A survey of scan-capture power reduction techniques

With the advent of sub-nanometer geometries, integrated circuits (ICs) are required to be checked for newer defects. While scan-based architectures help detect these defects using newer fault models, test data inflation happens, increasing test time and test cost. An automatic test pattern generator (ATPG) exercise’s multiple fault sites simultaneously to reduce test data which causes elevated switching activity during the capture cycle. The switching activity results in an IR drop exceeding the devices under test (DUT) specification. An increase in IR-drop leads to failure of the patterns and may cause good DUTs to fail the test. The problem is severe during at-speed scan testing, which uses a functional rated clock with a high frequency for the capture operation. Researchers have proposed several techniques to reduce capture power. They used various methods, including the reduction of switching activity. This paper reviews the recently proposed techniques. The principle, algorithm, and architecture used in them are discussed, along with key advantages and limitations. In addition, it provides a classification of the techniques based on the method used and its application. The goal is to present a survey of the techniques and prepare a platform for future development in capture power reduction during scan testing

Energy challenges for ICT

The energy consumption from the expanding use of information and communications technology (ICT) is unsustainable with present drivers, and it will impact heavily on the future climate change. However, ICT devices have the potential to contribute signi - cantly to the reduction of CO2 emission and enhance resource e ciency in other sectors, e.g., transportation (through intelligent transportation and advanced driver assistance systems and self-driving vehicles), heating (through smart building control), and manu- facturing (through digital automation based on smart autonomous sensors). To address the energy sustainability of ICT and capture the full potential of ICT in resource e - ciency, a multidisciplinary ICT-energy community needs to be brought together cover- ing devices, microarchitectures, ultra large-scale integration (ULSI), high-performance computing (HPC), energy harvesting, energy storage, system design, embedded sys- tems, e cient electronics, static analysis, and computation. In this chapter, we introduce challenges and opportunities in this emerging eld and a common framework to strive towards energy-sustainable ICT

REDUCING POWER DURING MANUFACTURING TEST USING DIFFERENT ARCHITECTURES

Power during manufacturing test can be several times higher than power consumption in functional mode. Excessive power during test can cause IR drop, over-heating, and early aging of the chips. In this dissertation, three different architectures have been introduced to reduce test power in general cases as well as in certain scenarios, including field test. In the first architecture, scan chains are divided into several segments. Every segment needs a control bit to enable capture in a segment when new faults are detectable on that segment for that pattern. Otherwise, the segment should be disabled to reduce capture power. We group the control bits together into one or more control chains. To address the extra pin(s) required to shift data into the control chain(s) and significant post processing in the first architecture, we explored a second architecture. The second architecture stitches the control bits into the chains they control as EECBs (embedded enable capture bits) in between the segments. This allows an ATPG software tool to automatically generate the appropriate EECB values for each pattern to maintain the fault coverage. This also works in the presence of an on-chip decompressor. The last architecture focuses primarily on the self-test of a device in a 3D stacked IC when an existing FPGA in the stack can be programmed as a tester. We show that the energy expended during test is significantly less than would be required using low power patterns fed by an on-chip decompressor for the same very short scan chains

