High-Performance Placement and Routing for the Nanometer Scale.

Modern semiconductor manufacturing facilitates single-chip electronic systems that only five years ago required ten to twenty chips. Naturally, design complexity has grown within this period. In contrast to this growth, it is becoming common in the industry to limit design team size which places a heavier burden on design automation tools. Our work identifies new objectives, constraints and concerns in the physical design of systems-on-chip, and develops new computational techniques to address them. In addition to faster and more relevant design optimizations, we demonstrate that traditional design flows based on ``separation of concerns'' produce unnecessarily suboptimal layouts. We develop new integrated optimizations that streamline traditional chains of loosely-linked design tools. In particular, we bridge the gap between mixed-size placement and routing by updating the objective of global and detail placement to a more accurate estimate of routed wirelength. To this we add sophisticated whitespace allocation, and the combination provides increased routability, faster routing, shorter routed wirelength, and the best via counts of published techniques. To further improve post-routing design metrics, we present new global routing techniques based on Discrete Lagrange Multipliers (DLM) which produce the best routed wirelength results on recent benchmarks. Our work culminates in the integration of our routing techniques within an incremental placement flow to improve detailed routing solutions, shrink die sizes and reduce total chip cost. Not only do our techniques improve the quality and cost of designs, but also simplify design automation software implementation in many cases. Ultimately, we reduce the time needed for design closure through improved tool fidelity and the use of our incremental techniques for placement and routing.Ph.D.Computer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/64639/1/royj_1.pd

Architecture FPGA améliorée et flot de conception pour une reconfiguration matérielle en ligne efficace

The self-reconfiguration capabilities of modern FPGA architectures pave the way for dynamic applications able to adapt to transient events. The CAD flows of modern architectures are nowadays mature but limited by the constraints induced by the complexity of FPGA circuits. In this thesis, multiple contributions are developed to propose an FPGA architecture supporting the dynamic placement of hardware tasks. First, an intermediate representation of these tasks configuration data, independent from their final position, is presented. This representation allows to compress the task data up to 11x with regard to its conventional raw counterpart. An accompanying CAD flow, based on state-of-the-art tools, is proposed to generate relocatable tasks from a high-level description. Then, the online behavior of this mechanism is studied. Two algorithms allowing to decode and create in real-time the conventional bit-stream are described. In addition, an enhancement of the FPGA interconnection network is proposedto increase the placement flexibility of heterogeneous tasks, at the cost of a 10% increase in average of the critical path delay. Eventually, a configurable substitute to the configuration memory found in FPGAs is studied to ease their partial reconfiguration.Les capacités d'auto-reconfiguration des architectures FPGA modernes ouvrent la voie à des applications dynamiques capables d'adapter leur fonctionnement pour répondre à des évènements ponctuels. Les flots de reconfiguration des architectures commerciales sont aujourd'hui aboutis mais limités par des contraintes inhérentes à la complexité de ces circuits. Dans cette thèse, plusieurs contributions sont avancées afin de proposer une architecture FPGA reconfigurable permettant le placement dynamique de tâches matérielles. Dans un premier temps, une représentation intermédiaire des données de configuration de ces tâches, indépendante de leur positionnement final, est présentée. Cette représentation permet notamment d'atteindre des taux de compression allant jusqu'à 11x par rapport à la représentation brute d'une tâche. Un flot de conception basé sur des outils de l'état de l'art accompagne cette représentation et génère des tâches relogeables à partir d'une description haut-niveau. Ensuite, le comportement en ligne de ce mécanisme est étudié. Deux algorithmes permettant le décodage de ces tâches et la génération en temps-réel des données de configuration propres à l'architectures son décrits. Par ailleurs, une amélioration du réseau d'interconnexion d'une architecture FPGA est proposée pour accroître la flexibilité du placement de tâches hétérogènes, avec une augmentation de 10% en moyenne du délai du chemin critique. Enfin, une alternative programmable aux mémoires de configuration de ces circuits est étudiée pour faciliter leur reconfiguration partielle

High-performance Global Routing for Trillion-gate Systems-on-Chips.

Due to aggressive transistor scaling, modern-day CMOS circuits have continually increased in both complexity and productivity. Modern semiconductor designs have narrower and more resistive wires, thereby shifting the performance bottleneck to interconnect delay. These trends considerably impact timing closure and call for improvements in high-performance physical design tools to keep pace with the current state of IC innovation. As leading-edge designs may incorporate tens of millions of gates, algorithm and software scalability are crucial to achieving reasonable turnaround time. Moreover, with decreasing device sizes, optimizing traditional objectives is no longer sufficient. Our research focuses on (i) expanding the capabilities of standalone global routing, (ii) extending global routing for use in different design applications, and (iii) integrating routing within broader physical design optimizations and flows, e.g., congestion-driven placement. Our first global router relies on integer-linear programming (ILP), and can solve fairly large problem instances to optimality. Our second iterative global router relies on Lagrangian relaxation, where we relax the routing violation constraints to allowing routing overflow at a penalty. In both approaches, our desire is to give the router the maximum degree of freedom within a specified context. Empirically, both routers produce competitive results within a reasonable amount of runtime. To improve routability, we explore the incorporation of routing with placement, where the router estimates congestion and feeds this information to the placer. In turn, the emphasis on runtime is heightened, as the router will be invoked multiple times. Empirically, our placement-and-route framework significantly improves the final solution’s routability than performing the steps sequentially. To further enhance routability-driven placement, we (i) leverage incrementality to generate fast and accurate congestion maps, and (ii) develop several techniques to relieve cell-based and layout-based congestion. To broaden the scope of routing, we integrate a global router in a chip-design flow that addresses the buffer explosion problem.PHDComputer Science and EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/98025/1/jinhu_1.pd

