M.E-VLSI Design

Abstract- The general way of mapping digital circuits onto field programmable gate arrays (FPGAs) usually consist of two steps. Initially the circuits are mapped into look up tables (LUTs). Then, the LUTs are mapped onto physical resources. This includes the process of reconfiguration. Reconfiguration follows three basic properties, which includes commutative property, duplicate-constant input property, and constant new input equivalence property. Logic blocks are composed of clusters with LUTs and flip flops. In particular for a logic cluster with I inputs and N K- input LUTs a set of N × K (I+N-K+1):1 multiplexers can be used to connect logic cluster input to LUT input. It can increase the flexibility of FPGA routing resources. The flexibility can then be used to reduce the implementation area. This can also reduce the significant amount of fanouts for logic cluster input. Reconfiguration can also be done in correspondence with logical non-equivalency which also tender to give better area efficient result. Index terms- Field programmable gate arrays (FPGAs), logical non-equivalency, logic cluster, reconfiguration. I

Leakage Power Minimization Using Gating Technique In FPGA Controlled Device

FPGA based controlled devices are widely used in integrated chip sector provided the power consumed by such devices should be low. Leakage power takes vital part in contributing towards the total power consumption. This research work concentrates in proposing a power gating technique based on look up table approach. The novelty of this approach is that common look up tables are employed for asynchronous architectures for each leaf node. Due to this the leakage power and the total area overhead can be minimized. The proposed architecture is simulated through M-Power analysis and simulator tool for leaf nodes and efficiently utilizes H-tree methodology to minimize area. The reduction in number of look up tables leads to 45% to 50% reduction in leakage power of FPGA device

Methodologies for Synthesizable Programmable Devices based on Multi-Stage Switching Networks

Nowadays the rise of non-recurring engineering (NRE) costs associated with complexity is becoming a major factor in SoC design, limiting both scaling opportunities and the flexibility advantages offered by the integration of complex computational units. The introduction of embedded programmable elements can represent an appealing solution, able both to guarantee the desired flexibility and upgradabilty and to widen the SoC market. In particular embedded FPGA (eFPGA) cores can provide bit-level optimization for those applications which benefits from synthesis, paying on the other side in terms of performance penalties and area overhead with respect to standard cell ASIC implementations. In this scenario this thesis proposes a design methodology for a synthesizable programmable device designed to be embedded in a SoC. A soft-core embedded FPGA (eFPGA) is hence presented and analyzed in terms of the opportunities given by a fully synthesizable approach, following an implementation flow based on Standard-Cell methodology. A key point of the proposed eFPGA template is that it adopts a Multi-Stage Switching Network (MSSN) as the foundation of the programmable interconnects, since it can be efficiently synthesized and optimized through a standard cell based implementation flow, ensuring at the same time an intrinsic congestion-free network topology. The evaluation of the flexibility potentialities of the eFPGA has been performed using different technology libraries (STMicroelectronics CMOS 65nm and BCD9s 0.11μm) through a design space exploration in terms of area-speed-leakage tradeoffs, enabled by the full synthesizability of the template. Since the most relevant disadvantage of the adopted soft approach, compared to a hardcore, is represented by a performance overhead increase, the eFPGA analysis has been made targeting small area budgets. The generation of the configuration bitstream has been obtained thanks to the implementation of a custom CAD flow environment, and has allowed functional verification and performance evaluation through an application-aware analysis

The IPS fidelity scale as a guideline to implement Supported Employment

info:eu-repo/semantics/publishe

Interconnect yield analysis and fault tolerance for field programmable gate arrays

Imperial Users onl

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

Parallel and Distributed Computing

The 14 chapters presented in this book cover a wide variety of representative works ranging from hardware design to application development. Particularly, the topics that are addressed are programmable and reconfigurable devices and systems, dependability of GPUs (General Purpose Units), network topologies, cache coherence protocols, resource allocation, scheduling algorithms, peertopeer networks, largescale network simulation, and parallel routines and algorithms. In this way, the articles included in this book constitute an excellent reference for engineers and researchers who have particular interests in each of these topics in parallel and distributed computing

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

Dynamic reconfiguration frameworks for high-performance reliable real-time reconfigurable computing

The sheer hardware-based computational performance and programming flexibility offered by reconfigurable hardware like Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) make them attractive for computing in applications that require high performance, availability, reliability, real-time processing, and high efficiency. Fueled by fabrication process scaling, modern reconfigurable devices come with ever greater quantities of on-chip resources, allowing a more complex variety of applications to be developed. Thus, the trend is that technology giants like Microsoft, Amazon, and Baidu now embrace reconfigurable computing devices likes FPGAs to meet their critical computing needs. In addition, the capability to autonomously reprogramme these devices in the field is being exploited for reliability in application domains like aerospace, defence, military, and nuclear power stations. In such applications, real-time computing is important and is often a necessity for reliability. As such, applications and algorithms resident on these devices must be implemented with sufficient considerations for real-time processing and reliability. Often, to manage a reconfigurable hardware device as a computing platform for a multiplicity of homogenous and heterogeneous tasks, reconfigurable operating systems (ROSes) have been proposed to give a software look to hardware-based computation. The key requirements of a ROS include partitioning, task scheduling and allocation, task configuration or loading, and inter-task communication and synchronization. Existing ROSes have met these requirements to varied extents. However, they are limited in reliability, especially regarding the flexibility of placing the hardware circuits of tasks on device’s chip area, the problem arising more from the partitioning approaches used. Indeed, this problem is deeply rooted in the static nature of the on-chip inter-communication among tasks, hampering the flexibility of runtime task relocation for reliability. This thesis proposes the enabling frameworks for reliable, available, real-time, efficient, secure, and high-performance reconfigurable computing by providing techniques and mechanisms for reliable runtime reconfiguration, and dynamic inter-circuit communication and synchronization for circuits on reconfigurable hardware. This work provides task configuration infrastructures for reliable reconfigurable computing. Key features, especially reliability-enabling functionalities, which have been given little or no attention in state-of-the-art are implemented. These features include internal register read and write for device diagnosis; configuration operation abort mechanism, and tightly integrated selective-area scanning, which aims to optimize access to the device’s reconfiguration port for both task loading and error mitigation. In addition, this thesis proposes a novel reliability-aware inter-task communication framework that exploits the availability of dedicated clocking infrastructures in a typical FPGA to provide inter-task communication and synchronization. The clock buffers and networks of an FPGA use dedicated routing resources, which are distinct from the general routing resources. As such, deploying these dedicated resources for communication sidesteps the restriction of static routes and allows a better relocation of circuits for reliability purposes. For evaluation, a case study that uses a NASA/JPL spectrometer data processing application is employed to demonstrate the improved reliability brought about by the implemented configuration controller and the reliability-aware dynamic communication infrastructure. It is observed that up to 74% time saving can be achieved for selective-area error mitigation when compared to state-of-the-art vendor implementations. Moreover, an improvement in overall system reliability is observed when the proposed dynamic communication scheme is deployed in the data processing application. Finally, one area of reconfigurable computing that has received insufficient attention is security. Meanwhile, considering the nature of applications which now turn to reconfigurable computing for accelerating compute-intensive processes, a high premium is now placed on security, not only of the device but also of the applications, from loading to runtime execution. To address security concerns, a novel secure and efficient task configuration technique for task relocation is also investigated, providing configuration time savings of up to 32% or 83%, depending on the device; and resource usage savings in excess of 90% compared to state-of-the-art