Floorplan-guided placement for large-scale mixed-size designs

In the nanometer scale era, placement has become an extremely challenging stage in modern Very-Large-Scale Integration (VLSI) designs. Millions of objects need to be placed legally within a chip region, while both the interconnection and object distribution have to be optimized simultaneously. Due to the extensive use of Intellectual Property (IP) and embedded memory blocks, a design usually contains tens or even hundreds of big macros. A design with big movable macros and numerous standard cells is known as mixed-size design. Due to the big size difference between big macros and standard cells, the placement of mixed-size designs is much more difficult than the standard-cell placement. This work presents an efficient and high-quality placement tool to handle modern large-scale mixed-size designs. This tool is developed based on a new placement algorithm flow. The main idea is to use the fixed-outline floorplanning algorithm to guide the state-of-the-art analytical placer. This new flow consists of four steps: 1) The objects in the original netlist are clustered into blocks; 2) Floorplanning is performed on the blocks; 3) The blocks are shifted within the chip region to further optimize the wirelength; 4) With big macro locations fixed, incremental placement is applied to place the remaining objects. Several key techniques are proposed to be used in the first two steps. These techniques are mainly focused on the following two aspects: 1) Hypergraph clustering algorithm that can cut down the original problem size without loss of placement Quality of Results (QoR); 2) Fixed-outline floorplanning algorithm that can provide a good guidance to the analytical placer at the global level. The effectiveness of each key technique is demonstrated by promising experimental results compared with the state-of-the-art algorithms. Moreover, using the industrial mixed-size designs, the new placement tool shows better performance than other existing approaches

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

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

Linear constraint graph for floorplan optimization with soft blocks

Abstract—In this paper, we propose the Linear Constraint Graph (LCG) as an efficient general floorplan representation. For n blocks, an LCG has at most 2n+3 vertices and at most 6n+2 edges. Operations with direct geometric meanings are developed to perturb the LCGs. We apply the LCGs to the floorplan optimization with soft blocks to leverage its advantage in terms of the sizes of the graphs, which will improve the efficiency of solving a complex mathematical program in the inner loop of the optimization that decide the block shapes without introducing overlaps to the non-slicing floorplans. Experimental results confirm that the LCGs are effective and efficient. I

Voltage island-driven floorplanning.

