Design synthesis for dynamically reconfigurable logic systems

Dynamic reconfiguration of logic circuits has been a research problem for over four decades. While applications using logic reconfiguration in practical scenarios have been demonstrated, the design of these systems has proved to be a difficult process demanding the skills of an experienced reconfigurable logic design expert. This thesis proposes an automatic synthesis method which relieves designers of some of the difficulties associated with designing partially dynamically reconfigurable systems. A new design abstraction model for reconfigurable systems is proposed in order to support design exploration using the presented method. Given an input behavioural model, a technology server and a set of design constraints, the method will generate a reconfigurable design solution in the form of a 3D floorplan and a configuration schedule. The approach makes use of genetic algorithms. It facilitates global optimisation to accommodate multiple design objectives common in reconfigurable system design, while making realistic estimates of configuration overheads and of the potential for resource sharing between configurations. A set of custom evolutionary operators has been developed to cope with a multiple-objective search space. Furthermore, the application of a simulation technique verifying the lll results of such an automatic exploration is outlined in the thesis. The qualities of the proposed method are evaluated using a set of benchmark designs taking data from a real reconfigurable logic technology. Finally, some extensions to the proposed method and possible research directions are discussed

FPGA dynamic and partial reconfiguration : a survey of architectures, methods, and applications

Dynamic and partial reconfiguration are key differentiating capabilities of field programmable gate arrays (FPGAs). While they have been studied extensively in academic literature, they find limited use in deployed systems. We review FPGA reconfiguration, looking at architectures built for the purpose, and the properties of modern commercial architectures. We then investigate design flows, and identify the key challenges in making reconfigurable FPGA systems easier to design. Finally, we look at applications where reconfiguration has found use, as well as proposing new areas where this capability places FPGAs in a unique position for adoption

Placement and routing for reconfigurable systems.

Applications using reconfigurable logic have been widely demonstrated to offer better performance over software-based solutions. However, good performance rating is often destroyed by poor reconfiguration latency - time required to reconfigure hardware to perform the new task. Recent research focus on design automation techniques to address reconfiguration latency bottleneck. The contribution to novelty of this thesis is in new placement and routing techniques resulting in minimising reconfiguration latency of reconfigurable systems. This presents a part of design process concerned with positioning and connecting design blocks in a logic gate array. The aim of the research is to optimise the placement and interconnect strategy such that dynamic changes in system functionality can be achieved with minimum delay. A review of previous work in the field is given and the relevant theoretical framework developed. The dynamic reconfiguration problem is analysed for various reconfigurable technologies. Several algorithms are developed and evaluated using a representative set of problem domains to assess their effectiveness. Results obtained with novel placement and routing techniques demonstrate configuration data size reduction leading to significant reconfiguration latency improvements

The IPS fidelity scale as a guideline to implement Supported Employment

info:eu-repo/semantics/publishe

Experimental Evaluation and Comparison of Time-Multiplexed Multi-FPGA Routing Architectures

Emulating large complex designs require multi-FPGA systems (MFS). However, inter-FPGA communication is confronted by the challenge of lack of interconnect capacity due to limited number of FPGA input/output (I/O) pins. Serializing parallel signals onto a single trace effectively addresses the limited I/O pin obstacle. Besides the multiplexing scheme and multiplexing ratio (number of inter-FPGA signals per trace), the choice of the MFS routing architecture also affect the critical path latency. The routing architecture of an MFS is the interconnection pattern of FPGAs, fixed wires and/or programmable interconnect chips. Performance of existing MFS routing architectures is also limited by off-chip interface selection. In this dissertation we proposed novel 2D and 3D latency-optimized time-multiplexed MFS routing architectures. We used rigorous experimental approach and real sequential benchmark circuits to evaluate and compare the proposed and existing MFS routing architectures. This research provides a new insight into the encouraging effects of using off-chip optical interface and three dimensional MFS routing architectures. The vertical stacking results in shorter off-chip links improving the overall system frequency with the additional advantage of smaller footprint area. The proposed 3D architectures employed serialized interconnect between intra-plane and inter-plane FPGAs to address the pin limitation problem. Additionally, all off-chip links are replaced by optical fibers that exhibited latency improvement and resulted in faster MFS. Results indicated that exploiting third dimension provided latency and area improvements as compared to 2D MFS. We also proposed latency-optimized planar 2D MFS architectures in which electrical interconnections are replaced by optical interface in same spatial distribution. Performance evaluation and comparison showed that the proposed architectures have reduced critical path delay and system frequency improvement as compared to conventional MFS. We also experimentally evaluated and compared the system performance of three inter-FPGA communication schemes i.e. Logic Multiplexing, SERDES and MGT in conjunction with two routing architectures i.e. Completely Connected Graph (CCG) and TORUS. Experimental results showed that SERDES attained maximum frequency than the other two schemes. However, for very high multiplexing ratios, the performance of SERDES & MGT became comparable

OPTIMIZING LARGE COMBINATIONAL NETWORKS FOR K-LUT BASED FPGA MAPPING

Optimizing by partitioning is a central problem in VLSI design automation, addressing circuit’s manufacturability. Circuit partitioning has multiple applications in VLSI design. One of the most common is that of dividing combinational circuits (usually large ones) that will not fit on a single package among a number of packages. Partitioning is of practical importance for k-LUT based FPGA circuit implementation. In this work is presented multilevel a multi-resource partitioning algorithm for partitioning large combinational circuits in order to efficiently use existing and commercially available FPGAs packagestwo-way partitioning, multi-way partitioning, recursive partitioning, flat partitioning, critical path, cutting cones, bottom-up clusters, top-down min-cut

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

Design and application of reconfigurable circuits and systems

Open Acces