A Dynamic Programming Approach to Energy-Efficient Scheduling on Multi-FPGA based Partial Runtime Reconfigurable Systems

This paper has been studied an important issue of energy-efficient scheduling on multi-FPGA systems. The main challenges are integral allocation, reconfiguration overhead and exclusiveness and energy minimization with deadline constraint. To tackle these challenges, based on the theory of dynamic programming, we have designed and implemented an energy-efficient scheduling on multi-FPGA systems. Differently, we have presented a MLPF algorithm for task placement on FPGAs. Finally, the experimental results have demonstrated that the proposed algorithm can successfully accommodate all tasks without violation of the deadline constraint. Additionally, it gains higher energy reduction 13.3% and 26.3% than that of Particle Swarm Optimization and fully balanced algorithm, respectively

Degradation in FPGAs: Monitoring, Modeling and Mitigation

This dissertation targets the transistor aging degradation as well as the associated thermal challenges in FPGAs (since there is an exponential relation between aging and chip temperature). The main objectives are to perform experimentation, analysis and device-level model abstraction for modeling the degradation in FPGAs, then to monitor the FPGA to keep track of aging rates and ultimately to propose an aging-aware FPGA design flow to mitigate the aging

New Design Techniques for Dynamic Reconfigurable Architectures

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Dynamic Partial Reconfiguration for Dependable Systems

Moore’s law has served as goal and motivation for consumer electronics manufacturers in the last decades. The results in terms of processing power increase in the consumer electronics devices have been mainly achieved due to cost reduction and technology shrinking. However, reducing physical geometries mainly affects the electronic devices’ dependability, making them more sensitive to soft-errors like Single Event Transient (SET) of Single Event Upset (SEU) and hard (permanent) faults, e.g. due to aging effects. Accordingly, safety critical systems often rely on the adoption of old technology nodes, even if they introduce longer design time w.r.t. consumer electronics. In fact, functional safety requirements are increasingly pushing industry in developing innovative methodologies to design high-dependable systems with the required diagnostic coverage. On the other hand commercial off-the-shelf (COTS) devices adoption began to be considered for safety-related systems due to real-time requirements, the need for the implementation of computationally hungry algorithms and lower design costs. In this field FPGA market share is constantly increased, thanks to their flexibility and low non-recurrent engineering costs, making them suitable for a set of safety critical applications with low production volumes. The works presented in this thesis tries to face new dependability issues in modern reconfigurable systems, exploiting their special features to take proper counteractions with low impacton performances, namely Dynamic Partial Reconfiguration

A Survey of FPGA Optimization Methods for Data Center Energy Efficiency

This article provides a survey of academic literature about field programmable gate array (FPGA) and their utilization for energy efficiency acceleration in data centers. The goal is to critically present the existing FPGA energy optimization techniques and discuss how they can be applied to such systems. To do so, the article explores current energy trends and their projection to the future with particular attention to the requirements set out by the European Code of Conduct for Data Center Energy Efficiency. The article then proposes a complete analysis of over ten years of research in energy optimization techniques, classifying them by purpose, method of application, and impacts on the sources of consumption. Finally, we conclude with the challenges and possible innovations we expect for this sector.Comment: Accepted for publication in IEEE Transactions on Sustainable Computin

Fault-tolerant fpga for mission-critical applications.

One of the devices that play a great role in electronic circuits design, specifically safety-critical design applications, is Field programmable Gate Arrays (FPGAs). This is because of its high performance, re-configurability and low development cost. FPGAs are used in many applications such as data processing, networks, automotive, space and industrial applications. Negative impacts on the reliability of such applications result from moving to smaller feature sizes in the latest FPGA architectures. This increases the need for fault-tolerant techniques to improve reliability and extend system lifetime of FPGA-based applications. In this thesis, two fault-tolerant techniques for FPGA-based applications are proposed with a built-in fault detection region. A low cost fault detection scheme is proposed for detecting faults using the fault detection region used in both schemes. The fault detection scheme primarily detects open faults in the programmable interconnect resources in the FPGAs. In addition, Stuck-At faults and Single Event Upsets (SEUs) fault can be detected. For fault recovery, each scheme has its own fault recovery approach. The first approach uses a spare module and a 2-to-1 multiplexer to recover from any fault detected. On the other hand, the second approach recovers from any fault detected using the property of Partial Reconfiguration (PR) in the FPGAs. It relies on identifying a Partially Reconfigurable block (P_b) in the FPGA that is used in the recovery process after the first faulty module is identified in the system. This technique uses only one location to recover from faults in any of the FPGA’s modules and the FPGA interconnects. Simulation results show that both techniques can detect and recover from open faults. In addition, Stuck-At faults and Single Event Upsets (SEUs) fault can also be detected. Finally, both techniques require low area overhead

SATTA: a Self-Adaptive Temperature-based TDF awareness methodology for dynamically reconfigurable FPGAs

Dependability issues due to non functional properties are emerging as major cause of faults in modern digital systems. Effective countermeasures have to be presented to properly manage their critical timing effects. This paper presents a methodology to avoid transition delay faults in FPGA-based systems, with low area overhead. The approach is able to exploit temperature information and aging characteristics to minimize the cost in terms of performances degradation and power consumption. The architecture of a hardware manager able to avoid delay faults is presented and deeply analyzed, as well as its integration in the standard implementation design flow

Optimising and evaluating designs for reconfigurable hardware

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

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen