IEEE Compliant Double-Precision FPU and 64-bit ALU with Variable Latency Integer Divider

Together the arithmetic logic unit (ALU) and floating-point unit (FPU) perform all of the mathematical and logic operations of computer processors. Because they are used so prominently, they fall in the critical path of the central processing unit - often becoming the bottleneck, or limiting factor for performance. As such, the design of a high-speed ALU and FPU is vital to creating a processor capable of performing up to the demanding standards of today\u27s computer users. In this paper, both a 64-bit ALU and a 64-bit FPU are designed based on the reduced instruction set computer architecture. The ALU performs the four basic mathematical operations - addition, subtraction, multiplication and division - in both unsigned and two\u27s complement format, basic logic operations and shifting. The division algorithm is a novel approach, using a comparison multiples based SRT divider to create a variable latency integer divider. The floating-point unit performs the double-precision floating-point operations add, subtract, multiply and divide, in accordance with the IEEE 754 standard for number representation and rounding. The ALU and FPU were implemented in VHDL, simulated in ModelSim, and constrained and synthesized using Synopsys Design Compiler (2006.06). They were synthesized using TSMC 0.1 3nm CMOS technology. The timing, power and area synthesis results were recorded, and, where applicable, compared to those of the corresponding DesignWare components.The ALU synthesis reported an area of 122,215 gates, a power of 384 mW, and a delay of 2.89 ns - a frequency of 346 MHz. The FPU synthesis reported an area 84,440 gates, a delay of 2.82 ns and an operating frequency of 355 MHz. It has a maximum dynamic power of 153.9 mW

A Study on Efficient Designs of Approximate Arithmetic Circuits

Approximate computing is a popular field where accuracy is traded with energy. It can benefit applications such as multimedia, mobile computing and machine learning which are inherently error resilient. Error introduced in these applications to a certain degree is beyond human perception. This flexibility can be exploited to design area, delay and power efficient architectures. However, care must be taken on how approximation compromises the correctness of results. This research work aims to provide approximate hardware architectures with error metrics and design metrics analyzed and their effects in image processing applications. Firstly, we study and propose unsigned array multipliers based on probability statistics and with approximate 4-2 compressors, full adders and half adders. This work deals with a new design approach for approximation of multipliers. The partial products of the multiplier are altered to introduce varying probability terms. Logic complexity of approximation is varied for the accumulation of altered partial products based on their probability. The proposed approximation is utilized in two variants of 16-bit multipliers. Synthesis results reveal that two proposed multipliers achieve power savings of 72% and 38% respectively compared to an exact multiplier. They have better precision when compared to existing approximate multipliers. Mean relative error distance (MRED) figures are as low as 7.6% and 0.02% for the proposed approximate multipliers, which are better than the previous state-of-the-art works. Performance of the proposed multipliers is evaluated with geometric mean filtering application, where one of the proposed models achieves the highest peak signal to noise ratio (PSNR). Second, approximation is proposed for signed Booth multiplication. Approximation is introduced in partial product generation and partial product accumulation circuits. In this work, three multipliers (ABM-M1, ABM-M2, and ABM-M3) are proposed in which the modified Booth algorithm is approximated. In all three designs, approximate Booth partial product generators are designed with different variations of approximation. The approximations are performed by reducing the logic complexity of the Booth partial product generator, and the accumulation of partial products is slightly modified to improve circuit performance. Compared to the exact Booth multiplier, ABM-M1 achieves up to 15% reduction in power consumption with an MRED value of 7.9 × 10-4. ABM-M2 has power savings of up to 60% with an MRED of 1.1 × 10-1. ABM-M3 has power savings of up to 50% with an MRED of 3.4 × 10-3. Compared to existing approximate Booth multipliers, the proposed multipliers ABM-M1 and ABM-M3 achieve up to a 41% reduction in power consumption while exhibiting very similar error metrics. Image multiplication and matrix multiplication are used as case studies to illustrate the high performance of the proposed approximate multipliers. Third, distributed arithmetic based sum of products units approximation is analyzed. Sum of products units are key elements in many digital signal processing applications. Three approximate sum of products models which are based on distributed arithmetic are proposed. They are designed for different levels of accuracy. First model of approximate sum of products achieves an improvement up to 64% on area and 70% on power, when compared to conventional unit. Other two models provide an improvement of 32% and 48% on area and 54% and 58% on power, respectively, with a reduced error rate compared to the first model. Third model achieves MRED and normalized mean error distance (NMED) as low as 0.05% and 0.009%. Performance of approximate units is evaluated with a noisy image smoothing application, where the proposed models are capable of achieving higher PSNR than existing state of the art techniques. Fourth, approximation is applied in division architecture. Two approximation models are proposed for restoring divider. In the first design, approximation is performed at circuit level, where approximate divider cells are utilized in place of exact ones by simplifying the logic equations. In the second model, restoring divider is analyzed strategically and number of restoring divider cells are reduced by finding the portions of divisor and dividend with significant information. An approximation factor $p$ is used in both designs. In model 1, the design with p=8 has a 58% reduction in both area and power consumption compared to exact design, with a Q-MRED of 1.909 × 10-2 and Q-NMED of 0.449 × 10-2. The second model with an approximation factor p=4 has 54% area savings and 62% power savings compared to exact design. The proposed models are found to have better error metrics compared to existing designs, with better performance at similar error values. A change detection image processing application is used for real time assessment of proposed and existing approximate dividers and one of the models achieves a PSNR of 54.27 dB

