Simultaneous Short-Path and Long-Path Timing Optimization for FPGAs

This paper presents the Routing Cost Valleys (RCV) algorithm – the first published algorithm that simultaneously optimizes all short- and long-path timing constraints in a Field-Programmable Gate Array (FPGA). RCV is comprised of a new slack allocation algorithm that produces both minimum and maximum delay budgets for each circuit connection, and a new router that strives to meet and, if possible, surpass these connection delay constraints. RCV achieves excellent results. On a set of 100 large circuits, RCV improves both long-path and short-path timing slack significantly vs. an earlier Computer-Aided Design (CAD) system that focuses solely on long-path timing. Even with no short-path timing constraints, RCV improves the clock speed of circuits by 3.9 % on average. Finally, RCV is able to meet timing on all 72 Peripheral Component Interconnect (PCI) cores tested, while an earlier algorithm fails to achieve timing on all 72 cores

Lexicographic path searches for FPGA routing

This dissertation reports on studies of the application of lexicographic graph searches to solve problems in FPGA detailed routing. Our contributions include the derivation of iteration limits for scalar implementations of negotiation congestion for standard floating point types and the identification of pathological cases for path choice. In the study of the routability-driven detailed FPGA routing problem, we show universal detailed routability is NP-complete based on a related proof by Lee and Wong. We describe the design of a lexicographic composition operator of totally-ordered monoids as path cost metrics and show its optimality under an adapted A* search. Our new router, CornNC, based on lexicographic composition of congestion and wirelength, established a new minimum track count for the FPGA Place and Route Challenge. For the problem of long-path timing-driven FPGA detailed routing, we show that long-path budgeted detailed routability is NP-complete by reduction to universal detailed routability. We generalise the lexicographic composition to any finite length and verify its optimality under A* search. The application of the timing budget solution of Ghiasi et al. is used to solve the long-path timing budget problem for FPGA connections. Our delay-clamped spiral lexicographic composition design, SpiralRoute, ensures connection based budgets are always met, thus achieves timing closure when it successfully routes. For 113 test routing instances derived from standard benchmarks, SpiralRoute found 13 routable instances with timing closure that were unroutable by a scalar negotiated congestion router and achieved timing closure in another 27 cases when the scalar router did not, at the expense of increased runtime. We also study techniques to improve SpiralRoute runtimes, including a data structure of a trie augmented by data stacks for minimum element retrieval, and the technique of step tomonoid elimination in reducing the retrieval depth in a trie of stacks structure

