From FPGA to ASIC: A RISC-V processor experience

This work document a correct design flow using these tools in the Lagarto RISC- V Processor and the RTL design considerations that must be taken into account, to move from a design for FPGA to design for ASIC

SpiNNaker: Fault tolerance in a power- and area- constrained large-scale neuromimetic architecture

AbstractSpiNNaker is a biologically-inspired massively-parallel computer designed to model up to a billion spiking neurons in real-time. A full-fledged implementation of a SpiNNaker system will comprise more than 105 integrated circuits (half of which are SDRAMs and half multi-core systems-on-chip). Given this scale, it is unavoidable that some components fail and, in consequence, fault-tolerance is a foundation of the system design. Although the target application can tolerate a certain, low level of failures, important efforts have been devoted to incorporate different techniques for fault tolerance. This paper is devoted to discussing how hardware and software mechanisms collaborate to make SpiNNaker operate properly even in the very likely scenario of component failures and how it can tolerate system-degradation levels well above those expected

Nuevas técnicas de inyección de fallos en sistemas embebidos mediante el uso de modelos virtuales descritos en el nivel de transacción

Mejor software y más rápido. Este es el desafío que se deriva de la necesidad de construir sistemas cada vez más inteligentes. En cualquier diseño embebido actual, el software es un componente fundamental que dota al sistema de una alta capacidad de configuración, gran número de funcionalidades y elasticidad en el comportamiento del sistema en situaciones excepcionales. Si además el desarrollo del conjunto hardware/software integrado en un System on Chip (SoC), forma parte de un sistema de control crítico donde se deben tener en cuenta requisitos de tolerancia a fallos, la verificación exhaustiva de los mismos consume un porcentaje cada vez más importante de los recursos totales dedicados al desarrollo y puesta en funcionamiento del sistema. En este contexto, el uso de metodologías clásicas de codiseño y coverificación es completamente ineficiente, siendo necesario el uso de nuevas tecnologías y herramientas para el desarrollo y verificación tempranos del software embebido. Entre ellas se puede incluir la propuesta en este trabajo de tesis, la cual aborda el problema mediante el uso de modelos ejecutables del hardware definidos en el nivel de transacción. Debido a los estrictos requisitos de robustez que imperan en el desarrollo de software espacial, es necesario llevar a cabo tareas de verificación en etapas muy tempranas del desarrollo para asegurar que los mecanismos de tolerancia a fallos, avanzados en la especificación del sistema, funcionan adecuadamente. De forma general, es deseable que estas tareas se realicen en paralelo con el desarrollo hardware, anticipando problemas o errores existentes en la especificación del sistema. Además, la verificación completa de los mecanismos de excepción implementados en el software, puede ser imposible de realizar en hardware real ya que los escenarios de fallo deben ser artificial y sistemáticamente generados mediante técnicas de inyección de fallos que permitan realizar campañas de inyección controlables, observables y reproducibles. En esta tesis se describe la investigación, desarrollo y uso de una plataforma virtual denominada "Leon2ViP", con capacidad de inyección de fallos y basada en interfaces SystemC/TLM2 para el desarrollo temprano y verificación de software embebido en el marco del proyecto Solar Orbiter. De esta forma ha sido posible ejecutar y probar exactamente el mismo código binario a ejecutar en el hardware real, pero en un entorno más controlable y determinista. Ello permite la realización de campañas de inyección de fallos muy focalizadas que no serían posible de otra manera. El uso de "\Leon2ViP" ha significado una mejora significante, en términos de coste y tiempo, en el desarrollo y verificación del software de arranque de la unidad de control del instrumento (ICU) del detector de partículas energéticas (EPD) embarcado en Solar Orbiter

