Emerging 3D technologies for efficient implementation of FPGAs

par Ogun Turkyilmaz

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Fabien Clermidy.

Le président du jury était Régis Leveugle.

Le jury était composé de Jean-Michel Portal, Olivier Lepape.

Les rapporteurs étaient Ian O'Connor, Wim Dehaene, Marian Verhelst.

  • Titre traduit

    Implémentation de FPGA en utilisant des technologies 3D émergentes


  • Résumé

    La complexité croissante des systèmes numériques amène les architectures reconfigurable telles que les Field Programmable Gate Arrays (FPGA) à être très fortement demandés en raison de leur facilité de (re)programmabilité et de leurs faibles coûts non récurrents (NRE). La re-configurabilité est réalisée grâce à de nombreux point mémoires de configuration. Cette re-configurabilité se traduit par une extrême flexibilité des applications implémentées et dans le même temps par une perte en surface, en performances et en puissance par rapport à des circuits intégrés spécifiques (ASIC) pour la même fonctionnalité. Dans cette thèse, nous proposons la conception de FPGA avec différentes technologies 3D pour une meilleure efficacité. Nous intégrons les blocs à base de mémoire résistives pour réduire la longueur des fils de routage et pour élargir l'employabilité des FPGAs pour des applications non-volatiles de faible consommation. Parmi les nombreuses technologies existantes, nous nous concentrons sur les mémoires à base d'oxyde résistif (OxRRAM) et les mémoires à pont conducteur (CBRAM) en évaluant les propriétés uniques de ces technologies. Comme autre solution, nous avons conçu un nouveau FPGA avec une intégration monolithique 3D (3DMI) en utilisant des interconnexions haute densité. A partir de deux couches avec l'approche logique-sur-mémoire, nous examinons divers schémas de partitionnement avec l'augmentation du nombre de couches actives intégrées pour réduire la complexité de routage et augmenter la densité de la logique. Sur la base des résultats obtenus, nous démontrons que plusieurs niveaux 3DMI est une alternative solide pour l'avenir de mise à l'échelle de la technologie.


  • Résumé

    The ever increasing complexity of digital systems leads the reconfigurable architectures such as Field Programmable Gate Arrays (FPGA) to become highly demanded because of their in-field (re)programmability and low nonrecurring engineering (NRE) costs. Reconfigurability is achieved with high number of point configuration memories which results in extreme application flexibility and, at the same time, significant overheads in area, performance, and power compared to Application Specific Integrated Circuits (ASIC) for the same functionality. In this thesis, we propose to design FPGAs with several 3D technologies for efficient FPGA circuits. First, we integrate resistive memory based blocks to reduce the routing wirelength and widen FPGA employability for low-power applications with non-volatile property. Among many technologies, we focus on Oxide Resistive Memory (OxRRAM) and Conductive Bridge Resistive Memory (CBRAM) devices by assessing unique properties of these technologies in circuit design. As another solution, we design a new FPGA with 3D monolithic integration (3DMI) by utilizing high-density interconnects. Starting from two layers with logic-on-memory approach, we examine various partitioning schemes with increased number of integrated active layers to reduce the routing complexity and increase logic density. Based on the obtained results, we demonstrate that multi-tier 3DMI is a strong alternative for future scaling.


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