Architecture FPGA améliorée et flot de conception pour une reconfiguration matérielle en ligne efficace

The self-reconfiguration capabilities of modern FPGA architectures pave the way for dynamic applications able to adapt to transient events. The CAD flows of modern architectures are nowadays mature but limited by the constraints induced by the complexity of FPGA circuits. In this thesis, multiple contributions are developed to propose an FPGA architecture supporting the dynamic placement of hardware tasks. First, an intermediate representation of these tasks configuration data, independent from their final position, is presented. This representation allows to compress the task data up to 11x with regard to its conventional raw counterpart. An accompanying CAD flow, based on state-of-the-art tools, is proposed to generate relocatable tasks from a high-level description. Then, the online behavior of this mechanism is studied. Two algorithms allowing to decode and create in real-time the conventional bit-stream are described. In addition, an enhancement of the FPGA interconnection network is proposedto increase the placement flexibility of heterogeneous tasks, at the cost of a 10% increase in average of the critical path delay. Eventually, a configurable substitute to the configuration memory found in FPGAs is studied to ease their partial reconfiguration.Les capacités d'auto-reconfiguration des architectures FPGA modernes ouvrent la voie à des applications dynamiques capables d'adapter leur fonctionnement pour répondre à des évènements ponctuels. Les flots de reconfiguration des architectures commerciales sont aujourd'hui aboutis mais limités par des contraintes inhérentes à la complexité de ces circuits. Dans cette thèse, plusieurs contributions sont avancées afin de proposer une architecture FPGA reconfigurable permettant le placement dynamique de tâches matérielles. Dans un premier temps, une représentation intermédiaire des données de configuration de ces tâches, indépendante de leur positionnement final, est présentée. Cette représentation permet notamment d'atteindre des taux de compression allant jusqu'à 11x par rapport à la représentation brute d'une tâche. Un flot de conception basé sur des outils de l'état de l'art accompagne cette représentation et génère des tâches relogeables à partir d'une description haut-niveau. Ensuite, le comportement en ligne de ce mécanisme est étudié. Deux algorithmes permettant le décodage de ces tâches et la génération en temps-réel des données de configuration propres à l'architectures son décrits. Par ailleurs, une amélioration du réseau d'interconnexion d'une architecture FPGA est proposée pour accroître la flexibilité du placement de tâches hétérogènes, avec une augmentation de 10% en moyenne du délai du chemin critique. Enfin, une alternative programmable aux mémoires de configuration de ces circuits est étudiée pour faciliter leur reconfiguration partielle

