A fresh look on three-loop sum-integrals

In order to prepare the ground for evaluating classes of three-loop sum-integrals that are presently needed for thermodynamic observables, we take a fresh and systematic look on the few known cases, and review their evaluation in a unified way using coherent notation. We do this for three important cases of massless bosonic three-loop vacuum sum-integrals that have been frequently used in the literature, and aim for a streamlined exposition as compared to the original evaluations. In passing, we speculate on options for generalization of the computational techniques that have been employed.Comment: 19 page

A simulator to assess energy saving strategies and policies in HPC workloads

In recent years power consumption of high performance computing (HPC) clusters has become a growing problem due, e.g., to the economic cost of electricity, the emission of car- bon dioxide (with negative impact on the environment), and the generation of heat (which reduces hardware reliability). In past work, we developed EnergySaving cluster , a software package that regulates the number of active nodes in an HPC facility to match the users’ demands. In this paper, we extend this work by presenting a simulator for this tool that allows the evaluation and analysis of the benefits of applying different energy-saving strategies and policies, under realistic workloads, to different cluster configurations

Effect of a Polywell geometry on a CMOS Photodiode Array

The effect of a polywell geometry hybridized with a stacked gradient poly-homojunction architecture, on the response of a CMOs compatible photodiode array was simulated. Crosstalk and sensitivity improved compared to the polywell geometry alone, for both back and front illuminatio

A Review of Bayesian Methods in Electronic Design Automation

The utilization of Bayesian methods has been widely acknowledged as a viable solution for tackling various challenges in electronic integrated circuit (IC) design under stochastic process variation, including circuit performance modeling, yield/failure rate estimation, and circuit optimization. As the post-Moore era brings about new technologies (such as silicon photonics and quantum circuits), many of the associated issues there are similar to those encountered in electronic IC design and can be addressed using Bayesian methods. Motivated by this observation, we present a comprehensive review of Bayesian methods in electronic design automation (EDA). By doing so, we hope to equip researchers and designers with the ability to apply Bayesian methods in solving stochastic problems in electronic circuits and beyond.Comment: 24 pages, a draft version. We welcome comments and feedback, which can be sent to [email protected]

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

PDNPulse: Sensing PCB Anomaly with the Intrinsic Power Delivery Network

The ubiquitous presence of printed circuit boards (PCBs) in modern electronic systems and embedded devices makes their integrity a top security concern. To take advantage of the economies of scale, today's PCB design and manufacturing are often performed by suppliers around the globe, exposing them to many security vulnerabilities along the segmented PCB supply chain. Moreover, the increasing complexity of the PCB designs also leaves ample room for numerous sneaky board-level attacks to be implemented throughout each stage of a PCB's lifetime, threatening many electronic devices. In this paper, we propose PDNPulse, a power delivery network (PDN) based PCB anomaly detection framework that can identify a wide spectrum of board-level malicious modifications. PDNPulse leverages the fact that the PDN's characteristics are inevitably affected by modifications to the PCB, no matter how minuscule. By detecting changes to the PDN impedance profile and using the Frechet distance-based anomaly detection algorithms, PDNPulse can robustly and successfully discern malicious modifications across the system. Using PDNPulse, we conduct extensive experiments on seven commercial-off-the-shelf PCBs, covering different design scales, different threat models, and seven different anomaly types. The results confirm that PDNPulse creates an effective security asymmetry between attack and defense

Electrical and Computer Engineering Research Report 2009

Department Research Publications Enterprisehttps://digitalcommons.mtu.edu/ece-annualreports/1004/thumbnail.jp

Formal connectivity verification of clock and reset signals in ultra-low-power SoC designs

