Transient electrothermal simulation of power semiconductor devices

In this paper, a new thermal model based on the Fourier series solution of heat conduction equation has been introduced in detail. 1-D and 2-D Fourier series thermal models have been programmed in MATLAB/Simulink. Compared with the traditional finite-difference thermal model and equivalent RC thermal network, the new thermal model can provide high simulation speed with high accuracy, which has been proved to be more favorable in dynamic thermal characterization on power semiconductor switches. The complete electrothermal simulation models of insulated gate bipolar transistor (IGBT) and power diodes under inductive load switching condition have been successfully implemented in MATLAB/Simulink. The experimental results on IGBT and power diodes with clamped inductive load switching tests have verified the new electrothermal simulation model. The advantage of Fourier series thermal model over widely used equivalent RC thermal network in dynamic thermal characterization has also been validated by the measured junction temperature

Optimal Multi-Processor SoC Thermal Simulation via Adaptive Differential Equation Solvers

Thermal management is a critical challenge in the design of high performance multi-processor system-on-chips (MPSoCs). Therefore, accurate and fast thermal modeling tools are necessary for efficiently analyzing the thermal profiles of MPSoCs. This paper advances state-of-the-art MPSoC thermal modeling approaches in several directions. Our first contribution is a novel matrix statespace compatible representation of MPSoC thermal behavior. This representation can be used to choose the “best fit” solver among various ordinary differential equation (ODE) solvers according to the required accuracy and simulation speed. Then, we exploit this representation to develop an adaptive thermal simulation infrastructure that provides the shortest simulation time for the desired thermal modeling accuracy and the given MPSoC floorplan. The experimental results, which are based on a commercial 8-core MPSoC, show that our thermal simulation method achieves both higher thermal estimation accuracy (6x better) and faster simulation time (up to 70%) when compared to state-of-the-art MPSoC thermal simulators

Steady and Unsteady Thermo-Strucural Simulation of Thermally Actuated Micro- and Nano-Structures

This dissertation provides a thermo-structural simulation for nano-scale and micro-scale structures with pinned and fixed boundary conditions which are either thermally positioned, buckled, or actuated. The study begins with simulating a pinned-pinned beam in micro-scale and nano-scale. The steady state thermo-structural equation is solved numerically using an implicit Finite Difference method implemented in Matlab to obtain the thermal positioning response, which is the thermally steady state center displacement, by adding a constant, time-independent heat flux to the structure. The results show the steady state thermal displacement of the system is a function of the geometry, pressure, material properties, and constant heat flux in the free molecular model, while this value is independent of pressure in the continuum model. The thermal positioning simulation is used to improve the thermal efficiency of a thermal micro-switch by introducing various heating configurations. The second thermal mode is thermal buckling which is used to introduce a new thermal buckling storage nano-memory. Using an unsteady simulation, the power requirements for thermal actuations, optimal geometry, and write time of the device for various materials are investigated. The results show that this memory consume a low power in the order of 1 nJ per bit and has a data storage density of 10e11 bits/cm3,which is acceptable in comparison with the current memory devices. Thermal buckling nano-memory is also radiation-protected, making it a good alternative for space exploration computer systems operating in high radiation and electromagnetic environments. In contrast with thermal positioning and buckling, thermal actuation applies time-dependent heat load leading to vibration in the structure. An implicit Finite Difference method implemented in C++ was used to solve the coupled transient thermo-structural equations with constant thermal properties, while an explicit approach was used to solve the variable properties thermo-structural equations. The response, the center displacement in a doubly-clamped bridge, is tracked by time and decomposed to the steady state and vibration amplitudes. The results show that constant thermal properties assumption is limited for small heat additions lower than 1 mW. Thermal actuation results are applicable in simulating the dynamic behavior of nano-scale devices used for switching, nano-manufacturing, and measurement