A Multi-core processor for hard real-time systems

The increasing demand for new functionalities in current and future hard real-time embedded systems, like the ones deployed in automotive and avionics industries, is driving an increment in the performance required in current embedded processors. Multi-core processors represent a good design solution to cope with such higher performance requirements due to their better performance-per-watt ratio while maintaining the core design simple. Moreover, multi-cores also allow executing mixed-criticality level workloads composed of tasks with and without hard real-time requirements, maximizing the utilization of the hardware resources while guaranteeing low cost and low power consumption. Despite those benefits, current multi-core processors are less analyzable than single-core ones due to the interferences between different tasks when accessing hardware shared resources. As a result, estimating a meaningful Worst-Case Execution Time (WCET) estimation - i.e. to compute an upper bound of the application's execution time - becomes extremely difficult, if not even impossible, because the execution time of a task may change depending on the other threads running at the same time. This makes the WCET of a task dependent on the set of inter-task interferences introduced by the co-running tasks. Providing a WCET estimation independent from the other tasks (time composability property) is a key requirement in hard real-time systems. This thesis proposes a new multi-core processor design in which time composability is achieved, hence enabling the use of multi-cores in hard real-time systems. With our proposals the WCET estimation of a HRT is independent from the other co-running tasks. To that end, we design a multi-core processor in which the maximum delay a request from a Hard Real-time Task (HRT), accessing a hardware shared resource can suffer due to other tasks is bounded: our processor guarantees that a request to a shared resource cannot be delayed longer than a given Upper Bound Delay (UBD). In addition, the UBD allows identifying the impact that different processor configurations may have on the WCET by determining the sensitivity of a HRT to different resource allocations. This thesis proposes an off-line task allocation algorithm (called IA3: Interference-Aware Allocation Algorithm), that allocates tasks in a task set based on the HRT's sensitivity to different resource allocations. As a result the hardware shared resources used by HRTs are minimized, by allowing Non Hard Real-time Tasks (NHRTs) to use the rest of resources. Overall, our proposals provide analyzability for the HRTs allowing NHRTs to be executed into the same chip without any effect on the HRTs. The previous first two proposals of this thesis focused on supporting the execution of multi-programmed workloads with mixed-criticality levels (composed of HRTs and NHRTs). Higher performance could be achieved by implementing multi-threaded applications. As a first step towards supporting hard real-time parallel applications, this thesis proposes a new hardware/software approach to guarantee a predictable execution of software pipelined parallel programs. This thesis also investigates a solution to verify the timing correctness of HRTs without requiring any modification in the core design: we design a hardware unit which is interfaced with the processor and integrated into a functional-safety aware methodology. This unit monitors the execution time of a block of instructions and it detects if it exceeds the WCET. Concretely, we show how to handle timing faults on a real industrial automotive platform.La creciente demanda de nuevas funcionalidades en los sistemas empotrados de tiempo real actuales y futuros en industrias como la automovilística y la de aviación, está impulsando un incremento en el rendimiento necesario en los actuales procesadores empotrados. Los procesadores multi-núcleo son una solución eficiente para obtener un mayor rendimiento ya que aumentan el rendimiento por vatio, manteniendo el diseño del núcleo simple. Por otra parte, los procesadores multi-núcleo también permiten ejecutar cargas de trabajo con niveles de tiempo real mixtas (formadas por tareas de tiempo real duro y laxo así como tareas sin requerimientos de tiempo real), maximizando así la utilización de los recursos de procesador y garantizando el bajo consumo de energía. Sin embargo, a pesar los beneficios mencionados anteriormente, los actuales procesadores multi-núcleo son menos analizables que los de un solo núcleo debido a las interferencias surgidas cuando múltiples tareas acceden simultáneamente a los recursos compartidos del procesador. Como resultado, la estimación del peor tiempo de ejecución (conocido como WCET) - es decir, una cota superior del tiempo de ejecución de la aplicación - se convierte en extremadamente difícil, si no imposible, porque el tiempo de ejecución de una tarea puede cambiar dependiendo de las otras tareas que se estén ejecutando concurrentemente. Determinar una estimación del WCET independiente de las otras tareas es un requisito clave en los sistemas empotrados de tiempo real duro. Esta tesis propone un nuevo diseño de procesador multi-núcleo en el que el tiempo de ejecución de las tareas se puede componer, lo que permitirá el uso de procesadores multi-núcleo en los sistemas de tiempo real duro. Para ello, diseñamos un procesador multi-núcleo en el que la máxima demora que puede sufrir una petición de una tarea de tiempo real duro (HRT) para acceder a un recurso hardware compartido debido a otras tareas está acotado, tiene un límite superior (UBD). Además, UBD permite identificar el impacto que las diferentes posibles configuraciones del procesador pueden tener en el WCET, mediante la determinación de la sensibilidad en la variación del tiempo de ejecución de diferentes reservas de recursos del procesador. Esta tesis propone un algoritmo estático de reserva de recursos (llamado IA3), que asigna tareas a núcleos en función de dicha sensibilidad. Como resultado los recursos compartidos del procesador usados por tareas HRT se reducen al mínimo, permitiendo que las tareas sin requerimiento de tiempo real (NHRTs) puedas beneficiarse del resto de recursos. Por lo tanto, las propuestas presentadas en esta tesis permiten el análisis del WCET para tareas HRT, permitiendo así mismo la ejecución de tareas NHRTs en el mismo procesador multi-núcleo, sin que estas tengan ningún efecto sobre las tareas HRT. Las propuestas presentadas anteriormente se centran en el soporte a la ejecución de múltiples cargas de trabajo con diferentes niveles de tiempo real (HRT y NHRTs). Sin embargo, un mayor rendimiento puede lograrse mediante la transformación una tarea en múltiples sub-tareas paralelas. Esta tesis propone una nueva técnica, con soporte del procesador y del sistema operativo, que garantiza una ejecución analizable del modelo de ejecución paralela software pipelining. Esta tesis también investiga una solución para verificar la corrección del WCET de HRT sin necesidad de ninguna modificación en el diseño de la base: un nuevo componente externo al procesador se conecta a este sin necesidad de modificarlo. Esta nueva unidad monitorea el tiempo de ejecución de un bloque de instrucciones y detecta si se excede el WCET. Esta unidad permite detectar fallos de sincronización en sistemas de computación utilizados en automóviles