Cross-Layer Platform for Dynamic, Energy-Efficient Optical Networks

The design of the next-generation Internet infrastructure is driven by the need to sustain the massive growth in bandwidth demands. Novel, energy-efficient, optical networking technologies and architectures are required to effectively meet the stringent performance requirements with low cost and ultrahigh energy efficiencies. In this thesis, a cross-layer communications platform is proposed to enable greater intelligence and functionality on the physical layer. Providing the optical layer with advanced networking capabilities will facilitate the dynamic management and optimization of optical switching based on performance monitoring measurements and higher-layer attributes. The cross-layer platform aims to create a new framework for networks to incorporate packet-scale measurement subsystems and techniques for monitoring the health of the optical channel. This will allow for quality-of-service- and energy-aware routing schemes, as well as an enhanced awareness of the optical data signals. This thesis first presents the design and development of an optical packet switching fabric. Leveraging a networking test-bed environment to validate networking hypotheses, advanced switching functionalities are demonstrated, including the support for quality-of-service based routing and packet multicasting. The investigated cross-layering is based on emerging optical technologies, enabling packet protection techniques and packet-rate switching fabric reconfiguration. Coupled with fast performance monitoring, the platform will achieve significant performance gains within the endeavor of all-optical switching. Allowing for a more intelligent, programmable optical layer aims to support greater flexibility with respect to bandwidth allocation and potentially a significant reduction in the network's energy consumption. The ultimate deliverable of this work is a high-performance, cross-layer enabled optical network node. The experimental demonstration of an initial prototype creates a dynamic network element with distributed control plane management, featuring fast packet-rate optical switching capabilities and embedded physical-layer performance monitoring modules. The cross-layer box enables an intelligent traffic delivery system that can dynamically manipulate optical switching on a packet-granular scale. With the goal of achieving advanced multi-layer routing and control algorithms, the network node requires an intelligent co-optimization across all the layers. The proposed cross-layer design should drive optical technologies and architectures in an innovative way, in order to fulfill the void between the design of basic photonic devices and the networking protocols that use them. The performance of the entire network -- from the optical components, to the routing algorithms and user applications -- should be optimized in concert. This contribution to the area of cross-layer network design creates an adaptable optical pipe that is extremely flexible and intelligent aware of both the physical optical signals and higher-layer requirements. The impact of this work will be seen in the realization of dynamic, energy-efficient optical communication links in future networking infrastructures

A review of advances in pixel detectors for experiments with high rate and radiation

The Large Hadron Collider (LHC) experiments ATLAS and CMS have established hybrid pixel detectors as the instrument of choice for particle tracking and vertexing in high rate and radiation environments, as they operate close to the LHC interaction points. With the High Luminosity-LHC upgrade now in sight, for which the tracking detectors will be completely replaced, new generations of pixel detectors are being devised. They have to address enormous challenges in terms of data throughput and radiation levels, ionizing and non-ionizing, that harm the sensing and readout parts of pixel detectors alike. Advances in microelectronics and microprocessing technologies now enable large scale detector designs with unprecedented performance in measurement precision (space and time), radiation hard sensors and readout chips, hybridization techniques, lightweight supports, and fully monolithic approaches to meet these challenges. This paper reviews the world-wide effort on these developments.Comment: 84 pages with 46 figures. Review article.For submission to Rep. Prog. Phy

Investigating Single Precision Floating General Matrix Multiply in Heterogeneous Hardware

The fundamental operation of matrix multiplication is ubiquitous across a myriad of disciplines. Yet, the identification of new optimizations for matrix multiplication remains relevant for emerging hardware architectures and heterogeneous systems. Frameworks such as OpenCL enable computation orchestration on existing systems, and its availability using the Intel High Level Synthesis compiler allows users to architect new designs for reconfigurable hardware using C/C++. Using the HARPv2 as a vehicle for exploration, we investigate the utility of several of the most notable matrix multiplication optimizations to better understand the performance portability of OpenCL and the implications for such optimizations on this and future heterogeneous architectures. Our results give targeted insights into the applicability of best practices that were for existing architectures when used on emerging heterogeneous systems

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

Clock Generator Circuits for Low-Power Heterogeneous Multiprocessor Systems-on-Chip