DESIGN OF LOW POWER MOBILE TRANSMITTER

The objective of this project is to design a power amplifier for a new two way mobile radio product being launched by Motorola. Two-way mobile radio consists of a transmitter, receiver and a voltage-controlled oscillator. Mobile radios usually have transmitter whose power output ranges from 1 W to 50 W. Design of transmitter lineup for mobile radio involves the design of appropriate matching network for driver and power amplifier. The power and voltage control of these devices are equally important. Designing a mobile radio transmitter is regarded tricky due to difficulty in getting a robust transmitter that is stable with minimum oscillation. In this work, the design is attempted usmg Advanced Design Simulator (ADS). The design simulation provides accurate simulation on harmonic filter and antenna switch. 50 ohm matching networks have also been designed and simulated using ADS and it gives close approximation to the specifications. The radio has since been prototyped and tested. The evaluation and testing of the radio has been carried out and it satisfies the specifications that are set by the Telecommunication Industry Association (TIA). Some minor optimization has also been performed to improve the radio performance. Eventual product is a transmitter line up that function well today. 11

Fast methods for full-wave electromagnetic simulations of integrated circuit package modules

Fast methods for the electromagnetic simulation of integrated circuit (IC) package modules through model order reduction are demonstrated. The 3D integration of multiple functional IC chip/package modules on a single platform gives rise to geometrically complex structures with strong electromagnetic phenomena. This motivates our work on a fast full-wave solution for the analysis of such modules, thus contributing to the reduction in design cycle time without loss of accuracy. Traditionally, fast design approaches consider only approximate electromagnetic effects, giving rise to lumped-circuit models, and therefore may fail to accurately capture the signal integrity, power integrity, and electromagnetic interference effects. As part of this research, a second order frequency domain full-wave susceptance element equivalent circuit (SEEC) model will be extracted from a given structural layout. The model so obtained is suitably reduced using model order reduction techniques. As part of this effort, algorithms are developed to produce stable and passive reduced models of the original system, enabling fast frequency sweep analysis. Two distinct projection-based second order model reduction approaches will be considered: 1) matching moments, and 2) matching Laguerre coefficients, of the original system's transfer function. Further, the selection of multiple frequency shifts in these schemes to produce a globally representative model is also studied. Use of a second level preconditioned Krylov subspace process allows for a memory-efficient way to address large size problems.Ph.D.Committee Chair: Swaminathan Madhavan; Committee Member: Papapolymerou John; Committee Member: Chatterjee Abhijit; Committee Member: Peterson Andrew; Committee Member: Sitaraman Sures

Design of Thermal Management Control Policies for Multiprocessors Systems on Chip

The contribution of this thesis is a thorough study of thermal aware policy design for MPSoCs. The study includes the modelling of their thermal behavior as well as the improvement and the definition of new thermal management and balancing policies. The work is structured on three main specific disciplines. The areas of contributions are: modeling, algorithms and system design. This thesis extends the field of modeling by proposing new techniques to represent the thermal behavior of MPSoCs using a mathematical formalization. Heat transfer and modelling of physical properties of MPSoCs have been extensively studied. Special emphasis is given to the way the system cools down (i.e. micro-cooling, natural heat dissipation etc.) and the heat propagates inside the MPSoC. The second contribution of this work is related to policies, which manage MPSoC working frequencies and micro-cooling pumps to satisfy user requirements in the most effective possible way, while consuming the lowest possible amount of resources. Several families of thermal policies algorithms have been studied and analyzed in this work for both 2D and 3D MPSoCs including liquid cooling technologies. The discipline of system design has also been extended during the development of this thesis. Thermal management policies have been implemented in real emulation platforms and contributions in this area are related to the design and implementation of proposed innovations in real MPSoC platforms

