Design methodology and productivity improvement in high speed VLSI circuits

2017 Spring.Includes bibliographical references.To view the abstract, please see the full text of the document

Algorithmic techniques for physical design : macro placement and under-the-cell routing

With the increase of chip component density and new manufacturability constraints imposed by modern technology nodes, the role of algorithms for electronic design automation is key to the successful implementation of integrated circuits. Two of the critical steps in the physical design flows are macro placement and ensuring all design rules are honored after timing closure. This thesis proposes contributions to help in these stages, easing time-consuming manual steps and helping physical design engineers to obtain better layouts in reduced turnaround time. The first contribution is under-the-cell routing, a proposal to systematically connect standard cell components via lateral pins in the lower metal layers. The aim is to reduce congestion in the upper metal layers caused by extra metal and vias, decreasing the number of design rule violations. To allow cells to connect by abutment, a standard cell library is enriched with instances containing lateral pins in a pre-selected sharing track. Algorithms are proposed to maximize the numbers of connections via lateral connection by mapping placed cell instances to layouts with lateral pins, and proposing local placement modifications to increase the opportunities for such connections. Experimental results show a significant decrease in the number of pins, vias, and in number of design rule violations, with negligible impact on wirelength and timing. The second contribution, done in collaboration with eSilicon (a leading ASIC design company), is the creation of HiDaP, a macro placement tool for modern industrial designs. The proposed approach follows a multilevel scheme to floorplan hierarchical blocks, composed of macros and standard cells. By exploiting RTL information available in the netlist, the dataflow affinity between these blocks is modeled and minimized to find a macro placement with good wirelength and timing properties. The approach is further extended to allow additional engineer input, such as preferred macro locations, and also spectral and force methods to guide the floorplanning search. Experimental results show that the layouts generated by HiDaP outperforms those obtained by a state-of-the-art EDA physical design software, with similar wirelength and better timing when compared to manually designed tape-out ready macro placements. Layouts obtained by HiDaP have successfully been brought to near timing closure with one to two rounds of small modifications by physical design engineers. HiDaP has been fully integrated in the design flows of the company and its development remains an ongoing effort.A causa de l'increment de la densitat de components en els xip i les noves restriccions de disseny imposades pels últims nodes de fabricació, el rol de l'algorísmia en l'automatització del disseny electrònic ha esdevingut clau per poder implementar circuits integrats. Dos dels passos crucials en el procés de disseny físic és el placement de macros i assegurar la correcció de les regles de disseny un cop les restriccions de timing del circuit són satisfetes. Aquesta tesi proposa contribucions per ajudar en aquests dos reptes, facilitant laboriosos passos manuals en el procés i ajudant als enginyers de disseny físic a obtenir millors resultats en menys temps. La primera contribució és el routing "under-the-cell", una proposta per connectar cel·les estàndard usant pins laterals en les capes de metall inferior de manera sistemàtica. L'objectiu és reduir la congestió en les capes de metall superior causades per l'ús de metall i vies, i així disminuir el nombre de violacions de regles de disseny. Per permetre la connexió lateral de cel·les, estenem una llibreria de cel·les estàndard amb dissenys que incorporen connexions laterals. També proposem modificacions locals al placement per permetre explotar aquest tipus de connexions més sovint. Els resultats experimentals mostren una reducció significativa en el nombre de pins, vies i nombre de violacions de regles de disseny, amb un impacte negligible en wirelength i timing. La segona contribució, desenvolupada en col·laboració amb eSilicon (una empresa capdavantera en disseny ASIC), és el desenvolupament de HiDaP, una eina de macro placement per a dissenys industrials actuals. La proposta segueix un procés multinivell per fer el floorplan de blocks jeràrquics, formats per macros i cel·les estàndard. Mitjançant la informació RTL disponible en la netlist, l'afinitat de dataflow entre els mòduls es modela i minimitza per trobar macro placements amb bones propietats de wirelength i timing. La proposta també incorpora la possibilitat de rebre input addicional de l'enginyer, com ara suggeriments de les posicions de les macros. Finalment, també usa mètodes espectrals i de forçes per guiar la cerca de floorplans. Els resultats experimentals mostren que els dissenys generats amb HiDaP són millors que els obtinguts per eines comercials capdavanteres de EDA. Els resultats també mostren que els dissenys presentats poden obtenir un wirelength similar i millor timing que macro placements obtinguts manualment, usats per fabricació. Alguns dissenys obtinguts per HiDaP s'han dut fins a timing-closure en una o dues rondes de modificacions incrementals per part d'enginyers de disseny físic. L'eina s'ha integrat en el procés de disseny de eSilicon i el seu desenvolupament continua més enllà de les aportacions a aquesta tesi.Postprint (published version

