Comprehensive Evaluation of Supply Voltage Underscaling in FPGA on-Chip Memories

In this work, we evaluate aggressive undervolting, i.e., voltage scaling below the nominal level to reduce the energy consumption of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Usually, voltage guardbands are added by chip vendors to ensure the worst-case process and environmental scenarios. Through experimenting on several FPGA architectures, we measure this voltage guardband to be on average 39% of the nominal level, which in turn, delivers more than an order of magnitude power savings. However, further undervolting below the voltage guardband may cause reliability issues as the result of the circuit delay increase, i.e., start to appear faults. We extensively characterize the behavior of these faults in terms of the rate, location, type, as well as sensitivity to environmental temperature, with a concentration of on-chip memories, or Block RAMs (BRAMs). Finally, we evaluate a typical FPGA-based Neural Network (NN) accelerator under low-voltage BRAM operations. In consequence, the substantial NN energy savings come with the cost of NN accuracy loss. To attain power savings without NN accuracy loss, we propose a novel technique that relies on the deterministic behavior of undervolting faults and can limit the accuracy loss to 0.1% without any timing-slack overhead.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Design and application of reconfigurable circuits and systems

Open Acces

Delay Measurements and Self Characterisation on FPGAs

This thesis examines new timing measurement methods for self delay characterisation of Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) components and delay measurement of complex circuits on FPGAs. Two novel measurement techniques based on analysis of a circuit's output failure rate and transition probability is proposed for accurate, precise and efficient measurement of propagation delays. The transition probability based method is especially attractive, since it requires no modifications in the circuit-under-test and requires little hardware resources, making it an ideal method for physical delay analysis of FPGA circuits. The relentless advancements in process technology has led to smaller and denser transistors in integrated circuits. While FPGA users benefit from this in terms of increased hardware resources for more complex designs, the actual productivity with FPGA in terms of timing performance (operating frequency, latency and throughput) has lagged behind the potential improvements from the improved technology due to delay variability in FPGA components and the inaccuracy of timing models used in FPGA timing analysis. The ability to measure delay of any arbitrary circuit on FPGA offers many opportunities for on-chip characterisation and physical timing analysis, allowing delay variability to be accurately tracked and variation-aware optimisations to be developed, reducing the productivity gap observed in today's FPGA designs. The measurement techniques are developed into complete self measurement and characterisation platforms in this thesis, demonstrating their practical uses in actual FPGA hardware for cross-chip delay characterisation and accurate delay measurement of both complex combinatorial and sequential circuits, further reinforcing their positions in solving the delay variability problem in FPGAs

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

AI/ML Algorithms and Applications in VLSI Design and Technology

An evident challenge ahead for the integrated circuit (IC) industry in the nanometer regime is the investigation and development of methods that can reduce the design complexity ensuing from growing process variations and curtail the turnaround time of chip manufacturing. Conventional methodologies employed for such tasks are largely manual; thus, time-consuming and resource-intensive. In contrast, the unique learning strategies of artificial intelligence (AI) provide numerous exciting automated approaches for handling complex and data-intensive tasks in very-large-scale integration (VLSI) design and testing. Employing AI and machine learning (ML) algorithms in VLSI design and manufacturing reduces the time and effort for understanding and processing the data within and across different abstraction levels via automated learning algorithms. It, in turn, improves the IC yield and reduces the manufacturing turnaround time. This paper thoroughly reviews the AI/ML automated approaches introduced in the past towards VLSI design and manufacturing. Moreover, we discuss the scope of AI/ML applications in the future at various abstraction levels to revolutionize the field of VLSI design, aiming for high-speed, highly intelligent, and efficient implementations

Variation-aware high-level DSP circuit design optimisation framework for FPGAs

The constant technology shrinking and the increasing demand for systems that operate under different power profiles with the maximum performance, have motivated the work in this thesis. Modern design tools that target FPGA devices take a conservative approach in the estimation of the maximum performance that can be achieved by a design when it is placed on a device, accounting for any variability in the fabrication process of the device. The work presented here takes a new view on the performance improvement of DSP designs by pushing them into the error-prone regime, as defined by the synthesis tools, and by investigating methodologies that reduce the impact of timing errors at the output of the system. In this work two novel error reduction techniques are proposed to address this problem. One is based on reduced-precision redundancy and the other on an error optimisation framework that uses information from a prior characterisation of the device. The first one is a generic architecture that is appended to existing arithmetic operators. The second defines the high-level parameters of the algorithm without using extra resources. Both of these methods allow to achieve graceful degradation whilst variation increases. A comparison of the new methods is laid against the existing methodologies, and conclusions drawn on the tradeoffs between their cost, in terms of resources and errors, and their benefits in terms of throughput. In some cases it is possible to double the performance of the design while still producing valid results.Open Acces