Quantum random number generators for industrial applications

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2017-2018. Àmbit de CiènciesRandomness is one of the most intriguing, inspiring and debated topics in the history of the world. It appears every time we wonder about our existence, about the way we are, e.g. Do we have free will? Is evolution a result of chance? It is also present in any attempt to understand our anchoring to the universe, and about the rules behind the universe itself, e.g. Why are we here and when and why did all this start? Is the universe deterministic or does unpredictability exist? Remarkably, randomness also plays a central role in the information era and technology. Random digits are used in communication protocols like Ethernet, in search engines and in processing algorithms as page rank. Randomness is also widely used in so-called Monte Carlo methods in physics, biology, chemistry, finance and mathematics, as well as in many other disciplines. However, the most iconic use of random digits is found in cryptography. Random numbers are used to generate cryptographic keys, which are the most basic element to provide security and privacy to any form of secure communication. This thesis has been carried out with the following questions in mind: Does randomness exist in photonics? If so, how do we mine it and how do we mine it in a massively scalable manner so that everyone can easily use it? Addressing these two questions lead us to combine tools from fundamental physics and engineering. The thesis starts with an in-depth study of the phase diffusion process in semiconductor lasers and its application to random number generation. In contrast to other physical processes based on deterministic laws of nature, the phase diffusion process has a pure quantum mechanical origin, and, as such, is an ideal source for generating truly unpredictable digits. First, we experimentally demonstrated the fastest quantum random number generation scheme ever reported (at the time), using components from the telecommunications industry only. Up to 40 Gb/s were demonstrated to be possible using a pulsed scheme. We then moved towards building prototypes and testing them with partners in supercomputation and fundamental research. In particular, the devices developed during this thesis were used in the landmark loophole- free Bell test experiments of 2015. In the process of building the technology, we started a new research focus as an attempt to answer the following question: How do we know that the digits that we generate are really coming from the phase diffusion process that we trust? As a result, we introduced the randomness metrology methodology, which can be used to derive quantitative bounds on the quality of any physical random number generation device. Finally, we moved towards miniaturisation of the technology by leveraging techniques from the photonic integrated circuits technology industry. The first fully integrated quantum random number generator was demonstrated using a novel two-laser scheme on an Indium Phosphide platform. In addition, we also demonstrated the integration of part of the technology on a Silicon Photonics platform, opening the door towards manufacturing in the most advanced semiconductor industry.L’aleatorietat és un dels temes més intrigants, inspiradors i debatuts al llarg de la història. És un concepte que sorgeix quan ens preguntem sobre la nostra pròpia existència i de per què som com som. Tenim freewill? És l’evolució resultat de l’atzar? L’aleatorietat és també un tema que sorgeix quan intentem entendre la nostra relació amb l’univers mateix. Per què estem aquí? Quan o com va començar tot això? És l’univers una màquina determinista o hi ha cabuda per a l’atzar? Sorprenentment, l’aleatorietat també juga un paper crucial en l’era de la informació i la tecnologia. Els nombres aleatoris es fan servir en protocols de comunicació com Ethernet, en algoritmes de classificació i processat com Page Rank. També usem l’aleatorietat en els mètodes Monte Carlo, que s’utilitzen en els àmbits de la física, la biologia, la química, les finances o les matemàtiques. Malgrat això, l’aplicació més icònica per als nombres aleatoris la trobem en el camp de la criptografia o ciber-seguretat. Els nombres aleatoris es fan servir per a generar claus criptogràfiques, l’element bàsic que proporciona la seguretat i privacitat a les nostres comunicacions. Aquesta tesi parteix de la següent pregunta fonamental: Existeix l’aleatorietat a la fotònica? En cas afirmatiu, com podem extreure-la i ferla accessible a tothom? Per a afrontar aquestes dues preguntes, s’han combinat eines des de la física fonamental fins a l’enginyeria. La tesi parteix d’un estudi detallat del procés de difusió de fase en làsers semiconductors i de com aplicar aquest procés per a la generació de nombres aleatoris. A diferència d’altres processos físics basats en lleis deterministes de la natura, la difusió de fase té un origen purament quàntic, i per tant, és una font ideal per a generar nombres aleatoris. Primerament, i fent servir aquest