Microprocessor manufacturing throuhput time variability

Thesis (M.S.)--Massachusetts Institute of Technology, Sloan School of Management, 1994, and Thesis (M.S.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 1994.Includes bibliographical references (p. ).by Jason Ku.M.S

Improving timing verification and delay testing methodologies for IC designs

textThe task of ensuring the correct temporal behavior of IC designs, both before and after fabrication, is extremely important. It is becoming even more imperative as the demand for performance increases and process technology advances into the deep sub-micron region. This dissertation tackles the key issues in the timing verification and delay testing methodologies. An efficient methodology is presented to identify false timing paths in the timing verification methodology which utilizes ATPG technique and timing information from an ordered list of timing paths according to the delay information. This dissertation also presents a speed binning methodology which utilizes structural delay tests successfully instead of functional tests. In addition, it establishes a methodology which quantifies the correlation between the timing verification prediction and actual silicon measurement of timing paths. This quantification methodology lays the foundation for further research to study the impact of deep submicron effects on design performanceElectrical and Computer Engineerin

Obtaining performance and programmability using reconfigurable hardware for media processing

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Sciences, 2002.Includes bibliographical references (p. 127-132).An imperative requirement in the design of a reconfigurable computing system or in the development of a new application on such a system is performance gains. However, such developments suffer from long-and-difficult programming process, hard-to-predict performance gains, and limited scope of applications. To address these problems, we need to understand reconfigurable hardware's capabilities and limitations, its performance advantages and disadvantages, re-think reconfigurable system architectures, and develop new tools to explore its utility. We begin by examining performance contributors at the system level. We identify those from general-purpose and those from dedicated components. We propose an architecture by integrating reconfigurable hardware within the general-purpose framework. This is to avoid and minimize dedicated hardware and organization for programmability. We analyze reconfigurable logic architectures and their performance limitations. This analysis leads to a theory that reconfigurable logic can never be clocked faster than a fixed-logic design based on the same fabrication technology. Though highly unpredictable, we can obtain a quick upper bound estimate on the clock speed based on a few parameters. We also analyze microprocessor architectures and establish an analytical performance model. We use this model to estimate performance bounds using very little information on task properties. These bounds help us to detect potential memory-bound tasks. For a compute-bound task, we compare its performance upper bound with the upper bound on reconfigurable clock speed to further rule out unlikely speedup candidates.(cont.) These performance estimates require very few parameters, and can be quickly obtained without writing software or hardware codes. They can be integrated with design tools as front end tools to explore speedup opportunities without costly trials. We believe this will broaden the applicability of reconfigurable computing.by Ling-Pei Kung.Ph.D

A many-core software framework for embedded space computing

Thesis: M. Eng., Massachusetts Institute of Technology, Department of Electrical Engineering and Computer Science, 2013.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (pages 66-67).Space computing has long called for powerful yet power-efficient hardware for on-board computation. The emergence of many-core CPUs on a single die provides one potential solution. The development of processors like Maestro strives for the balance between computational power and energy efficiency. However, development in software has not kept up. Not a single dominant programming framework has emerged to allow developers to easily write applications to take advantage of the new multi-core paradigm. As a result, in NASA's technology roadmap, fault management, programmability, and energy management under the new multi-core paradigm have been listed as top challenges. The goal of this thesis is to develop a framework that streamlines programming for multi-core processors, in the form of a programming model and a C++ programming library. A 49-core Maestro Development Board (MDB) serves as the development and testing hardware platform. The framework's usability is tested through a software simulation of a vision-based crater recognition algorithm for a lunar lander. A parallel version of the algorithm is written under the framework and tested, and a performance gain of about 300%, using 21 Maestro cores, is observed over the RAD750. The uniqueness of this framework lies in the principle that task blocks, not CPU cores, are the fundamental abstraction for individual processes. Each task block is allocated an arbitrary number of CPUs, completes one task, and communicates with other task blocks through message passing. Fault tolerance, power management, and communication among task blocks are abstracted out so that programmers can concentrate on the implementation of the application. The resulting programming library provides developers with the right tools to design and test parallel programs, port serial versions of applications to their parallelized counterparts, and develop new parallel programs with ease.by Eugene Yu-Ting Sun.M. Eng

