Channel Characterization for Chip-scale Wireless Communications within Computing Packages

Wireless Network-on-Chip (WNoC) appears as a promising alternative to conventional interconnect fabrics for chip-scale communications. WNoC takes advantage of an overlaid network composed by a set of millimeter-wave antennas to reduce latency and increase throughput in the communication between cores. Similarly, wireless inter-chip communication has been also proposed to improve the information transfer between processors, memory, and accelerators in multi-chip settings. However, the wireless channel remains largely unknown in both scenarios, especially in the presence of realistic chip packages. This work addresses the issue by accurately modeling flip-chip packages and investigating the propagation both its interior and its surroundings. Through parametric studies, package configurations that minimize path loss are obtained and the trade-offs observed when applying such optimizations are discussed. Single-chip and multi-chip architectures are compared in terms of the path loss exponent, confirming that the amount of bulk silicon found in the pathway between transmitter and receiver is the main determinant of losses.Comment: To be presented 12th IEEE/ACM International Symposium on Networks-on-Chip (NOCS 2018); Torino, Italy; October 201

The challenge of hybridization

Hybridization of pixel detector systems has to satisfy tight requirements: high yield, long term reliability, mechanical stability, thermal compliance and robustness have to go together with low passive mass added to the system, radiation hardness, flexibility in the technology end eventually low cost. The current technologies for the interconnection of the front-end chips and the sensor are reviewed and compared, together with the solutions for the interface to the far-end electronics.Comment: 7 pages, no figure, presented at PIXEL2000, International Workshop on semiconductor pixel detectors for particles and X rays, 5-8 June 2000, Genova, Italy. Proceedings to be published in Nuclear Instruments and Methods in Physics Researc

Channel characterization for chip-scale wireless communications within computing packages

Wireless Network-on-Chip (WNoC) appears as a promising alternative to conventional interconnect fabrics for chip-scale communications. WNoC takes advantage of an overlaid network composed by a set of millimeter-wave antennas to reduce latency and increase throughput in the communication between cores. Similarly, wireless inter-chip communication has been also proposed to improve the information transfer between processors, memory, and accelerators in multi-chip settings. However, the wireless channel remains largely unknown in both scenarios, especially in the presence of realistic chip packages. This work addresses the issue by accurately modeling flip-chip packages and investigating the propagation both its interior and its surroundings. Through parametric studies, package configurations that minimize path loss are obtained and the trade-offs observed when applying such optimizations are discussed. Single-chip and multi-chip architectures are compared in terms of the path loss exponent, confirming that the amount of bulk silicon found in the pathway between transmitter and receiver is the main determinant of losses.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Signal and power integrity co-simulation using the multi-layer finite difference method

Mixed signal system-on-package (SoP) technology is a key enabler for increasing functional integration, especially in mobile and wireless systems. Due to the presence of multiple dissimilar modules, each having unique power supply requirements, the design of the power distribution network (PDN) becomes critical. Typically, this PDN is designed as alternating layers of power and ground planes with signal interconnects routed in between or on top of the planes. The goal for the simulation of multi-layer power/ground planes, is the following: Given a stack-up and other geometrical information, it is required to find the network parameters (S/Y/Z) between port locations. Commercial packages have extremely complicated stack-ups, and the trend to increasing integration at the package level only points to increasing complexity. It is computationally intractable to solve these problems using these existing methods. The approach proposed in this thesis for obtaining the response of the PDN is the multi-layer finite difference method (M-FDM). A surface mesh / finite difference based approach is developed, which leads to a system matrix that is sparse and banded, and can be solved efficiently. The contributions of this research are the following: 1. The development of a PDN modeler for multi-layer packages and boards called the the multi-layer finite difference method. 2. The enhancement of M-FDM using multi-port connection networks to include the effect of fringe fields and gap coupling. 3. An adaptive triangular mesh based scheme called the multi-layer finite element method (MFEM) to address the limitations of M-FDM 4. The use of modal decomposition for the co-simulation of signal nets with the PDN. 5. The use of a robust GA-based optimizer for the selection and placement of decoupling capacitors in multi-layer geometries. 6. Implementation of these methods in a tool called MSDT 1.Ph.D.Committee Chair: Madhavan Swaminathan; Committee Member: Andrew F. Peterson; Committee Member: David C. Keezer; Committee Member: Saibal Mukhopadyay; Committee Member: Suresh Sitarama