procés de difusió de fase, vam crear el generador quàntic de nombres aleatoris més ràpid mai implementat (en aquell moment) fent servir, únicament, components de la indústria de les telecomunicacions. Més de 40 Gb/s van ser demostrats fent servir un esquema de làser polsat. Posteriorment, vam construir diversos prototips que van ser testejats en aplicacions de ciència fonamental i supercomputació. En particular, alguns dels prototips desenvolupats en aquesta tesi van ser claus en els famosos experiments loophole-free Bell tests realitzats l’any 2015. En el procés de construir aquests prototips, vam iniciar una nova línia de recerca per a intentar contestar una nova pregunta: Com sabem si els nombres aleatoris que generem realment sorgeixen del procés de difusió de fase, tal com nosaltres creiem? Com a resultat, vam introduir una nova metodologia, la metrologia de l’aleatorietat. Aquesta es pot fer servir per a derivar límits quantificables sobre la qualitat de qualsevol dispositiu de generació de nombres aleatoris físic. Finalment, ens vam moure en la direcció de la miniaturització de la tecnologia utilitzant tècniques de la indústria de la fotònica integrada. En particular, vam demostrar el primer generador de nombres aleatoris quàntic totalment integrat, fent servir un esquema de dos làsers en un xip de Fosfur d’Indi. En paral·lel, també vam demostrar la integració d’una part del dispositiu emprant tecnologia de Silici, obrint les portes, per tant, a la producció a gran escala a través de la indústria més avançada de semiconductors.La aleatoriedad es uno de los temas más intrigantes, inspiradores y debatidos a lo largo de la historia. Es un concepto que surge cuando nos preguntamos sobre nuestra propia existencia y de por qué somos como somos. ¿Tenemos libre albedrío? ¿Es la evolución resultado del azar? La aleatoriedad es también un tema que surge cuando intentamos entender nuestra relación con el universo. ¿Por qué estamos aquí? ¿Cuándo y cómo empezó todo esto? ¿Es el universo una máquina determinista o existe espacio para el azar? Sorprendentemente, la aleatoriedad también juega un papel crucial en la era de la información y la tecnología. Los números aleatorios se usan en protocolos de comunicación como Ethernet, y en algoritmos de clasificación y procesado como Page Rank. También la utilizamos en los métodos Monte Carlo, que sirven en los ámbitos de la física, la biología, la química, las finanzas o las matemáticas. Sin embargo, la aplicación más icónica para los números aleatorios la encontramos en el campo de la criptografía y la ciberseguridad. Aquí, los números aleatorios se usan para generar claves criptográficas, proporcionando el elemento básico para dotar a nuestras comunicaciones de seguridad y privacidad. En esta tesis partimos de la siguiente pregunta fundamental: ¿Existe la aleatoriedad en la fotónica? En caso afirmativo, ¿Cómo podemos extraerla y hacerla accesible a todo el mundo? Para afrontar estas dos preguntas, se han combinado herramientas desde la física fundamental hasta la ingeniería. La tesis parte de un estudio detallado del proceso de difusión de fase en láseres semiconductores y de cómo aplicar este proceso para la generación de números aleatorios. A diferencia de otros procesos físicos basados en leyes deterministas de la naturaleza, la difusión de fase tiene un origen puramente cuántico y, por lo tanto, es una fuente ideal para generar números aleatorios. Primeramente, y utilizando este proceso de difusión de fase, creamos el generador cuántico de números aleatorios más rápido nunca implementado (en ese momento) utilizando únicamente componentes de la industria de las telecomunicaciones. Más de 40 Gb/s fueron demostrados utilizando un esquema de láser pulsado. Posteriormente, construimos varios prototipos que fueron testeados en aplicaciones de ciencia fundamental y supercomputación. En particular, algunos de los prototipos desarrollados en esta tesis fueron claves en los famosos experimentos Loophole-free Bell tests realizados en el 2015. En el proceso de construir estos prototipos, iniciamos una nueva línea de investigación para intentar dar respuesta a una nueva pregunta: ¿Cómo sabemos si los números aleatorios que generamos realmente surgen del proceso de difusión de fase, tal y como nosotros creemos? Como resultado introdujimos una nueva metodología, la metrología de la aleatoriedad. Esta se puede usar para derivar límites cuantificables sobre la calidad de cualquier dispositivo de generación de números aleatorios físico. Finalmente, nos movimos en la dirección de la miniaturización de la tecnología utilizando técnicas de la industria de la fotónica integrada. En particular, creamos el primer generador de números aleatorios cuántico totalmente integrado utilizando un esquema de dos láseres en un chip de Fosfuro de Indio. En paralelo, también demostramos la integración de una parte del dispositivo utilizando tecnología de Silicio, abriendo las puertas, por tanto, a la producción a gran escala a través de la industria más avanzada de semiconductores.Award-winningPostprint (published version

