A layered methodology for fast deployment of new technologies

Few efforts have been reported in building computing architectures out of nanodevices by contrast with the extensive research focusing on nanodevices fabrication aspects. Addressing mass market and reducing time-to-market appear now as key issues. We propose a layered approach, taking advantage of FPGAs good characteristics, to offer the promise of fast deployment of new technologies

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

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

The benefits and costs of netlist randomization based side-channel countermeasures: an in-depth evaluation

Exchanging FPGA-based implementations of cryptographic algorithms during run-time using netlist randomized versions has been introduced recently as a unique countermeasure against side channel attacks. Using partial reconfiguration, it is possible to shuffle between structurally different but functionally similar versions of a cryptographic implementation. The resulting varying power profile enhances the resistance against power-based side channel attacks. While side channel leakage is reduced, costs in terms of additional resources and/or lowered throughput are often increased due to the overheads of the required online partial reconfiguration. In this work, we provide an in-depth evaluation of the leakage-area-throughput trade-off

A Methodology to Design Pipelined Simulated Annealing Kernel Accelerators on Space-Borne Field-Programmable Gate Arrays

Increased levels of science objectives expected from spacecraft systems necessitate the ability to carry out fast on-board autonomous mission planning and scheduling. Heterogeneous radiation-hardened Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) with embedded multiplier and memory modules are well suited to support the acceleration of scheduling algorithms. A methodology to design circuits specifically to accelerate Simulated Annealing Kernels (SAKs) in event scheduling algorithms is shown. The main contribution of this thesis is the low complexity scoring calculation used for the heuristic mapping algorithm used to balance resource allocation across a coarse-grained pipelined data-path. The methodology was exercised over various kernels with different cost functions and problem sizes. These test cases were benchedmarked for execution time, resource usage, power, and energy on a Xilinx Virtex 4 LX QR 200 FPGA and a BAE RAD 750 microprocessor

Dynamic partial reconfiguration for pipelined digital systems— A Case study using a color space conversion engine

In digital hardware design, reconfigurable devices such as Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) allow for a unique feature called partial reconfiguration PR). This refers to the reprogramming of a subset of the reconfigurable logic during active operation. PR allows multiple hardware blocks to be consolidated into a single partition, which can be reprogrammed at run-time as desired. This may reduce the logic circuit (and silicon area) requirements and greatly extend functionality. Furthermore, dynamic partial reconfiguration (DPR) refers to PR that does not halt the system during reprogramming. This allows for configuration to overlap with normal processing, potentially achieving better system performance than a static(halting) PR implementation. This work has investigated the advantages and trade-offs of DPR as applied to an existing color space conversion(CSC) engine provided by Hewlett-Packard (HP). Two versions were created: a single-pipeline engine, which can only overlap tasks in specific sequences; and a dual-pipeline engine, which can overlap any consecutive tasks. These were implemented in a Virtex-6 FPGA. Data communication occurs over the PCI Express (PCIe) interface. Test results show improvements in execution speed and resource utilization, though some are minor due to intrinsic characteristics of the CSC engine pipeline. The dual-pipeline version outperformed the single-pipeline in most test cases. Therefore, future work will focus on multiple-pipeline architectures

Efficient runtime placement management for high performance and reliability in COTS FPGAs

Designing high-performance, fault-tolerant multisensory electronic systems for hostile environments such as nuclear plants and outer space within the constraints of cost, power and flexibility is challenging. Issues such as ionizing radiation, extreme temperature and ageing can lead to faults in the electronics of these systems. In addition, the remote nature of these environments demands a level of flexibility and autonomy in their operations. The standard practice of using specially hardened electronic devices for such systems is not only very expensive but also has limited flexibility. This thesis proposes novel techniques that promote the use of Commercial Off-The- Shelf (COTS) reconfigurable devices to meet the challenges of high-performance systems for hostile environments. Reconfigurable hardware such as Field Programmable Gate Arrays (FPGA) have a unique combination of flexibility and high performance. The flexibility offered through features such as dynamic partial reconfiguration (DPR) can be harnessed not only to achieve cost-effective designs as a smaller area can be used to execute multiple tasks, but also to improve the reliability of a system as a circuit on one portion of the device can be physically relocated to another portion in the case of fault occurrence. However, to harness these potentials for high performance and reliability in a cost-effective manner, novel runtime management tools are required. Most runtime support tools for reconfigurable devices are based on ideal models which do not adequately consider the limitations of realistic FPGAs, in particular modern FPGAs which are increasingly heterogeneous. Specifically, these tools lack efficient mechanisms for ensuring a high utilization of FPGA resources, including the FPGA area and the configuration port and clocking resources, in a reliable manner. To ensure high utilization of reconfigurable device area, placement management is a key aspect of these tools. This thesis presents novel techniques for the management of hardware task placement on COTS reconfigurable devices for high performance and reliability. To this end, it addresses design-time issues that affect efficient hardware task placement, with a focus on reliability. It also presents techniques to maximize the utilization of the FPGA area in runtime, including techniques to minimize fragmentation. Fragmentation leads to the creation of unusable areas due to dynamic placement of tasks and the heterogeneity of the resources on the chip. Moreover, this thesis also presents an efficient task reuse mechanism to improve the availability of the internal configuration infrastructure of the FPGA for critical responsibilities like error mitigation. The task reuse scheme, unlike previous approaches, also improves the utilization of the chip area by offering defragmentation. Task relocation, which involves changing the physical location of circuits is a technique for error mitigation and high performance. Hence, this thesis also provides a functionality-based relocation mechanism for improving the number of locations to which tasks can be relocated on heterogeneous FPGAs. As tasks are relocated, clock networks need to be routed to them. As such, a reliability-aware technique of clock network routing to tasks after placement is also proposed. Finally, this thesis offers a prototype implementation and characterization of a placement management system (PMS) which is an integration of the aforementioned techniques. The performance of most of the proposed techniques are tested using data processing tasks of a NASA JPL spectrometer application. The results show that the proposed techniques have potentials to improve the reliability and performance of applications in hostile environment compared to state-of-the-art techniques. The task optimization technique presented leads to better capacity to circumvent permanent faults on COTS FPGAs compared to state-of-the-art approaches (48.6% more errors were circumvented for the JPL spectrometer application). The proposed task reuse scheme leads to approximately 29% saving in the amount of configuration time. This frees up the internal configuration interface for more error mitigation operations. In addition, the proposed PMS has a worst-case latency of less than 50% of that of state-of- the-art runtime placement systems, while maintaining the same level of placement quality and resource overhead

