25 research outputs found

    Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

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    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

    Synthesis Techniques for Semi-Custom Dynamically Reconfigurable Superscalar Processors

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    The accelerated adoption of reconfigurable computing foreshadows a computational paradigm shift, aimed at fulfilling the need of customizable yet high-performance flexible hardware. Reconfigurable computing fulfills this need by allowing the physical resources of a chip to be adapted to the computational requirements of a specific program, thus achieving higher levels of computing performance. This dissertation evaluates the area requirements for reconfigurable processing, an important yet often disregarded assessment for partial reconfiguration. Common reconfigurable computing approaches today attempt to create custom circuitry in static co-processor accelerators. We instead focused on a new approach that synthesized semi-custom general-purpose processor cores. Each superscalar processor core's execution units can be customized for a particular application, yet the processor retains its standard microprocessor interface. We analyzed the area consumption for these computational components by studying the synthesis requirements of different processor configurations. This area/performance assessment aids designers when constraining processing elements in a fixed-size area slot, a requirement for modern partial reconfiguration approaches. Our results provide a more deterministic evaluation of performance density, hence making the area cost analysis less ambiguous when optimizing dynamic systems for coarse-grained parallelism. The results obtained showed that even though performance density decreases with processor complexity, the additional area still provides a positive contribution to the aggregate parallel processing performance. This evaluation of parallel execution density contributes to ongoing efforts in the field of reconfigurable computing by providing a baseline for area/performance trade-offs for partial reconfiguration and multi-processor systems

    Physical parameter-aware Networks-on-Chip design

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    PhD ThesisNetworks-on-Chip (NoCs) have been proposed as a scalable, reliable and power-efficient communication fabric for chip multiprocessors (CMPs) and multiprocessor systems-on-chip (MPSoCs). NoCs determine both the performance and the reliability of such systems, with a significant power demand that is expected to increase due to developments in both technology and architecture. In terms of architecture, an important trend in many-core systems architecture is to increase the number of cores on a chip while reducing their individual complexity. This trend increases communication power relative to computation power. Moreover, technology-wise, power-hungry wires are dominating logic as power consumers as technology scales down. For these reasons, the design of future very large scale integration (VLSI) systems is moving from being computation-centric to communication-centric. On the other hand, chip’s physical parameters integrity, especially power and thermal integrity, is crucial for reliable VLSI systems. However, guaranteeing this integrity is becoming increasingly difficult with the higher scale of integration due to increased power density and operating frequencies that result in continuously increasing temperature and voltage drops in the chip. This is a challenge that may prevent further shrinking of devices. Thus, tackling the challenge of power and thermal integrity of future many-core systems at only one level of abstraction, the chip and package design for example, is no longer sufficient to ensure the integrity of physical parameters. New designtime and run-time strategies may need to work together at different levels of abstraction, such as package, application, network, to provide the required physical parameter integrity for these large systems. This necessitates strategies that work at the level of the on-chip network with its rising power budget. This thesis proposes models, techniques and architectures to improve power and thermal integrity of Network-on-Chip (NoC)-based many-core systems. The thesis is composed of two major parts: i) minimization and modelling of power supply variations to improve power integrity; and ii) dynamic thermal adaptation to improve thermal integrity. This thesis makes four major contributions. The first is a computational model of on-chip power supply variations in NoCs. The proposed model embeds a power delivery model, an NoC activity simulator and a power model. The model is verified with SPICE simulation and employed to analyse power supply variations in synthetic and real NoC workloads. Novel observations regarding power supply noise correlation with different traffic patterns and routing algorithms are found. The second is a new application mapping strategy aiming vii to minimize power supply noise in NoCs. This is achieved by defining a new metric, switching activity density, and employing a force-based objective function that results in minimizing switching density. Significant reductions in power supply noise (PSN) are achieved with a low energy penalty. This reduction in PSN also results in a better link timing accuracy. The third contribution is a new dynamic thermal-adaptive routing strategy to effectively diffuse heat from the NoC-based threedimensional (3D) CMPs, using a dynamic programming (DP)-based distributed control architecture. Moreover, a new approach for efficient extension of two-dimensional (2D) partially-adaptive routing algorithms to 3D is presented. This approach improves three-dimensional networkon- chip (3D NoC) routing adaptivity while ensuring deadlock-freeness. Finally, the proposed thermal-adaptive routing is implemented in field-programmable gate array (FPGA), and implementation challenges, for both thermal sensing and the dynamic control architecture are addressed. The proposed routing implementation is evaluated in terms of both functionality and performance. The methodologies and architectures proposed in this thesis open a new direction for improving the power and thermal integrity of future NoC-based 2D and 3D many-core architectures