High-level power optimisation for Digital Signal Processing in Recon gurable Logic

This thesis is concerned with the optimisation of Digital Signal Processing (DSP) algorithm implementations on recon gurable hardware via the selection of appropriate word-lengths for the signals in these algorithms, in order to minimise system power consumption. Whilst existing word-length optimisation work has concentrated on the minimisation of the area of algorithm implementations, this work introduces the rst set of power consumption models that can be evaluated quickly enough to be used within the search of the enormous design space of multiple word-length optimisation problems. These models achieve their speed by estimating both the power consumed within the arithmetic components of an algorithm and the power in the routing wires that connect these components, using only a high-level description of the algorithm itself. Trading o a small reduction in power model accuracy for a large increase in speed is one of the major contributions of this thesis. In addition to the work on power consumption modelling, this thesis also develops a new technique for selecting the appropriate word-lengths for an algorithm implementation in order to minimise its cost in terms of power (or some other metric for which models are available). The method developed is able to provide tight lower and upper bounds on the optimal cost that can be obtained for a particular word-length optimisation problem and can, as a result, nd provably near-optimal solutions to word-length optimisation problems without resorting to an NP-hard search of the design space. Finally the costs of systems optimised via the proposed technique are compared to those obtainable by word-length optimisation for minimisation of other metrics (such as logic area) and the results compared, providing greater insight into the nature of wordlength optimisation problems and the extent of the improvements obtainable by them

Neural networks-on-chip for hybrid bio-electronic systems

PhD ThesisBy modelling the brains computation we can further our understanding of its function and develop novel treatments for neurological disorders. The brain is incredibly powerful and energy e cient, but its computation does not t well with the traditional computer architecture developed over the previous 70 years. Therefore, there is growing research focus in developing alternative computing technologies to enhance our neural modelling capability, with the expectation that the technology in itself will also bene t from increased awareness of neural computational paradigms. This thesis focuses upon developing a methodology to study the design of neural computing systems, with an emphasis on studying systems suitable for biomedical experiments. The methodology allows for the design to be optimized according to the application. For example, di erent case studies highlight how to reduce energy consumption, reduce silicon area, or to increase network throughput. High performance processing cores are presented for both Hodgkin-Huxley and Izhikevich neurons incorporating novel design features. Further, a complete energy/area model for a neural-network-on-chip is derived, which is used in two exemplar case-studies: a cortical neural circuit to benchmark typical system performance, illustrating how a 65,000 neuron network could be processed in real-time within a 100mW power budget; and a scalable highperformance processing platform for a cerebellar neural prosthesis. From these case-studies, the contribution of network granularity towards optimal neural-network-on-chip performance is explored

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

A complete design path for the layout of flexible macros

XIV+172hlm.;24c

Design automation and analysis of three-dimensional integrated circuits

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2004.Includes bibliographical references (p. 165-176).This dissertation concerns the design of circuits and systems for an emerging technology known as three-dimensional integration. By stacking individual components, dice, or whole wafers using a high-density electromechanical interconnect, three-dimensional integration can achieve scalability and performance exceeding that of conventional fabrication technologies. There are two main contributions of this thesis. The first is a computer-aided design flow for the digital components of a three-dimensional integrated circuit (3-D IC). This flow primarily consists of two software tools: PR3D, a placement and routing tool for custom 3-D ICs based on standard cells, and 3-D Magic, a tool for designing, editing, and testing physical layout characteristics of 3-D ICs. The second contribution of this thesis is a performance analysis of the digital components of 3-D ICs. We use the above tools to determine the extent to which 3-D integration can improve timing, energy, and thermal performance. In doing so, we verify the estimates of stochastic computational models for 3-D IC interconnects and find that the models predict the optimal 3-D wire length to within 20% accuracy. We expand upon this analysis by examining how 3-D technology factors affect the optimal wire length that can be obtained. Our ultimate analysis extends this work by directly considering timing and energy in 3-D ICs. In all cases we find that significant performance improvements are possible. In contrast, thermal performance is expected to worsen with the use of 3-D integration. We examine precisely how thermal behavior scales in 3-D integration and determine quantitatively how the temperature may be controlled during the circuit placement process. We also show how advanced packaging(cont.) technologies may be leveraged to maintain acceptable die temperatures in 3-D ICs. Finally, we explore two issues for the future of 3-D integration. We determine how technology scaling impacts the effect of 3-D integration on circuit performance. We also consider how to improve the performance of digital components in a mixed-signal 3-D integrated circuit. We conclude with a look towards future 3-D IC design tools.by Shamik Das.Ph.D