Analysis and Mitigation of Remote Side-Channel and Fault Attacks on the Electrical Level

In der fortlaufenden Miniaturisierung von integrierten Schaltungen werden physikalische Grenzen erreicht, wobei beispielsweise Einzelatomtransistoren eine mögliche untere Grenze für Strukturgrößen darstellen. Zudem ist die Herstellung der neuesten Generationen von Mikrochips heutzutage finanziell nur noch von großen, multinationalen Unternehmen zu stemmen. Aufgrund dieser Entwicklung ist Miniaturisierung nicht länger die treibende Kraft um die Leistung von elektronischen Komponenten weiter zu erhöhen. Stattdessen werden klassische Computerarchitekturen mit generischen Prozessoren weiterentwickelt zu heterogenen Systemen mit hoher Parallelität und speziellen Beschleunigern. Allerdings wird in diesen heterogenen Systemen auch der Schutz von privaten Daten gegen Angreifer zunehmend schwieriger. Neue Arten von Hardware-Komponenten, neue Arten von Anwendungen und eine allgemein erhöhte Komplexität sind einige der Faktoren, die die Sicherheit in solchen Systemen zur Herausforderung machen. Kryptografische Algorithmen sind oftmals nur unter bestimmten Annahmen über den Angreifer wirklich sicher. Es wird zum Beispiel oft angenommen, dass der Angreifer nur auf Eingaben und Ausgaben eines Moduls zugreifen kann, während interne Signale und Zwischenwerte verborgen sind. In echten Implementierungen zeigen jedoch Angriffe über Seitenkanäle und Faults die Grenzen dieses sogenannten Black-Box-Modells auf. Während bei Seitenkanalangriffen der Angreifer datenabhängige Messgrößen wie Stromverbrauch oder elektromagnetische Strahlung ausnutzt, wird bei Fault Angriffen aktiv in die Berechnungen eingegriffen, und die falschen Ausgabewerte zum Finden der geheimen Daten verwendet. Diese Art von Angriffen auf Implementierungen wurde ursprünglich nur im Kontext eines lokalen Angreifers mit Zugriff auf das Zielgerät behandelt. Jedoch haben bereits Angriffe, die auf der Messung der Zeit für bestimmte Speicherzugriffe basieren, gezeigt, dass die Bedrohung auch durch Angreifer mit Fernzugriff besteht. In dieser Arbeit wird die Bedrohung durch Seitenkanal- und Fault-Angriffe über Fernzugriff behandelt, welche eng mit der Entwicklung zu mehr heterogenen Systemen verknüpft sind. Ein Beispiel für neuartige Hardware im heterogenen Rechnen sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), mit welchen sich fast beliebige Schaltungen in programmierbarer Logik realisieren lassen. Diese Logik-Chips werden bereits jetzt als Beschleuniger sowohl in der Cloud als auch in Endgeräten eingesetzt. Allerdings wurde gezeigt, wie die Flexibilität dieser Beschleuniger zur Implementierung von Sensoren zur Abschätzung der Versorgungsspannung ausgenutzt werden kann. Zudem können durch eine spezielle Art der Aktivierung von großen Mengen an Logik Berechnungen in anderen Schaltungen für Fault Angriffe gestört werden. Diese Bedrohung wird hier beispielsweise durch die Erweiterung bestehender Angriffe weiter analysiert und es werden Strategien zur Absicherung dagegen entwickelt

Synthesis and Optimization of Pipelined Packet Processors

We consider pipelined architectures of packet processors consisting of a sequence of simple packet-processing modules interconnected by first-in first-out buffers. We propose a new model for describing their function, an automated synthesis technique that generates efficient hardware for them, and an algorithm for computing minimum buffer sizes that allow such pipelines to achieve their maximum throughput. Our functional model provides a level of abstraction familiar to a network protocol designer; in particular, it does not require knowledge of register-transfer-level hardware design. Our synthesis tool implements the specified function in a sequential circuit that processes packet data a word at a time. Finally, our analysis technique computes the maximum throughput possible from the modules and then determines the smallest buffers that can achieve it. Experimental results conducted on industrial-strength examples suggest that our techniques are practical. Our synthesis algorithm can generate circuits that achieve 40 Gb/s on field-programmable gate arrays, equal to state-of-the-art manual implementations, and our buffer-sizing algorithm has a practically short runtime. Together, our techniques make it easier to quickly develop and deploy high-speed network switches