High Performance Spacecraft Computing (HPSC) Middleware Update

High Performance Spacecraft Computing (HPSC) is a joint project between the National Aeronautics and Space Administration (NASA) and Air Force Research Lab (AFRL) to develop a high-performance multi-core radiation hardened flight processor. HPSC offers a new flight computing architecture to meet the needs of NASA missions through 2030 and beyond. Providing on the order of 100X the computational capacity of current flight processors for the same amount of power, the multicore architecture of the HPSC processor, or "Chiplet" provides unprecedented flexibility in a flight computing system by enabling the operating point to be set dynamically, trading among needs for computational performance, energy management and fault tolerance. The HPSC Chiplet is being developed by Boeing under contract to NASA, and is expected to provide prototypes, an evaluation board, system emulators, comprehensive system software, and a software development kit. In addition to the vendor deliverables, the AFRL is funding the development of a flexible Middleware to be developed by NASA Jet Propulsion Laboratory and NASA Goddard Space Flight Center. The HPSC Middleware provides a suite of thirteen high level services to manage the compute, memory and I/O resources of this complex device.This presentation will provide an HPSC project update, an overview of the latest HPSC System Software release, an overview of HPSC Middleware Release 2, and a preview of the third HPSC Middleware release. The presentation will begin with a project update that will provide a look at the high-level changes since the project was introduced at the Flight Software Workshop last year. Next, the presentation will provide an overview of the current suite of HPSC System Software which includes the vendor provided bootloaders, operating systems, emulator, and development tools. Next, the HPSC Middleware progress will be presented, which includes an overview of the features and capabilities of HPSC Middleware Release 2, followed by a look at the reference flight software applications which utilize the Middleware. Finally, the presentation will give a preview of the HPSC Middleware Release 3

Design and analysis of multiple read port techniques using bank division with XOR method for multi-ported-memory on FPGA platform

The multiple read and write operations are performed simultaneously by multi-ported memories and are used in advanced digital design applications on reprogrammable field-programmable gate arrays (FPGAs) to achieve higher bandwidth. The Memory modules are configured by block RAM (BRAMs), which utilizes more area and power on FPGA. In this manuscript, the techniques to increase the read ports for multi-ported memory modules are designed using the bank division with XOR (BDX) approach. The read port techniques like two read-one write (2R1W) memory, hybrid mode approach either 2R1W or 4R memory, and hierarchical BDX (HBDX) Approach using 2R1W/4R memory are designed on FPGA platform. The Proposed work utilizes only slices and look-up table (LUT's) rather than BRAMs while designing the memory modules on FPGA, which reduces the computational complexity and improves the system performance.  The experimental results are analyzed on Artix-7 FPGA. The performance parameters like slices, LUT utilization, maximum frequency (Fmax), and hardware efficiency are analyzed by concerning different memory depths. The 4R1W memory design using the HBDX approach utilizes 4% slices and works at 449.697 MHz operating frequency on Artix-7 FPGA. The proposed work provides a better platform to choose the proper read port technique to design an efficient modular multiport memory architecture

Design Space Exploration of Algorithmic Multi-Port Memories in High-Performance Application-Specific Accelerators

Memory load/store instructions consume an important part in execution time and energy consumption in domain-specific accelerators. For designing highly parallel systems, available parallelism at each granularity is extracted from the workloads. The maximal use of parallelism at each granularity in these high-performance designs requires the utilization of multi-port memories. Currently, true multiport designs are less popular because there is no inherent EDA support for multiport memory beyond 2-ports, utilizing more ports requires circuit-level implementation and hence a high design time. In this work, we present a framework for Design Space Exploration of Algorithmic Multi-Port Memories (AMM) in ASICs. We study different AMM designs in the literature, discuss how we incorporate them in the Pre-RTL Aladdin Framework with different memory depth, port configurations and banking structures. From our analysis on selected applications from the MachSuite (accelerator benchmark suite), we understand and quantify the potential use of AMMs (as true multiport memories) for high performance in applications with low spatial locality in memory access patterns

Advanced flight computer. Special study

This report documents a special study to define a 32-bit radiation hardened, SEU tolerant flight computer architecture, and to investigate current or near-term technologies and development efforts that contribute to the Advanced Flight Computer (AFC) design and development. An AFC processing node architecture is defined. Each node may consist of a multi-chip processor as needed. The modular, building block approach uses VLSI technology and packaging methods that demonstrate a feasible AFC module in 1998 that meets that AFC goals. The defined architecture and approach demonstrate a clear low-risk, low-cost path to the 1998 production goal, with intermediate prototypes in 1996

Building an Application-specific Memory Hierarchy on FPGA

The high potential performance of FPGAs cannot be exploited if a design suffers a memory bottleneck. Therefore, a memory hierarchy is needed to reuse data in on-chip memories and minimize the number of accesses to off-chip memory

