From FPGA to ASIC: A RISC-V processor experience

This work document a correct design flow using these tools in the Lagarto RISC- V Processor and the RTL design considerations that must be taken into account, to move from a design for FPGA to design for ASIC

Automated Design of Approximate Accelerators

In den letzten zehn Jahren hat das Bedürfnis nach Recheneffizienz die Entwicklung neuer Geräte, Architekturen und Entwurfstechniken motiviert. Approximate Computing hat sich als modernes, energieeffizientes Entwurfsparadigma für Anwendungen herausgestellt, die eine inhärente Fehlertoleranz aufweisen. Wenn die Genauigkeit der Ergebnisse in aktuellen Anwendungen wie Bildverarbeitung, Computer Vision und maschinellem Lernen auf ein akzeptables Maß reduziert wird, können Einsparungen im Schaltungsbereich, bei der Schaltkreisverzögerung und beim Stromverbrauch erzielt werden. Mit dem Aufkommen dieses Approximate Computing Paradigmas wurden in der Literatur viele approximierte Funktionseinheiten angegeben, insbesondere approximierte Addierer und Multiplizierer. Für eine Vielzahl solcher approximierter Schaltkreise und unter Berücksichtigung ihrer Verwendung als Bausteine für den Entwurf von approximierten Beschleunigern für fehlertolerante Anwendungen, ergibt sich eine Herausforderung: die Auswahl dieser approximierten Schaltkreise für eine bestimmte Anwendung, die die erforderlichen Ressourcen minimieren und gleichzeitig eine definierte Genauigkeit erfüllen. Diese Dissertation schlägt automatisierte Methoden zum Entwerfen und Implementieren von approximierten Beschleunigern vor, die aus approximierten arithmetischen Schaltungen aufgebaut sind. Um dies zu erreichen, befasst sich diese Dissertation mit folgenden Herausforderungen und liefert die nachfolgenden neuartigen Beiträge: In der Literatur wurden viele approximierte Addierer und Multiplizierer vorgestellt, indem entweder approximierte Entwürfe aus genauen Implementierungen wie dem Ripple-Carry-Addierer vorgeschlagen oder durch Approximate Logic Synthesis (ALS) Methoden generiert wurden. Ein repräsentativer Satz dieser approximierten Komponenten ist erforderlich, um approximierte Beschleuniger zu bauen. In diesem Sinne präsentiert diese Dissertation zwei Ansätze, um solche approximierte arithmetische Schaltungen zu erstellen. Zunächst wird AUGER vorgestellt, ein Tool, mit dem Register-Transfer Level (RTL) Beschreibungen für einen breiten Satz von approximierten Addierern und Multiplizierer für unterschiedliche Datenbitbreiten- und Genauigkeitskonfigurationen generiert werden können. Mit AUGER kann eine Design Space Exploration (DSE) von approximierten Komponenten durchgeführt werden, um diejenigen zu finden, die für eine gegebene Bitbreite, einen gegebenen Approximationsbereich und eine gegebene Schaltungsmetrik Pareto-optimal sind. Anschließend wird AxLS vorgestellt, ein Framework für ALS, das die Implementierung modernster Methoden und den Vorschlag neuartiger Methoden ermöglicht, um strukturelle Netzlistentransformationen durchzuführen und approximierte arithmetische Schaltungen aus genauen Schaltungen zu generieren. Darüber hinaus bieten beide Werkzeuge eine Fehlercharakterisierung in Form einer Fehlerverteilung und Schaltungseigenschaften (Fläche, Schaltkreisverzögerung und Leistung) für jede von ihnen erzeugte approximierte Schaltung. Diese Informationen sind für das Untersuchungsziel dieser Dissertation von wesentlicher Bedeutung. Trotz der Fehlertoleranz müssen approximierte Beschleuniger so ausgelegt sein, dass sie Genauigkeitsvorgaben erfüllen. Für den Entwurf solcher Beschleuniger unter Verwendung von approximierten arithmetischen Schaltungen ist es daher unerlässlich zu bewerten, wie sich die durch approximierte Schaltungen verursachten Fehler durch andere Berechnungen ausbreiten, entweder genau oder ungenau, und sich schließlich am Ausgang ansammeln. Diese Dissertation schlägt analytische Modelle vor, um die Fehlerpropagation durch genaue und approximierte Berechnungen zu beschreiben. Mit ihnen wird eine automatisierte, compilerbasierte Methodik vorgeschlagen, um die Fehlerpropagation auf approximierten Beschleunigerdesigns abzuschätzen. Diese Methode ist in ein Tool, CEDA, integriert, um schnelle, simulationsfreie Genauigkeitsschätzungen von approximierten Beschleunigermodellen durchzuführen, die unter Verwendung von C-Code beschrieben wurden. Beim Entwurf von approximierten Beschleunigern benötigen sich wiederholende Simulationen auf Gate-Level und die Schaltungssynthese viel Zeit, um viele oder sogar alle möglichen Kombinationen für einen gegebenen Satz von approximierten arithmetischen Schaltungen zu untersuchen. Andererseits basieren aktuelle Trends beim Entwerfen von Beschleunigern auf High-Level Synthesis (HLS) Werkzeugen. In dieser Dissertation werden analytische Modelle zur Schätzung der erforderlichen Rechenressourcen vorgestellt, wenn approximierte Addierer und Multiplizierer in Konstruktionen von approximierten Beschleunigern verwendet werden. Darüber hinaus werden diese Modelle zusammen mit den vorgeschlagenen analytischen Modellen zur Genauigkeitsschätzung in eine DSE-Methodik für fehlertolerante Anwendungen, DSEwam, integriert, um Pareto-optimale oder nahezu Pareto-optimale Lösungen für approximierte Beschleuniger zu identifizieren. DSEwam ist in ein HLS-Tool integriert, um automatisch RTL-Beschreibungen von approximierten Beschleunigern aus C-Sprachbeschreibungen für eine bestimmte Fehlerschwelle und ein bestimmtes Minimierungsziel zu generieren. Die Verwendung von approximierten Beschleunigern muss sicherstellen, dass Fehler, die aufgrund von approximierten Berechnungen erzeugt werden, innerhalb eines definierten Maximalwerts für eine gegebene Genauigkeitsmetrik bleiben. Die Fehler, die durch approximierte Beschleuniger erzeugt werden, hängen jedoch von den Eingabedaten ab, die hinsichtlich der für das Design verwendeten Daten unterschiedlich sein können. In dieser Dissertation wird ECAx vorgestellt, eine automatisierte Methode zur Untersuchung und Anwendung feinkörniger Fehlerkorrekturen mit geringem Overhead in approximierten Beschleunigern, um die Kosten für die Fehlerkorrektur auf Softwareebene (wie es in der Literatur gemacht wird) zu senken. Dies erfolgt durch selektive Korrektur der signifikantesten Fehler (in Bezug auf ihre Größenordnung), die von approximierten Komponenten erzeugt werden, ohne die Vorteile der Approximationen zu verlieren. Die experimentelle Auswertung zeigt Beschleunigungsverbesserungen für die Anwendung im Austausch für einen leicht gestiegenen Flächen- und Leistungsverbrauch im approximierten Beschleunigerdesign