A comparative analysis of parallel prefix adders in 32nm and 45nm static CMOS technology

textBinary adders form a major part in various arithmetic logical operation units including multipliers, dividers and digital signal processors. Parallel prefix adders represent a set of efficient structures for binary addition, greatly suited for VLSI implementation due to their regularity and speed. This report is focused on the comparative analysis of 5 major types of parallel prefix adder frameworks namely Kooge-Stone, Knowles adders, Brent-Kung, Han-Carlson and Ladner-Fischer adders implemented in Synopsys's SAED 32nm static CMOS technology operating at 1.05V for 8-bit, 16-bit and 32-bit input vectors based on power, performance and area (PPA) metrics. The process technology is modeled with 9 metal tracks. Power, performance and area metrics based on circuit simulations are used for comparison. The metrics are compared across SAED 32nm and FreePDK 45nm technology to quantify the impact of technology on architecture.Electrical and Computer Engineerin

Public key cryptosystems : theory, application and implementation

The determination of an individual's right to privacy is mainly a nontechnical matter, but the pragmatics of providing it is the central concern of the cryptographer. This thesis has sought answers to some of the outstanding issues in cryptography. In particular, some of the theoretical, application and implementation problems associated with a Public Key Cryptosystem (PKC).The Trapdoor Knapsack (TK) PKC is capable of fast throughput, but suffers from serious disadvantages. In chapter two a more general approach to the TK-PKC is described, showing how the public key size can be significantly reduced. To overcome the security limitations a new trapdoor was described in chapter three. It is based on transformations between the radix and residue number systems.Chapter four considers how cryptography can best be applied to multi-addressed packets of information. We show how security or communication network structure can be used to advantage, then proposing a new broadcast cryptosystem, which is more generally applicable.Copyright is traditionally used to protect the publisher from the pirate. Chapter five shows how to protect information when in easily copyable digital format.Chapter six describes the potential and pitfalls of VLSI, followed in chapter seven by a model for comparing the cost and performance of VLSI architectures. Chapter eight deals with novel architectures for all the basic arithmetic operations. These architectures provide a basic vocabulary of low complexity VLSI arithmetic structures for a wide range of applications.The design of a VLSI device, the Advanced Cipher Processor (ACP), to implement the RSA algorithm is described in chapter nine. It's heart is the modular exponential unit, which is a synthesis of the architectures in chapter eight. The ACP is capable of a throughput of 50 000 bits per second

