Efficient Simulation of Structural Faults for the Reliability Evaluation at System-Level

In recent technology nodes, reliability is considered a part of the standard design ¿ow at all levels of embedded system design. While techniques that use only low-level models at gate- and register transfer-level offer high accuracy, they are too inefficient to consider the overall application of the embedded system. Multi-level models with high abstraction are essential to efficiently evaluate the impact of physical defects on the system. This paper provides a methodology that leverages state-of-the-art techniques for efficient fault simulation of structural faults together with transaction-level modeling. This way it is possible to accurately evaluate the impact of the faults on the entire hardware/software system. A case study of a system consisting of hardware and software for image compression and data encryption is presented and the method is compared to a standard gate/RT mixed-level approac

Towards Multidimensional Verification: Where Functional Meets Non-Functional

Trends in advanced electronic systems' design have a notable impact on design verification technologies. The recent paradigms of Internet-of-Things (IoT) and Cyber-Physical Systems (CPS) assume devices immersed in physical environments, significantly constrained in resources and expected to provide levels of security, privacy, reliability, performance and low power features. In recent years, numerous extra-functional aspects of electronic systems were brought to the front and imply verification of hardware design models in multidimensional space along with the functional concerns of the target system. However, different from the software domain such a holistic approach remains underdeveloped. The contributions of this paper are a taxonomy for multidimensional hardware verification aspects, a state-of-the-art survey of related research works and trends towards the multidimensional verification concept. The concept is motivated by an example for the functional and power verification dimensions.Comment: 2018 IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NORCAS): NORCHIP and International Symposium of System-on-Chip (SoC

A TLM-RTL Systemverilog-Based Verification Franework for OCP Design

Open Core Protocol (OCP) establishes itself as the only non-proprietary, openly licensed, core-centric protocol that is used to support “plug-and-play” SoC (System-On-Chip) design practices. Designer can reuse OCP-compliance IP cores based on system integration and verification approach in multiple designs without reworking, reducing the development time and cutting down overall design costs. In this thesis, we develop a reusable verification framework of OCP. Assertion-based verification was chosen in order to enforce the flow. An OCP SystemVerilog monitor which is developed in house is used to verify the OCP SystemC TL1 (Cycle-accurate Level) design. The monitor can also be reused for OCP designs described at different abstraction level and thus dramatically reduce the time needed for OCP functional verification. To increase the functional coverage of OCP models, Cell-based Genetic Algorithm (CGA) with random number generators based on different probability distribution functions is provided on OCP TL1 models for generating and evolving the OCP transactions. Furthermore, SystemC Verification Library (SCV) is employed as pure random number generator to compare with the proposed CGA. The experiments show that some probability distributions have more effect on the coverage than others. The best population of the CGA can be reused on OCP RTL models to reduce the verification time

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Automatic synthesis of OSCI TLM-2.0 models into RTL bus-based IPs

n/

Optimierung der Energie und Power getriebenen Architekturexploration für Multicore und heterogenes System on Chip

The contribution of this work builds on top of the established virtual prototype platforms to improve both SoC design quality and productivity. Initially, an automatic system-level power estimation framework was developed to address the critical issue of early power estimation in SoC design. The estimation framework models the static and dynamic power consumption of the hardware components. These models are created from the normalized values of the basic design components of SoC, obtained through one-time power simulation of RTL hardware models. The framework allows dynamic technology node reconfiguration for power estimation models. Its instantaneous power reporting aids the detection of possible hotspot early into the design process. Adding this additional data in conjunction with a steadily growing design space of complex heterogeneous SoC, finding the right parameter configuration is a challenging and laborious task for a system-level designer. This work addresses this bottleneck by optimizing the design space exploration (DSE) process for MPSoC design. An automatic DSE framework for virtual platforms (VPs) was developed which is flexible and allows the selection optimal parameter configuration without pre-existing knowledge. To reduce exploration time, the framework is equipped with several multi-objective optimization techniques based on simulated annealing and a genetic algorithm. Lastly, to aid HW/SW partitioning at system-level, a flexible and automated workflow (SW2TLM) is presented. It allows the designer to explore various possible partitioning scenarios without going into depth of the hardware architecture complexity and software integration. The framework generates system-level hardware accelerators from corresponding functionality encoded in the software code and integrates them into the VP. Power consumption and time speedups of acceleration is reported to the designer, which further increases the quality and productivity of the development process towards the final architecture. The presented tools are evaluated using a state-of-the-art VP for a range of single and multi-core applications. Viewing the energy delay product, a reduction in exploration time was recorded at approximately 62% (worst case), maintaining optimal parameter accuracy of 90% compared to previous techniques. While the SW2TLM further increases the exploration versatility by combining modern high-level synthesis with system-level architectural exploration.Der Beitrag dieser Arbeit baut auf dem etablierten Konzept der virtuellen Prototyp (VP) Plattformen auf, um die Qualität und die Produktivität des Entwurfsprozesses zu verbessern. Zunächst wurde ein automatisches System-Level-Framework entwickelt, um Verlustleistungsabschätzung für SoC-Designs in einer deutlich früheren Entwicklungsphase zu ermöglichen. Hierfür werden statischen und dynamischen Energieverbrauchsanteile individueller Hardwareelemente durch ein abstraktes Modell ausgedrückt. Das Framework ermöglicht eine dynamische Anpassung des Technologieknotens sowie die Integration neuer Leistungsmodelle für Drittanbieterkomponenten. Die kontinuierliche Erfassung der Energieverbrauchseigenschaften und ihre grafische Darstellung Benutzeroberfläche unterstützt zusätzlich die frühzeitige Identifikation möglicher Hotspots. Durch die Bereitstellung zusätzlicher Daten, in Verbindung mit einem stetig wachsenden Entwurfsraum komplexer SoCs, ist die Identifikation der richtigen Parameterkonfiguration eine zeitintensive Aufgabe. Die vorgelegten Konzepte erlauben eine gesteigerte Automatisierung des Explorationsprozesses. Techniken der mehrdimensionalen Optimierung, basierend auf Simulated Annealing und genetischer Algorithmen erlauben die Identifikation von geeigneten Konfigurationen ohne vorheriges Wissen oder Erfahrungswerte Schließlich wurde zur Unterstützung der HW/SW -Partitionierung auf System-Ebene ein flexibler und automatisierter Workflow entwickelt. Er ermöglicht es dem Designer verschiedene mögliche Partitionierungsszenarien zu untersuchen, ohne sich in die Komplexität der Hardwarearchitektur und der Softwareintegration zu vertiefen. Das Framework erzeugt abstrakte Beschleunigermodelle aus entsprechenden Softwarefunktionen und integriert sie nahtlos in den ausführbare VP. Detaillierte Daten zum Energieverbrauch, Beschleunigungsfaktor und Kommunikationsoverhead der Partitionierung werden erfasst und dem Designer zur Verfügung gestellt, was die Qualität und Produktivität des weiter erhöht. Die vorgestellten Tools werden mit einer modernen VP für verschiedene SW-Anwendungen evaluiert. Bei Betrachtung des Energieverzögerungsprodukts wurde eine Verringerung der Explorationszeit um mehr als 62% bei 90% Parametergenauigkeit festgestell. Darauf aufbauend, erleichtert die automatisierte Untersuchung verschiedener HW/SW Partitionierungen die Entwicklung heterogener Architekturen durch die Kombination moderner HLS mit Architektur-Exploration auf der Systemebene

Review of System Design Frameworks

In the last decade, the enormous development of the semiconductor industry with ever-increasing complexities of digital embedded systems and strong market competition with fast time-to-market and low design cost demands have imposed serious difficulty to a conventional design method. Therefore, there emerges a new design flow named model-based system design, which is based on high-level abstraction models, heavy design automation, and extensive component reuse to increase productivity and satisfy the market pressure. This thesis presents reviews of ten high level academic system design frameworks and tools that have been proposed and implemented recently to support the model based design flow, namely System-on-Chip Environment (SCE), Embedded System Environment (ESE), Metropolis, Daedalus, SystemCoDesigner (SCD), xPilot, GAUT, No-Instruction-Set Computer (NISC), Formal System Design (ForSyDe), and Ptolemy II. These tools are then compared to each other in various aspects comprising objective, technique, implementation and capability. Following that, three design flow frameworks, including ESE, Daedalus, and SystemCoDesigner, are experimented for their real usage, performance and practicality. The frameworks and tools implementing the model-based design flow all show promising results. Modelling tools (ForSyDe, and Ptolemy II) can sufficiently capture a wide range of complicated modern systems, while high-level synthesis tools (xPilot, GAUT, and NISC) produce better design qualities in terms of area, power, and cost in comparison to traditional works. Study cases of design flow frameworks (SCE, ESE, Metropolis, Daedalus, and SCD) show the model-based method significantly reduces developing time as well as facilitates the system design process. However, most of these tools and frameworks are being incomplete, and still under the experimental stage. There still be a lot of works needed until the method can be put into practice

Multiprocessor on chip: beating the simulation wall through multiobjective design space exploration with direct execution

Design space exploration of multiprocessors on chip requires both automatic performance analysis tech-niques and efficient multiprocessors configuration per-formance evaluation. Prohibitive simulation time of single multiprocessor configuration makes large design space exploration impossible without massive use of computing resources and still implementation issues are not tackled. This paper proposes a new perfor-mance evaluation methodology for multiprocessors on chip which conduct a multiobjective design space ex-ploration through emulation. The proposed approach is validated on a 4 way multiprocessor on chip design space exploration where a 6 order of magnitude im-provement have been achieved over cycle accurate sim-ulation. 1

Modeling and Simulation Methodologies for Digital Twin in Industry 4.0

The concept of Industry 4.0 represents an innovative vision of what will be the factory of the future. The principles of this new paradigm are based on interoperability and data exchange between dierent industrial equipment. In this context, Cyber- Physical Systems (CPSs) cover one of the main roles in this revolution. The combination of models and the integration of real data coming from the field allows to obtain the virtual copy of the real plant, also called Digital Twin. The entire factory can be seen as a set of CPSs and the resulting system is also called Cyber-Physical Production System (CPPS). This CPPS represents the Digital Twin of the factory with which it would be possible analyze the real factory. The interoperability between the real industrial equipment and the Digital Twin allows to make predictions concerning the quality of the products. More in details, these analyses are related to the variability of production quality, prediction of the maintenance cycle, the accurate estimation of energy consumption and other extra-functional properties of the system. Several tools [2] allow to model a production line, considering dierent aspects of the factory (i.e. geometrical properties, the information flows etc.) However, these simulators do not provide natively any solution for the design integration of CPSs, making impossible to have precise analysis concerning the real factory. Furthermore, for the best of our knowledge, there are no solution regarding a clear integration of data coming from real equipment into CPS models that composes the entire production line. In this context, the goal of this thesis aims to define an unified methodology to design and simulate the Digital Twin of a plant, integrating data coming from real equipment. In detail, the presented methodologies focus mainly on: integration of heterogeneous models in production line simulators; Integration of heterogeneous models with ad-hoc simulation strategies; Multi-level simulation approach of CPS and integration of real data coming from sensors into models. All the presented contributions produce an environment that allows to perform simulation of the plant based not only on synthetic data, but also on real data coming from equipments