The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

A survey of DA techniques for PLD and FPGA based systems

Programmable logic devices (PLDs) are gaining in acceptance, of late, for designing systems of all complexities ranging from glue logic to special purpose parallel machines. Higher densities and integration levels are made possible by the new breed of complex PLDs and FPGAs. The added complexities of these devices make automatic computer aided tools indispensable for achieving good performance and a high usable gate-count. In this article, we attempt to present in an unified manner, the different tools and their underlying algorithms using an example of a vending machine controller as an illustrative example. Topics covered include logic synthesis for PLDs and FPGAs along with an in-depth survey of important technology mapping, partitioning and place and route algorithms for different FPGA architectures.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/31206/1/0000108.pd

Asynchronous techniques for new generation variation-tolerant FPGA

PhD ThesisThis thesis presents a practical scenario for asynchronous logic implementation that would benefit the modern Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) technology in improving reliability. A method based on Asynchronously-Assisted Logic (AAL) blocks is proposed here in order to provide the right degree of variation tolerance, preserve as much of the traditional FPGAs structure as possible, and make use of asynchrony only when necessary or beneficial for functionality. The newly proposed AAL introduces extra underlying hard-blocks that support asynchronous interaction only when needed and at minimum overhead. This has the potential to avoid the obstacles to the progress of asynchronous designs, particularly in terms of area and power overheads. The proposed approach provides a solution that is complementary to existing variation tolerance techniques such as the late-binding technique, but improves the reliability of the system as well as reducing the design’s margin headroom when implemented on programmable logic devices (PLDs) or FPGAs. The proposed method suggests the deployment of configurable AAL blocks to reinforce only the variation-critical paths (VCPs) with the help of variation maps, rather than re-mapping and re-routing. The layout level results for this method's worst case increase in the CLB’s overall size only of 6.3%. The proposed strategy retains the structure of the global interconnect resources that occupy the lion’s share of the modern FPGA’s soft fabric, and yet permits the dual-rail iv completion-detection (DR-CD) protocol without the need to globally double the interconnect resources. Simulation results of global and interconnect voltage variations demonstrate the robustness of the method

The IPS fidelity scale as a guideline to implement Supported Employment

info:eu-repo/semantics/publishe

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability

Online scheduling for real-time multitasking on reconfigurable hardware devices

Nowadays the ever increasing algorithmic complexity of embedded applications requires the designers to turn towards heterogeneous and highly integrated systems denoted as SoC (System-on-a-Chip). These architectures may embed CPU-based processors, dedicated datapaths as well as recon gurable units. However, embedded SoCs are submitted to stringent requirements in terms of speed, size, cost, power consumption, throughput, etc. Therefore, new computing paradigms are required to ful l the constraints of the applications and the requirements of the architecture. Recon gurable Computing is a promising paradigm that provides probably the best trade-o between these requirements and constraints. Dynamically recon gurable architectures are their key enabling technology. They enable the hardware to adapt to the application at runtime. However, these architectures raise new challenges in SoC design. For example, on one hand, designing a system that takes advantage of dynamic recon guration is still very time consuming because of the lack of design methodologies and tools. On the other hand, scheduling hardware tasks di ers from classical software tasks scheduling on microprocessor or multiprocessors systems, as it bears a further complicated placement problem. This thesis deals with the problem of scheduling online real-time hardware tasks on Dynamically Recon gurable Hardware Devices (DRHWs). The problem is addressed from two angles : (i) Investigating novel algorithms for online real-time scheduling/placement on DRHWs. (ii) Scheduling/Placement algorithms library for RTOS-driven Design Space Exploration (DSE). Regarding the first point, the thesis proposes two main runtime-aware scheduling and placement techniques and assesses their suitability for online real-time scenarios. The first technique discusses the impact of synthesizing, at design time, several shapes and/or sizes per hardware task (denoted as multi-shape task), in order to ease the online scheduling process. The second technique combines a looking-ahead scheduling approach with a slots-based recon gurable areas management that relies on a 1D placement. The results show that in both techniques, the scheduling and placement quality is improved without signi cantly increasing the algorithm time complexity. Regarding the second point, in the process of designing SoCs embedding recon gurable parts, new design paradigms tend to explore and validate as early as possible, at system level, the architectural design space. Therefore, the RTOS (Real-Time Operating System) services that manage the recon gurable parts of the SoC can be re fined. In such a context, gathering numerous hardware tasks scheduling and placement algorithms of various complexity vs performance trade-o s in a kind of library is required. In this thesis, proposed algorithms in addition to some existing ones are purposely implemented in C++ language, in order to insure the compatibility with any C++/SystemC based SoC design methodology.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Design methodology addressing static/reconfigurable partitioning optimizing software defined radio (SDR) implementation through FPGA dynamic partial reconfiguration and rapid prototyping tools

