EFPGAs : architectural explorations, System integration, & a Visionary Industrial survey of programmable technologies

par Syed Zahid Ahmed

Thèse de doctorat en SYAM - Systèmes Automatiques et Microélectroniques

Sous la direction de Lionel Torres.

Le président du jury était Guy Gogniat.

Le jury était composé de Lionel Torres, Gilles Sassatelli, Michael Hübner, Laurent Rougé.

Les rapporteurs étaient Habib Mehrez, Jürgen Becker.

  • Titre traduit

    EFPGAs : explorations architecturales, integration système, et une enquête visionnaire industriel des technologies programmables


  • Résumé

    La thèse s'articule autour du thème des FPGA embarqués(eFPGAs). Ce manuscrit analyse les solutions existantes actuellement et discute les challenges et opportunités de ces technologies; une analyse en profondeur des échecs des tentatives passées est également donnée. Sur la base des solutions existantes dans la littérature, une structure de eFPGA à topologie de type grille est proposée, décrite en langage VHDL RTL. Cette solution comporte également les outils de programmation associés. Sur la base de cette proposition, des explorations sont menées quant à la pertinence des solutions proposées au sens de métriques d'actualité tells que densité logique, performance et consommation. Une des contributions notables de cette thèse repose sur la proposition d'une architecture de switch unifiée éliminant les blocs de connexions ainsi que l'interconnexion locale typique des FPGA actuels(telles que ceux modélisables dans le logiciel VPR) tout en autorisant une bonne routabilité. Toutes les expérimentations ont été menées sur une technologie CMOS 65nm faible puissance du fondeur STMicroelectronics, qui permet de fait d'obtenir des évaluations pertinentes. Une seconde contribution notable repose sur l'exploration de l'intégration de eFPGA dans un contexte système sur puce (SoC). Cette approche repose sur l'adjonction d'un eFPGA au sein d'un système intégré, au côté d'un processeur de type LEON3, la programmation s'effectuant sur la base d'une approche de type ESL. Deux explorations sont ainsi déclinées, comme unité intégrée au sein du processeur et comme coprocesseur. Les résultats présentés permettent ainsi d'analyser sous plusieurs angles les compromis possibles ainsi que les perspectives et limitations de ce type d'approches. Finalement, un cas d'étude est également présenté quant à l'intégration de mémoires de type magnétique (MRAM) au sein-même de l'architecture du eFPGA.


  • Résumé

    The thesis extensively revolves around embedded FPGAs (eFPGAs). It conducts detailed survey focused on programmable technologies to investigate potentials and challenges of eFPGAs and probable failure reasons of several past attempts of different kinds. Based on survey knowledge, technology independent soft eFPGAs of FPGA-like mesh-based classical architecture with standard RTL programming flow areinvestigated. Detailed eFPGA architectural explorations (including CAD tools) are conducted to explore silicon-efficient (logic density, power, performance etc.)eFPGA architectures. Among notable innovations achieved is unified switch block with complete removal of connection block and local interconnect of classical mesh-based FPGAs (VPR-like) while maintaining good routing efficiency. All experiments are conducted on 65nm CMOS low powerSTMicroelectronics process to get practical silicon values and perspectives. Finally eFPGAs in systems (SoCs) potentials and challenges are addressed. A reconfigurable acceleration scenario with ESL exploitation (for programming ease) and full silicon tradeoffs visualization is presented with integration of eFPGA with LEON3 processor (as a functional and co-processor unit, with also highlighting potential flaws of functional unit in industrial perspectives). An interesting case study for perspectives of emerging MRAM memories for eFPGAs is also presented.

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