CoFHEE: A Co-processor for Fully Homomorphic Encryption Execution

The migration of computation to the cloud has raised privacy concerns as sensitive data becomes vulnerable to attacks since they need to be decrypted for processing. Fully Homomorphic Encryption (FHE) mitigates this issue as it enables meaningful computations to be performed directly on encrypted data. Nevertheless, FHE is orders of magnitude slower than unencrypted computation, which hinders its practicality and adoption. Therefore, improving FHE performance is essential for its real world deployment. In this paper, we present a year-long effort to design, implement, fabricate, and post-silicon validate a hardware accelerator for Fully Homomorphic Encryption dubbed CoFHEE. With a design area of $12mm^2$, CoFHEE aims to improve performance of ciphertext multiplications, the most demanding arithmetic FHE operation, by accelerating several primitive operations on polynomials, such as polynomial additions and subtractions, Hadamard product, and Number Theoretic Transform. CoFHEE supports polynomial degrees of up to $n = 2^{14}$ with a maximum coefficient sizes of 128 bits, while it is capable of performing ciphertext multiplications entirely on chip for $n \leq 2^{13}$. CoFHEE is fabricated in 55nm CMOS technology and achieves 250 MHz with our custom-built low-power digital PLL design. In addition, our chip includes two communication interfaces to the host machine: UART and SPI. This manuscript presents all steps and design techniques in the ASIC development process, ranging from RTL design to fabrication and validation. We evaluate our chip with performance and power experiments and compare it against state-of-the-art software implementations and other ASIC designs. Developed RTL files are available in an open-source repository

Reconfigurable Data Planes for Scalable Network Virtualization

Abstract—Network virtualization presents a powerful approach to share physical network infrastructure among multiple virtual networks. Recent advances in network virtualization advocate the use of field-programmable gate arrays (FPGAs) as flexible high performance alternatives to conventional host virtualization techniques. However, the limited on-chip logic and memory resources in FPGAs severely restrict the scalability of the virtualization platform and necessitate the implementation of efficient forwarding structures in hardware. The research described in this manuscript explores the implementation of a scalable heterogeneous network virtualization platform which integrates virtual data planes implemented in FPGAs with software data planes created using host virtualization techniques. The system exploits data plane heterogeneity to cater to the dynamic service requirements of virtual networks by migrating networks between software and hardware data planes. We demonstrate data plane migration as an effective technique to limit the impact of traffic on unmodified data planes during FPGA reconfiguration. Our system implements forwarding tables in a shared fashion using inexpensive off-chip memories and supports both Internet Protocol (IP) and non-IP based data planes. Experimental results show that FPGA-based data planes can offer two orders of magnitude better throughput than their software counterparts and FPGA reconfiguration can facilitate data plane customization within 12 seconds. An integrated system that supports up to 15 virtual networks has been validated on the NetFPGA platform

Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories

Moores Gesetz folgend, ist es der Chipindustrie in den letzten fünf Jahrzehnten gelungen, ein explosionsartiges Wachstum zu erreichen. Dies hatte ebenso einen exponentiellen Anstieg der Nachfrage von Speicherkomponenten zur Folge, was wiederum zu speicherlastigen Chips in den heutigen Computersystemen führt. Allerdings stellen traditionelle on-Chip Speichertech- nologien wie Static Random Access Memories (SRAMs), Dynamic Random Access Memories (DRAMs) und Flip-Flops eine Herausforderung in Bezug auf Skalierbarkeit, Verlustleistung und Zuverlässigkeit dar. Eben jene Herausforderungen und die überwältigende Nachfrage nach höherer Performanz und Integrationsdichte des on-Chip Speichers motivieren Forscher, nach neuen nichtflüchtigen Speichertechnologien zu suchen. Aufkommende spintronische Spe- ichertechnologien wie Spin Orbit Torque (SOT) und Spin Transfer Torque (STT) erhielten in den letzten Jahren eine hohe Aufmerksamkeit, da sie eine Reihe an Vorteilen bieten. Dazu gehören Nichtflüchtigkeit, Skalierbarkeit, hohe Beständigkeit, CMOS Kompatibilität und Unan- fälligkeit gegenüber Soft-Errors. In der Spintronik repräsentiert der Spin eines Elektrons dessen Information. Das Datum wird durch die Höhe des Widerstandes gespeichert, welche sich durch das Anlegen eines polarisierten Stroms an das Speichermedium verändern lässt. Das Prob- lem der statischen Leistung gehen die Speichergeräte sowohl durch deren verlustleistungsfreie Eigenschaft, als auch durch ihr Standard- Aus/Sofort-Ein Verhalten an. Nichtsdestotrotz sind noch andere Probleme, wie die hohe Zugriffslatenz und die Energieaufnahme zu lösen, bevor sie eine verbreitete Anwendung finden können. Um diesen Problemen gerecht zu werden, sind neue Computerparadigmen, -architekturen und -entwurfsphilosophien notwendig. Die hohe Zugriffslatenz der Spintroniktechnologie ist auf eine vergleichsweise lange Schalt- dauer zurückzuführen, welche die von konventionellem SRAM übersteigt. Des Weiteren ist auf Grund des stochastischen Schaltvorgangs der Speicherzelle und des Einflusses der Prozessvari- ation ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum dafür erforderlich. In diesem Zeitraum wird ein konstanter Schreibstrom durch die Bitzelle geleitet, um den Schaltvorgang zu gewährleisten. Dieser Vorgang verursacht eine hohe Energieaufnahme. Für die Leseoperation wird gleicher- maßen ein beachtliches Zeitfenster benötigt, ebenfalls bedingt durch den Einfluss der Prozess- variation. Dem gegenüber stehen diverse Zuverlässigkeitsprobleme. Dazu gehören unter An- derem die Leseintereferenz und andere Degenerationspobleme, wie das des Time Dependent Di- electric Breakdowns (TDDB). Diese Zuverlässigkeitsprobleme sind wiederum auf die benötigten längeren Schaltzeiten zurückzuführen, welche in der Folge auch einen über längere Zeit an- liegenden Lese- bzw. Schreibstrom implizieren. Es ist daher notwendig, sowohl die Energie, als auch die Latenz zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu reduzieren, um daraus einen potenziellen Kandidaten für ein on-Chip Speichersystem zu machen. In dieser Dissertation werden wir Entwurfsstrategien vorstellen, welche das Ziel verfolgen, die Herausforderungen des Cache-, Register- und Flip-Flop-Entwurfs anzugehen. Dies erre- ichen wir unter Zuhilfenahme eines Cross-Layer Ansatzes. Für Caches entwickelten wir ver- schiedene Ansätze auf Schaltkreisebene, welche sowohl auf der Speicherarchitekturebene, als auch auf der Systemebene in Bezug auf Energieaufnahme, Performanzsteigerung und Zuver- lässigkeitverbesserung evaluiert werden. Wir entwickeln eine Selbstabschalttechnik, sowohl für die Lese-, als auch die Schreiboperation von Caches. Diese ist in der Lage, den Abschluss der entsprechenden Operation dynamisch zu ermitteln. Nachdem der Abschluss erkannt wurde, wird die Lese- bzw. Schreiboperation sofort gestoppt, um Energie zu sparen. Zusätzlich limitiert die Selbstabschalttechnik die Dauer des Stromflusses durch die Speicherzelle, was wiederum das Auftreten von TDDB und Leseinterferenz bei Schreib- bzw. Leseoperationen re- duziert. Zur Verbesserung der Schreiblatenz heben wir den Schreibstrom an der Bitzelle an, um den magnetischen Schaltprozess zu beschleunigen. Um registerbankspezifische Anforderungen zu berücksichtigen, haben wir zusätzlich eine Multiport-Speicherarchitektur entworfen, welche eine einzigartige Eigenschaft der SOT-Zelle ausnutzt, um simultan Lese- und Schreiboperatio- nen auszuführen. Es ist daher möglich Lese/Schreib- Konfilkte auf Bitzellen-Ebene zu lösen, was sich wiederum in einer sehr viel einfacheren Multiport- Registerbankarchitektur nieder- schlägt. Zusätzlich zu den Speicheransätzen haben wir ebenfalls zwei Flip-Flop-Architekturen vorgestellt. Die erste ist eine nichtflüchtige non-Shadow Flip-Flop-Architektur, welche die Speicherzelle als aktive Komponente nutzt. Dies ermöglicht das sofortige An- und Ausschalten der Versorgungss- pannung und ist daher besonders gut für aggressives Powergating geeignet. Alles in Allem zeigt der vorgestellte Flip-Flop-Entwurf eine ähnliche Timing-Charakteristik wie die konventioneller CMOS Flip-Flops auf. Jedoch erlaubt er zur selben Zeit eine signifikante Reduktion der statis- chen Leistungsaufnahme im Vergleich zu nichtflüchtigen Shadow- Flip-Flops. Die zweite ist eine fehlertolerante Flip-Flop-Architektur, welche sich unanfällig gegenüber diversen Defekten und Fehlern verhält. Die Leistungsfähigkeit aller vorgestellten Techniken wird durch ausführliche Simulationen auf Schaltkreisebene verdeutlicht, welche weiter durch detaillierte Evaluationen auf Systemebene untermauert werden. Im Allgemeinen konnten wir verschiedene Techniken en- twickeln, die erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Performanz, Energie und Zuverlässigkeit von spintronischen on-Chip Speichern, wie Caches, Register und Flip-Flops erreichen