The impact of design techniques in the reduction of power consumption of SoCs Multimedia

Orientador: Guido Costa Souza de AraújoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: A indústria de semicondutores sempre enfrentou fortes demandas em resolver problema de dissipação de calor e reduzir o consumo de energia em dispositivos. Esta tendência tem sido intensificada nos últimos anos com o movimento de sustentabilidade ambiental. A concepção correta de um sistema eletrônico de baixo consumo de energia é um problema de vários níveis de complexidade e exige estratégias sistemáticas na sua construção. Fora disso, a adoção de qualquer técnica de redução de energia sempre está vinculada com objetivos especiais e provoca alguns impactos no projeto. Apesar dos projetistas conheçam bem os impactos de forma qualitativa, as detalhes quantitativas ainda são incógnitas ou apenas mantidas dentro do 'know-how' das empresas. Neste trabalho, de acordo com resultados experimentais baseado num plataforma de SoC1 industrial, tentamos quantificar os impactos derivados do uso de técnicas de redução de consumo de energia. Nos concentramos em relacionar o fator de redução de energia de cada técnica aos impactos em termo de área, desempenho, esforço de implementação e verificação. Na ausência desse tipo de dados, que relacionam o esforço de engenharia com as metas de consumo de energia, incertezas e atrasos serão frequentes no cronograma de projeto. Esperamos que este tipo de orientações possam ajudar/guiar os arquitetos de projeto em selecionar as técnicas adequadas para reduzir o consumo de energia dentro do alcance de orçamento e cronograma de projetoAbstract: The semiconductor industry has always faced strong demands to solve the problem of heat dissipation and reduce the power consumption in electronic devices. This trend has been increased in recent years with the action of environmental sustainability. The correct conception of an electronic system for low power consumption is an issue with multiple levels of complexities and requires systematic approaches in its construction. However, the adoption of any technique for reducing the power consumption is always linked with some specific goals and causes some impacts on the project. Although the designers know well that these impacts can affect the design in a quality aspect, the quantitative details are still unkown or just be kept inside the company's know-how. In this work, according to the experimental results based on an industrial SoC2 platform, we try to quantify the impacts of the use of low power techniques. We will relate the power reduction factor of each technique to the impact in terms of area, performance, implementation and verification effort. In the absence of such data, which relates the engineering effort to the goals of power consumption, uncertainties and delays are frequent. We hope that such guidelines can help/guide the project architects in selecting the appropriate techniques to reduce the power consumption within the limit of budget and project scheduleMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computaçã

Analysis and Mitigation of Remote Side-Channel and Fault Attacks on the Electrical Level

In der fortlaufenden Miniaturisierung von integrierten Schaltungen werden physikalische Grenzen erreicht, wobei beispielsweise Einzelatomtransistoren eine mögliche untere Grenze für Strukturgrößen darstellen. Zudem ist die Herstellung der neuesten Generationen von Mikrochips heutzutage finanziell nur noch von großen, multinationalen Unternehmen zu stemmen. Aufgrund dieser Entwicklung ist Miniaturisierung nicht länger die treibende Kraft um die Leistung von elektronischen Komponenten weiter zu erhöhen. Stattdessen werden klassische Computerarchitekturen mit generischen Prozessoren weiterentwickelt zu heterogenen Systemen mit hoher Parallelität und speziellen Beschleunigern. Allerdings wird in diesen heterogenen Systemen auch der Schutz von privaten Daten gegen Angreifer zunehmend schwieriger. Neue Arten von Hardware-Komponenten, neue Arten von Anwendungen und eine allgemein erhöhte Komplexität sind einige der Faktoren, die die Sicherheit in solchen Systemen zur Herausforderung machen. Kryptografische Algorithmen sind oftmals nur unter bestimmten Annahmen über den Angreifer wirklich sicher. Es wird zum Beispiel oft angenommen, dass der Angreifer nur auf Eingaben und Ausgaben eines Moduls zugreifen kann, während interne Signale und Zwischenwerte verborgen sind. In echten Implementierungen zeigen jedoch Angriffe über Seitenkanäle und Faults die Grenzen dieses sogenannten Black-Box-Modells auf. Während bei Seitenkanalangriffen der Angreifer datenabhängige Messgrößen wie Stromverbrauch oder elektromagnetische Strahlung ausnutzt, wird bei Fault Angriffen aktiv in die Berechnungen eingegriffen, und die falschen Ausgabewerte zum Finden der geheimen Daten verwendet. Diese Art von Angriffen auf Implementierungen wurde ursprünglich nur im Kontext eines lokalen Angreifers mit Zugriff auf das Zielgerät behandelt. Jedoch haben bereits Angriffe, die auf der Messung der Zeit für bestimmte Speicherzugriffe basieren, gezeigt, dass die Bedrohung auch durch Angreifer mit Fernzugriff besteht. In dieser Arbeit wird die Bedrohung durch Seitenkanal- und Fault-Angriffe über Fernzugriff behandelt, welche eng mit der Entwicklung zu mehr heterogenen Systemen verknüpft sind. Ein Beispiel für neuartige Hardware im heterogenen Rechnen sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), mit welchen sich fast beliebige Schaltungen in programmierbarer Logik realisieren lassen. Diese Logik-Chips werden bereits jetzt als Beschleuniger sowohl in der Cloud als auch in Endgeräten eingesetzt. Allerdings wurde gezeigt, wie die Flexibilität dieser Beschleuniger zur Implementierung von Sensoren zur Abschätzung der Versorgungsspannung ausgenutzt werden kann. Zudem können durch eine spezielle Art der Aktivierung von großen Mengen an Logik Berechnungen in anderen Schaltungen für Fault Angriffe gestört werden. Diese Bedrohung wird hier beispielsweise durch die Erweiterung bestehender Angriffe weiter analysiert und es werden Strategien zur Absicherung dagegen entwickelt

