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

Interconnect Planning for Physical Design of 3D Integrated Circuits

Vertical stacking—based on modern manufacturing and integration technologies—of multiple 2D chips enables three-dimensional integrated circuits (3D ICs). This exploitation of the third dimension is generally accepted for aiming at higher packing densities, heterogeneous integration, shorter interconnects, reduced power consumption, increased data bandwidth, and realizing highly-parallel systems in one device. However, the commercial acceptance of 3D ICs is currently behind its expectations, mainly due to challenges regarding manufacturing and integration technologies as well as design automation. This work addresses three selected, practically relevant design challenges: (i) increasing the constrained reusability of proven, reliable 2D intellectual property blocks, (ii) planning different types of (comparatively large) through-silicon vias with focus on their impact on design quality, as well as (iii) structural planning of massively-parallel, 3D-IC-specific interconnect structures during 3D floorplanning. A key concept of this work is to account for interconnect structures and their properties during early design phases in order to support effective and high-quality 3D-IC-design flows. To tackle the above listed challenges, modular design-flow extensions and methodologies have been developed. Experimental investigations reveal the effectiveness and efficiency of the proposed techniques, and provide findings on 3D integration with particular focus on interconnect structures. We suggest consideration of these findings when formulating guidelines for successful 3D-IC design automation.:1 Introduction 1.1 The 3D Integration Approach for Electronic Circuits 1.2 Technologies for 3D Integrated Circuits 1.3 Design Approaches for 3D Integrated Circuits 2 State of the Art in Design Automation for 3D Integrated Circuits 2.1 Thermal Management 2.2 Partitioning and Floorplanning 2.3 Placement and Routing 2.4 Power and Clock Delivery 2.5 Design Challenges 3 Research Objectives 4 Planning Through-Silicon Via Islands for Block-Level Design Reuse 4.1 Problems for Design Reuse in 3D Integrated Circuits 4.2 Connecting Blocks Using Through-Silicon Via Islands 4.2.1 Problem Formulation and Methodology Overview 4.2.2 Net Clustering 4.2.3 Insertion of Through-Silicon Via Islands 4.2.4 Deadspace Insertion and Redistribution 4.3 Experimental Investigation 4.3.1 Wirelength Estimation 4.3.2 Configuration 4.3.3 Results and Discussion 4.4 Summary and Conclusions 5 Planning Through-Silicon Vias for Design Optimization 5.1 Deadspace Requirements for Optimized Planning of Through-Silicon Vias 5.2 Multiobjective Design Optimization of 3D Integrated Circuits 5.2.1 Methodology Overview and Configuration 5.2.2 Techniques for Deadspace Optimization 5.2.3 Design-Quality Analysis 5.2.4 Planning Different Types of Through-Silicon Vias 5.3 Experimental Investigation 5.3.1 Configuration 5.3.2 Results and Discussion 5.4 Summary and Conclusions 6 3D Floorplanning for Structural Planning of Massive Interconnects 6.1 Block Alignment for Interconnects Planning in 3D Integrated Circuits 6.2 Corner Block List Extended for Block Alignment 6.2.1 Alignment Encoding 6.2.2 Layout Generation: Block Placement and Alignment 6.3 3D Floorplanning Methodology 6.3.1 Optimization Criteria and Phases and Related Cost Models 6.3.2 Fast Thermal Analysis 6.3.3 Layout Operations 6.3.4 Adaptive Optimization Schedule 6.4 Experimental Investigation 6.4.1 Configuration 6.4.2 Results and Discussion 6.5 Summary and Conclusions 7 Research Summary, Conclusions, and Outlook Dissertation Theses Notation Glossary BibliographyDreidimensional integrierte Schaltkreise (3D-ICs) beruhen auf neuartigen Herstellungs- und Integrationstechnologien, wobei vor allem “klassische” 2D-ICs