In this work concepts and circuits for local clock generation in low-power heterogeneous multiprocessor systems-on-chip (MPSoCs) are researched and developed. The targeted systems feature a globally asynchronous locally synchronous (GALS) clocking architecture and advanced power management functionality, as for example fine-grained ultra-fast dynamic voltage and frequency scaling (DVFS). To enable this functionality compact clock generators with low chip area, low power consumption, wide output frequency range and the capability for ultra-fast frequency changes are required. They are to be instantiated individually per core. For this purpose compact all digital phase-locked loop (ADPLL) frequency synthesizers are developed. The bang-bang ADPLL architecture is analyzed using a numerical system model and optimized for low jitter accumulation. A 65nm CMOS ADPLL is implemented, featuring a novel active current bias circuit which compensates the supply voltage and temperature sensitivity of the digitally controlled oscillator (DCO) for reduced digital tuning effort. Additionally, a 28nm ADPLL with a new ultra-fast lock-in scheme based on single-shot phase synchronization is proposed. The core clock is generated by an open-loop method using phase-switching between multi-phase DCO clocks at a fixed frequency. This allows instantaneous core frequency changes for ultra-fast DVFS without re-locking the closed loop ADPLL. The sensitivity of the open-loop clock generator with respect to phase mismatch is analyzed analytically and a compensation technique by cross-coupled inverter buffers is proposed. The clock generators show small area (0.0097mm2 (65nm), 0.00234mm2 (28nm)), low power consumption (2.7mW (65nm), 0.64mW (28nm)) and they provide core clock frequencies from 83MHz to 666MHz which can be changed instantaneously. The jitter performance is compliant to DDR2/DDR3 memory interface specifications. Additionally, high-speed clocks for novel serial on-chip data transceivers are generated. The ADPLL circuits have been verified successfully by 3 testchip implementations. They enable efficient realization of future low-power MPSoCs with advanced power management functionality in deep-submicron CMOS technologies.In dieser Arbeit werden Konzepte und Schaltungen zur lokalen Takterzeugung in heterogenen Multiprozessorsystemen (MPSoCs) mit geringer Verlustleistung erforscht und entwickelt. Diese Systeme besitzen eine global-asynchrone lokal-synchrone Architektur sowie Funktionalität zum Power Management, wie z.B. das feingranulare, schnelle Skalieren von Spannung und Taktfrequenz (DVFS). Um diese Funktionalität zu realisieren werden kompakte Taktgeneratoren benötigt, welche eine kleine Chipfläche einnehmen, wenig Verlustleitung aufnehmen, einen weiten Bereich an Ausgangsfrequenzen erzeugen und diese sehr schnell ändern können. Sie sollen individuell pro Prozessorkern integriert werden. Dazu werden kompakte volldigitale Phasenregelkreise (ADPLLs) entwickelt, wobei eine bang-bang ADPLL Architektur numerisch modelliert und für kleine Jitterakkumulation optimiert wird. Es wird eine 65nm CMOS ADPLL implementiert, welche eine neuartige Kompensationsschlatung für den digital gesteuerten Oszillator (DCO) zur Verringerung der Sensitivität bezüglich Versorgungsspannung und Temperatur beinhaltet. Zusätzlich wird eine 28nm CMOS ADPLL mit einer neuen Technik zum schnellen Einschwingen unter Nutzung eines Phasensynchronisierers realisiert. Der Prozessortakt wird durch ein neuartiges Phasenmultiplex- und Frequenzteilerverfahren erzeugt, welches es ermöglicht die Taktfrequenz sofort zu ändern um schnelles DVFS zu realisieren. Die Sensitivität dieses Frequenzgenerators bezüglich Phasen-Mismatch wird theoretisch analysiert und durch Verwendung von kreuzgekoppelten Taktverstärkern kompensiert. Die hier entwickelten Taktgeneratoren haben eine kleine Chipfläche (0.0097mm2 (65nm), 0.00234mm2 (28nm)) und Leistungsaufnahme (2.7mW (65nm), 0.64mW (28nm)). Sie stellen Frequenzen von 83MHz bis 666MHz bereit, welche sofort geändert werden können. Die Schaltungen erfüllen die Jitterspezifikationen von DDR2/DDR3 Speicherinterfaces. Zusätzliche können schnelle Takte für neuartige serielle on-Chip Verbindungen erzeugt werden. Die ADPLL Schaltungen wurden erfolgreich in 3 Testchips erprobt. Sie ermöglichen die effiziente Realisierung von zukünftigen MPSoCs mit Power Management in modernsten CMOS Technologien