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

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

STRICT: a language and tool set for the design of very large scale integrated circuits

PhD ThesisAn essential requirement for the design of large VLSI circuits is a design methodology which would allow the designer to overcome the complexity and correctness issues associated with the building of such circuits. We propose that many of the problems of the design of large circuits can be solved by using a formal design notation based upon the functional programming paradigm, that embodies design concepts that have been used extensively as the framework for software construction. The design notation should permit parallel, sequential, and recursive decompositions of a design into smaller components, and it should allow large circuits to be constructed from simpler circuits that can be embedded in a design in a modular fashion. Consistency checking should be provided as early as possible in a design. Such a methodology would structure the design of a circuit in much the same way that procedures, classes, and control structures may be used to structure large software systems. However, such a design notation must be supported by tools which automatically check the consistency of the design, if the methodology is to be practical. In principle, the methodology should impose constraints upon circuit design to reduce errors and provide' correctness by construction' . It should be possible to generate efficient and correct circuits, by providing a route to a large variety of design tools commonly found in design systems: simulators, automatic placement and routing tools, module generators, schematic capture tools, and formal verification and synthesis tools

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

The IPS fidelity scale as a guideline to implement Supported Employment

info:eu-repo/semantics/publishe

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