Optimization Tools for ConvNets on the Edge

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A Survey on Low-Power Techniques with Emerging Technologies: From Devices to Systems

Nowadays, power consumption is one of the main limitations of electronic systems. In this context, novel and emerging devices provide us with new opportunities to keep the trend to low-power design. In this survey paper, we present a transversal survey on energy efficient techniques ranging from devices to architectures. The actual trends of device research, with fully-depleted planar devices, tri-gate geometries and gate-all-around structures, allows us to reach an increasingly higher level of performance while reducing the associated power. In addition, beyond the simple device properties enhancements, emerging devices also lead to innovations at circuit and architectural levels. In particular, devices whose properties can be tuned through additional terminals enable a fine and dynamic control of device threshold. They also enable designers to realize logic gates and to implement power-related techniques in a compact way unreachable to standard technologies. These innovations reduce the power consumption at the gate level and unlock new means of actuation in architectural solutions like adaptive voltage and frequency scaling

FDSOI Design using Automated Standard-Cell-Grained Body Biasing

With the introduction of FDSOI processes at competitive technology nodes, body biasing on an unprecedented scale was made possible. Body biasing influences one of the central transistor characteristics, the threshold voltage. By being able to heighten or lower threshold voltage by more than 100mV, the very physics of transistor switching can be manipulated at run time. Furthermore, as body biasing does not lead to different signal levels, it can be applied much more fine-grained than, e.g., DVFS. With the state of the art mainly focused on combinations of body biasing with DVFS, it has thus ignored granularities unfeasible for DVFS. This thesis fills this gap by proposing body bias domain partitioning techniques and for body bias domain partitionings thereby generated, algorithms that search for body bias assignments. Several different granularities ranging from entire cores to small groups of standard cells were examined using two principal approaches: Designer aided pre-partitioning based determination of body bias domains and a first-time, fully automatized, netlist based approach called domain candidate exploration. Both approaches operate along the lines of activation and timing of standard cell groups. These approaches were evaluated using the example of a Dynamically Reconfigurable Processor (DRP), a highly efficient category of reconfigurable architectures which consists of an array of processing elements and thus offers many opportunities for generalization towards many-core architectures. Finally, the proposed methods were validated by manufacturing a test-chip. Extensive simulation runs as well as the test-chip evaluation showed the validity of the proposed methods and indicated substantial improvements in energy efficiency compared to the state of the art. These improvements were accomplished by the fine-grained partitioning of the DRP design. This method allowed reducing dynamic power through supply voltage levels yielding higher clock frequencies using forward body biasing, while simultaneously reducing static power consumption in unused parts.Die Einführung von FDSOI Prozessen in gegenwärtigen Prozessgrößen ermöglichte die Nutzung von Substratvorspannung in nie zuvor dagewesenem Umfang. Substratvorspannung beeinflusst unter anderem eine zentrale Eigenschaft von Transistoren, die Schwellspannung. Mittels Substratvorspannung kann diese um mehr als 100mV erhöht oder gesenkt werden, was es ermöglicht, die schiere Physik des Schaltvorgangs zu manipulieren. Da weiterhin hiervon der Signalpegel der digitalen Signale unberührt bleibt, kann diese Technik auch in feineren Granularitäten angewendet werden, als z.B. Dynamische Spannungs- und Frequenz Anpassung (Engl. Dynamic Voltage and Frequency Scaling, Abk. DVFS). Da jedoch der Stand der Technik Substratvorspannung hauptsächlich in Kombinationen mit DVFS anwendet, werden feinere Granularitäten, welche für DVFS nicht mehr wirtschaftlich realisierbar sind, nicht berücksichtigt. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem sie Partitionierungsalgorithmen zur Unterteilung eines Entwurfs in Substratvorspannungsdomänen vorschlägt und für diese hierdurch unterteilten Domänen entsprechende Substratvorspannungen berechnet. Hierzu wurden verschiedene Granularitäten berücksichtigt, von ganzen Prozessorkernen bis hin zu kleinen Gruppen von Standardzellen. Diese Entwürfe wurden dann mit zwei verschiedenen Herangehensweisen unterteilt: Chipdesigner unterstützte, vorpartitionierungsbasierte Bestimmung von Substratvorspannungsdomänen, sowie ein erstmals vollautomatisierter, Netzlisten basierter Ansatz, in dieser Arbeit Domänen Kandidaten Exploration genannt. Beide Ansätze funktionieren nach dem Prinzip der Aktivierung, d.h. zu welchem Zeitpunkt welcher Teil des Entwurfs aktiv ist, sowie der Signallaufzeit durch die entsprechenden Entwurfsteile. Diese Ansätze wurden anhand des Beispiels Dynamisch Rekonfigurierbarer Prozessoren (DRP) evaluiert. DRPs stellen eine Klasse hocheffizienter rekonfigurierbarer Architekturen dar, welche hauptsächlich aus einem Feld von Rechenelementen besteht und dadurch auch zahlreiche Möglichkeiten zur Verallgemeinerung hinsichtlich Many-Core Architekturen zulässt. Schließlich wurden die vorgeschlagenen Methoden in einem Testchip validiert. Alle ermittelten Ergebnisse zeigen im Vergleich zum Stand der Technik drastische Verbesserungen der Energieeffizienz, welche durch die feingranulare Unterteilung in Substratvorspannungsdomänen erzielt wurde. Hierdurch konnten durch die Anwendung von Substratvorspannung höhere Taktfrequenzen bei gleicher Versorgungsspannung erzielt werden, während zeitgleich in zeitlich unkritischen oder ungenutzten Entwurfsteilen die statische Leistungsaufnahme minimiert wurde

Cross-Layer Optimization for Power-Efficient and Robust Digital Circuits and Systems

With the increasing digital services demand, performance and power-efficiency become vital requirements for digital circuits and systems. However, the enabling CMOS technology scaling has been facing significant challenges of device uncertainties, such as process, voltage, and temperature variations. To ensure system reliability, worst-case corner assumptions are usually made in each design level. However, the over-pessimistic worst-case margin leads to unnecessary power waste and performance loss as high as 2.2x. Since optimizations are traditionally confined to each specific level, those safe margins can hardly be properly exploited. To tackle the challenge, it is therefore advised in this Ph.D. thesis to perform a cross-layer optimization for digital signal processing circuits and systems, to achieve a global balance of power consumption and output quality. To conclude, the traditional over-pessimistic worst-case approach leads to huge power waste. In contrast, the adaptive voltage scaling approach saves power (25% for the CORDIC application) by providing a just-needed supply voltage. The power saving is maximized (46% for CORDIC) when a more aggressive voltage over-scaling scheme is applied. These sparsely occurred circuit errors produced by aggressive voltage over-scaling are mitigated by higher level error resilient designs. For functions like FFT and CORDIC, smart error mitigation schemes were proposed to enhance reliability (soft-errors and timing-errors, respectively). Applications like Massive MIMO systems are robust against lower level errors, thanks to the intrinsically redundant antennas. This property makes it applicable to embrace digital hardware that trades quality for power savings.Comment: 190 page

Power delivery mechanisms for asynchronous loads in energy harvesting systems

PhD ThesisFor systems depending on methods, a fundamental contradiction in the power delivery chain has existed between conventional to supply it. DC/DC conversion (e.g.) has therefore been an integral part of such systems to resolve this contradiction. be made tolerant to a much wider range of Vdd variance. This may open up opportunities for much more energy efficient methods of power delivery. performance of different power delivery mechanisms driving both asynchronous and synchronous loads directly from a harvester source bypassing bulky energy method, which employs a energy from a EH circuit depending on load and source conditions, is developed. through comprehensive comparative analysis. Based on the novel CBB power delivery method, an asynchronous controller is circuits to work with tasks. The successful asynchronous control design drives a case study that is meant to explore relations between power path and task path. To deal with different tasks with variable harvested power, systems may have a range of operation conditions and thus dynamically call for CBB or SCC type power set of capacitors to form CBB or SCC is implemented with economic system size. This work presents an unconventional way of designing a compact-size, quick- circuit overcome large voltage variation in EH systems and implement smart power management for harsh EH environment. The power delivery mechanisms (SCC, employed to help asynchronous- logic-based chip testing and micro-scale EH system demonstrations

Design for Reliability and Low Power in Emerging Technologies

Die fortlaufende Verkleinerung von Transistor-Strukturgrößen ist einer der wichtigsten Antreiber für das Wachstum in der Halbleitertechnologiebranche. Seit Jahrzehnten erhöhen sich sowohl Integrationsdichte als auch Komplexität von Schaltkreisen und zeigen damit einen fortlaufenden Trend, der sich über alle modernen Fertigungsgrößen erstreckt. Bislang ging das Verkleinern von Transistoren mit einer Verringerung der Versorgungsspannung einher, was zu einer Reduktion der Leistungsaufnahme führte und damit eine gleichbleibenden Leistungsdichte sicherstellte. Doch mit dem Beginn von Strukturgrößen im Nanometerbreich verlangsamte sich die fortlaufende Skalierung. Viele Schwierigkeiten, sowie das Erreichen von physikalischen Grenzen in der Fertigung und Nicht-Idealitäten beim Skalieren der Versorgungsspannung, führten zu einer Zunahme der Leistungsdichte und, damit einhergehend, zu erschwerten Problemen bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Dazu zählen, unter anderem, Alterungseffekte in Transistoren sowie übermäßige Hitzeentwicklung, nicht zuletzt durch stärkeres Auftreten von Selbsterhitzungseffekten innerhalb der Transistoren. Damit solche Probleme die Zuverlässigkeit eines Schaltkreises nicht gefährden, werden die internen Signallaufzeiten üblicherweise sehr pessimistisch kalkuliert. Durch den so entstandenen zeitlichen Sicherheitsabstand wird die korrekte Funktionalität des Schaltkreises sichergestellt, allerdings auf Kosten der Performance. Alternativ kann die Zuverlässigkeit des Schaltkreises auch durch andere Techniken erhöht werden, wie zum Beispiel durch Null-Temperatur-Koeffizienten oder Approximate Computing. Wenngleich diese Techniken einen Großteil des üblichen zeitlichen Sicherheitsabstandes einsparen können, bergen sie dennoch weitere Konsequenzen und Kompromisse. Bleibende Herausforderungen bei der Skalierung von CMOS Technologien führen außerdem zu einem verstärkten Fokus auf vielversprechende Zukunftstechnologien. Ein Beispiel dafür ist der Negative Capacitance Field-Effect Transistor (NCFET), der eine beachtenswerte Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen FinFET Transistoren aufweist und diese in Zukunft ersetzen könnte. Des Weiteren setzen Entwickler von Schaltkreisen vermehrt auf komplexe, parallele Strukturen statt auf höhere Taktfrequenzen. Diese komplexen Modelle benötigen moderne Power-Management Techniken in allen Aspekten des Designs. Mit dem Auftreten von neuartigen Transistortechnologien (wie zum Beispiel NCFET) müssen diese Power-Management Techniken neu bewertet werden, da sich Abhängigkeiten und Verhältnismäßigkeiten ändern. Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen, sowohl zur Analyse als auch zur Modellierung der Zuverlässigkeit von Schaltkreisen, um zuvor genannte Herausforderungen auf mehreren Designebenen anzugehen. Diese Herangehensweisen unterteilen sich in konventionelle Techniken ((a), (b), (c) und (d)) und unkonventionelle Techniken ((e) und (f)), wie folgt: $\textbf{(a)}$ Analyse von Leistungszunahmen in Zusammenhang mit der Maximierung von Leistungseffizienz beim Betrieb nahe der Transistor Schwellspannung, insbesondere am optimalen Leistungspunkt. Das genaue Ermitteln eines solchen optimalen Leistungspunkts ist eine besondere Herausforderung bei Multicore Designs, da dieser sich mit den jeweiligen Optimierungszielsetzungen und der Arbeitsbelastung verschiebt. $\textbf{(b)}$ Aufzeigen versteckter Interdependenzen zwischen Alterungseffekten bei Transistoren und Schwankungen in der Versorgungsspannung durch „IR-drops“. Eine neuartige Technik wird vorgestellt, die sowohl Über- als auch Unterschätzungen bei der Ermittlung des zeitlichen Sicherheitsabstands vermeidet und folglich den kleinsten, dennoch ausreichenden Sicherheitsabstand ermittelt. $\textbf{(c)}$ Eindämmung von Alterungseffekten bei Transistoren durch „Graceful Approximation“, eine Technik zur Erhöhung der Taktfrequenz bei Bedarf. Der durch Alterungseffekte bedingte zeitlich Sicherheitsabstand wird durch Approximate Computing Techniken ersetzt. Des Weiteren wird Quantisierung verwendet um ausreichend Genauigkeit bei den Berechnungen zu gewährleisten. $\textbf{(d)}$ Eindämmung von temperaturabhängigen Verschlechterungen der Signallaufzeit durch den Betrieb nahe des Null-Temperatur Koeffizienten (N-ZTC). Der Betrieb bei N-ZTC minimiert temperaturbedingte Abweichungen der Performance und der Leistungsaufnahme. Qualitative und quantitative Vergleiche gegenüber dem traditionellen zeitlichen Sicherheitsabstand werden präsentiert. $\textbf{(e)}$ Modellierung von Power-Management Techniken für NCFET-basierte Prozessoren. Die NCFET Technologie hat einzigartige Eigenschaften, durch die herkömmliche Verfahren zur Spannungs- und Frequenzskalierungen zur Laufzeit (DVS/DVFS) suboptimale Ergebnisse erzielen. Dies erfordert NCFET-spezifische Power-Management Techniken, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. $\textbf{(f)}$ Vorstellung eines neuartigen heterogenen Multicore Designs in NCFET Technologie. Das Design beinhaltet identische Kerne; Heterogenität entsteht durch die Anwendung der individuellen, optimalen Konfiguration der Kerne. Amdahls Gesetz wird erweitert, um neue system- und anwendungsspezifische Parameter abzudecken und die Vorzüge des neuen Designs aufzuzeigen. Die Auswertungen der vorgestellten Techniken werden mithilfe von Implementierungen und Simulationen auf Schaltkreisebene (gate-level) durchgeführt. Des Weiteren werden Simulatoren auf Systemebene (system-level) verwendet, um Multicore Designs zu implementieren und zu simulieren. Zur Validierung und Bewertung der Effektivität gegenüber dem Stand der Technik werden analytische, gate-level und system-level Simulationen herangezogen, die sowohl synthetische als auch reale Anwendungen betrachten

Exploring New Computing Paradigms for Data-Intensive Applications

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Design Techniques for Energy-Quality Scalable Digital Systems

Energy efficiency is one of the key design goals in modern computing. Increasingly complex tasks are being executed in mobile devices and Internet of Things end-nodes, which are expected to operate for long time intervals, in the orders of months or years, with the limited energy budgets provided by small form-factor batteries. Fortunately, many of such tasks are error resilient, meaning that they can toler- ate some relaxation in the accuracy, precision or reliability of internal operations, without a significant impact on the overall output quality. The error resilience of an application may derive from a number of factors. The processing of analog sensor inputs measuring quantities from the physical world may not always require maximum precision, as the amount of information that can be extracted is limited by the presence of external noise. Outputs destined for human consumption may also contain small or occasional errors, thanks to the limited capabilities of our vision and hearing systems. Finally, some computational patterns commonly found in domains such as statistics, machine learning and operational research, naturally tend to reduce or eliminate errors. Energy-Quality (EQ) scalable digital systems systematically trade off the quality of computations with energy efficiency, by relaxing the precision, the accuracy, or the reliability of internal software and hardware components in exchange for energy reductions. This design paradigm is believed to offer one of the most promising solutions to the impelling need for low-energy computing. Despite these high expectations, the current state-of-the-art in EQ scalable design suffers from important shortcomings. First, the great majority of techniques proposed in literature focus only on processing hardware and software components. Nonetheless, for many real devices, processing contributes only to a small portion of the total energy consumption, which is dominated by other components (e.g. I/O, memory or data transfers). Second, in order to fulfill its promises and become diffused in commercial devices, EQ scalable design needs to achieve industrial level maturity. This involves moving from purely academic research based on high-level models and theoretical assumptions to engineered flows compatible with existing industry standards. Third, the time-varying nature of error tolerance, both among different applications and within a single task, should become more central in the proposed design methods. This involves designing “dynamic” systems in which the precision or reliability of operations (and consequently their energy consumption) can be dynamically tuned at runtime, rather than “static” solutions, in which the output quality is fixed at design-time. This thesis introduces several new EQ scalable design techniques for digital systems that take the previous observations into account. Besides processing, the proposed methods apply the principles of EQ scalable design also to interconnects and peripherals, which are often relevant contributors to the total energy in sensor nodes and mobile systems respectively. Regardless of the target component, the presented techniques pay special attention to the accurate evaluation of benefits and overheads deriving from EQ scalability, using industrial-level models, and on the integration with existing standard tools and protocols. Moreover, all the works presented in this thesis allow the dynamic reconfiguration of output quality and energy consumption. More specifically, the contribution of this thesis is divided in three parts. In a first body of work, the design of EQ scalable modules for processing hardware data paths is considered. Three design flows are presented, targeting different technologies and exploiting different ways to achieve EQ scalability, i.e. timing-induced errors and precision reduction. These works are inspired by previous approaches from the literature, namely Reduced-Precision Redundancy and Dynamic Accuracy Scaling, which are re-thought to make them compatible with standard Electronic Design Automation (EDA) tools and flows, providing solutions to overcome their main limitations. The second part of the thesis investigates the application of EQ scalable design to serial interconnects, which are the de facto standard for data exchanges between processing hardware and sensors. In this context, two novel bus encodings are proposed, called Approximate Differential Encoding and Serial-T0, that exploit the statistical characteristics of data produced by sensors to reduce the energy consumption on the bus at the cost of controlled data approximations. The two techniques achieve different results for data of different origins, but share the common features of allowing runtime reconfiguration of the allowed error and being compatible with standard serial bus protocols. Finally, the last part of the manuscript is devoted to the application of EQ scalable design principles to displays, which are often among the most energy- hungry components in mobile systems. The two proposals in this context leverage the emissive nature of Organic Light-Emitting Diode (OLED) displays to save energy by altering the displayed image, thus inducing an output quality reduction that depends on the amount of such alteration. The first technique implements an image-adaptive form of brightness scaling, whose outputs are optimized in terms of balance between power consumption and similarity with the input. The second approach achieves concurrent power reduction and image enhancement, by means of an adaptive polynomial transformation. Both solutions focus on minimizing the overheads associated with a real-time implementation of the transformations in software or hardware, so that these do not offset the savings in the display. For each of these three topics, results show that the aforementioned goal of building EQ scalable systems compatible with existing best practices and mature for being integrated in commercial devices can be effectively achieved. Moreover, they also show that very simple and similar principles can be applied to design EQ scalable versions of different system components (processing, peripherals and I/O), and to equip these components with knobs for the runtime reconfiguration of the energy versus quality tradeoff