Baseband analog front-end and digital back-end for reconfigurable multi-standard terminals

Multimedia applications are driving wireless network operators to add high-speed data services such as Edge (E-GPRS), WCDMA (UMTS) and WLAN (IEEE 802.11a,b,g) to the existing GSM network. This creates the need for multi-mode cellular handsets that support a wide range of communication standards, each with a different RF frequency, signal bandwidth, modulation scheme etc. This in turn generates several design challenges for the analog and digital building blocks of the physical layer. In addition to the above-mentioned protocols, mobile devices often include Bluetooth, GPS, FM-radio and TV services that can work concurrently with data and voice communication. Multi-mode, multi-band, and multi-standard mobile terminals must satisfy all these different requirements. Sharing and/or switching transceiver building blocks in these handsets is mandatory in order to extend battery life and/or reduce cost. Only adaptive circuits that are able to reconfigure themselves within the handover time can meet the design requirements of a single receiver or transmitter covering all the different standards while ensuring seamless inter-interoperability. This paper presents analog and digital base-band circuits that are able to support GSM (with Edge), WCDMA (UMTS), WLAN and Bluetooth using reconfigurable building blocks. The blocks can trade off power consumption for performance on the fly, depending on the standard to be supported and the required QoS (Quality of Service) leve

Low power techniques for video compression

This paper gives an overview of low-power techniques proposed in the literature for mobile multimedia and Internet applications. Exploitable aspects are discussed in the behavior of different video compression tools. These power-efficient solutions are then classified by synthesis domain and level of abstraction. As this paper is meant to be a starting point for further research in the area, a lowpower hardware & software co-design methodology is outlined in the end as a possible scenario for video-codec-on-a-chip implementations on future mobile multimedia platforms

