design a sub-threshold capable processor system targeted at compressed sensing applications. We furthermore employ TamaRISC in a hybrid SIMD/MIMD multi-core architecture targeted at moderate to high processing requirements (> 1 MOPS). A range of different microarchitectural techniques for efficient memory organization are presented. Specifically, we introduce a configurable data memory mapping technique for private and shared access, as well as instruction broadcast together with synchronized code execution based on checkpointing. We then study an inherent suboptimality due to the worst-case design principle in synchronous circuits, and introduce the concept of dynamic timing margins. We show that dynamic timing margins exist in microprocessor circuits, and that these margins are to a large extent state-dependent and that they are correlated to the sequences of instruction types which are executed within the processor pipeline. To perform this analysis we propose a circuit/processor characterization flow and tool called dynamic timing analysis. Moreover, this flow is employed in order to devise a high-level instruction set simulation environment for impact-evaluation of timing errors on application performance. The presented approach improves the state of the art significantly in terms of simulation accuracy through the use of statistical fault injection. The dynamic timing margins in microprocessors are then systematically exploited for throughput improvements or energy reductions via our proposed instruction-based dynamic clock adjustment (DCA) technique. To this end, we introduce a 6-stage 32-bit microprocessor with cycle-by-cycle DCA. Besides a comprehensive design flow and simulation environment for evaluation of the DCA approach, we additionally present a silicon prototype of a DCA-enabled OpenRISC microarchitecture fabricated in 28 nm FD-SOI CMOS. The test chip includes a suitable clock generation unit which allows for cycle-by-cycle DCA over a wide range with fine granularity at frequencies exceeding 1 GHz. Measurement results of speedups and power reductions are provided