Algorithmic techniques for physical design : macro placement and under-the-cell routing

With the increase of chip component density and new manufacturability constraints imposed by modern technology nodes, the role of algorithms for electronic design automation is key to the successful implementation of integrated circuits. Two of the critical steps in the physical design flows are macro placement and ensuring all design rules are honored after timing closure. This thesis proposes contributions to help in these stages, easing time-consuming manual steps and helping physical design engineers to obtain better layouts in reduced turnaround time. The first contribution is under-the-cell routing, a proposal to systematically connect standard cell components via lateral pins in the lower metal layers. The aim is to reduce congestion in the upper metal layers caused by extra metal and vias, decreasing the number of design rule violations. To allow cells to connect by abutment, a standard cell library is enriched with instances containing lateral pins in a pre-selected sharing track. Algorithms are proposed to maximize the numbers of connections via lateral connection by mapping placed cell instances to layouts with lateral pins, and proposing local placement modifications to increase the opportunities for such connections. Experimental results show a significant decrease in the number of pins, vias, and in number of design rule violations, with negligible impact on wirelength and timing. The second contribution, done in collaboration with eSilicon (a leading ASIC design company), is the creation of HiDaP, a macro placement tool for modern industrial designs. The proposed approach follows a multilevel scheme to floorplan hierarchical blocks, composed of macros and standard cells. By exploiting RTL information available in the netlist, the dataflow affinity between these blocks is modeled and minimized to find a macro placement with good wirelength and timing properties. The approach is further extended to allow additional engineer input, such as preferred macro locations, and also spectral and force methods to guide the floorplanning search. Experimental results show that the layouts generated by HiDaP outperforms those obtained by a state-of-the-art EDA physical design software, with similar wirelength and better timing when compared to manually designed tape-out ready macro placements. Layouts obtained by HiDaP have successfully been brought to near timing closure with one to two rounds of small modifications by physical design engineers. HiDaP has been fully integrated in the design flows of the company and its development remains an ongoing effort.A causa de l'increment de la densitat de components en els xip i les noves restriccions de disseny imposades pels últims nodes de fabricació, el rol de l'algorísmia en l'automatització del disseny electrònic ha esdevingut clau per poder implementar circuits integrats. Dos dels passos crucials en el procés de disseny físic és el placement de macros i assegurar la correcció de les regles de disseny un cop les restriccions de timing del circuit són satisfetes. Aquesta tesi proposa contribucions per ajudar en aquests dos reptes, facilitant laboriosos passos manuals en el procés i ajudant als enginyers de disseny físic a obtenir millors resultats en menys temps. La primera contribució és el routing "under-the-cell", una proposta per connectar cel·les estàndard usant pins laterals en les capes de metall inferior de manera sistemàtica. L'objectiu és reduir la congestió en les capes de metall superior causades per l'ús de metall i vies, i així disminuir el nombre de violacions de regles de disseny. Per permetre la connexió lateral de cel·les, estenem una llibreria de cel·les estàndard amb dissenys que incorporen connexions laterals. També proposem modificacions locals al placement per permetre explotar aquest tipus de connexions més sovint. Els resultats experimentals mostren una reducció significativa en el nombre de pins, vies i nombre de violacions de regles de disseny, amb un impacte negligible en wirelength i timing. La segona contribució, desenvolupada en col·laboració amb eSilicon (una empresa capdavantera en disseny ASIC), és el desenvolupament de HiDaP, una eina de macro placement per a dissenys industrials actuals. La proposta segueix un procés multinivell per fer el floorplan de blocks jeràrquics, formats per macros i cel·les estàndard. Mitjançant la informació RTL disponible en la netlist, l'afinitat de dataflow entre els mòduls es modela i minimitza per trobar macro placements amb bones propietats de wirelength i timing. La proposta també incorpora la possibilitat de rebre input addicional de l'enginyer, com ara suggeriments de les posicions de les macros. Finalment, també usa mètodes espectrals i de forçes per guiar la cerca de floorplans. Els resultats experimentals mostren que els dissenys generats amb HiDaP són millors que els obtinguts per eines comercials capdavanteres de EDA. Els resultats també mostren que els dissenys presentats poden obtenir un wirelength similar i millor timing que macro placements obtinguts manualment, usats per fabricació. Alguns dissenys obtinguts per HiDaP s'han dut fins a timing-closure en una o dues rondes de modificacions incrementals per part d'enginyers de disseny físic. L'eina s'ha integrat en el procés de disseny de eSilicon i el seu desenvolupament continua més enllà de les aportacions a aquesta tesi

Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems

[ES] La utilización de sistemas empotrados en cada vez más ámbitos de aplicación está llevando a que su diseño deba enfrentarse a mayores requisitos de rendimiento, consumo de energía y área (PPA). Asimismo, su utilización en aplicaciones críticas provoca que deban cumplir con estrictos requisitos de confiabilidad para garantizar su correcto funcionamiento durante períodos prolongados de tiempo. En particular, el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA es un gran desafío desde la perspectiva de la confiabilidad, ya que estos dispositivos son muy sensibles a la radiación. Por todo ello, la confiabilidad debe considerarse como uno de los criterios principales para la toma de decisiones a lo largo del todo flujo de diseño, que debe complementarse con diversos procesos que permitan alcanzar estrictos requisitos de confiabilidad. Primero, la evaluación de la robustez del diseño permite identificar sus puntos débiles, guiando así la definición de mecanismos de tolerancia a fallos. Segundo, la eficacia de los mecanismos definidos debe validarse experimentalmente. Tercero, la evaluación comparativa de la confiabilidad permite a los diseñadores seleccionar los componentes prediseñados (IP), las tecnologías de implementación y las herramientas de diseño (EDA) más adecuadas desde la perspectiva de la confiabilidad. Por último, la exploración del espacio de diseño (DSE) permite configurar de manera óptima los componentes y las herramientas seleccionados, mejorando así la confiabilidad y las métricas PPA de la implementación resultante. Todos los procesos anteriormente mencionados se basan en técnicas de inyección de fallos para evaluar la robustez del sistema diseñado. A pesar de que existe una amplia variedad de técnicas de inyección de fallos, varias problemas aún deben abordarse para cubrir las necesidades planteadas en el flujo de diseño. Aquellas soluciones basadas en simulación (SBFI) deben adaptarse a los modelos de nivel de implementación, teniendo en cuenta la arquitectura de los diversos componentes de la tecnología utilizada. Las técnicas de inyección de fallos basadas en FPGAs (FFI) deben abordar problemas relacionados con la granularidad del análisis para poder localizar los puntos débiles del diseño. Otro desafío es la reducción del coste temporal de los experimentos de inyección de fallos. Debido a la alta complejidad de los diseños actuales, el tiempo experimental dedicado a la evaluación de la confiabilidad puede ser excesivo incluso en aquellos escenarios más simples, mientras que puede ser inviable en aquellos procesos relacionados con la evaluación de múltiples configuraciones alternativas del diseño. Por último, estos procesos orientados a la confiabilidad carecen de un soporte instrumental que permita cubrir el flujo de diseño con toda su variedad de lenguajes de descripción de hardware, tecnologías de implementación y herramientas de diseño. Esta tesis aborda los retos anteriormente mencionados con el fin de integrar, de manera eficaz, estos procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño. Primeramente, se proponen nuevos métodos de inyección de fallos que permiten una evaluación de la confiabilidad, precisa y detallada, en diferentes niveles del flujo de diseño. Segundo, se definen nuevas técnicas para la aceleración de los experimentos de inyección que mejoran su coste temporal. Tercero, se define dos estrategias DSE que permiten configurar de manera óptima (desde la perspectiva de la confiabilidad) los componentes IP y las herramientas EDA, con un coste experimental mínimo. Cuarto, se propone un kit de herramientas que automatiza e incorpora con eficacia los procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño semicustom. Finalmente, se demuestra la utilidad y eficacia de las propuestas mediante un caso de estudio en el que se implementan tres procesadores empotrados en un FPGA de Xilinx serie 7.[CA] La utilització de sistemes encastats en cada vegada més àmbits d'aplicació està portant al fet que el seu disseny haja d'enfrontar-se a majors requisits de rendiment, consum d'energia i àrea (PPA). Així mateix, la seua utilització en aplicacions crítiques provoca que hagen de complir amb estrictes requisits de confiabilitat per a garantir el seu correcte funcionament durant períodes prolongats de temps. En particular, l'ús de dispositius lògics programables de tipus FPGA és un gran desafiament des de la perspectiva de la confiabilitat, ja que aquests dispositius són molt sensibles a la radiació. Per tot això, la confiabilitat ha de considerar-se com un dels criteris principals per a la presa de decisions al llarg del tot flux de disseny, que ha de complementar-se amb diversos processos que permeten aconseguir estrictes requisits de confiabilitat. Primer, l'avaluació de la robustesa del disseny permet identificar els seus punts febles, guiant així la definició de mecanismes de tolerància a fallades. Segon, l'eficàcia dels mecanismes definits ha de validar-se experimentalment. Tercer, l'avaluació comparativa de la confiabilitat permet als dissenyadors seleccionar els components predissenyats (IP), les tecnologies d'implementació i les eines de disseny (EDA) més adequades des de la perspectiva de la confiabilitat. Finalment, l'exploració de l'espai de disseny (DSE) permet configurar de manera òptima els components i les eines seleccionats, millorant així la confiabilitat i les mètriques PPA de la implementació resultant. Tots els processos anteriorment esmentats es basen en tècniques d'injecció de fallades per a poder avaluar la robustesa del sistema dissenyat. A pesar que existeix una àmplia varietat de tècniques d'injecció de fallades, diverses problemes encara han d'abordar-se per a cobrir les necessitats plantejades en el flux de disseny. Aquelles solucions basades en simulació (SBFI) han d'adaptar-se als models de