Proceedings of the First NASA Formal Methods Symposium

Topics covered include: Model Checking - My 27-Year Quest to Overcome the State Explosion Problem; Applying Formal Methods to NASA Projects: Transition from Research to Practice; TLA+: Whence, Wherefore, and Whither; Formal Methods Applications in Air Transportation; Theorem Proving in Intel Hardware Design; Building a Formal Model of a Human-Interactive System: Insights into the Integration of Formal Methods and Human Factors Engineering; Model Checking for Autonomic Systems Specified with ASSL; A Game-Theoretic Approach to Branching Time Abstract-Check-Refine Process; Software Model Checking Without Source Code; Generalized Abstract Symbolic Summaries; A Comparative Study of Randomized Constraint Solvers for Random-Symbolic Testing; Component-Oriented Behavior Extraction for Autonomic System Design; Automated Verification of Design Patterns with LePUS3; A Module Language for Typing by Contracts; From Goal-Oriented Requirements to Event-B Specifications; Introduction of Virtualization Technology to Multi-Process Model Checking; Comparing Techniques for Certified Static Analysis; Towards a Framework for Generating Tests to Satisfy Complex Code Coverage in Java Pathfinder; jFuzz: A Concolic Whitebox Fuzzer for Java; Machine-Checkable Timed CSP; Stochastic Formal Correctness of Numerical Algorithms; Deductive Verification of Cryptographic Software; Coloured Petri Net Refinement Specification and Correctness Proof with Coq; Modeling Guidelines for Code Generation in the Railway Signaling Context; Tactical Synthesis Of Efficient Global Search Algorithms; Towards Co-Engineering Communicating Autonomous Cyber-Physical Systems; and Formal Methods for Automated Diagnosis of Autosub 6000

Architectures for dependable modern microprocessors

Η εξέλιξη των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε συνδυασμό με τους αυστηρούς χρονικούς περιορισμούς καθιστούν την επαλήθευση της ορθής λειτουργίας των επεξεργαστών μία εξαιρετικά απαιτητική διαδικασία. Με κριτήριο το στάδιο του κύκλου ζωής ενός επεξεργαστή, από την στιγμή κατασκευής των πρωτοτύπων και έπειτα, οι τεχνικές ελέγχου ορθής λειτουργίας διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες: (1) Silicon Debug: Τα πρωτότυπα ολοκληρωμένα κυκλώματα ελέγχονται εξονυχιστικά, (2) Manufacturing Testing: ο τελικό ποιοτικός έλεγχος και (3) In-field verification: Περιλαμβάνει τεχνικές, οι οποίες διασφαλίζουν την λειτουργία του επεξεργαστή σύμφωνα με τις προδιαγραφές του. Η διδακτορική διατριβή προτείνει τα ακόλουθα: (1) Silicon Debug: Η εργασία αποσκοπεί στην επιτάχυνση της διαδικασίας ανίχνευσης σφαλμάτων και στον αυτόματο εντοπισμό τυχαίων προγραμμάτων που δεν περιέχουν νέα -χρήσιμη- πληροφορία σχετικά με την αίτια ενός σφάλματος. Η κεντρική ιδέα αυτής της μεθόδου έγκειται στην αξιοποίηση της έμφυτης ποικιλομορφίας των αρχιτεκτονικών συνόλου εντολών και στην δυνατότητα από-διαμόρφωσης τμημάτων του κυκλώματος, (2) Manufacturing Testing: προτείνεται μία μέθοδο για την βελτιστοποίηση του έλεγχου ορθής λειτουργίας των πολυνηματικών και πολυπύρηνων επεξεργαστών μέσω της χρήση λογισμικού αυτοδοκιμής, (3) Ιn-field verification: Αναλύθηκε σε βάθος η επίδραση που έχουν τα μόνιμα σφάλματα σε μηχανισμούς αύξησης της απόδοσης. Επιπρόσθετα, προτάθηκαν τεχνικές για την ανίχνευση και ανοχή μόνιμων σφαλμάτων υλικού σε μηχανισμούς πρόβλεψης διακλάδωσης.Technology scaling, extreme chip integration and the compelling requirement to diminish the time-to-market window, has rendered microprocessors more prone to design bugs and hardware faults. Microprocessor validation is grouped into the following categories, based on where they intervene in a microprocessor’s lifecycle: (a) Silicon debug: the first hardware prototypes are exhaustively validated, (b) Μanufacturing testing: the final quality control during massive production, and (c) In-field verification: runtime error detection techniques to guarantee correct operation. The contributions of this thesis are the following: (1) Silicon debug: We propose the employment of deconfigurable microprocessor architectures along with a technique to generate self-checking random test programs to avoid the simulation step and triage the redundant debug sessions, (2) Manufacturing testing: We propose a self-test optimization strategy for multithreaded, multicore microprocessors to speedup test program execution time and enhance the fault coverage of hard errors; and (3) In-field verification: We measure the effect of permanent faults performance components. Then, we propose a set of low-cost mechanisms for the detection, diagnosis and performance recovery in the front-end speculative structures. This thesis introduces various novel methodologies to address the validation challenges posed throughout the life-cycle of a chip

An SOPC Based Image Processing System

Recent advances in semiconductor technology have made it possible to integrate an entire system including processors, memory and other system units into a single programmable chip - FPGA, these configurations are called 'System-on-aProgrammable- Chip' (SOPC). SOPCs have the advantage that they can be designed quicker than existing technologies and are cheap to produce for low volume «10,000) applications. Also, SOPCs are of great benefit as they offer compact and flexible system designs due to their reconfigurable nature and high integration of features. One processor intensive application, which is ideal for SOPC technology, is that of image processing where there is a repeated application of operations on the 2D data. This research investigated the use of SOPC technology for image processing by developing a modular system capable ofreal-time video acquisition, processing and display. An sope Based Image Processing System Abstract Abstract This system is comprised of a CameraLink CMOS camera with a custom designed camera interface card for video acquisition, a VGA mode CRT monitor with a Lancelot VGA card for video display, an industrial SDRAM device for video data buffering, and an Altera Apex 20K FPGA for evaluating the SOPC design. Four custom designed IP components have been developed and integrated with other Altera provided standard IP components to drive all off-chip peripherals and perform the required video functions such as processing the images. These custom designed IPs are the video capture controller, video display controller, video memory controller and Cache. A Nios processor was chosen to perform the actual image processing, and the whole system was developed on the Altera Nios development board. In order to solve the complex on-chip data communication, while not degrading the transferring speed of largeamounts of video data, an effective solution called Simultaneously Multi-Mastering Avalon Streaming Transfer with Peripheral-Controlled Waitrequest was raised. Rather than using the software approach to initialise DMA-like transfers, this solution takes advantage of the FPGA hardware resource to perform bus arbitration and hence increases the system efficiency. The system produced is an alternative to conventional desktop-based, i.e. a visionbased closed loop process control system for weiding, or microprocessor-based vision systems. September 2007 FanWu Supplied by The British Library - 'The world's knowledge

Metodologia de monitorização do envelhecimento para aplicações de auto-teste embutido