Embedded electronic systems driven by run-time reconfigurable hardware

Abstract This doctoral thesis addresses the design of embedded electronic systems based on run-time reconfigurable hardware technology –available through SRAM-based FPGA/SoC devices– aimed at contributing to enhance the life quality of the human beings. This work does research on the conception of the system architecture and the reconfiguration engine that provides to the FPGA the capability of dynamic partial reconfiguration in order to synthesize, by means of hardware/software co-design, a given application partitioned in processing tasks which are multiplexed in time and space, optimizing thus its physical implementation –silicon area, processing time, complexity, flexibility, functional density, cost and power consumption– in comparison with other alternatives based on static hardware (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). The design flow of such technology is evaluated through the prototyping of several engineering applications (control systems, mathematical coprocessors, complex image processors, etc.), showing a high enough level of maturity for its exploitation in the industry.Resumen Esta tesis doctoral abarca el diseño de sistemas electrónicos embebidos basados en tecnología hardware dinámicamente reconfigurable –disponible a través de dispositivos lógicos programables SRAM FPGA/SoC– que contribuyan a la mejora de la calidad de vida de la sociedad. Se investiga la arquitectura del sistema y del motor de reconfiguración que proporcione a la FPGA la capacidad de reconfiguración dinámica parcial de sus recursos programables, con objeto de sintetizar, mediante codiseño hardware/software, una determinada aplicación particionada en tareas multiplexadas en tiempo y en espacio, optimizando así su implementación física –área de silicio, tiempo de procesado, complejidad, flexibilidad, densidad funcional, coste y potencia disipada– comparada con otras alternativas basadas en hardware estático (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). Se evalúa el flujo de diseño de dicha tecnología a través del prototipado de varias aplicaciones de ingeniería (sistemas de control, coprocesadores aritméticos, procesadores de imagen, etc.), evidenciando un nivel de madurez viable ya para su explotación en la industria.Resum Aquesta tesi doctoral està orientada al disseny de sistemes electrònics empotrats basats en tecnologia hardware dinàmicament reconfigurable –disponible mitjançant dispositius lògics programables SRAM FPGA/SoC– que contribueixin a la millora de la qualitat de vida de la societat. S’investiga l’arquitectura del sistema i del motor de reconfiguració que proporcioni a la FPGA la capacitat de reconfiguració dinàmica parcial dels seus recursos programables, amb l’objectiu de sintetitzar, mitjançant codisseny hardware/software, una determinada aplicació particionada en tasques multiplexades en temps i en espai, optimizant així la seva implementació física –àrea de silici, temps de processat, complexitat, flexibilitat, densitat funcional, cost i potència dissipada– comparada amb altres alternatives basades en hardware estàtic (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). S’evalúa el fluxe de disseny d’aquesta tecnologia a través del prototipat de varies aplicacions d’enginyeria (sistemes de control, coprocessadors aritmètics, processadors d’imatge, etc.), demostrant un nivell de maduresa viable ja per a la seva explotació a la indústria