nivell d'implementació, tenint en compte l'arquitectura dels diversos components de la tecnologia utilitzada. Les tècniques d'injecció de fallades basades en FPGAs (FFI) han d'abordar problemes relacionats amb la granularitat de l'anàlisi per a poder localitzar els punts febles del disseny. Un altre desafiament és la reducció del cost temporal dels experiments d'injecció de fallades. A causa de l'alta complexitat dels dissenys actuals, el temps experimental dedicat a l'avaluació de la confiabilitat pot ser excessiu fins i tot en aquells escenaris més simples, mentre que pot ser inviable en aquells processos relacionats amb l'avaluació de múltiples configuracions alternatives del disseny. Finalment, aquests processos orientats a la confiabilitat manquen d'un suport instrumental que permeta cobrir el flux de disseny amb tota la seua varietat de llenguatges de descripció de maquinari, tecnologies d'implementació i eines de disseny. Aquesta tesi aborda els reptes anteriorment esmentats amb la finalitat d'integrar, de manera eficaç, aquests processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny. Primerament, es proposen nous mètodes d'injecció de fallades que permeten una avaluació de la confiabilitat, precisa i detallada, en diferents nivells del flux de disseny. Segon, es defineixen noves tècniques per a l'acceleració dels experiments d'injecció que milloren el seu cost temporal. Tercer, es defineix dues estratègies DSE que permeten configurar de manera òptima (des de la perspectiva de la confiabilitat) els components IP i les eines EDA, amb un cost experimental mínim. Quart, es proposa un kit d'eines (DAVOS) que automatitza i incorpora amb eficàcia els processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny semicustom. Finalment, es demostra la utilitat i eficàcia de les propostes mitjançant un cas d'estudi en el qual s'implementen tres processadors encastats en un FPGA de Xilinx serie 7.[EN] Embedded systems are steadily extending their application areas, dealing with increasing requirements in performance, power consumption, and area (PPA). Whenever embedded systems are used in safety-critical applications, they must also meet rigorous dependability requirements to guarantee their correct operation during an extended period of time. Meeting these requirements is especially challenging for those systems that are based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), since they are very susceptible to Single Event Upsets. This leads to increased dependability threats, especially in harsh environments. In such a way, dependability should be considered as one of the primary criteria for decision making throughout the whole design flow, which should be complemented by several dependability-driven processes. First, dependability assessment quantifies the robustness of hardware designs against faults and identifies their weak points. Second, dependability-driven verification ensures the correctness and efficiency of fault mitigation mechanisms. Third, dependability benchmarking allows designers to select (from a dependability perspective) the most suitable IP cores, implementation technologies, and electronic design automation (EDA) tools. Finally, dependability-aware design space exploration (DSE) allows to optimally configure the selected IP cores and EDA tools to improve as much as possible the dependability and PPA features of resulting implementations. The aforementioned processes rely on fault injection testing to quantify the robustness of the designed systems. Despite nowadays there exists a wide variety of fault injection solutions, several important problems still should be addressed to better cover the needs of a dependability-driven design flow. In particular, simulation-based fault injection (SBFI) should be adapted to implementation-level HDL models to take into account the architecture of diverse logic primitives, while keeping the injection procedures generic and low-intrusive. Likewise, the granularity of FPGA-based fault injection (FFI) should be refined to the enable accurate identification of weak points in FPGA-based designs. Another important challenge, that dependability-driven processes face in practice, is the reduction of SBFI and FFI experimental effort. The high complexity of modern designs raises the experimental effort beyond the available time budgets, even in simple dependability assessment scenarios, and it becomes prohibitive in presence of alternative design configurations. Finally, dependability-driven processes lack an instrumental support covering the semicustom design flow in all its variety of description languages, implementation technologies, and EDA tools. Existing fault injection tools only partially cover the individual stages of the design flow, being usually specific to a particular design representation level and implementation technology. This work addresses the aforementioned challenges by efficiently integrating dependability-driven processes into the design flow. First, it proposes new SBFI and FFI approaches that enable an accurate and detailed dependability assessment at different levels of the design flow. Second, it improves the performance of dependability-driven processes by defining new techniques for accelerating SBFI and FFI experiments. Third, it defines two DSE strategies that enable the optimal dependability-aware tuning of IP cores and EDA tools, while reducing as much as possible the robustness evaluation effort. Fourth, it proposes a new toolkit (DAVOS) that automates and seamlessly integrates the aforementioned dependability-driven processes into the semicustom design flow. Finally, it illustrates the usefulness and efficiency of these proposals through a case study consisting of three soft-core embedded processors implemented on a Xilinx 7-series SoC FPGA.Tuzov, I. (2020). Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159883TESI

