Développement d'architectures HW/SW tolérantes aux fautes et auto-calibrantes pour les technologies Intégrées 3D

Malgré les avantages de l'intégration 3D, le test, le rendement et la fiabilité des Through-Silicon-Vias (TSVs) restent parmi les plus grands défis pour les systèmes 3D à base de Réseaux-sur-Puce (Network-on-Chip - NoC). Dans cette thèse, une stratégie de test hors-ligne a été proposé pour les interconnections TSV des liens inter-die des NoCs 3D. Pour le TSV Interconnect Built-In Self-Test (TSV-IBIST) on propose une nouvelle stratégie pour générer des vecteurs de test qui permet la détection des fautes structuraux (open et short) et paramétriques (fautes de délaye). Des stratégies de correction des fautes transitoires et permanents sur les TSV sont aussi proposées aux plusieurs niveaux d'abstraction: data link et network. Au niveau data link, des techniques qui utilisent des codes de correction (ECC) et retransmission sont utilisées pour protégé les liens verticales. Des codes de correction sont aussi utilisés pour la protection au niveau network. Les défauts de fabrication ou vieillissement des TSVs sont réparé au niveau data link avec des stratégies à base de redondance et sérialisation. Dans le réseau, les liens inter-die défaillante ne sont pas utilisables et un algorithme de routage tolérant aux fautes est proposé. On peut implémenter des techniques de tolérance aux fautes sur plusieurs niveaux. Les résultats ont montré qu'une stratégie multi-level atteint des très hauts niveaux de fiabilité avec un cout plus bas. Malheureusement, il n'y as pas une solution unique et chaque stratégie a ses avantages et limitations. C'est très difficile d'évaluer tôt dans le design flow les couts et l'impact sur la performance. Donc, une méthodologie d'exploration de la résilience aux fautes est proposée pour les NoC 3D mesh.3D technology promises energy-efficient heterogeneous integrated systems, which may open the way to thousands cores chips. Silicon dies containing processing elements are stacked and connected by vertical wires called Through-Silicon-Vias. In 3D chips, interconnecting an increasing number of processing elements requires a scalable high-performance interconnect solution: the 3D Network-on-Chip. Despite the advantages of 3D integration, testing, reliability and yield remain the major challenges for 3D NoC-based systems. In this thesis, the TSV interconnect test issue is addressed by an off-line Interconnect Built-In Self-Test (IBIST) strategy that detects both structural (i.e. opens, shorts) and parametric faults (i.e. delays and delay due to crosstalk). The IBIST circuitry implements a novel algorithm based on the aggressor-victim scenario and alleviates limitations of existing strategies. The proposed Kth-aggressor fault (KAF) model assumes that the aggressors of a victim TSV are neighboring wires within a distance given by the aggressor order K. Using this model, TSV interconnect tests of inter-die 3D NoC links may be performed for different aggressor order, reducing test times and circuitry complexity. In 3D NoCs, TSV permanent and transient faults can be mitigated at different abstraction levels. In this thesis, several error resilience schemes are proposed at data link and network levels. For transient faults, 3D NoC links can be protected using error correction codes (ECC) and retransmission schemes using error detection (Automatic Retransmission Query) and correction codes (i.e. Hybrid error correction and retransmission).For transients along a source-destination path, ECC codes can be implemented at network level (i.e. Network-level Forward Error Correction). Data link solutions also include TSV repair schemes for faults due to fabrication processes (i.e. TSV-Spare-and-Replace and Configurable Serial Links) and aging (i.e. Interconnect Built-In Self-Repair and Adaptive Serialization) defects. At network-level, the faulty inter-die links of 3D mesh NoCs are repaired by implementing a TSV fault-tolerant routing algorithm. Although single-level solutions can achieve the desired yield / reliability targets, error mitigation can be realized by a combination of approaches at several abstraction levels. To this end, multi-level error resilience strategies have been proposed. Experimental results show that there are cases where this multi-layer strategy pays-off both in terms of cost and performance. Unfortunately, one-fits-all solution does not exist, as each strategy has its advantages and limitations. For system designers, it is very difficult to assess early in the design stages the costs and the impact on performance of error resilience. Therefore, an error resilience exploration (ERX) methodology is proposed for 3D NoCs.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Introduction de mécanismes de tolérance aux pannes franches dans les architectures de processeur « many-core » à mémoire partagée cohérente