Interconnect yield analysis and fault tolerance for field programmable gate arrays

Imperial Users onl

Aggressive undervolting of FPGAs : power & reliability trade-offs

In this work, we evaluate aggressive undervolting, i.e., voltage underscaling below the nominal level to reduce the energy consumption of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Usually, voltage guardbands are added by chip vendors to ensure the worst-case process and environmental scenarios. Through experimenting on several FPGA architectures, we con¿rm a large voltage guardband for several FPGA components, which in turn, delivers signi¿cant power savings. However, further undervolting below the voltage guardband may cause reliability issues as the result of the circuit delay increase, and faults might start to appear. We extensively characterize the behavior of these faults in terms of the rate, location, type, as well as sensitivity to environmental temperature, primarily focusing on FPGA on-chip memories, or Block RAMs (BRAMs). Understanding this behavior can allow to deploy ef¿cient mitigation techniques, and in turn, FPGA-based designs can be improved for better energy, reliability, and performance trade-offs. Finally, as a case study, we evaluate a typical FPGA-based Neural Network (NN) accelerator when the FPGA voltage is underscaled. In consequence, the substantial NN energy savings come with the cost of NN accuracy loss. To attain power savings without NN accuracy loss below the voltage guardband gap, we proposed an application-aware technique and we also, evaluated the built-in Error-Correcting Code (ECC) mechanism. Hence, First, we developed an application-dependent BRAMs placement technique that relies on the deterministic behavior of undervolting faults, and mitigates these faults by mapping the most reliability sensitive NN parameters to BRAM blocks that are relatively more resistant to undervolting faults. Second, as a more general technique, we applied the built-in ECC of BRAMs and observed a signi¿cant fault coverage capability thanks to the behavior of undervolting faults, with a negligible power consumption overhead.En este trabajo, evaluamos el reducir el voltaje en forma agresiva, es decir, bajar la tensión por debajo del nivel nominal para reducir el consumo de energía en Field Programmable Gate Arrays (FPGA). Por lo general, los vendedores de chips establecen margen de seguridad al voltaje para garantizar el funcionamiento de los mismos en el peor de los casos y en los peores escenarios ambientales. Mediante la experimentación en varias arquitecturas FPGA, confirmamos que hay un margen de seguridad de voltaje grande en varios de los componentes de la FPGA, que a su vez, nos ofrece ahorros de energía significativos. Sin embargo, un trabajar a un voltaje por debajo del margen de seguridad del voltaje puede causar problemas de confiabilidad a medida ya que aumenta el retardo del circuito y pueden comenzar a aparecer fallos. Caracterizamos ampliamente el comportamiento de estos fallos en términos de velocidad, ubicación, tipo, así como la sensibilidad a la temperatura ambiental, centrándonos principalmente en memorias internas de la FPGA, o Block RAM (BRAM). Comprender este comportamiento puede permitir el desarrollo de técnicas eficientes de mitigación y, a su vez, mejorar los diseños basados en FPGA para obtener ahorros en energía, una mayor confiabilidad y un mayor rendimiento. Finalmente, como caso de estudio, evaluamos un acelerador típico de Redes Neuronales basado en FPGA cuando el voltaje de la FPGA esta por debajo del nivel mínimo de seguridad. En consecuencia, los considerables ahorros de energía de la red neuronal vienen asociados con la pérdida de precisión de la red neuronal. Para obtener ahorros de energía sin una pérdida de precisión en la red neuronal por debajo del margen de seguridad del voltaje, proponemos una técnica que tiene en cuenta la aplicación, asi mismo, evaluamos el mecanismo integrado en las BRAMs de Error Correction Code (ECC). Por lo tanto, en primer lugar, desarrollamos una técnica de colocación de BRAM dependiente de la aplicación que se basa en el comportamiento determinista de las fallos cuando la FPGA funciona por debajo del margen de seguridad, y se mitigan estos fallos asignando los parámetros de la red neuronal más sensibles a producir fallos a los bloques BRAM que son relativamente más resistentes a los fallos. En segundo lugar, como técnica más general, aplicamos el ECC incorporado de los BRAM y observamos una capacidad de cobertura de fallos significativo gracias a las características de comportamiento de fallos, con una sobrecoste de consumo de energía insignificantePostprint (published version