Methods and tools for the design of RFICs

Ambient intelligence is going to focus the next advances in wireless technologies. Hence, the increasing demand on radio frequency (RF) devices and applications represents, not only a challenge for technological industries to improve its roadmaps, but also for RF engineers to design more robust, low-power, small-size and low-cost devices. Regarding to communication robustness, in the latest years, differential topologies have acquired an important relevance because of its natural noise and interference immunity. Within this framework, a differential n-port device can still be treated with the classical analysis circuit theory by means of Z-,Y-, h-parameters or the most suitable S-parameters in the radio frequency field. Despite of it, Bockelman introduced the mixed-mode scattering parameters, which more properly express the differential and common-mode behavior of symmetrical devices. Since then, such parameters have been used with a varying degree of success, as it will be shown, mainly because of a misinterpretation. Thereby, this thesis is devoted to extend the theory of mixed-mode scattering parameters and proposes the methodology to analyze such devices. For this proposal, the simplest case of a two-port device is developed. By solving this simple case, most of the lacks of the current theory are filled up. As instance, it allows the characterization and comparison of symmetric and spiral inductors, which have remained a controversy point until now. After solving this case, the theory is extended to a n-port device. Another key point on the fast and inexpensive development of radio frequency devices is the advance on fast CAD tools for the analysis and synthesis of passive devices. In the case of silicon technologies, planar inductors have become the most popular shapes because of its integrability. However, the design of inductors entails a deep experience and acknowledge not only on the behavior of such devices but on the use of electromagnetic (EM) simulators. Unfortunately, the use of EM simulators consumes an important quantity of time and resources. Thereby, this thesis is devoted to improve some of the aspects that slow down the synthesis process of inductors. Therefore, an ‘ab initio’ technique for the meshing of planar radio frequency and microwave circuits is described. The technique presented can evaluate the losses in the component with a high accuracy just in few seconds where an electromagnetic simulator would normally last hours. Likewise, a simple bisection algorithm for the synthesis of compact planar inductors is presented. It is based on a set of heuristic rules obtained from the study of the electromagnetic behavior of these planar devices. Additionally, design of a single-ended to differential low noise amplifier (LNA) in a CMOS technology is performed by using the methods and tools described.L'enginyeria de radiofreqüència i la tecnologia de microones han assolit un desenvolupament inimaginable i avui en dia formen part de la majoria de les nostres activitats diàries. Probablement, la tecnologia mòbil ha tingut un desenvolupament més ràpid que qualsevol altre avenç tecnològic de l'era digital. Avui en dia, podem dir que el paradigma de la mobilitat s'ha assolit i tenim accés ràpid a internet des de qualsevol lloc on podem estar amb un dispositiu de butxaca. No obstant això, encara hi ha fites per endavant. Es més que probable que el paradigma de l’ "ambient intelligence” sigui el centre dels pròxims avenços en les tecnologies sense fils. A diferencia del paradigma de l"ambient intelligence', l'evolució de la tecnologia de la informació mai ha tingut l'objectiu explícit de canviar la societat, sinó que ho van fer com un efecte secundari, en canvi, les visions d' “ambient intelligence” proposen expressament el transformar la societat mitjançant la connexió completa i la seva informatització. Per tant, l'augment de la demanda de dispositius de ràdio freqüència (RF) i de les seves possibles aplicacions representa, no només un repte per a les indústries tecnològiques per millorar els seus plans de treball, sinó també per als enginyers de RF que hauran de dissenyar dispositius de baixa potència, més robusts, de mida petita i de baix cost. Quant a la robustesa dels dispositius, en els últims anys, les topologies de tipus diferencial han adquirit una important rellevància per la seva immunitat natural al soroll i resistència a les interferències. Dins d'aquest marc, un dispositiu de nports diferencial, encara pot ser tractat com un dispositiu 2nx2n i la