Implementación de Algoritmos de Procesado de Señal sobre FPGA: Especificación, Reutilización y Exploración del Espacio de Diseño

Esta Tesis aborda el diseño e implementación de aplicaciones en el campo de procesado de señal, utilizando como plataforma los dispositivos reconfigurables FPGA. Esta plataforma muestra una alta capacidad de lógica, e incorpora elementos orientados al procesado de señal, que unido a su relativamente bajo coste, la hacen ideal para el desarrollo de aplicaciones de procesado de señal cuando se requiere realizar un procesado intensivo y se buscan unas altas prestaciones. Sin embargo, el coste asociado al desarrollo en estas plataformas es elevado. Mientras que el aumento en la capacidad lógica de los dispositivos FPGA permite el desarrollo de sistemas completos, los requisitos de altas prestaciones obligan a que en muchas ocasiones se deban optimizar operadores a muy bajo nivel. Además de las restricciones temporales que imponen este tipo de aplicaciones, también tienen asociadas restricciones de área asociadas al dispositivo, lo que obliga a evaluar y verificar entre diferentes alternativas de implementación. El ciclo de diseño e implementación para estas aplicaciones se puede prolongar tanto, que es normal que aparezcan nuevos modelos de FPGA, con mayor capacidad y mayor velocidad, antes de completar el sistema, y que hagan a las restricciones utilizadas para el diseño del sistema inútiles. Para mejorar la productividad en el desarrollo de estas aplicaciones, y con ello acortar su ciclo de diseño, se pueden encontrar diferentes métodos. Esta Tesis se centra en la reutilización de componentes hardware previamente diseñados y verificados. Aunque los lenguajes HDL convencionales permiten reutilizar componentes ya definidos, se pueden realizar mejoras en la especificación que simplifiquen el proceso de incorporar componentes a nuevos diseños. Así, una primera parte de la Tesis se orientará a la especificación de diseños basada en componentes predefinidos. Esta especificación no sólo busca mejorar y simplificar el proceso de añadir componentes a una descripción, sino que también busca mejorar la calidad del diseño especificado, ofreciendo una mayor posibilidad de configuración e incluso la posibilidad de informar de características de la propia descripción. Reutilizar una componente ya descrito depende en gran medida de la información que se ofrezca para su integración en un sistema. En este sentido los HDLs convencionales únicamente proporcionan junto con la descripción del componente la interfaz de entrada/ salida y un conjunto de parámetros para su configuración, mientras que el resto de información requerida normalmente se acompaña mediante documentación externa. En la segunda parte de la Tesis se propondrán un conjunto de encapsulados cuya finalidad es incorporar junto con la propia descripción del componente, información que puede resultar útil para su integración en otros diseños. Incluyendo información de la implementación, ayuda a la configuración del componente, e incluso información de cómo configurar y conectar al componente para realizar una función. Finalmente se elegirá una aplicación clásica en el campo de procesado de señal, la transformada rápida de Fourier (FFT), y se utilizará como ejemplo de uso y aplicación, tanto de las posibilidades de especificación como de los encapsulados descritos. El objetivo del diseño realizado no sólo mostrará ejemplos de la especificación propuesta, sino que también se buscará obtener una implementación de calidad comparable con resultados de la literatura. Para ello, el diseño realizado se orientará a su implementación en FPGA, aprovechando tanto los elementos lógicos generalistas como elementos específicos de bajo nivel disponibles en estos dispositivos. Finalmente, la especificación de la FFT obtenida se utilizará para mostrar cómo incorporar en su interfaz información que ayude para su selección y configuración desde fases tempranas del ciclo de diseño. Abstract This PhD. thesis addresses the design and implementation of signal processing applications using reconfigurable FPGA platforms. This kind of platform exhibits high logic capability, incorporates dedicated signal processing elements and provides a low cost solution, which makes it ideal for the development of signal processing applications, where intensive data processing is required in order to obtain high performance. However, the cost associated to the hardware development on these platforms is high. While the increase in logic capacity of FPGA devices allows the development of complete systems, high-performance constraints require the optimization of operators at very low level. In addition to time constraints imposed by these applications, Area constraints are also applied related to the particular device, which force to evaluate and verify a design among different implementation alternatives. The design and implementation cycle for these applications can be tedious and long, being therefore normal that new FPGA models with a greater capacity and higher speed appear before completing the system implementation. Thus, the original constraints which guided the design of the system become useless. Different methods can be used to improve the productivity when developing these applications, and consequently shorten their design cycle. This PhD. Thesis focuses on the reuse of hardware components previously designed and verified. Although conventional HDLs allow the reuse of components already defined, their specification can be improved in order to simplify the process of incorporating new design components. Thus, a first part of the PhD. Thesis will focus on the specification of designs based on predefined components. This specification improves and simplifies the process of adding components to a description, but it also seeks to improve the quality of the design specified with better configuration options and even offering to report on features of the description. Hardware reuse of a component for its integration into a system largely depends on the information it offers. In this sense the conventional HDLs only provide together with the component description, the input/output interface and a set of parameters for its configuration, while other information is usually provided by external documentation. In the second part of the Thesis we will propose a formal way of encapsulation which aims to incorporate with the component description information that can be useful for its integration into other designs. This information will include features of the own implementation, but it will also support component configuration, and even information on how to configure and connect the component to carry out a function. Finally, the fast Fourier transform (FFT) will be chosen as a well-known signal processing application. It will be used as case study to illustrate the possibilities of proposed specification and encapsulation formalisms. The objective of the FFT design is not only to show practical examples of the proposed specification, but also to obtain an implementation of a quality comparable to scientific literature results. The design will focus its implementation on FPGA platforms, using general logic elements as base of the implementation, but also taking advantage of low-level specific elements available on these devices. Last, the specification of the obtained FFT will be used to show how to incorporate in its interface information to assist in the selection and configuration process early in the design cycle.