Ma, Qiang.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2008.Includes bibliographical references (leaves 78-80).Abstracts in English and Chinese.Abstract --- p.iAcknowledgement --- p.ivChapter 1 --- Introduction --- p.1Chapter 1.1 --- Background --- p.1Chapter 1.2 --- Floorplanning --- p.2Chapter 1.3 --- Motivations --- p.4Chapter 1.4 --- Design Implementation of Voltage Islands --- p.5Chapter 1.5 --- Problem Formulation --- p.8Chapter 1.6 --- Progress on the Problem --- p.10Chapter 1.7 --- Contributions --- p.12Chapter 1.8 --- Thesis Organization --- p.14Chapter 2 --- Literature Review on MSV --- p.15Chapter 2.1 --- Introduction --- p.15Chapter 2.2 --- MSV at Post-floorplan/Post Placement Stage --- p.16Chapter 2.2.1 --- """Post-Placement Voltage Island Generation under Performance Requirement""" --- p.16Chapter 2.2.2 --- """Post-Placement Voltage Island Generation""" --- p.18Chapter 2.2.3 --- """Timing-Constrained and Voltage-Island-Aware Voltage Assignment""" --- p.19Chapter 2.2.4 --- """Voltage Island Generation under Performance Requirement for SoC Designs""" --- p.20Chapter 2.2.5 --- """An ILP Algorithm for Post-Floorplanning Voltage-Island Generation Considering Power-Network Planning""" --- p.21Chapter 2.3 --- MSV at Floorplan/Placement Stage --- p.22Chapter 2.3.1 --- """Architecting Voltage Islands in Core-based System-on-a- Chip Designs""" --- p.22Chapter 2.3.2 --- """Voltage Island Aware Floorplanning for Power and Timing Optimization""" --- p.23Chapter 2.4 --- Summary --- p.27Chapter 3 --- MSV Driven Floorplanning --- p.29Chapter 3.1 --- Introduction --- p.29Chapter 3.2 --- Problem Formulation --- p.32Chapter 3.3 --- Algorithm Overview --- p.33Chapter 3.4 --- Optimal Island Partitioning and Voltage Assignment --- p.33Chapter 3.4.1 --- Voltage Islands in Non-subtrees --- p.35Chapter 3.4.2 --- Proof of Optimality --- p.36Chapter 3.4.3 --- Handling Island with Power Down Mode --- p.37Chapter 3.4.4 --- Speedup in Implementation and Complexity --- p.38Chapter 3.4.5 --- Varying Background Chip-level Voltage --- p.39Chapter 3.5 --- Simulated Annealing --- p.39Chapter 3.5.1 --- Moves --- p.39Chapter 3.5.2 --- Cost Function --- p.40Chapter 3.6 --- Experimental Results --- p.40Chapter 3.6.1 --- Extension to Minimize Level Shifters --- p.45Chapter 3.6.2 --- Extension to Consider Power Network Routing --- p.46Chapter 3.7 --- Summary --- p.46Chapter 4 --- MSV Driven Floorplanning with Timing --- p.49Chapter 4.1 --- Introduction --- p.49Chapter 4.2 --- Problem Formulation --- p.52Chapter 4.3 --- Algorithm Overview --- p.56Chapter 4.4 --- Voltage Assignment Problem --- p.56Chapter 4.4.1 --- Lagrangian Relaxation --- p.58Chapter 4.4.2 --- Transformation into the Primal Minimum Cost Flow Problem --- p.60Chapter 4.4.3 --- Cost-Scaling Algorithm --- p.64Chapter 4.4.4 --- Solution Transformation --- p.66Chapter 4.5 --- Simulated Annealing --- p.69Chapter 4.5.1 --- Moves --- p.69Chapter 4.5.2 --- Speeding up heuristic --- p.69Chapter 4.5.3 --- Cost Function --- p.70Chapter 4.5.4 --- Annealing Schedule --- p.71Chapter 4.6 --- Experimental Results --- p.71Chapter 4.7 --- Summary --- p.72Chapter 5 --- Conclusion --- p.76Bibliography --- p.8

A Modular Approach to Adaptive Reactive Streaming Systems

The latest generations of FPGA devices offer large resource counts that provide the headroom to implement large-scale and complex systems. However, there are increasing challenges for the designer, not just because of pure size and complexity, but also in harnessing effectively the flexibility and programmability of the FPGA. A central issue is the need to integrate modules from diverse sources to promote modular design and reuse. Further, the capability to perform dynamic partial reconfiguration (DPR) of FPGA devices means that implemented systems can be made reconfigurable, allowing components to be changed during operation. However, use of DPR typically requires low-level planning of the system implementation, adding to the design challenge. This dissertation presents ReShape: a high-level approach for designing systems by interconnecting modules, which gives a ‘plug and play’ look and feel to the designer, is supported by tools that carry out implementation and verification functions, and is carried through to support system reconfiguration during operation. The emphasis is on the inter-module connections and abstracting the communication patterns that are typical between modules – for example, the streaming of data that is common in many FPGA-based systems, or the reading and writing of data to and from memory modules. ShapeUp is also presented as the static precursor to ReShape. In both, the details of wiring and signaling are hidden from view, via metadata associated with individual modules. ReShape allows system reconfiguration at the module level, by supporting type checking of replacement modules and by managing the overall system implementation, via metadata associated with its FPGA floorplan. The methodology and tools have been implemented in a prototype for a broad domain-specific setting – networking systems – and have been validated on real telecommunications design projects