The implementation and applications of multiple-valued logic

Multiple-Valued Logic (MVL) takes two major forms. Multiple-valued circuits can implement the logic directly by using multiple-valued signals, or the logic can be implemented indirectly with binary circuits, by using more than one binary signal to represent a single multiple-valued signal. Techniques such as carry-save addition can be viewed as indirectly implemented MVL. Both direct and indirect techniques have been shown in the past to provide advantages over conventional arithmetic and logic techniques in algorithms required widely in computing for applications such as image and signal processing. It is possible to implement basic MVL building blocks at the transistor level. However, these circuits are difficult to design due to their non binary nature. In the design stage they are more like analogue circuits than binary circuits. Current integrated circuit technologies are biased towards binary circuitry. However, in spite of this, there is potential for power and area savings from MVL circuits, especially in technologies such as BiCMOS. This thesis shows that the use of voltage mode MVL will, in general not provide bandwidth increases on circuit buses because the buses become slower as the number of signal levels increases. Current mode MVL circuits however do have potential to reduce power and area requirements of arithmetic circuitry. The design of transistor level circuits is investigated in terms of a modern production technology. A novel methodology for the design of current mode MVL circuits is developed. The methodology is based upon the novel concept of the use of non-linear current encoding of signals, providing the opportunity for the efficient design of many previously unimplemented circuits in current mode MVL. This methodology is used to design a useful set of basic MVL building blocks, and fabrication results are reported. The creation of libraries of MVL circuits is also discussed. The CORDIC algorithm for two dimensional vector rotation is examined in detail as an example for indirect MVL implementation. The algorithm is extended to a set of three dimensional vector rotators using conventional arithmetic, redundant radix four arithmetic, and Taylor's series expansions. These algorithms can be used for two dimensional vector rotations in which no scale factor corrections are needed. The new algorithms are compared in terms of basic VLSI criteria against previously reported algorithms. A pipelined version of the redundant arithmetic algorithm is floorplanned and partially laid out to give indications of wiring overheads, and layout densities. An indirectly implemented MVL algorithm such as the CORDIC algorithm described in this thesis would clearly benefit from direct implementation in MVL

RTLLM: An Open-Source Benchmark for Design RTL Generation with Large Language Model

Inspired by the recent success of large language models (LLMs) like ChatGPT, researchers start to explore the adoption of LLMs for agile hardware design, such as generating design RTL based on natural-language instructions. However, in existing works, their target designs are all relatively simple and in a small scale, and proposed by the authors themselves, making a fair comparison among different LLM solutions challenging. In addition, many prior works only focus on the design correctness, without evaluating the design qualities of generated design RTL. In this work, we propose an open-source benchmark named RTLLM, for generating design RTL with natural language instructions. To systematically evaluate the auto-generated design RTL, we summarized three progressive goals, named syntax goal, functionality goal, and design quality goal. This benchmark can automatically provide a quantitative evaluation of any given LLM-based solution. Furthermore, we propose an easy-to-use yet surprisingly effective prompt engineering technique named self-planning, which proves to significantly boost the performance of GPT-3.5 in our proposed benchmark

Approximate hardening techniques for digital signal processing circuits against radiation-induced faults