Extending systems-on-chip to the third dimension : performance, cost and technological tradeoffs.

Because of the today's market demand for high-performance, high-density portable hand-held applications, electronic system design technology has shifted the focus from 2-D planar SoC single-chip solutions to different alternative options as tiled silicon and single-level embedded modules as well as 3-D integration. Among the various choices, finding an optimal solution for system implementation dealt usually with cost, performance and other technological trade-off analysis at the system conceptual level. It has been identified that the decisions made within the first 20% of the total design cycle time will ultimately result up to 80% of the final product cost. In this paper, we discuss appropriate and realistic metric for performance and cost trade-off analysis both at system conceptual level (up-front in the design phase) and at implementation phase for verification in the three-dimensional integration. In order to validate the methodology, two ubiquitous electronic systems are analyzed under various implementation schemes and discuss the pros and cons of each of them

Parallel simulation of neural networks on SpiNNaker universal neuromorphic hardware

Artificial neural networks have shown great potential and have attracted much research interest. One problem faced when simulating such networks is speed. As the number of neurons increases, the time to simulate and train a network increases dramatically. This makes it difficult to simulate and train a large-scale network system without the support of a high-performance computer system. The solution we present is a "real" parallel system - using a parallel machine to simulate neural networks which are intrinsically parallel applications. SpiNNaker is a scalable massively-parallel computing system under development with the aim of building a general-purpose platform for the parallel simulation of large-scale neural systems. This research investigates how to model large-scale neural networks efficiently on such a parallel machine. While providing increased overall computational power, a parallel architecture introduces a new problem - the increased communication reduces the speedup gains. Modeling schemes, which take into account communication, processing, and storage requirements, are investigated to solve this problem. Since modeling schemes are application-dependent, two different types of neural network are examined - spiking neural networks with spike-time dependent plasticity, and the parallel distributed processing model with the backpropagation learning rule. Different modeling schemes are developed and evaluated for the two types of neural network. The research shows the feasibility of the approach as well as the performance of SpiNNaker as a general-purpose platform for the simulation of neural networks. The linear scalability shown in this architecture provides a path to the further development of parallel solutions for the simulation of extremely large-scale neural networks.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

DRAM Bender: An Extensible and Versatile FPGA-based Infrastructure to Easily Test State-of-the-art DRAM Chips

To understand and improve DRAM performance, reliability, security and energy efficiency, prior works study characteristics of commodity DRAM chips. Unfortunately, state-of-the-art open source infrastructures capable of conducting such studies are obsolete, poorly supported, or difficult to use, or their inflexibility limit the types of studies they can conduct. We propose DRAM Bender, a new FPGA-based infrastructure that enables experimental studies on state-of-the-art DRAM chips. DRAM Bender offers three key features at the same time. First, DRAM Bender enables directly interfacing with a DRAM chip through its low-level interface. This allows users to issue DRAM commands in arbitrary order and with finer-grained time intervals compared to other open source infrastructures. Second, DRAM Bender exposes easy-to-use C++ and Python programming interfaces, allowing users to quickly and easily develop different types of DRAM experiments. Third, DRAM Bender is easily extensible. The modular design of DRAM Bender allows extending it to (i) support existing and emerging DRAM interfaces, and (ii) run on new commercial or custom FPGA boards with little effort. To demonstrate that DRAM Bender is a versatile infrastructure, we conduct three case studies, two of which lead to new observations about the DRAM RowHammer vulnerability. In particular, we show that data patterns supported by DRAM Bender uncovers a larger set of bit-flips on a victim row compared to the data patterns commonly used by prior work. We demonstrate the extensibility of DRAM Bender by implementing it on five different FPGAs with DDR4 and DDR3 support. DRAM Bender is freely and openly available at https://github.com/CMU-SAFARI/DRAM-Bender.Comment: To appear in TCAD 202