Abstract. This thesis investigates the usage of formal connectivity verification on clock and reset signal connectivity in ultra-low-power SoC designs. The origin of power consumption in CMOS circuits is explained, and the conflict between dynamic and static power on system parameter level is introduced. Common power reduction techniques are introduced and explained in some detail. Overview of functional verification and its role in the design flow is presented. The main classification of functional verification into logic simulation and formal verification is discussed, and details of both are explained and compared. Challenges rising from low power design methodologies are introduced. Detailed view of connectivity and integration in SoC designs is provided, and a specified method of verifying connectivity is introduced in the form of formal connectivity verification. The practical part of the thesis starts with an explanation of the verification goal and requirements for achieving it. Structure of the design environment used in the verification task is explained, and the different stages that the verification was conducted on. Creation of used connectivity properties and the used process flow for the chosen software tool is presented. The process of confirming falsified properties as design bugs is introduced. The results of the verification task are presented, providing the total target amount for each verification stage, as well as the found bugs. The found bugs and their circumstances are explained. Comparison is made between the conventional method of verifying connectivity and the investigated formal method. Results show a great decrease in overall work effort, resourcing and time spent on the connectivity verification.Formaali liitettävyysverifiointi kello- ja reset-signaaleille ultra-matalan tehonkulutuksen järjestelmäpiireissä. Tiivistelmä. Tämä diplomityö tutkii formaalin liitettävyysverifionnin käyttöä kello- ja reset-signaalien yhteyksille ultra-matalan tehonkulutuksen järjestelmäpiireissä. Tehonkulutuksen lähteet CMOS piireissä selitetään, ja esitetään konflikti dynaamisen ja staattisen tehonkulutuksen välillä systeemin parametritasolla. Tavanomaisia tehonkulutusta vähentäviä tekniikoita esitellään ja selitetään jossain määrin. Funktionaalisen verifioinnin yleiskatsaus ja asema suunnitteluvuossa esitellään. Funktionaalisen verifioinnin pääjaottelua logiikkasimulaatioon ja formaaliin verifiointiin käsitellään, ja molempien yksityiskohtia selitetään ja vertaillaan. Matalan tehonkulutuksen metodologioiden aiheuttamat ongelmat esitetään. Yksityiskohtainen kuvaus liitettävyydestä ja integroinnista järjestelmäpiireissä selitetään, ja eritelty metodi liitettävyyden verifioimiselle esitellään formaalin liitettävyysverifionnin muodossa. Käytännön osuus diplomityöstä alkaa verifoinnin tavoitteen ja vaatimusten esittelemisellä. Käytetyn mallin rakenne ja verifiointitehtävä selitetään, sekä eri tasot joilla verifiointi suoritettiin. Liitettävyys-ominaisuuksien luominen, sekä käytetty prosessivuo valitulle työkalulle esitetään. Vääriksi todistettujen ominaisuuksien varmistaminen suunnitteluvirheiksi esitellään. Tulokset verifointitehtävästä esitellään, käsitellen verifioinnin kohteiden kokonaista lukumäärää molemmilla verifiointitasoilla, sekä niistä löydettyjen virheiden määrää. Löydetyt suunnitteluvirheet ja niiden seikkaperät selitetään. Vertailua tehdään perinteisen liitettävyyden verifionnin metodin ja tutkitun formaalin metodin välillä. Tulokset osoittavat suuren säästön kokonaisessa työmäärässä, resurssoinnissa sekä liitettävyyden verifiointiin kulutetussa ajassa

Electrical recommendations and formulas for metal fill in radio-frequency integrated circuits

With increasing transistor operating frequencies, interconnects and passive devices are becoming performance limiters in integrated circuit (IC) designs. To combat this, the interconnect layers above the active silicon are trending toward low-κ dielectrics and Cu metallization. The use of these new materials has popularized chemical mechanical polishing (CMP) to planarize the several interconnect layers. Unfortunately, the mechanical trade-offs of CMP require metal pattern density uniformity and additional dummy metal shapes fill in regions of low density. These metal fills act as parasitics that increase the capacitances in interconnects and passive devices – hindering their performance. This work analyzes and optimizes the parasitic capacitive impact of rectangular metal fills on key passive components. Our systematic analysis of fills below a metal-insulator-metal (MIM) capacitor reveals an optimal design: large, square fills with lengths roughly 40% of MIM capacitors plate length. We fabricated such a MIM capacitor in a 250nm process showing a reduction in the substrate capacitance by half (compared to default tiling). Fill’s impact on interconnects, such as transmission lines, is also investigated. A detailed study of schemes that use grounded fills as shielding between interconnects informs an optimal grounding strategy. The strategy provides maximal isolation while minimizing capacitive loading. In fact, compared to no fills the addition of our metal fill shield increases loading by 58% while providing 58dB more isolation between example interconnects fabricated in a 130nm process. The capacitive impact of adding metal fills is found to be more significant as process dimensions shrink. In a 65nm process the inter-level dielectric constant is 3.5, but the addition of 50% density fills causes the effective dielectric constant to be 5.5. A semi-empirical, closed-form formula is developed to calculate this effective dielectric constant. The formula is accurate to within <1% for a wide range of metal fill densities, sizes, aspect ratios, and process dimensions. This is a significant improvement over state-of-the-art formulas which are found to be accurate to within ~10%. Our high accuracy is maintained when applied to multiple layers with and without staggering. Moreover, we successfully apply the formula to calculating ground/substrate capacitances of MIM capacitors, microstrip transmission lines, and a spiral inductor. This may speed up the calculation by hundredfold or even thousandfold. Results are compared to fabricated MIM capacitors and microstrips. Calculations and measurements match to within <5% for the capacitors and <2% for the microstrips