teoria clàssica d'anàlisi de circuits (és a dir, la temia de quadripols) es pot aplicar a través de paràmetres Z, Y, h o els paràmetres S, més adequats en el camp de freqüència de ràdio. Tot i això, Bockelman i Eisenstadt introdueixen els paràmetres S mixtos, que expressen més adequadament el comportament diferencial i en mode comú de dispositius simètrics o asimètrics. Des de llavors, aquests paràmetres s'han utilitzat amb un grau variable d'èxit, com es mostrarà, principalment a causa d'una mala interpretació. D'aquesta manera, la primera part d'aquesta tesi està dedicada a estendre la teoria dels paràmetres S de mode mixt i proposa la metodologia d'anàlisi d'aquest tipus de dispositius i circuits. D'aquesta forma, en el Capítol 2, es desenvolupa el cas més simple d'un dispositiu de dos ports. En resoldre aquest cas simple, la major part de les mancances de la teoria actual es posen de relleu. Com a exemple, pennet la caracterització i la comparació de bobines simètriques i espiral no simètriques, que han estat un punt de controvèrsia fins ara. Després de resoldre aquest cas, al Capítol 3 s'estén la teOIia a un dispositiu de n-ports dels quals un nombre pot ser single-ended i la resta diferencials. És en aquest moment quan la dualitat existent entre els paràmetres S estàndard i de mode mixt es pot veure clarament i es destaca en el seu conjunt. Aquesta teoria permet, tanmateix, estendre la teoria clàssica d'amplificadors quan s'analitzen per mitjà de paràmetres S. Un altre punt clau en el desenvolupament ràpid i de baix cost dels dispositius de radiofreqüència és l'avenç en les eines CAD ràpides per a l'anàlisi i síntesi dels dispositius passius, en especial dels inductors. Aquests dispositius apareixen tot sovint en el disseny de radio freqüència degut a la seva gran versatilitat. Tot i que hi ha hagut múltiples intents de reemplaçar amb components externs o circuits, fins i tot actius, en el cas de les tecnologies de silici, els inductors planars s'han convertit en les formes més populars per la seva integrabilitat. No obstant això, el disseny d'inductors implica conèixer i posseir una experiència profunda no només en el comportament d'aquests dispositius, però també en l'ús de simuladors electromagnètics (EM). Desafortunadament, l'ús dels simuladors EM consumeix una quantitat important de temps i recursos. Per tant, la síntesi dels inductors representa un important inconvenient actualment. D'aquesta manera, la segona part d'aquesta tesi està dedicada a millorar alguns dels aspectes que frenen el procés de síntesi dels inductors. Per tant, en el Capítol 4, es descriu una tècnica 'ab initio' de generació de la malla per bobines planars en ràdio freqüència i microones. La tècnica es basa en l'estudi analític dels fenòmens d'aglomeració de corrent que tenen lloc a l'interior del component. En aquesta avaluació, no es requereix una solució explícita dels corrents i de les càrregues arreu del circuit. Llavors, el nombre de cel•les de la malla assignades a una tira de metall donada, depèn del valor inicialment obtingut a partir de l'estudi analític. La tècnica presentada pot avaluar les pèrdues en el component amb una gran precisió només en uns pocs segons, quan comparat amb un simulador electromagnètic normalment es necessitaria hores. De la mateixa manera, en el Capítol 5 es presenta un senzill algoritme de bisecció per a la síntesi d'inductors planars compactes. Es basa en un conjunt de regles heurístiques obtingut a partir de l'estudi del comportament electromagnètic d'aquests dispositius planars. D'aquesta manera, el nombre d'iteracions es manté moderadament baix.D'altra banda, per tal d'accelerar l'anàlisi en cada pas, s'utilitza un simulador ràpid electromagnètic planar, el qual es basa en el coneixement que es té del component sintetitzat. Finalment, en el Capítol 6, la metodologia de paràmetres S de mode mixt proposada i les eines CAD introduides s'utilitzen àmpliament en el disseny d'un amplificador de baix soroll “single-ended” a diferencial (LNA), mitjançant una tecnologia estàndard CMOS.L'amplificador de baix soroll és un dels components claus en un sistema de recepció de radio freqüència, ja que tendeix a dominar la sensibilitat i la figura de soroll (NF) de tot el sistema. D'altra banda, les característiques d'aquest circuit estan directament relacionades amb els components actius i passius disponibles en una tecnologia donada. Per tant, la tecnologia escollida, el factor de qualitat dels passius, i la forma com es caracteritzen tindran un alt impacte en les principals figures de mèrit del circuit real

