An FPGA Architecture and CAD Flow Supporting Dynamically Controlled Power Gating

© 2015 IEEE.Leakage power is an important component of the total power consumption in field-programmable gate arrays (FPGAs) built using 90-nm and smaller technology nodes. Power gating was shown to be effective at reducing the leakage power. Previous techniques focus on turning OFF unused FPGA resources at configuration time; the benefit of this approach depends on resource utilization. In this paper, we present an FPGA architecture that enables dynamically controlled power gating, in which FPGA resources can be selectively powered down at run-time. This could lead to significant overall energy savings for applications having modules with long idle times. We also present a CAD flow that can be used to map applications to the proposed architecture. We study the area and power tradeoffs by varying the different FPGA architecture parameters and power gating granularity. The proposed CAD flow is used to map a set of benchmark circuits that have multiple power-gated modules to the proposed architecture. Power savings of up to 83% are achievable for these circuits. Finally, we study a control system of a robot that is used in endoscopy. Using the proposed architecture combined with clock gating results in up to 19% energy savings in this application

A study on coarse-grained placement and routing for low-power FPGA architecture

制度:新 ; 報告番号:甲3603号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2012/3/15 ; 早大学位記番号:新595

Power Efficient Data-Aware SRAM Cell for SRAM-Based FPGA Architecture

The design of low-power SRAM cell becomes a necessity in today\u27s FPGAs, because SRAM is a critical component in FPGA design and consumes a large fraction of the total power. The present chapter provides an overview of various factors responsible for power consumption in FPGA and discusses the design techniques of low-power SRAM-based FPGA at system level, device level, and architecture levels. Finally, the chapter proposes a data-aware dynamic SRAM cell to control the power consumption in the cell. Stack effect has been adopted in the design to reduce the leakage current. The various peripheral circuits like address decoder circuit, write/read enable circuits, and sense amplifier have been modified to implement a power-efficient SRAM-based FPGA

A Survey of FPGA Optimization Methods for Data Center Energy Efficiency

This article provides a survey of academic literature about field programmable gate array (FPGA) and their utilization for energy efficiency acceleration in data centers. The goal is to critically present the existing FPGA energy optimization techniques and discuss how they can be applied to such systems. To do so, the article explores current energy trends and their projection to the future with particular attention to the requirements set out by the European Code of Conduct for Data Center Energy Efficiency. The article then proposes a complete analysis of over ten years of research in energy optimization techniques, classifying them by purpose, method of application, and impacts on the sources of consumption. Finally, we conclude with the challenges and possible innovations we expect for this sector.Comment: Accepted for publication in IEEE Transactions on Sustainable Computin

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

On Energy Efficient Computing Platforms

In accordance with the Moore's law, the increasing number of on-chip integrated transistors has enabled modern computing platforms with not only higher processing power but also more affordable prices. As a result, these platforms, including portable devices, work stations and data centres, are becoming an inevitable part of the human society. However, with the demand for portability and raising cost of power, energy efficiency has emerged to be a major concern for modern computing platforms. As the complexity of on-chip systems increases, Network-on-Chip (NoC) has been proved as an efficient communication architecture which can further improve system performances and scalability while reducing the design cost. Therefore, in this thesis, we study and propose energy optimization approaches based on NoC architecture, with special focuses on the following aspects. As the architectural trend of future computing platforms, 3D systems have many bene ts including higher integration density, smaller footprint, heterogeneous integration, etc. Moreover, 3D technology can signi cantly improve the network communication and effectively avoid long wirings, and therefore, provide higher system performance and energy efficiency. With the dynamic nature of on-chip communication in large scale NoC based systems, run-time system optimization is of crucial importance in order to achieve higher system reliability and essentially energy efficiency. In this thesis, we propose an agent based system design approach where agents are on-chip components which monitor and control system parameters such as supply voltage, operating frequency, etc. With this approach, we have analysed the implementation alternatives for dynamic voltage and frequency scaling and power gating techniques at different granularity, which reduce both dynamic and leakage energy consumption. Topologies, being one of the key factors for NoCs, are also explored for energy saving purpose. A Honeycomb NoC architecture is proposed in this thesis with turn-model based deadlock-free routing algorithms. Our analysis and simulation based evaluation show that Honeycomb NoCs outperform their Mesh based counterparts in terms of network cost, system performance as well as energy efficiency.Siirretty Doriast

An Efficient NoC-based Framework To Improve Dataflow Thread Management At Runtime

This doctoral thesis focuses on how the application threads that are based on dataflow execution model can be managed at Network-on-Chip (NoC) level. The roots of the dataflow execution model date back to the early 1970’s. Applications adhering to such program execution model follow a simple producer-consumer communication scheme for synchronising parallel thread related activities. In dataflow execution environment, a thread can run if and only if all its required inputs are available. Applications running on a large and complex computing environment can significantly benefit from the adoption of dataflow model. In the first part of the thesis, the work is focused on the thread distribution mechanism. It has been shown that how a scalable hash-based thread distribution mechanism can be implemented at the router level with low overheads. To enhance the support further, a tool to monitor the dataflow threads’ status and a simple, functional model is also incorporated into the design. Next, a software defined NoC has been proposed to manage the distribution of dataflow threads by exploiting its reconfigurability. The second part of this work is focused more on NoC microarchitecture level. Traditional 2D-mesh topology is combined with a standard ring, to understand how such hybrid network topology can outperform the traditional topology (such as 2D-mesh). Finally, a mixed-integer linear programming based analytical model has been proposed to verify if the application threads mapped on to the free cores is optimal or not. The proposed mathematical model can be used as a yardstick to verify the solution quality of the newly developed mapping policy. It is not trivial to provide a complete low-level framework for dataflow thread execution for better resource and power management. However, this work could be considered as a primary framework to which improvements could be carried out