    Layout aware router design and optimization for Wavelength-Routed Optical NoCs

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    Optical Networks-on-Chip are a promising solution for high-performance multi-core integration with better latency and bandwidth than traditional Electrical NoCs. Wavelength-routed ONoCs offer yet additional performance guarantees. However, WRONoC design presents new EDA challenges which have not yet been fully addressed. So far, most topology analysis is abstract, i.e., overlooks layout concerns, while for layout the tools available perform P&R but no topology optimization. Thus, a need arises for a novel optimization method combining both aspects of WRONoC design. In this thesis such a method is proposed and compared to the state of the art design procedure. Results available so far show a remarkable 50% reduction in maximum insertion loss with this new approach

    Reservoir Computing with Boolean Logic Network Circuits

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    To push the frontiers of machine learning, completely new computing architectures must be explored which efficiently use hardware resources. We test an unconventional use of digital logic gate circuits for reservoir computing, a machine learning algorithm that is used for rapid time series processing. In our approach, logic gates are configured into networks that can exhibit complex dynamics. Rather than the gates explicitly computing pre-programmed instructions, they are used collectively as a dynamical system that transforms input data into a higher dimensional representation. We probe the dynamics of such circuits using discrete components on a circuit board as well as an FPGA implementation. We show favorable machine learning performance, including radiofrequency classification accuracy comparableto a state of the art convolutional neural network with a fraction of the trainable parameters. Finally, we discuss the design and fabrication of a reservoir computing ASIC for high-speed time series processing

    Automated optimization of reconfigurable designs

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    Currently, the optimization of reconfigurable design parameters is typically done manually and often involves substantial amount effort. The main focus of this thesis is to reduce this effort. The designer can focus on the implementation and design correctness, leaving the tools to carry out optimization. To address this, this thesis makes three main contributions. First, we present initial investigation of reconfigurable design optimization with the Machine Learning Optimizer (MLO) algorithm. The algorithm is based on surrogate model technology and particle swarm optimization. By using surrogate models the long hardware generation time is mitigated and automatic optimization is possible. For the first time, to the best of our knowledge, we show how those models can both predict when hardware generation will fail and how well will the design perform. Second, we introduce a new algorithm called Automatic Reconfigurable Design Efficient Global Optimization (ARDEGO), which is based on the Efficient Global Optimization (EGO) algorithm. Compared to MLO, it supports parallelism and uses a simpler optimization loop. As the ARDEGO algorithm uses multiple optimization compute nodes, its optimization speed is greatly improved relative to MLO. Hardware generation time is random in nature, two similar configurations can take vastly different amount of time to generate making parallelization complicated. The novelty is efficient use of the optimization compute nodes achieved through extension of the asynchronous parallel EGO algorithm to constrained problems. Third, we show how results of design synthesis and benchmarking can be reused when a design is ported to a different platform or when its code is revised. This is achieved through the new Auto-Transfer algorithm. A methodology to make the best use of available synthesis and benchmarking results is a novel contribution to design automation of reconfigurable systems.Open Acces

    Optimization Tools for ConvNets on the Edge

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