Comparison of multi-layer bus interconnection and a network on chip solution

Abstract. This thesis explains the basic subjects that are required to take in consideration when designing a network on chip solutions in the semiconductor world. For example, general topologies such as mesh, torus, octagon and fat tree are explained. In addition, discussion related to network interfaces, switches, arbitration, flow control, routing, error avoidance and error handling are provided. Furthermore, there is discussion related to design flow, a computer aided designing tools and a few comprehensive researches. However, several networks are designed for the minimum latency, although there are also versions which trade performance for decreased bus widths. These designed networks are compared with a corresponding multi-layer bus interconnection and both synthesis and register transfer level simulations are run. For example, results from throughput, latency, logic area and power consumptions are gathered and compared. It was discovered that overall throughput was well balanced with the network on chip solutions, although its maximum throughput was limited by protocol conversions. For example, the multi-layer bus interconnection was capable of providing a few times smaller latencies and higher throughputs when only a single interface was injected at the time. However, with parallel traffic and high-performance requirements a network on chip solution provided better results, even though the difference decreased when performance requirements were lower. Furthermore, it was discovered that the network on chip solutions required approximately 3–4 times higher total cell area than the multi-layer bus interconnection and that resources were mainly located at network interfaces and switches. In addition, power consumption was approximately 2–3 times higher and was mostly caused by dynamic consumption.Monitasoisen väyläarkkitehtuurin ja tietokoneverkkomaisen ratkaisun vertailua. Tiivistelmä. Tutkielmassa käsitellään tärkeimpiä aihealueita, jotka tulee huomioida suunniteltaessa tietokoneverkkomaisia väyläratkaisuja puolijohdemaailmassa. Esimerkiksi yleiset rakenteet, kuten verkko-, torus-, kahdeksankulmio- ja puutopologiat käsitellään lyhyesti. Lisäksi alustetaan verkon liitäntäkohdat, kytkimet, vuorottelu, vuon hallinta, reititys, virheiden välttely ja -käsittely. Lopuksi kerrotaan suunnitteluvuon oleellisimmat välivaiheet ja niihin soveltuvia kaupallisia työkaluja, sekä käsitellään lyhyesti muutaman aiemman julkaisun tuloksia. Tutkielmassa käytetään suunnittelutyökalua muutaman tietokoneverkkomaisen ratkaisun toteutukseen ja tavoitteena on saavuttaa pienin mahdollinen latenssi. Toisaalta myös hieman suuremman latenssin versioita suunnitellaan, mutta pienemmillä väylänleveyksillä. Lisäksi suunniteltuja tietokoneverkkomaisia ratkaisuja vertaillaan perinteisempään monitasoiseen väyläarkkitehtuuriin. Esimerkiksi synteesi- ja simulaatiotuloksia, kuten logiikan vaatimaa pinta-alaa, tehonkulutusta, latenssia ja suorituskykyä, vertaillaan keskenään. Tutkielmassa selvisi, että suunnittelutyökalulla toteutetut tietokoneverkkomaiset ratkaisut mahdollistivat tasaisemman suorituskyvyn, joskin niiden suurin saavutettu suorituskyky ja pienin latenssi määräytyivät protokollan käännöksen aiheuttamasta viiveestä. Tutkielmassa havaittiin, että perinteisemmillä menetelmillä saavutettiin noin kaksi kertaa suurempi suorituskyky ja pienempi latenssi, kun verkossa ei ollut muuta liikennettä. Rinnakkaisen liikenteen lisääntyessä tietokoneverkkomainen ratkaisu tarjosi keskimäärin paremman suorituskyvyn, kun sille asetetut tehokkuusvaateet olivat suuret, mutta suorituskykyvaatimuksien laskiessa erot kapenivat. Lisäksi huomattiin, että tietokoneverkkomaisten ratkaisujen käyttämä pinta-ala oli noin 3–4 kertaa suurempi kuin monitasoisella väyläarkkitehtuurilla ja että resurssit sijaitsivat enimmäkseen verkon liittymäkohdissa ja kytkimissä. Lisäksi tehonkulutuksen huomattiin olevan noin 2–3 kertaa suurempi, joskin sen havaittiin koostuvan pääosin dynaamisesta kulutuksesta

Smart Chips for Smart Surroundings -- 4S

The overall mission of the 4S project (Smart Chips for Smart Surroundings) was to define and develop efficient flexible, reconfigurable core building blocks, including the supporting tools, for future Ambient System Devices. Reconfigurability offers the needed flexibility and adaptability, it provides the efficiency needed for these systems, it enables systems that can adapt to rapidly changing environmental conditions, it enables communication over heterogeneous wireless networks, and it reduces risks: reconfigurable systems can adapt to standards that may vary from place to place or standards that have changed during and after product development. In 4S we focused on heterogeneous building blocks such as analogue, hardwired functions, fine and coarse grain reconfigurable tiles and microprocessors. Such a platform can adapt to a wide application space without the need for specialized ASICs. A novel power aware design flow and runtime system was developed. The runtime system decides dynamically about the near-optimal application mapping to the given hardware platform. The overall concept was verified on hardware platforms based on an existing SoC and in a second step with novel silicon. DRM (Digital Radio Mondiale) and MPEG4 Video applications have been implemented on the platforms demonstrating the adaptability of the 4S concept

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

Development of Energy Models for Design Space Exploration of Embedded Many-Core Systems

This paper introduces a methodology to develop energy models for the design space exploration of embedded many-core systems. The design process of such systems can benefit from sophisticated models. Software and hardware can be specifically optimized based on comprehensive knowledge about application scenario and hardware behavior. The contribution of our work is an automated framework to estimate the energy consumption at an arbitrary abstraction level without the need to provide further information about the system. We validated our framework with the configurable many-core system CoreVA-MPSoC. Compared to a simulation of the CoreVA-MPSoC on gate level in a 28nm FD-SOI standard cell technology, our framework shows an average estimation error of about 4%.Comment: Presented at HIP3ES, 201