Dissertação de mestrado, Engenharia Eléctrica e Electrónica, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2013The high integration level achieved as well as complexity and performance enhancements in new nanometer technologies make IC (Integrated Circuits) products very difficult to test. Moreover, long term operation brings aging cumulative degradations, due to new processes and materials that lead to emerging defect phenomena and the consequence are products with increased variability in their behaviour, more susceptible to delay-faults and with a reduced expected lifecycle. The main objectives of this thesis are twofold, as explained in the following. First, a new software tool is presented to generate HDL (Hardware Description Language) for BIST (Built-In Self-Test) structures, aiming delay-faults, and inserted the new auto-test functionality in generic sequential CMOS circuits. The BIST methodology used implements a scan based BIST approach, using a new BIST controller to implement the Launch-On-Shift (LOS) and Launch-On-Capture (LOC) delay-fault techniques. Second, it will be shown that multi-VDD tests in circuits with BIST infra-structures can be used to detect gross delay-faults during on-field operations, and consequently can be used as an aging sensor methodology during circuits’ lifecycle. The discrete set of multi-VDD BIST sessions generates a Voltage Signature Collection (VSC) and the presence of a delay-fault (or a physical defect) modifies the VSC collection, allowing the aging sensor capability. The proposed Design for Testability (DFT) method and tool are demonstrated with extensive SPICE simulation using three ITC’99 benchmark circuits.O elevado nível de integração atingida, complexidade, assim como performances melhoradas em novas tecnologias nanométricas tornam os produtos em circuitos integrados tecnológicos muito difíceis de testar. Para além disso, a operação a longo prazo produz degradações cumulativas pelo envelhecimento dos circuitos, devido a novos processos e materiais que conduzem a novos defeitos e a consequência são produtos com maior variabilidade no seu funcionamento, mais susceptíveis às faltas de atraso e com um tempo de vida menor. Os principais objectivos desta tese são dois, como explicado em seguida. Primeiro, é apresentada uma nova ferramenta de software para gerar estruturas de auto-teste integrado (BIST, Built-In Self-Test) descritas em linguagens de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language), com o objectivo de detectar faltas de atraso, e inserir a nova funcionalidade de auto-teste em circuitos genéricos sequenciais CMOS. A metodologia de BIST utilizada implementa um procedimento baseado em caminhos de deslocamento, utilizando um novo controlador de BIST para implementar técnicas de faltas de atraso, como Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Segundo, irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno e, consequentemente, pode ser usado como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O trabalho foi iniciado com o estudo do estado da arte nesta área. Assim, foram estudadas e apresentadas no capítulo 2 as principais técnicas de DfT (Design for Testability) disponíveis e utilizadas pela indústria, nomeadamente, as técnicas de SP (Scan Path), de BIST e as técnicas de scan para delay-faults, LOS e LOC. No capítulo 3, ainda referente ao estudo sobre o estado da arte, é apresentado o estudo sobre os fenómenos que provocam o envelhecimento dos circuitos digitais, nomeadamente o NBTI (Negative Bias Temperature Instability), que é considerado o factor mais relevante no envelhecimento de circuitos integrados (especialmente em nanotecnologias). Em seguida, iniciou-se o desenvolvimento do primeiro objectivo. Relativamente a este assunto, começou-se por definir qual o comportamento das estruturas de BIST e como se iriam interligar. O comportamento foi descrito, bloco a bloco, em VHDL comportamental, ao nível RTL (Register Transfer Level). Esta descrição foi então validada por simulação, utilizando a ferramenta ModelSim. Posteriormente, esta descrição comportamental foi sintetizada através da ferramenta Synopsys, com a colaboração do INESC-ID em Lisboa (instituição parceira nestes trabalhos de investigação), e foi obtida uma netlist ao nível de porta lógica, que foi guardada utilizando a linguagem de descrição de hardware Verilog. Assim, obtiveram-se dois tipos de descrição dos circuitos BIST: uma comportamental, em VHDL, e outra estrutural, em Verilog (esta descrição estrutural em Verilog irá permitir, posteriormente, fazer a simulação e análise de envelhecimento). A nova estrutura de BIST obtida é baseada no modelo clássico de BIST, mas apresenta algumas alterações, nomeadamente ao nível da geração de vectores de teste e no controlo e aplicação desses vectores ao circuito. Estas modificações têm como objectivo aumentar a detecção de faltas e permitir o teste de faltas de atraso. É composto por três blocos denominados LFSRs (Linear Feedback Shift Registers), um utilizado para gerar os vectores pseudo-aleatórios para as entradas primárias do circuito, outro para gerar os vectores para a entrada do scan path, e o último utilizado como contador para controlar o número de bits introduzidos no scan path. Relativamente ao controlador, este foi especificamente desenhado para controlar um teste com estratégia de test-per-scan (ou seja, um teste baseado no caminho de varrimento existente no circuito) e tem uma codificação de estados que permite implementar as estratégias de teste de faltas de atraso, Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Na secção de saída do novo modelo de BIST, o processo de compactação usa o mesmo princípio do modelo tradicional, utilizando neste caso um MISR (Multiple Input Signature Register). Ainda relativamente ao primeiro objectivo, seguiu-se o desenvolvimento da ferramenta BISTGen, para automatizar a geração das estruturas de BIST atrás mencionadas, nos dois tipos de descrição, e automaticamente inserir estas estruturas num circuito de teste (CUT, Circuit Under Test). A aplicação de software deve permitir o manuseamento de dois tipos de informação relativa ao circuito: descrição do circuito pelo seu comportamento, em VHDL, e descrição do circuito pela sua estrutura, em Verilog. Deve ter como saída a descrição de hardware supra citada, inserindo todos os blocos integrantes da estrutura num só ficheiro, contendo apenas um dos tipos de linguagem (Verilog ou VHDL), escolhida previamente pelo utilizador. No caso dos LFSRs e do MISR, o programa deve permitir ao utilizador a escolha de LFSRs do tipo linear ou do tipo modular (também conhecidos por fibonacci ou galois), e deve também possuir suporte para automaticamente seleccionar de uma base de dados quais as realimentações necessárias que conduzem à definição do polinómio primitivo para o LFSR. Será necessário ainda criar uma estrutura em base de dados para gerir os nomes e o número de entradas e saídas do circuito submetido a teste, a que chamamos CUT, de forma a simplificar o processo de renomeação que o utilizador poderá ter de efectuar. Dar a conhecer ao programa os nomes das entradas e saídas do CUT é de relevante importância, uma vez que a atribuição de nomes para as entradas e saídas pode vir em qualquer língua ou dialecto, não coincidindo com os nomes padrão normalmente atribuídos. Relativamente às duas linguagens que o programa recebe através do CUT na sua entrada, no caso VHDL após inserir BIST o ficheiro final terá sempre uma estrutura semelhante, qualquer que seja o ficheiro a ser tratado, variando apenas com o hardware apresentado pelo CUT. No entanto, para o caso Verilog a situação será diferente, uma vez que o programa tem de permitir que o ficheiro final gerado possa surgir de duas formas dependendo da escolha desejada. A primeira forma que o software deve permitir para o caso Verilog é gerar um ficheiro contendo módulos, de uma forma semelhante ao que acontece no caso VHDL. No entanto, deve permitir também a obtenção, caso o utilizador solicite, de um ficheiro unificado, sem sub-módulos nos blocos, para que o ficheiro final contenha apenas uma única estrutura, facilitando a sua simulação e análise de envelhecimento nas etapas seguintes. Relativamente ao segundo objectivo, com base no trabalho anterior já efectuado em metodologias para detectar faltas de delay em circuitos com BIST, foi definida uma metodologia de teste para, durante a vida útil dos circuitos, permitir avaliar como vão envelhecendo, tratando-se assim de uma metodologia de monitorização de envelhecimento para circuitos com BIST. Um aspecto fundamental para a realização deste segundo objectivo é podermos prever como o circuito vai envelhecer. Para realizar esta tarefa, sempre subjectiva, utilizou-se uma ferramenta desenvolvida no ISE-UAlg em outra tese de mestrado anterior a esta, a ferramenta AgingCalc. Esta ferramenta inicia-se com a definição, por parte do utilizador, das probabilidades de operação das entradas primárias do circuito (probabilidades de cada entrada estar a ‘0’ ou a ‘1’). De notar que este é o processo subjectivo existente na análise de envelhecimento, já que é impossível prever como um circuito irá ser utilizado. Com base nestas probabilidades de operação, o programa utiliza a estrutura do circuito para calcular, numa primeira instância, as probabilidades dos nós do circuito estarem a ‘0’ ou a ‘1’, e numa segunda instância as probabilidades de cada transístor PMOS estar ligado e com o seu canal em stress (com uma tensão negativa aplicada à tensão VGS e um campo eléctrico aplicado ao dieléctrico da porta). Utilizando fórmulas definidas na literatura para modelação do parâmetro Vth (tensão limiar de condução) do transístor de acordo com um envelhecimento produzido pelo efeito NBTI (Negative Bias Temperature Instability), o programa calcula, para cada ano ou tempo de envelhecimento a considerar, as variações ocorridas no Vth de cada transístor PMOS, com base nas probabilidades e condições de operação previamente definidas, obtendo um novo Vth para cada transístor (os valores prováveis para os transístores envelhecidos). Em seguida, o programa instancia o simulador HSPICE para simular as portas lógicas do circuito, utilizando uma descrição que contém os Vth calculados. Esta simulação permite calcular os atrasos em cada porta para cada ano de envelhecimento considerado, podendo em seguida calcular e obter a previsão para o envelhecimento de cada caminho combinatório do circuito. É de notar que, embora a previsão de envelhecimento seja subjectiva, pois depende de uma previsão de operação, é possível definir diferentes probabilidades de operação de forma a estabelecer limites prováveis para o envelhecimento de cada caminho. Tendo uma ferramenta que permite prever como o circuito irá envelhecer, é possível utilizá-la para modificar a estrutura do circuito e introduzir faltas de delay produzidas pelo envelhecimento por NBTI ao longo dos anos de operação (modelados pelo Vth dos transístores PMOS). Assim, no capítulo 5 irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno, podendo em alguns casos identificar variações provocadas pelo envelhecimento em caminhos curtos, e consequentemente, estes testes podem ser usados como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O objectivo será, especificando, fazer variar a tensão de alimentação, baixando o seu valor dentro de um determinado intervalo e submetendo o circuito a sucessivas sessões de BIST para cada valor de tensão, até que o circuito retorne uma assinatura diferente da esperada. Este procedimento de simulação será feito para uma maturidade de até 20 anos, podendo o incremento não ser unitário. Na realidade os circuitos nos primeiros anos de vida em termos estatísticos não sofrem envelhecimento a ponto de causar falhas por esse efeito. As falhas que podem acelerar o processo de envelhecimento estão relacionadas com defeitos significativos no processo de fabrico mas que ainda assim não são suficientes para no início do seu ciclo de vida fazer o circuito falhar, tornando-se efectivas após algum tempo de utilização. Os métodos e ferramentas propostos de DfT são demonstrados com extensas simulações VHDL e SPICE, utilizando circuitos de referência