Techniques de routage pseudo-aléatoire pour une application micro-électronique

Résumé La problématique de routage est très actuelle. On en trouve des applications dans les GPS, les prévisions de trafic routier, mais aussi pour le prototypage sur FPGA, la fabrication de puces électroniques ou le trafic TCP/IP sur Internet. On trouve des publications sur le sujet depuis plusieurs dizaines d'années, mais on observe actuellement une recrudescence confirmant l'actualité, l'importance et la complexité de ce problème. Cette thèse concerne le routage et ses ressources pour une application dans un nouveau type de système micro-électronique, nommé le WaferBoardTM . Son noyau consiste en un circuit électronique intégré à l'échelle d'une tranche de silicium (wafer). Peu d'applications commerciales de la micro-électronique ont exploité ce niveau d'intégration. Ce système de prototypage rapide vise à réduire d'un ou deux ordres de grandeur le temps de développement de systèmes électroniques. Il nécessite un ensemble d'outils logiciel de support, dont un outil de routage très rapide, capable de produire des solutions valables en des temps de l'ordre de la minute, et de certaines fonctionnalités spécifiques, l'équilibrage de délai ou le reroutage à la volée, au sein d'une netlist déjà routée. La problématique de routage pour cette application peut être imagée comme suit. Étant donné un réseau routier régulier (les routes d’Amériques du Nord en version cartésienne par exemple) et 100,000 voitures au départ lundi à 8h a.m. dans tout le pays avec des sources et destinations très variées; calculer les chemins pour toutes les voitures de telle sorte qu'aucune ne prenne la même route dans la journée. Il est 7h59 a.m, vous avez 1 minute, et des ponts sont inaccessibles pour travaux, en voici la liste. Cet exemple simpliste donne une idée des ordres de grandeurs de la problématique de routage que l'on cherche à résoudre pour cette application. Un algorithme de routage prend en paramètres deux structures de données : un graphe (ou réseau d'interconnexions) constitué de n\oe{}uds (sommets) et d'arcsUn arc relie deux sommets du graphe, et une netlistDans ce contexte, un netlist réfère à une liste d'interconnexions entre composants, liste de n\oe{}uds électriques dont les points de départ et d'arrivée sont positionnés géographiquement. Ainsi, au lieu de voitures, il s'agit de router des signaux électriques dont les points de départ et d'arrivée sont dictés par la position des broches des composants placés sur le système de prototypage. Un réseau régulier maillé mufti-dimensionnel (plus généralement appelé « réseau d'interconnexions ») sert de réseau routier dont certaines routes sont défectueuses, des ponts inaccessibles. En effet, le réseau d'interconnexions est un circuit électronique intégré à l'échelle d'une tranche de silicium complète, ce qui implique la présence de défectuosités au sein de chaque circuit fabriqué. Contrairement aux circuits électroniques classiques, où chacun est testé et les défectueux écartés, une intégration à l'échelle de la tranche demande de fortes redondances au sein du circuit pour minimiser le taux de rejets. Pour l'application du WaferBoard, un certain nombre d'éléments du réseau d'interconnexions seront fort probablement défectueux sur chaque circuit produit; l'algorithme de routage se doit de prendre en compte ces éléments très particuliers. Cette contrainte ne se retrouve pas dans les applications plus classiques des routeurs que l'on retrouve dans les PCB, circuits FPGA ou circuits VLSI. D'autres contraintes s'appliquent à ce projet particulier : la latence induite par la technologie est environ un ordre de grandeur plus importante que celle dans les circuits sur PCB, ce qui impose un routage orienté vers sa réduction.----------Abstract The routing problem is very actual. Applications are found in GPS, road traffic forecast, but also for prototyping on FPGA, or TCP/IP traffic on the Internet. Publications on the subject have existed for several decades, but new publications keep appearing, confirming the importance and complexity of the problem. This thesis deals with routing and the resources it requires for a new category of micro-electronic applications, called the WaferBoard. It is an electronic circuit integrated at the wafer scale. Few commercial applications of micro-electronics have exploited this level of integration. This rapid prototyping system aims at reducing by one or two orders of magnitude the development time of digital circuits. It requires a very fast routing tool, capable of producing viable solutions in a few minutes, with dedicated functionality such as balancing delays and rerouting on the fly parts of a netlist. The routing problem for this application can be pictured as follows. Given a regular road network of the size of north america, if 100.000 cars were to start Monday 8 a.m. across the continent with a wide variety of sources and destinations; the challenge is to compute paths for all cars so none of them take the same route that day. It is 7:59 am, you have 1 minute, and some bridges are under road work: here is the list. This simplistic example gives an idea of the orders of magnitude of the problem that need to be solved for this application. A routing algorithm takes as input: a graph (or interconnection network) made of nodes and edges, and a netlst, a list of electrical nodes with starting and ending points physically placed. Therefore, instead of cars, the problem consists of routing electrical signals with points of departure and arrival dictated by the pin position of components placed on the prototyping system. A regular, multi-dimensional mesh (also called "interconnection network") serves as a road network, which contains defective roads and inaccessible bridges. Indeed, the interconnection network is an electronic circuit integrated across a full wafer, implying the presence of defects within each manufactured circuit. Unlike conventional electronic circuits, where each is tested and defective ones are set apart, wafer scale integrated applications require lots of redundancy in the circuit to minimize the rejection rate. In the WaferBoard, a number of elements of the interconnection network will be defective in each circuit; the routing algorithm must take into account these very specific elements. This constraint is not found in the classic applications of routers found in PCB, FPGA or VLSI circuits. Other restrictions apply to this particular project: the latency induced by the technology is about one order of magnitude greater than that in the circuits of PCBs, which requires a routing oriented towards computation time reduction. This constraint partly explains the network architecture used. Within the WaferIC, the shortest distance is not necessarily the one that offers the smallest latency. This property of the network complexifies the routing problem. Balancing delays within a group of arbitrary size nets is a necessary feature of the routing algorithm, and the difficulty is amplified by the computation time limit. Indeed, the interest of the application is to reduce the time for a user to test a circuit: the time of setup is extremely short, and estimated at a few minutes only