Physical Design of Optoelectronic System-on-a-Chip/Package Using Electrical and Optical Interconnects: CAD Tools and Algorithms

Current electrical systems are faced with the limitation in performance by the electrical interconnect technology determining overall processing speed. In addition, the electrical interconnects containing many long distance interconnects require high power to drive. One of the best ways to overcome these bottlenecks is through the use of optical interconnect to limit interconnect latency and power. This research explores new computer-aided design algorithms for developing optoelectronic systems. These algorithms focus on place and route problems using optical interconnections covering system-on-a-chip design as well as system-on-a-package design. In order to design optoelectronic systems, optical interconnection models are developed at first. The CAD algorithms include optical interconnection models and solve place and route problems for optoelectronic systems. The MCNC and GSRC benchmark circuits are used to evaluate these algorithms.Ph.D.Committee Chair: Abhijit Chatterjee; Committee Member: C. P. Wong; Committee Member: David E. Schimmel; Committee Member: John A. Buck; Committee Member: Madhavan Swaminatha

Integralni pristup sustavima energetske elektronike

Today\u27s power electronics systems are typically manufactured using non-standard parts, resulting in labor-intensive manufacturing processes, increased cost and poor reliability. As a possible way to overcome these problems, this paper discusses an integrated approach to design and manufacture power electronics systems to improve performance, reliability and cost effectiveness. Addressed in the paper are the technologies being developed for integration of both power supplies and motor drives. These technologies include the planar metalization to eliminate bonding wires, the integration of power passives, the integration of current sensors, the development of power devices to facilitate integration as well as to improve performance, and the integration of necessary CAD tools to address the multidisciplinary aspects of integrated systems. The development of Integrated Power Electronics Modules (IPEMs) is demonstrated for two applications: (1) 1 kW asymmetrical half-bridge DC-DC converter and (2) 1–3 kW motor drive for heating, ventilation and air conditioning (HVAC). Electrical and thermal design tradeoffs of IPEMs and related enabling technologies are described in the paper.Današnji sustavi energetske elektronike se obično proizvode iz nestandardnih dijelova. Posljedica toga je laboratorijska proizvodnja elektroničkih učinskih pretvarača, povećani troškovi i smanjena pouzdanost. Jedan od mogućih načina prevladavanja ovih poteškoća jest integralni pristup projektiranju i proizvodnji sustava energetske elektronike. Posebice se razmatraju tehnologije razvijene za integraciju učinskih krugova i motora. Ove tehnologije uključuju postupke planarne metalizacije za izbjegavanje žičanih vodova, integraciju pasivnih dijelova učinskih krugova, integraciju strujnih senzora, te razvoj takvih poluvodičkih komponenata koje olakšavaju integraciju i poboljšavaju karakteristike uređaja. Pri projektiranju, zbog multidisciplinarnih aspekata integriranih sustava, treba primijeniti nužne CAD alate. Razvoj integriranih modula elektroničkih učinskih pretvarača (engl. integrated power electronics modules, IPEM) ilustriran je na dvije primjene: (1) istosmjerni pretvarač snage 1 kW u asimetričnom polumosnom spoju i (2) elektromotorni pogon snage 1 . . . 3 kW za grijanje, ventilaciju i klimatizaciju (engl. heating, ventilation and air conditioning, HVAC). Na IPEM-u objašnjeni su projektantski i tehnološki kompromisi električkog i toplinskog projekta

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Heurísticas bioinspiradas para el problema de Floorplanning 3D térmico de dispositivos MPSoCs

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, leída el 20-06-2013Depto. de Arquitectura de Computadores y AutomáticaFac. de InformáticaTRUEunpu