RESUMEN NO TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID por sus siglas en inglés), o por distorsiones en el silicio sobre el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o fallos destructivos en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE por sus siglas en inglés). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA comerciales, dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos de prueba endurecidos mediante TMR y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA): • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. De este modo se pueden disminuir los recursos necesitados por el circuito, aunque las correcciones en caso de fallo son menos precisas que en el TMR. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está pensada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí. Las réplicas redundantes calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales, lo que reduce su tamaño y permite correcciones aproximadas en caso de fallo. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Las réplicas redundantes se forman como bloques que calculan resultados intermedios y el resultado de su composición se puede comparar con el resultado original. Este método permite reducir recursos y proporciona resultados de corrección exactos en la mayor parte de los casos, lo que supone una mejora importante con respecto a las correcciones de los métodos anteriores. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. En concreto, se han realizado ensayos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y ensayos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido).RESUMEN TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID, Total Ionizing Dose), o por distorsiones acumuladas en la matriz cristalina del silicio en el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD, Displacement Damage). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o la activación de circuitos parasitarios en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE, Single Event Effects). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP, por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD, por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS, por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC, Duplication With Comparison]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR, Triple Modular Redundancy) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las técnicas utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA (Field Programmable Gate Array) comerciales. Las FPGA son dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales diseñados a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. Su capacidad de reconfiguración y sus altas prestaciones las convierten en dispositivos muy interesantes para aplicaciones espaciales, donde realizar cambios en los diseños no suele ser posible una vez comenzada la misión. La reconfigurabilidad de las FPGA permite corregir en remoto posibles problemas en el diseño, pero también añadir o modificar funcionalidades a los circuitos implementados en el sistema. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas e implementadas en FPGAs se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. Los ensayos de radiación son el estándar industrial para probar el comportamiento de todos los sistemas electrónicos que se envían a una misión espacial. Con estos ensayos se trata de emular de manera acelerada las condiciones de radiación a las que se verán sometidos los sistemas una vez hayan sido lanzados y determinar su resistencia a TID, DD y/o SEEs. Dependiendo del efecto que se quiera observar, las partículas elegidas para la radiación varían, pudiendo elegirse entre electrones, neutrones, protones, iones pesados, fotones... Particularmente, los ensayos de radiación realizados en este trabajo, tratándose de un estudio de técnicas de endurecimiento para sistemas electrónicos digitales, están destinados a establecer la sensibilidad de los circuitos estudiados frente a un tipo de SEE conocido como Single Event Upset (SEU), en el que la radiación modifica el valor lógico de un elemento de memoria. Para ello, hemos recurrido a experimentos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA, España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y experimentos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido). La sensibilidad de un circuito suele medirse en términos de su sección eficaz (cross section) con respecto a una partícula determinada, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y el número de partículas ionizantes por unidad de área utilizadas en la campaña de radiación. Esta métrica sirve para estimar el número de fallos que provocará la radiación a lo largo de la vida útil del sistema, pero también para establecer comparaciones que permitan conocer la eficacia de los sistemas de endurecimiento implementados y ayudar a mejorarlos. El método de inyección de fallos utilizado en esta Tesis como complemento a la radiación se basa en modificar el valor lógico de los datos almacenados en la memoria de configuración de la FPGA. En esta memoria se guarda la descripción del funcionamiento del circuito implementado en la FPGA, por lo que modificar sus valores equivale a modificar el circuito. En FPGAs que utilizan la tecnología SRAM en sus memorias de configuración, como las utilizadas en esta Tesis, este es el componente más sensible a la radiación, por lo que es posible comparar los resultados de la inyección de fallos y de las campañas de radiación. Análogamente a la sección eficaz, en experimentos de inyección de fallos podemos hablar de la tasa de error, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y la cantidad de bits de memoria inyectados. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos endurecidos mediante Redundancia Modular Triple y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA). Estas dos últimas son contribuciones originales presentadas en esta Tesis. • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. Para cada dato de salida se comparan el resultado del circuito original y los dos resultados de precisión reducida. Si los dos resultados de precisión reducida son idénticos y su diferencia con el resultado de precisión completa es mayor que un determinado valor umbral, se considera que existe un fallo en el circuito original y se utiliza el resultado de precisión reducida para corregirlo. En cualquier otro caso, el resultado original se considera correcto, aunque pueda contener errores tolerables por debajo del umbral de comparación. En comparación con un circuito endurecido con TMR, los diseños RPR utilizan menos recursos, debido a la reducción en la precisión de los cálculos de los circuitos redundantes. No obstante, esto también afecta a la calidad de los resultados obtenidos cuando se corrige un error. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. En esta variante de la técnica RPR, los resultados de cada etapa de cálculo en los circuitos redundantes tienen una precisión diferente, incrementándose hacia las últimas etapas, en las que el resultado tiene la misma precisión que el circuito original. Con este método se logra incrementar la calidad de los datos corregidos a la vez que se reducen los recursos utilizados por el endurecimiento. Los resultados de las campañas de radiación y de inyección de fallos realizadas sobre los diseños endurecidos con RPR sugieren que la reducción de recursos no sólo es beneficiosa por sí misma en términos de recursos y energía utilizados por el sistema, sino que también conlleva una reducción de la sensibilidad de los circuitos, medida tanto en cross section como en tasa de error. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está indicada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí, como puede ser un algoritmo de procesamiento de imágenes. En la técnica RRR, se añaden dos circuitos redundantes que calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales. Tras el cálculo, los resultados diezmados pueden interpolarse para obtener un resultado aproximado del mismo tamaño que el resultado del circuito original. Una vez interpolados, los resultados de los tres circuitos pueden ser comparados para detectar y corregir fallos de una manera similar a la que se utiliza en la técnica RPR. Aprovechando las características del diseño hardware, la disminución de la cantidad de datos que procesan los circuitos de Resolución Reducida puede traducirse en una disminución de recursos, en lugar de una disminución de tiempo de cálculo. De esta manera, la técnica RRR es capaz de reducir el consumo de recursos en comparación a los que se necesitarían si se utilizase un endurecimiento TMR. Los resultados de los experimentos realizados en diseños endurecidos mediante Redundancia de Resolución Reducida sugieren que la técnica es eficaz en reducir los recursos utilizados y, al igual que pasaba en el caso de la Redundancia de Precisión Reducida, también su sensibilidad se ve reducida, comparada con la sensibilidad del mismo circuito endurecido con Redundancia Modular Triple. Además, se observa una reducción notable de la sensibilidad de los circuitos frente a errores no corregibles, comparado con el mismo resultado en TMR y RPR. Este tipo de error engloba aquellos producidos por fallos en la lógica de comparación y votación o aquellos en los que un único SEU produce fallos en los resultados de dos o más de los circuitos redundantes al mismo tiempo, lo que se conoce como Fallo en Modo Común (CMF). No obstante, también se observa que la calidad de las correcciones realizadas utilizando este método empeora ligeramente. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Para endurecer un circuito usando esta técnica, se añaden dos circuitos redundantes diferentes entre sí y que procesan cada uno una parte diferente del conjunto de datos de entrada. Cada uno de estos circuitos aproximados calcula un resultado intermedio. La composición de los dos resultados intermedios da un resultado idéntico al del circuito original en ausencia de fallos. La detección de fallos se realiza comparando el resultado del circuito original con el de la composición de los circuitos aproximados. En caso de ser diferentes, se puede determinar el origen del fallo comparando los resultados aproximados intermedios frente a un umbral. Si la diferencia entre los resultados intermedios supera el umbral, significa que el fallo se ha producido en uno de los circuitos aproximados y que el resultado de la composición no debe ser utilizado en la salida. Al igual que ocurre en la Redundancia de Precisión Reducida y la Redundancia de Resolución Reducida, utilizar un umbral de comparación implica la existencia de errores tolerables. No obstante, esta técnica de endurecimiento permite realizar correcciones exactas, en lugar de aproximadas, en la mayor parte de los casos, lo que mejora la calidad de los resultados con respecto a otras técnicas de endurecimiento aproximadas, al tiempo que reduce los recursos utilizados por el sistema endurecido en comparación con las técnicas tradicionales. Los resultados de los experimentos realizados con diseños endurecidos mediante Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos confirman que esta técnica de endurecimiento es capaz de producir correcciones exactas en un alto porcentaje de los eventos. Su sensibilidad frente a todo tipo de errores y frente a errores no corregibles también se ve disminuida, comparada con la obtenida con Redundancia Modular Triple. Los resultados presentados en esta Tesis respaldan la idea de que las técnicas de Redundancia Aproximada son alternativas viables a las técnicas de endurecimiento frente a la radiación habituales, siempre que