FPGA dynamic and partial reconfiguration : a survey of architectures, methods, and applications

Dynamic and partial reconfiguration are key differentiating capabilities of field programmable gate arrays (FPGAs). While they have been studied extensively in academic literature, they find limited use in deployed systems. We review FPGA reconfiguration, looking at architectures built for the purpose, and the properties of modern commercial architectures. We then investigate design flows, and identify the key challenges in making reconfigurable FPGA systems easier to design. Finally, we look at applications where reconfiguration has found use, as well as proposing new areas where this capability places FPGAs in a unique position for adoption

Regular Datapaths on Field-Programmable Gate Arrays

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are a recent kind of programmable logic device. They allow the implementation of integrated digital electronic circuits without requiring the complex optical, chemical and mechanical processes used in a conventional chip fabrication. FPGAs can be embedded in traditional system designflows to perform prototyping and emulation tasks. In addition, they also enable novel applications such as configurable computers with hardware dynamically adaptable to a specific problem. The growing chip capacity now allows even the implementation of CPUs and DSPs on single FPGAs. However, current design automation tools trace their roots to times of very limited FPGA sizes, and are primarily optimized for the implementation of random glue logic. The wide datapaths common to CPUs and DSPs are only processed with reduced performance. This thesis presents Structured Design Implementation (SDI), a suite of specialized tools coordinated by a common strategy, which aims to efficiently map even larger regular datapaths to FPGAs. In all steps, regularity is preserved whenever possible, or restored after disruptive operations were required. The circuits are composed from parametrizable modules providing a variety of logical, arithmetical and storage functions. For each module, multiple target FPGA-specific implementation alternatives may be generated in both gatelevel netlist and layout views. A floorplanner based on a genetic algorithm is then used to simultaneously choose an actual implementation from the set of alternatives for each module, and to arrange the selected module implementations in a linear placement. The floorplanning operation optimizes for short routing delays, high routability, and fit into the target FPGA.Field-Programmable Gate-Arrays (FPGAs) sind eine noch junge Art von programmierbaren Logikbausteinen. Sie erlauben die Implementierung von integrierten Digitalschaltungen ohne die komplizierten optischen, chemischen und mechanischen Prozesse, die normalerweise für die Chipfertigung erforderlich sind. FPGAs können im Rahmen konventioneller Entwurfsmethoden zu Emulationszwecken und Prototyp-Aufbauten herangezogen werden. Sie erlauben aber auch völlig neue Anwendungen wie rekonfigurierbare Computer, deren Hardware dynamisch an ein spezielles Problem angepaßt werden kann. Die gewachsene Chip-Kapazität erlaubt nun sogar die Implementierung von CPUs und digitalen Signalprozessoren (DSPs) auf einem einzelnen FPGA. Die Leistungsfähigkeit der entstandenen Schaltungen wird jedoch durch die zur Zeit erhältlichen CAD-Werkzeuge limitiert, da diese noch auf stark beschränkte FPGA-Größen ausgerichtet sind und primär der platzsparenden Verarbeitung unregelmäßiger Logik dienen. Die breiten Datenpfade in Bit-Slice-Struktur, die den Kern vieler CPUs und DSPs darstellen, werden nur suboptimal behandelt. Diese Arbeit stellt Structured Design Implementation (SDI) vor, ein System von spezialisierten CAD-Werkzeugen, die auch größere reguläre Datenpfade effizient auf FPGAs abbilden. In allen Verarbeitungsschritten wird dabei die bestehende Regularität soweit wie möglich erhalten oder nach regularitätsvernichtenden Operationen wiederhergestellt. Zur Schaltungseingabe steht eine Bibliothek von allgemeinen Modulen aus den Bereichen Logik, Arithmetik und Speicherung bereit. Diese können durch Belegung verschiedener Parameter wie Bit-Breiten und Datentypen an aktuelle Anforderungen angepaßt werden

