GraPhSyM: Graph Physical Synthesis Model

In this work, we introduce GraPhSyM, a Graph Attention Network (GATv2) model for fast and accurate estimation of post-physical synthesis circuit delay and area metrics from pre-physical synthesis circuit netlists. Once trained, GraPhSyM provides accurate visibility of final design metrics to early EDA stages, such as logic synthesis, without running the slow physical synthesis flow, enabling global co-optimization across stages. Additionally, the swift and precise feedback provided by GraPhSym is instrumental for machine-learning-based EDA optimization frameworks. Given a gate-level netlist of a circuit represented as a graph, GraPhSyM utilizes graph structure, connectivity, and electrical property features to predict the impact of physical synthesis transformations such as buffer insertion and gate sizing. When trained on a dataset of 6000 prefix adder designs synthesized at an aggressive delay target, GraPhSyM can accurately predict the post-synthesis delay (98.3%) and area (96.1%) metrics of unseen adders with a fast 0.22s inference time. Furthermore, we illustrate the compositionality of GraPhSyM by employing the model trained on a fixed delay target to accurately anticipate post-synthesis metrics at a variety of unseen delay targets. Lastly, we report promising generalization capabilities of the GraPhSyM model when it is evaluated on circuits different from the adders it was exclusively trained on. The results show the potential for GraPhSyM to serve as a powerful tool for advanced optimization techniques and as an oracle for EDA machine learning frameworks.Comment: Accepted at ICCAD'2

Low Power Memory/Memristor Devices and Systems

This reprint focusses on achieving low-power computation using memristive devices. The topic was designed as a convenient reference point: it contains a mix of techniques starting from the fundamental manufacturing of memristive devices all the way to applications such as physically unclonable functions, and also covers perspectives on, e.g., in-memory computing, which is inextricably linked with emerging memory devices such as memristors. Finally, the reprint contains a few articles representing how other communities (from typical CMOS design to photonics) are fighting on their own fronts in the quest towards low-power computation, as a comparison with the memristor literature. We hope that readers will enjoy discovering the articles within

Parallel-prefix structures for binary and modulo {2n - 1, 2n, 2n + 1} adders

Adders are the among the most essential arithmetic units within digital systems. Parallel-prefix structures are efficient for adders because of their regular topology and logarithmic delay. However, building parallel-prefix adders are barely discussed in literature. This work puts emphasis on how to build prefix trees and simple algorithms for building these architectures. One particular modification of adders is for use with modulo arithmetic. The most common type of modulo adders are modulo 2n -1 and modulo 2n + 1 adders because they have a common base that is a power of 2. In order to improve their speed, parallel-prefix structures can also be employed for modulo 2n +- 1 adders. This dissertation presents the formation of several binary and modulo prefix architectures and their modifications using Ling's algorithm. For all binary and modulo adders, both algorithmic and quantitative analysis are provided to compare the performance of different architectures. Furthermore, to see how process impact the design, three technologies, from deep submicron to nanometer range, are utilized to collect the quantitative data

