Performance analysis of multicore processors using multi-scaling techniques

Integrating more cores per chip enables more programs to run simultaneously, and more easily switch from one program to another, and the system performance will be improved significantly. However, this current trend of central processing unit (CPU) performance cannot be maintained since the budget of power per chip has not risen while the consumption of power per core has slowly reduced. Generally, the processor’s maximum performance is proportional to the product of the number of their cores and the frequency they are running at. However, this is usually limited by constraints of power. In this study, first, the voltage/frequency adjustment of the running cores has been analyzed for several programs to improve the processor’s performance within the constraint of power. Second, the impact of dynamically scaling the number of running cores is summarized for additional performance improvements of the active programs and applications. Finally, it has been verified that scaling the number of the running cores and their voltage/frequency simultaneously can improve the processor’s performance for a higher power dissipation or under power constraints. The performance analysis and improvements are obtained in a real-time simulation on a Linux operating system using a GEM5 simulator. Results indicated that performance improvement was attained at 59.98%, 33.33%, and 66.65% for the three scenarios, respectively

Frequency- and Time-Domain Yield Optimization of a Power Delivery Network Subject to Large Decoupling Capacitor Tolerances

Sub-optimal design of power delivery networks (PDN) may cause performance deterioration and severe functional failures on high-speed computer platforms. Voltage regulators (VR) distribute controlled voltage in the PDN to the active devices, providing a steady power supply at a desired DC voltage level with an acceptable noise level or ripple. Unacceptable voltage drops can be caused by transient switching currents at the devices. Many decoupling capacitors are commonly used to lower the PDN impedance profile in order to reduce power supply noise and to supply fast transient current to switching devices. However, commercially available decoupling capacitors typically present large manufacturing variability. In this paper, we first propose an optimization methodology that gradually finds the best compensation parameter values of a buck converter VR to meet suitable stability criteria. Simultaneously, the number of parallel decoupling capacitors in the PDN is minimized while meeting a frequency-domain impedance profile specification and a time-domain minimum voltage droop requirement under nominal parameter values. Finally, a statistical analysis, yield estimation, and yield optimization of the nominally optimized PDN subject to large decoupling capacitor tolerances is presented. We consider the impedance profile, transient voltage droop, and voltage regulator stability as the responses of interest for yield calculation.ITESO, A.C

Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht

On-Chip Power Supply Noise: Scaling, Suppression and Detection

Design metrics such as area, timing and power are generally considered as the primary criteria in the design of modern day circuits, however, the minimization of power supply noise, among other noise sources, is appreciably more important since not only can it cause a degradation in these parameters but can cause entire chips to fail. Ensuring the integrity of the power supply voltage in the power distribution network of a chip is therefore crucial to both building reliable circuits as well as preventing circuit performance degradation. Power supply noise concerns, predicted over two decades ago, continue to draw significant attention, and with present CMOS technology projected to keep on scaling, it is shown in this work that these issues are not expected to diminish. This research also considers the management and on-chip detection of power supply noise. There are various methods of managing power supply noise, with the use of decoupling capacitors being the most common technique for suppressing the noise. An in-depth analysis of decap structures including scaling effects is presented in this work with corroborating silicon results. The applicability of various decaps for given design constraints is provided. It is shown that MOS-metal hybrid structures can provide a significant increase in capacitance per unit area compared to traditional structures and will continue to be an important structure as technology continues to scale. Noise suppression by means of current shifting within the clock period of an ALU block is further shown to be an additional method of reducing the minimum voltage observed on its associated supply. A simple, and area and power efficient technique for on-chip supply noise detection is also proposed