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

Run-time management for future MPSoC platforms

In recent years, we are witnessing the dawning of the Multi-Processor Systemon- Chip (MPSoC) era. In essence, this era is triggered by the need to handle more complex applications, while reducing overall cost of embedded (handheld) devices. This cost will mainly be determined by the cost of the hardware platform and the cost of designing applications for that platform. The cost of a hardware platform will partly depend on its production volume. In turn, this means that ??exible, (easily) programmable multi-purpose platforms will exhibit a lower cost. A multi-purpose platform not only requires ??exibility, but should also combine a high performance with a low power consumption. To this end, MPSoC devices integrate computer architectural properties of various computing domains. Just like large-scale parallel and distributed systems, they contain multiple heterogeneous processing elements interconnected by a scalable, network-like structure. This helps in achieving scalable high performance. As in most mobile or portable embedded systems, there is a need for low-power operation and real-time behavior. The cost of designing applications is equally important. Indeed, the actual value of future MPSoC devices is not contained within the embedded multiprocessor IC, but in their capability to provide the user of the device with an amount of services or experiences. So from an application viewpoint, MPSoCs are designed to ef??ciently process multimedia content in applications like video players, video conferencing, 3D gaming, augmented reality, etc. Such applications typically require a lot of processing power and a signi??cant amount of memory. To keep up with ever evolving user needs and with new application standards appearing at a fast pace, MPSoC platforms need to be be easily programmable. Application scalability, i.e. the ability to use just enough platform resources according to the user requirements and with respect to the device capabilities is also an important factor. Hence scalability, ??exibility, real-time behavior, a high performance, a low power consumption and, ??nally, programmability are key components in realizing the success of MPSoC platforms. The run-time manager is logically located between the application layer en the platform layer. It has a crucial role in realizing these MPSoC requirements. As it abstracts the platform hardware, it improves platform programmability. By deciding on resource assignment at run-time and based on the performance requirements of the user, the needs of the application and the capabilities of the platform, it contributes to ??exibility, scalability and to low power operation. As it has an arbiter function between different applications, it enables real-time behavior. This thesis details the key components of such an MPSoC run-time manager and provides a proof-of-concept implementation. These key components include application quality management algorithms linked to MPSoC resource management mechanisms and policies, adapted to the provided MPSoC platform services. First, we describe the role, the responsibilities and the boundary conditions of an MPSoC run-time manager in a generic way. This includes a de??nition of the multiprocessor run-time management design space, a description of the run-time manager design trade-offs and a brief discussion on how these trade-offs affect the key MPSoC requirements. This design space de??nition and the trade-offs are illustrated based on ongoing research and on existing commercial and academic multiprocessor run-time management solutions. Consequently, we introduce a fast and ef??cient resource allocation heuristic that considers FPGA fabric properties such as fragmentation. In addition, this thesis introduces a novel task assignment algorithm for handling soft IP cores denoted as hierarchical con??guration. Hierarchical con??guration managed by the run-time manager enables easier application design and increases the run-time spatial mapping freedom. In turn, this improves the performance of the resource assignment algorithm. Furthermore, we introduce run-time task migration components. We detail a new run-time task migration policy closely coupled to the run-time resource assignment algorithm. In addition to detailing a design-environment supported mechanism that enables moving tasks between an ISP and ??ne-grained recon??gurable hardware, we also propose two novel task migration mechanisms tailored to the Network-on-Chip environment. Finally, we propose a novel mechanism for task migration initiation, based on reusing debug registers in modern embedded microprocessors. We propose a reactive on-chip communication management mechanism. We show that by exploiting an injection rate control mechanism it is possible to provide a communication management system capable of providing a soft (reactive) QoS in a NoC. We introduce a novel, platform independent run-time algorithm to perform quality management, i.e. to select an application quality operating point at run-time based on the user requirements and the available platform resources, as reported by the resource manager. This contribution also proposes a novel way to manage the interaction between the quality manager and the resource manager. In order to have a the realistic, reproducible and ??exible run-time manager testbench with respect to applications with multiple quality levels and implementation tradev offs, we have created an input data generation tool denoted Pareto Surfaces For Free (PSFF). The the PSFF tool is, to the best of our knowledge, the ??rst tool that generates multiple realistic application operating points either based on pro??ling information of a real-life application or based on a designer-controlled random generator. Finally, we provide a proof-of-concept demonstrator that combines these concepts and shows how these mechanisms and policies can operate for real-life situations. In addition, we show that the proposed solutions can be integrated into existing platform operating systems

Parallel and Distributed Computing

The 14 chapters presented in this book cover a wide variety of representative works ranging from hardware design to application development. Particularly, the topics that are addressed are programmable and reconfigurable devices and systems, dependability of GPUs (General Purpose Units), network topologies, cache coherence protocols, resource allocation, scheduling algorithms, peertopeer networks, largescale network simulation, and parallel routines and algorithms. In this way, the articles included in this book constitute an excellent reference for engineers and researchers who have particular interests in each of these topics in parallel and distributed computing

Demystifying Internet of Things Security

Break down the misconceptions of the Internet of Things by examining the different security building blocks available in Intel Architecture (IA) based IoT platforms. This open access book reviews the threat pyramid, secure boot, chain of trust, and the SW stack leading up to defense-in-depth. The IoT presents unique challenges in implementing security and Intel has both CPU and Isolated Security Engine capabilities to simplify it. This book explores the challenges to secure these devices to make them immune to different threats originating from within and outside the network. The requirements and robustness rules to protect the assets vary greatly and there is no single blanket solution approach to implement security. Demystifying Internet of Things Security provides clarity to industry professionals and provides and overview of different security solutions What You'll Learn Secure devices, immunizing them against different threats originating from inside and outside the network Gather an overview of the different security building blocks available in Intel Architecture (IA) based IoT platforms Understand the threat pyramid, secure boot, chain of trust, and the software stack leading up to defense-in-depth Who This Book Is For Strategists, developers, architects, and managers in the embedded and Internet of Things (IoT) space trying to understand and implement the security in the IoT devices/platforms