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

Task modules Partitioning, Scheduling and Floorplanning for Partially Dynamically Reconfigurable Systems Based on Modern Heterogeneous FPGAs

Modern field programmable gate array(FPGA) can be partially dynamically reconfigurable with heterogeneous resources distributed on the chip. And FPGA-based partially dynamically reconfigurable system(FPGA-PDRS) can be used to accelerate computing and improve computing flexibility. However, the traditional design of FPGA-PDRS is based on manual design. Implementing the automation of FPGA-PDRS needs to solve the problems of task modules partitioning, scheduling, and floorplanning on heterogeneous resources. Existing works only partly solve problems for the automation process of FPGA-PDRS or model homogeneous resource for FPGA-PDRS. To better solve the problems in the automation process of FPGA-PDRS and narrow the gap between algorithm and application, in this paper, we propose a complete workflow including three parts, pre-processing to generate the list of task modules candidate shapes according to the resources requirements, exploration process to search the solution of task modules partitioning, scheduling, and floorplanning, and post-optimization to improve the success rate of floorplan. Experimental results show that, compared with state-of-the-art work, the proposed complete workflow can improve performance by 18.7\%, reduce communication cost by 8.6\%, on average, with improving the resources reuse rate of the heterogeneous resources on the chip. And based on the solution generated by the exploration process, the post-optimization can improve the success rate of the floorplan by 14\%

A Modular Approach to Adaptive Reactive Streaming Systems

The latest generations of FPGA devices offer large resource counts that provide the headroom to implement large-scale and complex systems. However, there are increasing challenges for the designer, not just because of pure size and complexity, but also in harnessing effectively the flexibility and programmability of the FPGA. A central issue is the need to integrate modules from diverse sources to promote modular design and reuse. Further, the capability to perform dynamic partial reconfiguration (DPR) of FPGA devices means that implemented systems can be made reconfigurable, allowing components to be changed during operation. However, use of DPR typically requires low-level planning of the system implementation, adding to the design challenge. This dissertation presents ReShape: a high-level approach for designing systems by interconnecting modules, which gives a ‘plug and play’ look and feel to the designer, is supported by tools that carry out implementation and verification functions, and is carried through to support system reconfiguration during operation. The emphasis is on the inter-module connections and abstracting the communication patterns that are typical between modules – for example, the streaming of data that is common in many FPGA-based systems, or the reading and writing of data to and from memory modules. ShapeUp is also presented as the static precursor to ReShape. In both, the details of wiring and signaling are hidden from view, via metadata associated with individual modules. ReShape allows system reconfiguration at the module level, by supporting type checking of replacement modules and by managing the overall system implementation, via metadata associated with its FPGA floorplan. The methodology and tools have been implemented in a prototype for a broad domain-specific setting – networking systems – and have been validated on real telecommunications design projects

Efficient algorithm and architecture for implementation of multiplier circuits in modern EPGAs

High speed multiplication in Field Programmable Gate Arrays is often performed either using logic cells or with built-in DSP blocks. The latter provides the highest performance for arithmetic operations while being also optimized in terms of power and area utilization. Scalability of input operands is limited to that of a single DSP block and the current CAD tools provide little help when the designer needs to build larger arithmetic blocks. The present thesis proposes an effective approach to the problem of building large integer multipliers out of smaller ones by giving two algorithms to the system designer, for a given FPGA technology. Large word length is required in applications such as cryptography and video processing. The first proposed algorithm partitions large input multipliers into an architecture-aware design. The second algorithm then places the generated design in an optimal layout minimizing interconnect delay. The thesis concludes with simulation and hardware generated data to support the proposed algorithms

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

On Mitigation of Side-Channel Attacks in 3D ICs: Decorrelating Thermal Patterns from Power and Activity

Various side-channel attacks (SCAs) on ICs have been successfully demonstrated and also mitigated to some degree. In the context of 3D ICs, however, prior art has mainly focused on efficient implementations of classical SCA countermeasures. That is, SCAs tailored for up-and-coming 3D ICs have been overlooked so far. In this paper, we conduct such a novel study and focus on one of the most accessible and critical side channels: thermal leakage of activity and power patterns. We address the thermal leakage in 3D ICs early on during floorplanning, along with tailored extensions for power and thermal management. Our key idea is to carefully exploit the specifics of material and structural properties in 3D ICs, thereby decorrelating the thermal behaviour from underlying power and activity patterns. Most importantly, we discuss powerful SCAs and demonstrate how our open-source tool helps to mitigate them.Comment: Published in Proc. Design Automation Conference, 201

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