Efficient Simulation of Structural Faults for the Reliability Evaluation at System-Level

In recent technology nodes, reliability is considered a part of the standard design ¿ow at all levels of embedded system design. While techniques that use only low-level models at gate- and register transfer-level offer high accuracy, they are too inefficient to consider the overall application of the embedded system. Multi-level models with high abstraction are essential to efficiently evaluate the impact of physical defects on the system. This paper provides a methodology that leverages state-of-the-art techniques for efficient fault simulation of structural faults together with transaction-level modeling. This way it is possible to accurately evaluate the impact of the faults on the entire hardware/software system. A case study of a system consisting of hardware and software for image compression and data encryption is presented and the method is compared to a standard gate/RT mixed-level approac

MasterRTL: A Pre-Synthesis PPA Estimation Framework for Any RTL Design

In modern VLSI design flow, the register-transfer level (RTL) stage is a critical point, where designers define precise design behavior with hardware description languages (HDLs) like Verilog. Since the RTL design is in the format of HDL code, the standard way to evaluate its quality requires time-consuming subsequent synthesis steps with EDA tools. This time-consuming process significantly impedes design optimization at the early RTL stage. Despite the emergence of some recent ML-based solutions, they fail to maintain high accuracy for any given RTL design. In this work, we propose an innovative pre-synthesis PPA estimation framework named MasterRTL. It first converts the HDL code to a new bit-level design representation named the simple operator graph (SOG). By only adopting single-bit simple operators, this SOG proves to be a general representation that unifies different design types and styles. The SOG is also more similar to the target gate-level netlist, reducing the gap between RTL representation and netlist. In addition to the new SOG representation, MasterRTL proposes new ML methods for the RTL-stage modeling of timing, power, and area separately. Compared with state-of-the-art solutions, the experiment on a comprehensive dataset with 90 different designs shows accuracy improvement by 0.33, 0.22, and 0.15 in correlation for total negative slack (TNS), worst negative slack (WNS), and power, respectively.Comment: To be published in the Proceedings of 42nd IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design (ICCAD), 202

A Cross-level Verification Methodology for Digital IPs Augmented with Embedded Timing Monitors

Smart systems are characterized by the integration in a single device of multi-domain subsystems of different technological domains, namely, analog, digital, discrete and power devices, MEMS, and power sources. Such challenges, emerging from the heterogeneous nature of the whole system, combined with the traditional challenges of digital design, directly impact on performance and on propagation delay of digital components. This article proposes a design approach to enhance the RTL model of a given digital component for the integration in smart systems with the automatic insertion of delay sensors, which can detect and correct timing failures. The article then proposes a methodology to verify such added features at system level. The augmented model is abstracted to SystemC TLM, which is automatically injected with mutants (i.e., code mutations) to emulate delays and timing failures. The resulting TLM model is finally simulated to identify timing failures and to verify the correctness of the inserted delay monitors. Experimental results demonstrate the applicability of the proposed design and verification methodology, thanks to an efficient sensor-aware abstraction methodology, by applying the flow to three complex case studies

Cell Library Creation using ALF

The design of Integrated Circuit (ASICs and SoCs) typically relies on the availability of a library consisting of predefined components called technology cells. Silicon vendors use proprietary formats to describe technology cells and macro modules in conjunction with numerous translators to feed technology library data to Electronic Design Automation (EDA) tools. Multiple grammar formats are used to represent various aspects of the cells in the same technology library, such as behavior for simulation, timing parameters for synthesis, physical data for layout, noise parameters for signal integrity checks, etc. In addition, most of these formats are highly tool-oriented and are not grammatically consistent. In this paper we will discuss the newly adopted IEEE 1603-2003 Advanced Library Format (ALF) standard which eliminates such drawbacks. This standard defines a grammar for accurate and comprehensive modeling of technology libraries and macro modules in order to bridge the growing gap between new design rules and the analysis required for complex high-end IC implementations