The characteristics people request for communication devices become more and more demanding every day. And not only in those aspects dealing with communication speed, but also in such different characteristics as different communication standards compatibility, battery life, device size or price. Moreover, when this communication need is addressed by the industrial world, new characteristics such as reliability, robustness or time-to-market appear. In this context, Software Defined Radios (SDR) and evolutions such as Cognitive Radios or Intelligent Radios seem to be the technological answer that will satisfy all these requirements in a short and mid-term. Consequently, this PhD dissertation deals with the implementation of this type of communication system. Taking into account that there is no limitation neither in the implementation architecture nor in the target device, a novel framework for SDR implementation is proposed. This framework is made up of FPGAs, using dynamic partial reconfiguration, as target device and rapid prototyping tools as designing tool. Despite the benefits that this framework generates, there are also certain drawbacks that need to be analyzed and minimized to the extent possible. On this purpose, a SDR design methodology has been designed and tested. This methodology addresses the static/reconfigurable partitioning of the SDRs in order to optimize their implementation in the aforementioned framework. In order to verify the feasibility of both the design framework and the design methodology, several implementations have been carried out making use of them. A multi-standard modulator implementing WiFi, WiMAX and UMTS, a small-form-factor cognitive video transmission system and the implementation of several data coding functions over R3TOS, a hardware operating system developed by the University of Edinburgh, are these implementations.Las características que la gente exige a los dispositivos de comunicaciones son cada día más exigentes. Y no solo en los aspectos relacionados con la velocidad de comunicación, sino que también en diferentes características como la compatibilidad con diferentes estándares de comunicación, autonomía, tamaño o precio. Es más, cuando esta necesidad de comunicación se traslada al mundo industrial, aparecen nuevas características como fiabilidad, robustez o plazo de comercialización que también es necesario cubrir. En este contexto, las Radios Definidas por Software (SDR) y evoluciones como las Radios Cognitivas o Radios Inteligentes parecen la respuesta tecnológica que va a satisfacer estas necesidades a corto y medio plazo. Por ello, esta tesis doctoral aborda la implementación de este tipo de sistemas de comunicaciones. Teniendo en cuenta que no existe una limitación, ni en la arquitectura de implementación, ni en el tipo de dispositivo a usar, se propone un nuevo entrono de diseño formado por las FPGAs, haciendo uso de la reconfiguración parcial dinámica, y por las herramientas de prototipado rápido. A pesar de que este entorno de diseño ofrece varios beneficios, también genera algunos inconvenientes que es necesario analizar y minimizar en la medida de lo posible. Con este objetivo, se ha diseñado y verificado una metodología de diseño de SDRs. Esta metodología se encarga del particionado estático/reconfigurable de las SDRs para optimizar su implementación sobre el entrono de diseño antes comentado. Para verificar la viabilidad tanto del entorno, como de la metodología de diseño propuesta, se han realizado varias implementaciones que hacen uso de ambas cosas. Estas implementaciones son: un modulador multi-estándar que implementa WiFi, WiMAX y UMTS, un sistema cognitivo y compacto de transmisión de video y la implementación de varias funciones de codificación de datos sobre R3TOS, un sistema operativo hardware desarrollado por la Universidad de Edimburgo