Integrated Circuit Design in US High-Energy Physics

This whitepaper summarizes the status, plans, and challenges in the area of integrated circuit design in the United States for future High Energy Physics (HEP) experiments. It has been submitted to CPAD (Coordinating Panel for Advanced Detectors) and the HEP Community Summer Study 2013(Snowmass on the Mississippi) held in Minnesota July 29 to August 6, 2013. A workshop titled: US Workshop on IC Design for High Energy Physics, HEPIC2013 was held May 30 to June 1, 2013 at Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). A draft of the whitepaper was distributed to the attendees before the workshop, the content was discussed at the meeting, and this document is the resulting final product. The scope of the whitepaper includes the following topics: Needs for IC technologies to enable future experiments in the three HEP frontiers Energy, Cosmic and Intensity Frontiers; Challenges in the different technology and circuit design areas and the related R&D needs; Motivation for using different fabrication technologies; Outlook of future technologies including 2.5D and 3D; Survey of ICs used in current experiments and ICs targeted for approved or proposed experiments; IC design at US institutes and recommendations for collaboration in the future

Design methodology and productivity improvement in high speed VLSI circuits

2017 Spring.Includes bibliographical references.To view the abstract, please see the full text of the document

Design-for-delay-testability techniques for high-speed digital circuits

The importance of delay faults is enhanced by the ever increasing clock rates and decreasing geometry sizes of nowadays' circuits. This thesis focuses on the development of Design-for-Delay-Testability (DfDT) techniques for high-speed circuits and embedded cores. The rising costs of IC testing and in particular the costs of Automatic Test Equipment are major concerns for the semiconductor industry. To reverse the trend of rising testing costs, DfDT is\ud getting more and more important

Register-transfer-level power profiling for system-on-chip power distribution network design and signoff

Abstract. This thesis is a study of how register-transfer-level (RTL) power profiling can help the design and signoff of power distribution network in digital integrated circuits. RTL power profiling is a method which collects RTL power estimation results to a single power profile which then can be analysed in order to find interesting time windows for specifying power distribution network design and signoff. The thesis starts with theory part. Complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) inverter power dissipation is studied at first. Next, power distribution network structure and voltage drop problems are introduced. Voltage drop is demonstrated by using power distribution network impedance figures. Common on-chip power distribution network structure is introduced, and power distribution network design flow is outlined. Finally, decoupling capacitors function and impact on power distribution network impedance are thoroughly explained. The practical part of the thesis contains RTL power profiling flow details and power profiling flow results for one simulation case in one design block. Also, some methods of improving RTL power estimation accuracy are discussed and calibration with extracted parasitic is then used to get new set of power profiling time windows. After the results are presented, overall RTL power estimation accuracy is analysed and resulted time windows are compared to reference gate-level time windows. RTL power profiling result analysis shows that resulted time windows match the theory and RTL power profiling seems to be a promising method for finding time windows for power distribution network design and signoff.Rekisterisiirtotason tehoprofilointi järjestelmäpiirin tehonsiirtoverkon suunnittelussa ja verifioinnissa. Tiivistelmä. Tässä työssä tutkitaan, miten rekisterisiirtotason (RTL) tehoprofilointi voi auttaa digitaalisten integroitujen piirien tehonsiirtoverkon suunnittelussa ja verifioinnissa. RTL-tehoprofilointi on menetelmä, joka analysoi RTL-tehoestimoinnista saadusta tehokäyrästä hyödyllisiä aikaikkunoita tehonsiirtoverkon suunnitteluun ja verifiointiin. Työ alkaa teoriaosuudella, jonka aluksi selitetään, miten CMOS-invertteri kuluttaa tehoa. Seuravaksi esitellään tehonsiirtoverkon rakenne ja pahimmat tehonsiirtoverkon jännitehäviön aiheuttajat. Jännitehäviötä havainnollistetaan myös piirikaavioiden ja impedanssikäyrien avustuksella. Lisäksi integroidun piirin tehonsiirtoverkon suunnitteluvuo ja yleisin rakenne on esitelty. Lopuksi teoriaosuus käsittelee yksityiskohtaisesti ohituskondensaattoreiden toiminnan ja vaikutuksen tehonsiirtoverkon kokonaisimpedanssiin. Työn kokeellisessa osuudessa esitellään ensin tehoprofiloinnin vuo ja sen jälkeen vuon tulokset yhdelle esimerkkilohkolle yhdessä simulaatioajossa. Lisäksi tässä osiossa käsitellään RTL-tehoestimoinnin tarkkuutta ja tehdään RTL-tehoprofilointi loisimpedansseilla kalibroidulle RTL-mallille. Lopuksi RTL-tehoestimoinnin tuloksia ja saatuja RTL-tehoprofiloinnin aikaikkunoita analysoidaan ja verrataan porttitason mallin tuloksiin. RTL-tehoprofiloinnin tulosten analysointi osoittaa, että saatavat aikaikkunat vastaavat teoriaa ja että RTL-tehoprofilointi näyttää lupaavalta menetelmältä tehosiirtoverkon analysoinnin ja verifioinnin aikaikkunoiden löytämiseen

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

A Survey of Fault-Injection Methodologies for Soft Error Rate Modeling in Systems-on-Chips

The development of process technology has increased system performance, but the system failure probability has also significantly increased. It is important to consider the system reliability in addition to the cost, performance, and power consumption. In this paper, we describe the types of faults that occur in a system and where these faults originate. Then, fault-injection techniques, which are used to characterize the fault rate of a system-on-chip (SoC), are investigated to provide a guideline to SoC designers for the realization of resilient SoCs

Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht