From FPGA to ASIC: A RISC-V processor experience

This work document a correct design flow using these tools in the Lagarto RISC- V Processor and the RTL design considerations that must be taken into account, to move from a design for FPGA to design for ASIC

Online and Offline BIST in IP-Core Design

This article presents an online and offline built-in self-test architecture implemented as an SRAM intellectual-property core for telecommunication applications. The architecture combines fault-latency reduction, code-based fault detection, and architecture-based fault avoidance to meet reliability constraint

On-board processing satellite network architecture and control study

The market for telecommunications services needs to be segmented into user classes having similar transmission requirements and hence similar network architectures. Use of the following transmission architecture was considered: satellite switched TDMA; TDMA up, TDM down; scanning (hopping) beam TDMA; FDMA up, TDM down; satellite switched MF/TDMA; and switching Hub earth stations with double hop transmission. A candidate network architecture will be selected that: comprises multiple access subnetworks optimized for each user; interconnects the subnetworks by means of a baseband processor; and optimizes the marriage of interconnection and access techniques. An overall network control architecture will be provided that will serve the needs of the baseband and satellite switched RF interconnected subnetworks. The results of the studies shall be used to identify elements of network architecture and control that require the greatest degree of technology development to realize an operational system. This will be specified in terms of: requirements of the enabling technology; difference from the current available technology; and estimate of the development requirements needed to achieve an operational system. The results obtained for each of these tasks are presented

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

Using an FPGA for Fast Bit Accurate SoC Simulation

In this paper we describe a sequential simulation method to simulate large parallel homo- and heterogeneous systems on a single FPGA. The method is applicable for parallel systems were lengthy cycle and bit accurate simulations are required. It is particularly designed for systems that do not fit completely on the simulation platform (i.e. FPGA). As a case study, we use a Network-on-Chip (NoC) that is simulated in SystemC and on the described FPGA simulator. This enables us to observe the NoC behavior under a large variety of traffic patterns. Compared with the SystemC simulation we achieved a factor 80-300 of speed improvement, without compromising the cycle and bit level accuracy

The ARGUS Vertex Trigger

A fast second level trigger has been developed for the ARGUS experiment which recognizes tracks originating from the interaction region. The processor compares the hits in the ARGUS Micro Vertex Drift Chamber to 245760 masks stored in random access memories. The masks which are fully defined in three dimensions are able to reject tracks originating in the wall of the narrow beampipe of 10.5\,mm radius.Comment: gzipped Postscript, 27 page

Integration of a Digital Built-in Self-Test for On-Chip Memories

The ability of testing on-chip circuitry is extremely essential to ASIC implemen- tations today. However, providing functional tests and verification for on-chip (embedded) memories always poses a huge number of challenges to the designer. Therefore, a co-existing automated built-in self-test block with the Design Under Test (DUT) seems crucial to provide comprehensive, efficient and robust testing features. The target DUT of this thesis project is the state-of-the-arts Ultra Low Power (ULP) dual-port SRAMs designed in ASIC group of EIT department at Lund University. This thesis starts from system RTL modeling and verification from an earlier project, and then goes through ASIC design phase in 28 nm FD-SOI technology from ST-Microelectronics. All scripts during the ASIC design phase are developed in TCL. This design is implemented with multiple power domains (using CPF approach and introducing level-shifters at crossing-points between domains) and multiple clock sources in order to make it possible to perform various measurements with a high reliability on different flavours of a dual-port SRAM.This design is able to reduce dramatically the complexity of verification and measurement to integrated memories. This digital integrated circuit (IC) is developed as an application-specific IC (ASIC) chip for functional verification of integrated memories and measuring them in different aspects such as power consumption. The design is automated and capable of being reconfigured easily in terms of required actions and data for testing on-chip memories. Put it in other words, this design has automated and optimized the generation of what data to be stored on which location on memories as well as how they have been treated and interpreted later on. For instance, it refreshes and delivers different operation modes and working patterns to the entire test system in order to fully utilize integrated memories, of which such an automation is instructed by the stimuli to the chip. Besides, the pattern generation of the stimuli is implemented on MATLAB in an automated way. Due to constant advancements in chip manufacturing technology, more devices are squeezed into the same silicon area. Meaning that in order to monitor more internal signals introduced by the increased complexity of the circuits, more dedicated input/output ports (the physical interface between the chip internal signals and outside world) are required, that makes the chip bonding and testing in the future difficult and time-consuming. Additionally, memories usually have a bigger number of pins for signal reactions than other circuit blocks do, the method of dealing with so many pins should also be taken into account. Thus, a few techniques are adopted in this system to assist the designers deal with all mentioned issues. Once the ASIC chip has been fabricated (manufactured) and bonded, the on-chip memories can be tested directly on a printed circuit board in a simple and flexible way: Once test instruction input is loaded into the chip, the system starts to update the system settings and then to generate the internal configurations(parameters) so that all different operations, modes or instructions related to memory testing are automatically processed

A scalable multi-core architecture with heterogeneous memory structures for Dynamic Neuromorphic Asynchronous Processors (DYNAPs)

Neuromorphic computing systems comprise networks of neurons that use asynchronous events for both computation and communication. This type of representation offers several advantages in terms of bandwidth and power consumption in neuromorphic electronic systems. However, managing the traffic of asynchronous events in large scale systems is a daunting task, both in terms of circuit complexity and memory requirements. Here we present a novel routing methodology that employs both hierarchical and mesh routing strategies and combines heterogeneous memory structures for minimizing both memory requirements and latency, while maximizing programming flexibility to support a wide range of event-based neural network architectures, through parameter configuration. We validated the proposed scheme in a prototype multi-core neuromorphic processor chip that employs hybrid analog/digital circuits for emulating synapse and neuron dynamics together with asynchronous digital circuits for managing the address-event traffic. We present a theoretical analysis of the proposed connectivity scheme, describe the methods and circuits used to implement such scheme, and characterize the prototype chip. Finally, we demonstrate the use of the neuromorphic processor with a convolutional neural network for the real-time classification of visual symbols being flashed to a dynamic vision sensor (DVS) at high speed.Comment: 17 pages, 14 figure

Temperature Variation Operation of Mixed-VT 3T GC-eDRAM for Low Power Applications in 2Kbit Memory Array

Embedded memories were once utilized to transfer information between the CPU and the main memory. The cache storage in most traditional computers was static-random-access-memory (SRAM). Other memory technologies, such as embedded dynamic random-access memory (eDRAM) and spin-transfer-torque random-access memory (STT-RAM), have also been used to store cache data. The SRAM, on the other hand, has a low density and severe leakage issues, and the STT-RAM has high latency and energy consumption when writing. The gain-cell eDRAM (GC-eDRAM), which has a higher density, lower leakage, logic compatibility, and is appropriate for two-port operations, is an attractive option. To speed up data retrieval from the main memory, future processors will require larger and faster-embedded memories. Area overhead, power overhead, and speed performance are all issues with the existing architecture. A unique mixed-V_T 3T GC-eDRAM architecture is suggested in this paper to improve data retention times (DRT) and performance for better energy efficiency in embedded memories. The GC-eDRAM is simulated using a standard complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) with a 130nm technology node transistor. The performance of a 2kbit mixed-V_T 3T GC-eDRAM array were evaluated through corner process simulations. Each memory block is designed and simulated using Mentor Graphics Software. The array, which is based on the suggested bit-cell, has been successfully operated at 400Mhz under a 1V supply and takes up almost 60-75% less space than 6T SRAM using the same technology. When compared to the existing 6T and 4T ULP SRAMs (others' work), the retention power of the proposed GC-eDRAM is around 80-90% lower