The always increasing performance demands of applications such as cryptography, scientific simulation, network packets dispatching, signal processing or even general-purpose computing has made of many-core architectures a necessary trend in the processor design. These architectures can have hundreds or thousands of processor cores, so as to provide important computational throughputs with a reasonable power consumption. However, their important transistor density makes many-core architectures more prone to hardware failures. There is an augmentation in the fabrication process variability, and in the stress factors of transistors, which impacts both the manufacturing yield and lifetime. A potential solution to this problem is the introduction of fault-tolerance mechanisms allowing the processor to function in a degraded mode despite the presence of defective internal components. We propose a complete in-the-field reconfiguration-based permanent failure recovery mechanism for shared-memory many-core processors. This mechanism is based on a firmware (stored in distributed on-chip read-only memories) executed at each hardware reset by the internal processor cores without any external intervention. It consists in distributed software procedures, which locate the faulty components (cores, memory banks, and network-on-chip routers), reconfigure the hardware architecture, and provide a description of the functional hardware infrastructure to the operating system. Our proposal is evaluated using a cycle-accurate SystemC virtual prototype of an existing many-core architecture. We evaluate both its latency, and its silicon cost.L'augmentation continue de la puissance de calcul requise par les applications telles que la cryptographie, la simulation, ou le traitement du signal a fait évoluer la structure interne des processeurs vers des architectures massivement parallèles (dites « many-core »). Ces architectures peuvent contenir des centaines, voire des milliers de cœurs afin de fournir une puissance de calcul importante avec une consommation énergétique raisonnable. Néanmoins, l'importante densité de transistors fait que ces architectures sont très susceptibles aux pannes matérielles. L'augmentation dans la variabilité du processus de fabrication, et dans les facteurs de stress des transistors, dégrade à la fois le rendement de fabrication, et leur durée de vie. Nous proposons donc un mécanisme complet de tolérance aux pannes franches, permettant les architectures « many-core » à mémoire partagée cohérente de fonctionner dans un mode dégradé. Ce mécanisme s'appuie sur un logiciel embarqué et distribué dans des mémoires sur puce (« firmware »), qui est exécuté par les cœurs à chaque démarrage du processeur. Ce logiciel implémente plusieurs algorithmes distribués permettant de localiser les composants défaillants (cœurs, bancs mémoires, et routeurs des réseaux sur puce), de reconfigurer l'architecture matérielle, et de fournir une cartographie de l'infrastructure matérielle fonctionnelle au système d'exploitation. Le mécanisme supporte aussi bien des défauts de fabrication, que des pannes de vieillissement après que la puce est en service dans l'équipement. Notre proposition est évaluée en utilisant un prototype virtuel précis au cycle d'une architecture « many-core » existante

On Energy Efficient Computing Platforms

In accordance with the Moore's law, the increasing number of on-chip integrated transistors has enabled modern computing platforms with not only higher processing power but also more affordable prices. As a result, these platforms, including portable devices, work stations and data centres, are becoming an inevitable part of the human society. However, with the demand for portability and raising cost of power, energy efficiency has emerged to be a major concern for modern computing platforms. As the complexity of on-chip systems increases, Network-on-Chip (NoC) has been proved as an efficient communication architecture which can further improve system performances and scalability while reducing the design cost. Therefore, in this thesis, we study and propose energy optimization approaches based on NoC architecture, with special focuses on the following aspects. As the architectural trend of future computing platforms, 3D systems have many bene ts including higher integration density, smaller footprint, heterogeneous integration, etc. Moreover, 3D technology can signi cantly improve the network communication and effectively avoid long wirings, and therefore, provide higher system performance and energy efficiency. With the dynamic nature of on-chip communication in large scale NoC based systems, run-time system optimization is of crucial importance in order to achieve higher system reliability and essentially energy efficiency. In this thesis, we propose an agent based system design approach where agents are on-chip components which monitor and control system parameters such as supply voltage, operating frequency, etc. With this approach, we have analysed the implementation alternatives for dynamic voltage and frequency scaling and power gating techniques at different granularity, which reduce both dynamic and leakage energy consumption. Topologies, being one of the key factors for NoCs, are also explored for energy saving purpose. A Honeycomb NoC architecture is proposed in this thesis with turn-model based deadlock-free routing algorithms. Our analysis and simulation based evaluation show that Honeycomb NoCs outperform their Mesh based counterparts in terms of network cost, system performance as well as energy efficiency.Siirretty Doriast

Hierarchical Agent-based Adaptation for Self-Aware Embedded Computing Systems

Siirretty Doriast

Conception d'un micro-réseau intégré NOC tolérant les fautes multiples statiques et dynamiques