Acceleration Techniques for Sparse Recovery Based Plane-wave Decomposition of a Sound Field

Plane-wave decomposition by sparse recovery is a reliable and accurate technique for plane-wave decomposition which can be used for source localization, beamforming, etc. In this work, we introduce techniques to accelerate the plane-wave decomposition by sparse recovery. The method consists of two main algorithms which are spherical Fourier transformation (SFT) and sparse recovery. Comparing the two algorithms, the sparse recovery is the most computationally intensive. We implement the SFT on an FPGA and the sparse recovery on a multithreaded computing platform. Then the multithreaded computing platform could be fully utilized for the sparse recovery. On the other hand, implementing the SFT on an FPGA helps to flexibly integrate the microphones and improve the portability of the microphone array. For implementing the SFT on an FPGA, we develop a scalable FPGA design model that enables the quick design of the SFT architecture on FPGAs. The model considers the number of microphones, the number of SFT channels and the cost of the FPGA and provides the design of a resource optimized and cost-effective FPGA architecture as the output. Then we investigate the performance of the sparse recovery algorithm executed on various multithreaded computing platforms (i.e., chip-multiprocessor, multiprocessor, GPU, manycore). Finally, we investigate the influence of modifying the dictionary size on the computational performance and the accuracy of the sparse recovery algorithms. We introduce novel sparse-recovery techniques which use non-uniform dictionaries to improve the performance of the sparse recovery on a parallel architecture