vertikal zu einem neuartigen 3D-System gestapelt werden. Dieser Ansatz zur Erschließung der dritten Dimension im Schaltkreisentwurf ist nach Expertenmeinung dazu geeignet, höhere Integrationsdichten zu erreichen, heterogene Integration zu realisieren, kürzere Verdrahtungswege zu ermöglichen, Leistungsaufnahmen zu reduzieren, Datenübertragungsraten zu erhöhen, sowie hoch-parallele Systeme in einer Baugruppe umzusetzen. Aufgrund von technologischen und entwurfsmethodischen Schwierigkeiten bleibt jedoch bisher die kommerzielle Anwendung von 3D-ICs deutlich hinter den Erwartungen zurück. In dieser Arbeit werden drei ausgewählte, praktisch relevante Problemstellungen der Entwurfsautomatisierung von 3D-ICs bearbeitet: (i) die Verbesserung der (eingeschränkten) Wiederverwendbarkeit von zuverlässigen 2D-Intellectual-Property-Blöcken, (ii) die komplexe Planung von verschiedenartigen, verhältnismäßig großen Through-Silicion Vias unter Beachtung ihres Einflusses auf die Entwurfsqualität, und (iii) die strukturelle Einbindung von massiv-parallelen, 3D-IC-spezifischen Verbindungsstrukturen während der Floorplanning-Phase. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Verbindungsstrukturen mit deren wesentlichen Eigenschaften bereits in den frühen Phasen des Entwurfsprozesses zu berücksichtigen. Dies begünstigt einen qualitativ hochwertigen Entwurf von 3D-ICs. Die in dieser Arbeit vorgestellten modularen Entwurfsprozess-Erweiterungen bzw. -Methodiken dienen zur effizienten Lösung der oben genannten Problemstellungen. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die Wirksamkeit sowie die Effektivität der erarbeiten Methoden. Darüber hinaus liefern sie praktische Erkenntnisse bezüglich der Anwendung von 3D-ICs und der Planung deren Verbindungsstrukturen. Diese Erkenntnisse sind zur Ableitung von Richtlinien für den erfolgreichen Entwurf von 3D-ICs dienlich.:1 Introduction 1.1 The 3D Integration Approach for Electronic Circuits 1.2 Technologies for 3D Integrated Circuits 1.3 Design Approaches for 3D Integrated Circuits 2 State of the Art in Design Automation for 3D Integrated Circuits 2.1 Thermal Management 2.2 Partitioning and Floorplanning 2.3 Placement and Routing 2.4 Power and Clock Delivery 2.5 Design Challenges 3 Research Objectives 4 Planning Through-Silicon Via Islands for Block-Level Design Reuse 4.1 Problems for Design Reuse in 3D Integrated Circuits 4.2 Connecting Blocks Using Through-Silicon Via Islands 4.2.1 Problem Formulation and Methodology Overview 4.2.2 Net Clustering 4.2.3 Insertion of Through-Silicon Via Islands 4.2.4 Deadspace Insertion and Redistribution 4.3 Experimental Investigation 4.3.1 Wirelength Estimation 4.3.2 Configuration 4.3.3 Results and Discussion 4.4 Summary and Conclusions 5 Planning Through-Silicon Vias for Design Optimization 5.1 Deadspace Requirements for Optimized Planning of Through-Silicon Vias 5.2 Multiobjective Design Optimization of 3D Integrated Circuits 5.2.1 Methodology Overview and Configuration 5.2.2 Techniques for Deadspace Optimization 5.2.3 Design-Quality Analysis 5.2.4 Planning Different Types of Through-Silicon Vias 5.3 Experimental Investigation 5.3.1 Configuration 5.3.2 Results and Discussion 5.4 Summary and Conclusions 6 3D Floorplanning for Structural Planning of Massive Interconnects 6.1 Block Alignment for Interconnects Planning in 3D Integrated Circuits 6.2 Corner Block List Extended for Block Alignment 6.2.1 Alignment Encoding 6.2.2 Layout Generation: Block Placement and Alignment 6.3 3D Floorplanning Methodology 6.3.1 Optimization Criteria and Phases and Related Cost Models 6.3.2 Fast Thermal Analysis 6.3.3 Layout Operations 6.3.4 Adaptive Optimization Schedule 6.4 Experimental Investigation 6.4.1 Configuration 6.4.2 Results and Discussion 6.5 Summary and Conclusions 7 Research Summary, Conclusions, and Outlook Dissertation Theses Notation Glossary Bibliograph

Automatic synthesis of analog layout : a survey

A review of recent research in the automatic synthesis of physical geometry for analog integrated circuits is presented. On introduction, an explanation of the difficulties involved in analog layout as opposed to digital layout is covered. Review of the literature then follows. Emphasis is placed on the exposition of general methods for addressing problems specific to analog layout, with the details of specific systems only being given when they surve to illustrate these methods well. The conclusion discusses problems remaining and offers a prediction as to how technology will evolve to solve them. It is argued that although progress has been and will continue to be made in the automation of analog IC layout, due to fundamental differences in the nature of analog IC design as opposed to digital design, it should not be expected that the level of automation of the former will reach that of the latter any time soon

Optimising and evaluating designs for reconfigurable hardware

Growing demand for computational performance, and the rising cost for chip design and manufacturing make reconfigurable hardware increasingly attractive for digital system implementation. Reconfigurable hardware, such as field-programmable gate arrays (FPGAs), can deliver performance through parallelism while also providing flexibility to enable application builders to reconfigure them. However, reconfigurable systems, particularly those involving run-time reconfiguration, are often developed in an ad-hoc manner. Such an approach usually results in low designer productivity and can lead to inefficient designs. This thesis covers three main achievements that address this situation. The first achievement is a model that captures design parameters of reconfigurable hardware and performance parameters of a given application domain. This model supports optimisations for several design metrics such as performance, area, and power consumption. The second achievement is a technique that enhances the relocatability of bitstreams for reconfigurable devices, taking into account heterogeneous resources. This method increases the flexibility of modules represented by these bitstreams while reducing configuration storage size and design compilation time. The third achievement is a technique to characterise the power consumption of FPGAs in different activity modes. This technique includes the evaluation of standby power and dedicated low-power modes, which are crucial in meeting the requirements for battery-based mobile devices

Layoutautomatisierung im analogen IC-Entwurf mit formalisiertem und nicht-formalisiertem Expertenwissen

After more than three decades of electronic design automation, most layouts for analog integrated circuits are still handcrafted in a laborious manual fashion today. Obverse to the highly automated synthesis tools in the digital domain (coping with the quantitative difficulty of packing more and more components onto a single chip – a desire well known as More Moore), analog layout automation struggles with the many diverse and heavily correlated functional requirements that turn the analog design problem into a More than Moore challenge. Facing this qualitative complexity, seasoned layout engineers rely on their comprehensive expert knowledge to consider all design constraints that uncompromisingly need to be satisfied. This usually involves both formally specified and nonformally communicated pieces of expert knowledge, which entails an explicit and implicit consideration of design constraints, respectively. Existing automation approaches can be basically divided into optimization algorithms (where constraint consideration occurs explicitly) and procedural generators (where constraints can only be taken into account implicitly). As investigated in this thesis, these two automation strategies follow two fundamentally different paradigms denoted as top-down automation and bottom-up automation. The major trait of top-down automation is that it requires a thorough formalization of the problem to enable a self-intelligent solution finding, whereas a bottom-up automatism –controlled by parameters– merely reproduces solutions that have been preconceived by a layout expert in advance. Since the strengths of one paradigm may compensate the weaknesses of the other, it is assumed that a combination of both paradigms –called bottom-up meets top-down– has much more potential to tackle the analog design problem in its entirety than either optimization-based or generator-based approaches alone. Against this background, the thesis at hand presents Self-organized Wiring and Arrangement of Responsive Modules (SWARM), an interdisciplinary methodology addressing the design problem with a decentralized multi-agent system. Its basic principle, similar to the roundup of a sheep herd, is to let responsive mobile layout modules (implemented as context-aware procedural generators) interact with each other inside a user-defined layout zone. Each module is allowed to autonomously move, rotate and deform itself, while a supervising control organ successively tightens the layout zone to steer the interaction towards increasingly compact (and constraint compliant) layout arrangements. Considering various principles of self-organization and incorporating ideas from existing decentralized systems, SWARM is able to evoke the phenomenon of emergence: although each module only has a limited viewpoint and selfishly pursues its personal objectives, remarkable overall solutions can emerge on the global scale. Several examples exhibit this emergent behavior in SWARM, and it is particularly interesting that even optimal solutions can arise from the module interaction. Further examples demonstrate SWARM’s suitability for floorplanning purposes and its application to practical place-and-route problems. The latter illustrates how the interacting modules take care of their respective design requirements implicitly (i.e., bottom-up) while simultaneously paying respect to high level constraints (such as the layout outline imposed top-down by the supervising control organ). Experimental results show that SWARM can outperform optimization algorithms and procedural generators both in terms of layout quality and design productivity. From an academic point of view, SWARM’s grand achievement is to tap fertile virgin soil for future works on novel bottom-up meets top-down automatisms. These may one day be the key to close the automation gap in analog layout design.Nach mehr als drei Jahrzehnten Entwurfsautomatisierung werden die meisten Layouts für analoge integrierte Schaltkreise heute immer noch in aufwändiger Handarbeit entworfen. Gegenüber den hochautomatisierten Synthesewerkzeugen im Digitalbereich (die sich mit dem quantitativen Problem auseinandersetzen, mehr und mehr Komponenten auf einem einzelnen Chip unterzubringen – bestens bekannt als More Moore) kämpft die analoge Layoutautomatisierung mit den vielen verschiedenen und stark korrelierten funktionalen Anforderungen, die das analoge Entwurfsproblem zu einer More than Moore Herausforderung machen. Angesichts dieser qualitativen Komplexität bedarf es des umfassenden Expertenwissens erfahrener Layouter um sämtliche Entwurfsconstraints, die zwingend eingehalten werden müssen, zu berücksichtigen. Meist beinhaltet dies formal spezifiziertes als auch nicht-formal übermitteltes Expertenwissen, was eine explizite bzw. implizite Constraint Berücksichtigung nach sich zieht. Existierende Automatisierungsansätze können grundsätzlich unterteilt werden in Optimierungsalgorithmen (wo die Constraint Berücksichtigung explizit erfolgt) und prozedurale Generatoren (die Constraints nur implizit berücksichtigen können). Wie in dieser Arbeit eruiert wird, folgen diese beiden Automatisierungsstrategien zwei grundlegend unterschiedlichen Paradigmen, bezeichnet als top-down Automatisierung und bottom-up Automatisierung. Wesentliches Merkmal der top-down Automatisierung ist die Notwendigkeit einer umfassenden Problemformalisierung um eine eigenintelligente Lösungsfindung zu ermöglichen, während ein bottom-up Automatismus –parametergesteuert– lediglich Lösungen reproduziert, die vorab von einem Layoutexperten vorgedacht wurden. Da die Stärken des einen Paradigmas die Schwächen des anderen ausgleichen können, ist anzunehmen, dass eine Kombination beider Paradigmen –genannt bottom-up meets top down– weitaus mehr Potenzial hat, das analoge Entwurfsproblem in seiner Gesamtheit zu lösen als optimierungsbasierte oder generatorbasierte Ansätze für sich allein. Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Arbeit Self-organized Wiring and Arrangement of Responsive Modules (SWARM) vor, eine interdisziplinäre Methodik, die das Entwurfsproblem mit einem dezentralisierten Multi-Agenten-System angeht. Das Grundprinzip besteht darin, ähnlich dem Zusammentreiben einer Schafherde, reaktionsfähige mobile Layoutmodule (realisiert als kontextbewusste prozedurale Generatoren) in einer benutzerdefinierten Layoutzone interagieren zu lassen. Jedes Modul darf sich selbständig bewegen, drehen und verformen, wobei ein übergeordnetes Kontrollorgan die Zone schrittweise verkleinert, um die Interaktion auf zunehmend kompakte (und constraintkonforme) Layoutanordnungen hinzulenken. Durch die Berücksichtigung diverser Selbstorganisationsgrundsätze und die Einarbeitung von Ideen bestehender dezentralisierter Systeme ist SWARM in der Lage, das Phänomen der Emergenz hervorzurufen: obwohl jedes Modul nur eine begrenzte Sichtweise hat und egoistisch seine eigenen Ziele verfolgt, können sich auf globaler Ebene bemerkenswerte Gesamtlösungen herausbilden. Mehrere Beispiele veranschaulichen dieses emergente Verhalten in SWARM, wobei besonders interessant ist, dass sogar optimale Lösungen aus der Modulinteraktion entstehen können. Weitere Beispiele demonstrieren SWARMs Eignung zwecks Floorplanning sowie die Anwendung auf praktische Place-and-Route Probleme. Letzteres verdeutlicht, wie die interagierenden Module ihre jeweiligen Entwurfsanforderungen implizit (also: bottom-up) beachten, während sie gleichzeitig High-Level-Constraints berücksichtigen (z.B. die Layoutkontur, die top-down vom übergeordneten Kontrollorgan auferlegt wird). Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Optimierungsalgorithmen und prozedurale Generatoren von SWARM sowohl bezüglich Layoutqualität als auch Entwurfsproduktivität übertroffen werden können. Aus akademischer Sicht besteht SWARMs große Errungenschaft in der Erschließung fruchtbaren Neulands für zukünftige Arbeiten an neuartigen bottom-up meets top-down Automatismen. Diese könnten eines Tages der Schlüssel sein, um die Automatisierungslücke im analogen Layoutentwurf zu schließen

Raising the abstraction level of hardware software co-designs

As lithographic processes’ size to manufacture transistors shrink, the number of available transistors on integrated circuits (IC) increases. Newly manufactured ICs require innovations to leverage improved performances or area occupation, and feature more and more components on the same chip, which work together and/or independently to provide an advanced set of functions. The complexity of hardware design flows consequently increased: from circuit description to functional verification and in-system interface, every stage is now more and more driven by a cross-product function between a set of reusable functional units and constraints to target a specific technology (ASIC, FPGAs etc…) and configuration. This diversity in the possible outputs for a set of components calls for the development of new methodologies to raise the abstraction level in the design flows. A better abstraction allows optimizing and automating more processes, from component specification to final implementation and interfacing. New Abstraction levels have always emerged through industry standards like Verilog and VHDL for digital circuit description, SystemVerilog/UVM/e for functional verification, or by vendor specific toolchains. However, standards and software toolchains usually lack flexibility as they operate for a bounded range of functionalities. This thesis presents some novel applications covering various stages of the design flow, ranging from digital design input (register file generator) and ASIC circuit implementation (Hierarchical Floorplaning), up to in-system IC integration (Part design language). They are backed by a generic software design methodology based on functional programming used to develop domain specific languages embedded in the TCL interpreter. To complete the design flow path from circuit implementation to software integration, a hardware-software interfacing point linked with the Register File Generator design tool will be presented. It is based on a generic and innovative XML-Data binding technology which was developed during this work. The iterative loop between application definition and flexible software components reuse presented along this work also provides a general guideline to develop future design flow components, and guarantee their integration in any target environment

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

Methodology and Ecosystem for the Design of a Complex Network ASIC

Performance of HPC systems has risen steadily. While the 10 Petaflop/s barrier has been breached in the year 2011 the next large step into the exascale era is expected sometime between the years 2018 and 2020. The EXTOLL project will be an integral part in this venture. Originally designed as a research project on FPGA basis it will make the transition to an ASIC to improve its already excelling performance even further. This transition poses many challenges that will be presented in this thesis. Nowadays, it is not enough to look only at single components in a system. EXTOLL is part of complex ecosystem which must be optimized overall since everything is tightly interwoven and disregarding some aspects can cause the whole system either to work with limited performance or even to fail. This thesis examines four different aspects in the design hierarchy and proposes efficient solutions or improvements for each of them. At first it takes a look at the design implementation and the differences between FPGA and ASIC design. It introduces a methodology to equip all on-chip memory with ECC logic automatically without the user’s input and in a transparent way so that the underlying code that uses the memory does not have to be changed. In the next step the floorplanning process is analyzed and an iterative solution is worked out based on physical and logical constraints of the EXTOLL design. Besides, a work flow for collaborative design is presented that allows multiple users to work on the design concurrently. The third part concentrates on the high-speed signal path from the chip to the connector and how it is affected by technological limitations. All constraints are analyzed and a package layout for the EXTOLL chip is proposed that is seen as the optimal solution. The last part develops a cost model for wafer and package level test and raises technological concerns that will affect the testing methodology. In order to run testing internally it proposes the development of a stand-alone test platform that is able to test packaged EXTOLL chips in every aspect

Structure discovery techniques for circuit design and process model visualization

Graphs are one of the most used abstractions in many knowledge fields because of the easy and flexibility by which graphs can represent relationships between objects. The pervasiveness of graphs in many disciplines means that huge amounts of data are available in graph form, allowing many opportunities for the extraction of useful structure from these graphs in order to produce insight into the data. In this thesis we introduce a series of techniques to resolve well-known challenges in the areas of digital circuit design and process mining. The underlying idea that ties all the approaches together is discovering structures in graphs. We show how many problems of practical importance in these areas can be solved utilizing both common and novel structure mining approaches. In the area of digital circuit design, this thesis proposes automatically discovering frequent, repetitive structures in a circuit netlist in order to improve the quality of physical planning. These structures can be used during floorplanning to produce regular designs, which are known to be highly efficient and economical. At the same time, detecting these repeating structures can exponentially reduce the total design time. The second focus of this thesis is in the area of the visualization of process models. Process mining is a recent area of research which centers on studying the behavior of real-life systems and their interactions with the environment. Complicated process models, however, hamper this goal. By discovering the important structures in these models, we propose a series of methods that can derive visualization-friendly process models with minimal loss in accuracy. In addition, and combining the areas of circuit design and process mining, this thesis opens the area of specification mining in asynchronous circuits. Instead of the usual design flow, which involves synthesizing circuits from specifications, our proposal discovers specifications from implemented circuits. This area allows for many opportunities for verification and re-synthesis of asynchronous circuits. The proposed methods have been tested using real-life benchmarks, and the quality of the results compared to the state-of-the-art.Els grafs són una de les representacions abstractes més comuns en molts camps de recerca, gràcies a la facilitat i flexibilitat amb la que poden representar relacions entre objectes. Aquesta popularitat fa que una gran quantitat de dades es puguin trobar en forma de graf, i obre moltes oportunitats per a extreure estructures d'aquest grafs, útils per tal de donar una intuïció millor de les dades subjacents. En aquesta tesi introduïm una sèrie de tècniques per resoldre reptes habitualment trobats en les àrees de disseny de circuits digitals i mineria de processos industrials. La idea comú sota tots els mètodes proposats es descobrir automàticament estructures en grafs. En la tesi es mostra que molts problemes trobats a la pràctica en aquestes àrees poden ser resolts utilitzant nous mètodes de descobriment d'estructures. En l'àrea de disseny de circuits, proposem descobrir, automàticament, estructures freqüents i repetitives en les definicions del circuit per tal de millorar la qualitat de les etapes posteriors de planificació física. Les estructures descobertes poden fer-se servir durant la planificació per produir dissenys regulars, que son molt més econòmics d'implementar. Al mateix temps, la descoberta i ús d'aquestes estructures pot reduir exponencialment el temps total de disseny. El segon punt focal d'aquesta tesi és en l'àrea de la visualització de models de processos industrials. La mineria de processos industrials es un tema jove de recerca que es centra en estudiar el comportament de sistemes reals i les interaccions d'aquests sistemes amb l'entorn. No obstant, quan d'aquest anàlisi s'obtenen models massa complexos visualment, l'estudi n'és problemàtic. Proposem una sèrie de mètodes que, gràcies al descobriment automàtic de les estructures més importants, poden generar models molt més fàcils de visualitzar que encara descriuen el comportament del sistema amb gran precisió. Combinant les àrees de disseny de circuits i mineria de processos, aquesta tesi també obre un nou tema de recerca: la mineria d'especificacions per circuits asíncrons. En l'estil de disseny asíncron habitual, sintetitzadors automàtics generen circuits a partir de les especificacions. En aquesta tesi proposem el pas invers: descobrir automàticament les especificacions de circuits ja implementats. Així, creem noves oportunitats per a la verificació i la re-síntesi de circuits asíncrons. Els mètodes proposats en aquesta tesi s'han validat fent servir dades obtingudes d'aplicacions pràctiques, i en comparem els resultats amb els mètodes existents