The quest for higher-performance and low-power consumption has driven the microelectronics' industry race towards aggressive technology scaling and multicore chip designs. In this many-core era, the Network-on-chip (NoCs) becomes the most promising solution for on-chip communication because of its performance scaling with the number of IPs integrated in the chip.Fault tolerance becomes mandatory as the CMOS technology continues shrinking down. The yield and the reliability are more and more affected by factors such as manufacturing defects, process variations, environment variations, cosmic radiations, and so on. As a result, the designs should be able to provide full functionality (e.g. critical systems), or at least allow degraded mode in a context of high failure rates. To accomplish this, the systems should be able to adapt to manufacturing and runtime failures.In this thesis, some techniques are proposed to improve the fault tolerance ability of NoC based circuits working in harsh environments. As previous works allow the handling of one type of fault at a time, we propose here a solution where different kinds of faults can be tolerated concurrently.Considering constraints such as area and power consumption, a fault tolerant adaptive routing algorithm was proposed, which can cope with transient, intermittent and permanent faults. Combined with some existing techniques, like flit retransmission and packet fragmentation, this approach allows tolerating numerous static and dynamic faults. Simulations results show that the proposed solution allows a high packet delivery success rate: for a 16x16 2D Mesh NoC, 97.68% in the presence of 384 simultaneous link faults, and 93.40% with the presence of 103 simultaneous router faults. This success rate is even higher when this algorithm is extended to NoCs with Tore topology. Another contribution of this thesis is the inclusion of a congestion management function in the proposed routing algorithm. For this purpose, we introduce a novel metric of congestion measurement named Flit Remain. The experimental results show that using this new congestion metric allows a reduction of the average latency of the Network on Chip from 2.5% to 16.1% when compared to the existing metrics.The combination of static and dynamic fault tolerant and adaptive routing and the congestion management offers a solution, which allows designing a NoC highly resilient.Les progrès dans les technologies à base de semi-conducteurs et la demande croissante de puissance de calcul poussent vers une intégration dans une même puce de plus en plus de processeurs intégrés. Par conséquent les réseaux sur puce remplacent progressivement les bus de communication, ceux-ci offrant plus de débit et permettant une mise à l'échelle simplifiée. Parallèlement, la réduction de la finesse de gravure entraine une augmentation de la sensibilité des circuits au processus de fabrication et à son environnement d'utilisation. Les défauts de fabrication et le taux de défaillances pendant la durée de vie du circuit augmentent lorsque l'on passe d'une technologie à une autre. Intégrer des techniques de tolérance aux fautes dans un circuit devient indispensable, en particulier pour les circuits évoluant dans un environnement très sensible (aérospatial, automobile, santé, ...). Nous présentons dans ce travail de thèse, des techniques permettant d'améliorer la tolérance aux fautes des micro-réseaux intégrés dans des circuits évoluant dans un environnement difficile. Le NoC doit ainsi être capable de s'affranchir de la présence de nombreuses fautes. Les travaux publiés jusqu'ici proposaient des solutions pour un seul type de faute. En considérant les contraintes de surface et de consommation du domaine de l'embarqué, nous avons proposé un algorithme de routage adaptatif tolérant à la fois les fautes intermittentes, transitoires et permanentes. En combinant et adaptant des techniques existantes de retransmission de flits, de fragmentation et de regroupement de paquet, notre approche permet de s'affranchir de nombreuses fautes statiques et dynamiques. Les très nombreuses simulations réalisées ont permis de montrer entre autre que, l'algorithme proposé permet d'atteindre un taux de livraison de paquets de 97,68% pour un NoC 16x16 en maille 2D en présence de 384 liens défectueux simultanés, et 93,40% lorsque 103 routeurs sont défaillants. Nous avons étendu l'algorithme aux topologies de type tore avec des résultats bien meilleurs.Une autre originalité de cette thèse est que nous avons inclus dans cet algorithme une fonction de gestion de la congestion. Pour cela nous avons défini une nouvelle métrique de mesure de la congestion (Flit Remain) plus pertinente que les métriques utilisées et publiées jusqu'ici. Les expériences ont montré que l'utilisation de cette métrique permet de réduire la latence (au niveau du pic de saturation) de 2,5 % à 16,1 %, selon le type de trafic généré, par rapport à la plus efficace des métriques existante. La combinaison du routage adaptatif tolérant les fautes statiques et dynamiques et la gestion de la congestion offrent une solution qui permet d'avoir un NoC et par extension un circuit beaucoup plus résilient