Automated Design of Approximate Accelerators

In den letzten zehn Jahren hat das Bedürfnis nach Recheneffizienz die Entwicklung neuer Geräte, Architekturen und Entwurfstechniken motiviert. Approximate Computing hat sich als modernes, energieeffizientes Entwurfsparadigma für Anwendungen herausgestellt, die eine inhärente Fehlertoleranz aufweisen. Wenn die Genauigkeit der Ergebnisse in aktuellen Anwendungen wie Bildverarbeitung, Computer Vision und maschinellem Lernen auf ein akzeptables Maß reduziert wird, können Einsparungen im Schaltungsbereich, bei der Schaltkreisverzögerung und beim Stromverbrauch erzielt werden. Mit dem Aufkommen dieses Approximate Computing Paradigmas wurden in der Literatur viele approximierte Funktionseinheiten angegeben, insbesondere approximierte Addierer und Multiplizierer. Für eine Vielzahl solcher approximierter Schaltkreise und unter Berücksichtigung ihrer Verwendung als Bausteine für den Entwurf von approximierten Beschleunigern für fehlertolerante Anwendungen, ergibt sich eine Herausforderung: die Auswahl dieser approximierten Schaltkreise für eine bestimmte Anwendung, die die erforderlichen Ressourcen minimieren und gleichzeitig eine definierte Genauigkeit erfüllen. Diese Dissertation schlägt automatisierte Methoden zum Entwerfen und Implementieren von approximierten Beschleunigern vor, die aus approximierten arithmetischen Schaltungen aufgebaut sind. Um dies zu erreichen, befasst sich diese Dissertation mit folgenden Herausforderungen und liefert die nachfolgenden neuartigen Beiträge: In der Literatur wurden viele approximierte Addierer und Multiplizierer vorgestellt, indem entweder approximierte Entwürfe aus genauen Implementierungen wie dem Ripple-Carry-Addierer vorgeschlagen oder durch Approximate Logic Synthesis (ALS) Methoden generiert wurden. Ein repräsentativer Satz dieser approximierten Komponenten ist erforderlich, um approximierte Beschleuniger zu bauen. In diesem Sinne präsentiert diese Dissertation zwei Ansätze, um solche approximierte arithmetische Schaltungen zu erstellen. Zunächst wird AUGER vorgestellt, ein Tool, mit dem Register-Transfer Level (RTL) Beschreibungen für einen breiten Satz von approximierten Addierern und Multiplizierer für unterschiedliche Datenbitbreiten- und Genauigkeitskonfigurationen generiert werden können. Mit AUGER kann eine Design Space Exploration (DSE) von approximierten Komponenten durchgeführt werden, um diejenigen zu finden, die für eine gegebene Bitbreite, einen gegebenen Approximationsbereich und eine gegebene Schaltungsmetrik Pareto-optimal sind. Anschließend wird AxLS vorgestellt, ein Framework für ALS, das die Implementierung modernster Methoden und den Vorschlag neuartiger Methoden ermöglicht, um strukturelle Netzlistentransformationen durchzuführen und approximierte arithmetische Schaltungen aus genauen Schaltungen zu generieren. Darüber hinaus bieten beide Werkzeuge eine Fehlercharakterisierung in Form einer Fehlerverteilung und Schaltungseigenschaften (Fläche, Schaltkreisverzögerung und Leistung) für jede von ihnen erzeugte approximierte Schaltung. Diese Informationen sind für das Untersuchungsziel dieser Dissertation von wesentlicher Bedeutung. Trotz der Fehlertoleranz müssen approximierte Beschleuniger so ausgelegt sein, dass sie Genauigkeitsvorgaben erfüllen. Für den Entwurf solcher Beschleuniger unter Verwendung von approximierten arithmetischen Schaltungen ist es daher unerlässlich zu bewerten, wie sich die durch approximierte Schaltungen verursachten Fehler durch andere Berechnungen ausbreiten, entweder genau oder ungenau, und sich schließlich am Ausgang ansammeln. Diese Dissertation schlägt analytische Modelle vor, um die Fehlerpropagation durch genaue und approximierte Berechnungen zu beschreiben. Mit ihnen wird eine automatisierte, compilerbasierte Methodik vorgeschlagen, um die Fehlerpropagation auf approximierten Beschleunigerdesigns abzuschätzen. Diese Methode ist in ein Tool, CEDA, integriert, um schnelle, simulationsfreie Genauigkeitsschätzungen von approximierten Beschleunigermodellen durchzuführen, die unter Verwendung von C-Code beschrieben wurden. Beim Entwurf von approximierten Beschleunigern benötigen sich wiederholende Simulationen auf Gate-Level und die Schaltungssynthese viel Zeit, um viele oder sogar alle möglichen Kombinationen für einen gegebenen Satz von approximierten arithmetischen Schaltungen zu untersuchen. Andererseits basieren aktuelle Trends beim Entwerfen von Beschleunigern auf High-Level Synthesis (HLS) Werkzeugen. In dieser Dissertation werden analytische Modelle zur Schätzung der erforderlichen Rechenressourcen vorgestellt, wenn approximierte Addierer und Multiplizierer in Konstruktionen von approximierten Beschleunigern verwendet werden. Darüber hinaus werden diese Modelle zusammen mit den vorgeschlagenen analytischen Modellen zur Genauigkeitsschätzung in eine DSE-Methodik für fehlertolerante Anwendungen, DSEwam, integriert, um Pareto-optimale oder nahezu Pareto-optimale Lösungen für approximierte Beschleuniger zu identifizieren. DSEwam ist in ein HLS-Tool integriert, um automatisch RTL-Beschreibungen von approximierten Beschleunigern aus C-Sprachbeschreibungen für eine bestimmte Fehlerschwelle und ein bestimmtes Minimierungsziel zu generieren. Die Verwendung von approximierten Beschleunigern muss sicherstellen, dass Fehler, die aufgrund von approximierten Berechnungen erzeugt werden, innerhalb eines definierten Maximalwerts für eine gegebene Genauigkeitsmetrik bleiben. Die Fehler, die durch approximierte Beschleuniger erzeugt werden, hängen jedoch von den Eingabedaten ab, die hinsichtlich der für das Design verwendeten Daten unterschiedlich sein können. In dieser Dissertation wird ECAx vorgestellt, eine automatisierte Methode zur Untersuchung und Anwendung feinkörniger Fehlerkorrekturen mit geringem Overhead in approximierten Beschleunigern, um die Kosten für die Fehlerkorrektur auf Softwareebene (wie es in der Literatur gemacht wird) zu senken. Dies erfolgt durch selektive Korrektur der signifikantesten Fehler (in Bezug auf ihre Größenordnung), die von approximierten Komponenten erzeugt werden, ohne die Vorteile der Approximationen zu verlieren. Die experimentelle Auswertung zeigt Beschleunigungsverbesserungen für die Anwendung im Austausch für einen leicht gestiegenen Flächen- und Leistungsverbrauch im approximierten Beschleunigerdesign