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

D4.2 Intelligent D-Band wireless systems and networks initial designs

This deliverable gives the results of the ARIADNE project's Task 4.2: Machine Learning based network intelligence. It presents the work conducted on various aspects of network management to deliver system level, qualitative solutions that leverage diverse machine learning techniques. The different chapters present system level, simulation and algorithmic models based on multi-agent reinforcement learning, deep reinforcement learning, learning automata for complex event forecasting, system level model for proactive handovers and resource allocation, model-driven deep learning-based channel estimation and feedbacks as well as strategies for deployment of machine learning based solutions. In short, the D4.2 provides results on promising AI and ML based methods along with their limitations and potentials that have been investigated in the ARIADNE project

Automated Debugging Methodology for FPGA-based Systems

Electronic devices make up a vital part of our lives. These are seen from mobiles, laptops, computers, home automation, etc. to name a few. The modern designs constitute billions of transistors. However, with this evolution, ensuring that the devices fulfill the designer’s expectation under variable conditions has also become a great challenge. This requires a lot of design time and effort. Whenever an error is encountered, the process is re-started. Hence, it is desired to minimize the number of spins required to achieve an error-free product, as each spin results in loss of time and effort. Software-based simulation systems present the main technique to ensure the verification of the design before fabrication. However, few design errors (bugs) are likely to escape the simulation process. Such bugs subsequently appear during the post-silicon phase. Finding such bugs is time-consuming due to inherent invisibility of the hardware. Instead of software simulation of the design in the pre-silicon phase, post-silicon techniques permit the designers to verify the functionality through the physical implementations of the design. The main benefit of the methodology is that the implemented design in the post-silicon phase runs many order-of-magnitude faster than its counterpart in pre-silicon. This allows the designers to validate their design more exhaustively. This thesis presents five main contributions to enable a fast and automated debugging solution for reconfigurable hardware. During the research work, we used an obstacle avoidance system for robotic vehicles as a use case to illustrate how to apply the proposed debugging solution in practical environments. The first contribution presents a debugging system capable of providing a lossless trace of debugging data which permits a cycle-accurate replay. This methodology ensures capturing permanent as well as intermittent errors in the implemented design. The contribution also describes a solution to enhance hardware observability. It is proposed to utilize processor-configurable concentration networks, employ debug data compression to transmit the data more efficiently, and partially reconfiguring the debugging system at run-time to save the time required for design re-compilation as well as preserve the timing closure. The second contribution presents a solution for communication-centric designs. Furthermore, solutions for designs with multi-clock domains are also discussed. The third contribution presents a priority-based signal selection methodology to identify the signals which can be more helpful during the debugging process. A connectivity generation tool is also presented which can map the identified signals to the debugging system. The fourth contribution presents an automated error detection solution which can help in capturing the permanent as well as intermittent errors without continuous monitoring of debugging data. The proposed solution works for designs even in the absence of golden reference. The fifth contribution proposes to use artificial intelligence for post-silicon debugging. We presented a novel idea of using a recurrent neural network for debugging when a golden reference is present for training the network. Furthermore, the idea was also extended to designs where golden reference is not present