Physically-Adaptive Computing via Introspection and Self-Optimization in Reconfigurable Systems.

Digital electronic systems typically must compute precise and deterministic results, but in principle have flexibility in how they compute. Despite the potential flexibility, the overriding paradigm for more than 50 years has been based on fixed, non-adaptive inte-grated circuits. This one-size-fits-all approach is rapidly losing effectiveness now that technology is advancing into the nanoscale. Physical variation and uncertainty in com-ponent behavior are emerging as fundamental constraints and leading to increasingly sub-optimal fault rates, power consumption, chip costs, and lifetimes. This dissertation pro-poses methods of physically-adaptive computing (PAC), in which reconfigurable elec-tronic systems sense and learn their own physical parameters and adapt with fine granu-larity in the field, leading to higher reliability and efficiency. We formulate the PAC problem and provide a conceptual framework built around two major themes: introspection and self-optimization. We investigate how systems can efficiently acquire useful information about their physical state and related parameters, and how systems can feasibly re-implement their designs on-the-fly using the information learned. We study the role not only of self-adaptation—where the above two tasks are performed by an adaptive system itself—but also of assisted adaptation using a remote server or peer. We introduce low-cost methods for sensing regional variations in a system, including a flexible, ultra-compact sensor that can be embedded in an application and implemented on field-programmable gate arrays (FPGAs). An array of such sensors, with only 1% to-tal overhead, can be employed to gain useful information about circuit delays, voltage noise, and even leakage variations. We present complementary methods of regional self-optimization, such as finding a design alternative that best fits a given system region. We propose a novel approach to characterizing local, uncorrelated variations. Through in-system emulation of noise, previously hidden variations in transient fault sus-ceptibility are uncovered. Correspondingly, we demonstrate practical methods of self-optimization, such as local re-placement, informed by the introspection data. Forms of physically-adaptive computing are strongly needed in areas such as com-munications infrastructure, data centers, and space systems. This dissertation contributes practical methods for improving PAC costs and benefits, and promotes a vision of re-sourceful, dependable digital systems at unimaginably-fine physical scales.Ph.D.Computer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/78922/1/kzick_1.pd

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

Recent Advances in Embedded Computing, Intelligence and Applications

The latest proliferation of Internet of Things deployments and edge computing combined with artificial intelligence has led to new exciting application scenarios, where embedded digital devices are essential enablers. Moreover, new powerful and efficient devices are appearing to cope with workloads formerly reserved for the cloud, such as deep learning. These devices allow processing close to where data are generated, avoiding bottlenecks due to communication limitations. The efficient integration of hardware, software and artificial intelligence capabilities deployed in real sensing contexts empowers the edge intelligence paradigm, which will ultimately contribute to the fostering of the offloading processing functionalities to the edge. In this Special Issue, researchers have contributed nine peer-reviewed papers covering a wide range of topics in the area of edge intelligence. Among them are hardware-accelerated implementations of deep neural networks, IoT platforms for extreme edge computing, neuro-evolvable and neuromorphic machine learning, and embedded recommender systems

Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht

On the Exploration of FPGAs and High-Level Synthesis Capabilities on Multi-Gigabit-per-Second Networks

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Tecnología Electrónica y de las Comunicaciones. Fecha de lectura: 24-01-2020Traffic on computer networks has faced an exponential grown in recent years. Both links and communication equipment had to adapt in order to provide a minimum quality of service required for current needs. However, in recent years, a few factors have prevented commercial off-the-shelf hardware from being able to keep pace with this growth rate, consequently, some software tools are struggling to fulfill their tasks, especially at speeds higher than 10 Gbit/s. For this reason, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have arisen as an alternative to address the most demanding tasks without the need to design an application specific integrated circuit, this is in part to their flexibility and programmability in the field. Needless to say, developing for FPGAs is well-known to be complex. Therefore, in this thesis we tackle the use of FPGAs and High-Level Synthesis (HLS) languages in the context of computer networks. We focus on the use of FPGA both in computer network monitoring application and reliable data transmission at very high-speed. On the other hand, we intend to shed light on the use of high level synthesis languages and boost FPGA applicability in the context of computer networks so as to reduce development time and design complexity. In the first part of the thesis, devoted to computer network monitoring. We take advantage of the FPGA determinism in order to implement active monitoring probes, which consist on sending a train of packets which is later used to obtain network parameters. In this case, the determinism is key to reduce the uncertainty of the measurements. The results of our experiments show that the FPGA implementations are much more accurate and more precise than the software counterpart. At the same time, the FPGA implementation is scalable in terms of network speed — 1, 10 and 100 Gbit/s. In the context of passive monitoring, we leverage the FPGA architecture to implement algorithms able to thin cyphered traffic as well as removing duplicate packets. These two algorithms straightforward in principle, but very useful to help traditional network analysis tools to cope with their task at higher network speeds. On one hand, processing cyphered traffic bring little benefits, on the other hand, processing duplicate traffic impacts negatively in the performance of the software tools. In the second part of the thesis, devoted to the TCP/IP stack. We explore the current limitations of reliable data transmission using standard software at very high-speed. Nowadays, the network is becoming an important bottleneck to fulfill current needs, in particular in data centers. What is more, in recent years the deployment of 100 Gbit/s network links has started. Consequently, there has been an increase scrutiny of how networking functionality is deployed, furthermore, a wide range of approaches are currently being explored to increase the efficiency of networks and tailor its functionality to the actual needs of the application at hand. FPGAs arise as the perfect alternative to deal with this problem. For this reason, in this thesis we develop Limago an FPGA-based open-source implementation of a TCP/IP stack operating at 100 Gbit/s for Xilinx’s FPGAs. Limago not only provides an unprecedented throughput, but also, provides a tiny latency when compared to the software implementations, at least fifteen times. Limago is a key contribution in some of the hottest topic at the moment, for instance, network-attached FPGA and in-network data processing

Quantification and segmentation of breast cancer diagnosis: efficient hardware accelerator approach

The mammography image eccentric area is the breast density percentage measurement. The technical challenge of quantification in radiology leads to misinterpretation in screening. Data feedback from society, institutional, and industry shows that quantification and segmentation frameworks have rapidly become the primary methodologies for structuring and interpreting mammogram digital images. Segmentation clustering algorithms have setbacks on overlapping clusters, proportion, and multidimensional scaling to map and leverage the data. In combination, mammogram quantification creates a long-standing focus area. The algorithm proposed must reduce complexity and target data points distributed in iterative, and boost cluster centroid merged into a single updating process to evade the large storage requirement. The mammogram database's initial test segment is critical for evaluating performance and determining the Area Under the Curve (AUC) to alias with medical policy. In addition, a new image clustering algorithm anticipates the need for largescale serial and parallel processing. There is no solution on the market, and it is necessary to implement communication protocols between devices. Exploiting and targeting utilization hardware tasks will further extend the prospect of improvement in the cluster. Benchmarking their resources and performance is required. Finally, the medical imperatives cluster was objectively validated using qualitative and quantitative inspection. The proposed method should overcome the technical challenges that radiologists face

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