Automatic synthesis and optimization of chip multiprocessors

The microprocessor technology has experienced an enormous growth during the last decades. Rapid downscale of the CMOS technology has led to higher operating frequencies and performance densities, facing the fundamental issue of power dissipation. Chip Multiprocessors (CMPs) have become the latest paradigm to improve the power-performance efficiency of computing systems by exploiting the parallelism inherent in applications. Industrial and prototype implementations have already demonstrated the benefits achieved by CMPs with hundreds of cores.CMP architects are challenged to take many complex design decisions. Only a few of them are:- What should be the ratio between the core and cache areas on a chip?- Which core architectures to select?- How many cache levels should the memory subsystem have?- Which interconnect topologies provide efficient on-chip communication?These and many other aspects create a complex multidimensional space for architectural exploration. Design Automation tools become essential to make the architectural exploration feasible under the hard time-to-market constraints. The exploration methods have to be efficient and scalable to handle future generation on-chip architectures with hundreds or thousands of cores.Furthermore, once a CMP has been fabricated, the need for efficient deployment of the many-core processor arises. Intelligent techniques for task mapping and scheduling onto CMPs are necessary to guarantee the full usage of the benefits brought by the many-core technology. These techniques have to consider the peculiarities of the modern architectures, such as availability of enhanced power saving techniques and presence of complex memory hierarchies.This thesis has several objectives. The first objective is to elaborate the methods for efficient analytical modeling and architectural design space exploration of CMPs. The efficiency is achieved by using analytical models instead of simulation, and replacing the exhaustive exploration with an intelligent search strategy. Additionally, these methods incorporate high-level models for physical planning. The related contributions are described in Chapters 3, 4 and 5 of the document.The second objective of this work is to propose a scalable task mapping algorithm onto general-purpose CMPs with power management techniques, for efficient deployment of many-core systems. This contribution is explained in Chapter 6 of this document.Finally, the third objective of this thesis is to address the issues of the on-chip interconnect design and exploration, by developing a model for simultaneous topology customization and deadlock-free routing in Networks-on-Chip. The developed methodology can be applied to various classes of the on-chip systems, ranging from general-purpose chip multiprocessors to application-specific solutions. Chapter 7 describes the proposed model.The presented methods have been thoroughly tested experimentally and the results are described in this dissertation. At the end of the document several possible directions for the future research are proposed