A Structured Design Methodology for High Performance VLSI Arrays

abstract: The geometric growth in the integrated circuit technology due to transistor scaling also with system-on-chip design strategy, the complexity of the integrated circuit has increased manifold. Short time to market with high reliability and performance is one of the most competitive challenges. Both custom and ASIC design methodologies have evolved over the time to cope with this but the high manual labor in custom and statistic design in ASIC are still causes of concern. This work proposes a new circuit design strategy that focuses mostly on arrayed structures like TLB, RF, Cache, IPCAM etc. that reduces the manual effort to a great extent and also makes the design regular, repetitive still achieving high performance. The method proposes making the complete design custom schematic but using the standard cells. This requires adding some custom cells to the already exhaustive library to optimize the design for performance. Once schematic is finalized, the designer places these standard cells in a spreadsheet, placing closely the cells in the critical paths. A Perl script then generates Cadence Encounter compatible placement file. The design is then routed in Encounter. Since designer is the best judge of the circuit architecture, placement by the designer will allow achieve most optimal design. Several designs like IPCAM, issue logic, TLB, RF and Cache designs were carried out and the performance were compared against the fully custom and ASIC flow. The TLB, RF and Cache were the part of the HEMES microprocessor.Dissertation/ThesisPh.D. Electrical Engineering 201

Fast Prefix Adders for Non-uniform Input Arrival Times

This is a post-peer-review, pre-copyedit version of an article published in Algorithmica. The final authenticated version is available online at: https://doi.org/10.1007/s00453-015-0067-xWe consider the problem of constructing fast and small parallel prefix adders for non-uniform input arrival times. In modern computer chips, adders with up to hundreds of inputs occur frequently, and they are often embedded into more complex circuits, e.g. multipliers, leading to instance-specific non-uniform input arrival times. Most previous results are based on representing binary carry-propagate adders as parallel prefix graphs, in which pairs of generate and propagate signals are combined using complex gates called prefix gates. Examples of commonly-used adders are constructed based on the Kogge–Stone or Ladner–Fischer prefix graphs. Adders constructed in this model usually minimize the delay in terms of these prefix gates. However, the delay in terms of logic gates can be worse by a factor of two. In contrast, we aim to minimize the delay of the underlying logic circuit directly. We prove a lower bound on the delay of a carry bit computation achievable by any prefix carry bit circuit and develop an algorithm that computes a prefix carry bit circuit with optimum delay up to a small additive constant. Our algorithm improves the running time of a previous dynamic program for constructing a prefix carry bit from O(n3) to O(nlog2n) while simultaneously improving the delay and size guarantee, where n is the number of bits in the summands. Furthermore, we use this algorithm as a subroutine to compute a full adder in near-linear time, reducing the delay approximation factor of 2 from previous approaches to 1.441 for our algorithm

Functional and dynamic programming in the design of parallel prefix networks

A parallel prefix network of width n takes n inputs, a1, a2, . . ., an, and computes each yi = a1 ○ a2 ○ ⋅ ⋅ ⋅ ○ ai for 1 ≤ i ≤ n, for an associative operator ○. This is one of the fundamental problems in computer science, because it gives insight into how parallel computation can be used to solve an apparently sequential problem. As parallel programming becomes the dominant programming paradigm, parallel prefix or scan is proving to be a very important building block of parallel algorithms and applications. There are many different parallel prefix networks, with different properties such as number of operators, depth and allowed fanout from the operators. In this paper, ideas from functional programming are combined with search to enable a deep exploration of parallel prefix network design. Networks that improve on the best known previous results are generated. It is argued that precise modelling in a functional programming language, together with simple visualization of the networks, gives a new, more experimental, approach to parallel prefix network design, improving on the manual techniques typically employed in the literature. The programming idiom that marries search with higher order functions may well have wider application than the network generation described here

Analysis of IP Based Implementation of Adders and Multipliers in Submicron and Deep Submicron Technologies

Datapath is at the heart of the microprocessor whose performance is a key factor which determines the performance of the processor. Adders and multipliers are the key elements in the datapath which usually are a measure of the performance of the datapath. So, with scaling of MOS transistors down into the deep submicron regime, it is necessary to investigate the performance of these key elements at such small device sizes. This thesis focuses on investigating the performance of existing architectures of adders and multipliers in the submicron and deep submicron technologies at the physical implementation level. Also, an effort has been made to investigate the performance of pipelined implementations of these architectures. Verilog HDL instantiations of adders and multipliers that are available with the DesignWare Building Block IP of Synopsys have been utilized in this thesis. The entire process of the design right from synthesis of the design down to power analysis of the design has been carried out using various EDA tools and has been automated using scripts written in TCL.School of Electrical & Computer Engineerin