Variational Stereo Imaging of Oceanic Waves with Statistical Constraints

An image processing observational technique for the stereoscopic reconstruction of the wave form of oceanic sea states is developed. The technique incorporates the enforcement of any given statistical wave law modeling the quasi Gaussianity of oceanic waves observed in nature. The problem is posed in a variational optimization framework, where the desired wave form is obtained as the minimizer of a cost functional that combines image observations, smoothness priors and a weak statistical constraint. The minimizer is obtained combining gradient descent and multigrid methods on the necessary optimality equations of the cost functional. Robust photometric error criteria and a spatial intensity compensation model are also developed to improve the performance of the presented image matching strategy. The weak statistical constraint is thoroughly evaluated in combination with other elements presented to reconstruct and enforce constraints on experimental stereo data, demonstrating the improvement in the estimation of the observed ocean surface.

Complexity in the Optimisation of ATM Performance Metrics

Today's motivation for autonomous systems research stems out of the fact that networked environments have reached a level of complexity and heterogeneity that make their control and management by solely human administrators more and more difficult. The optimisation of performance metrics for the air traffic management system, like in other networked system, has become more complex with increasing number of flights, capacity constraints, environmental factors and safety regulations. It is anticipated that a new structure of planning layers and the introduction of higher levels of automation will reduce complexity and will optimise the performance metrics of the air traffic management system. This paper discusses the complexity of optimising air traffic management performance metrics and proposes a way forward based on higher levels of automation.

Design and Simulation of Deep Nanometer SRAM Cells under Energy, Mismatch, and Radiation Constraints

La fiabilidad está pasando a ser el principal problema de los circuitos integrados según la tecnología desciende por debajo de los 22nm. Pequeñas imperfecciones en la fabricación de los dispositivos dan lugar ahora a importantes diferencias aleatorias en sus características eléctricas, que han de ser tenidas en cuenta durante la fase de diseño. Los nuevos procesos y materiales requeridos para la fabricación de dispositivos de dimensiones tan reducidas están dando lugar a diferentes efectos que resultan finalmente en un incremento del consumo estático, o una mayor vulnerabilidad frente a radiación. Las memorias SRAM son ya la parte más vulnerable de un sistema electrónico, no solo por representar más de la mitad del área de los SoCs y microprocesadores actuales, sino también porque las variaciones de proceso les afectan de forma crítica, donde el fallo de una única célula afecta a la memoria entera. Esta tesis aborda los diferentes retos que presenta el diseño de memorias SRAM en las tecnologías más pequeñas. En un escenario de aumento de la variabilidad, se consideran problemas como el consumo de energía, el diseño teniendo en cuenta efectos de la tecnología a bajo nivel o el endurecimiento frente a radiación. En primer lugar, dado el aumento de la variabilidad de los dispositivos pertenecientes a los nodos tecnológicos más pequeños, así como a la aparición de nuevas fuentes de variabilidad por la inclusión de nuevos dispositivos y la reducción de sus dimensiones, la precisión del modelado de dicha variabilidad es crucial. Se propone en la tesis extender el método de inyectores, que modela la variabilidad a nivel de circuito, abstrayendo sus causas físicas, añadiendo dos nuevas fuentes para modelar la pendiente sub-umbral y el DIBL, de creciente importancia en la tecnología FinFET. Los dos nuevos inyectores propuestos incrementan la exactitud de figuras de mérito a diferentes niveles de abstracción del diseño electrónico: a nivel de transistor, de puerta y de circuito. El error cuadrático medio al simular métricas de estabilidad y prestaciones de células SRAM se reduce un mínimo de 1,5 veces y hasta un máximo de 7,5 a la vez que la estimación de la probabilidad de fallo se mejora en varios ordenes de magnitud. El diseño para bajo consumo es una de las principales aplicaciones actuales dada la creciente importancia de los dispositivos móviles dependientes de baterías. Es igualmente necesario debido a las importantes densidades de potencia en los sistemas actuales, con el fin de reducir su disipación térmica y sus consecuencias en cuanto al envejecimiento. El método tradicional de reducir la tensión de alimentación para reducir el consumo es problemático en el caso de las memorias SRAM dado el creciente impacto de la variabilidad a bajas tensiones. Se propone el diseño de una célula que usa valores negativos en la bit-line para reducir los fallos de escritura según se reduce la tensión de alimentación principal. A pesar de usar una segunda fuente de alimentación para la tensión negativa en la bit-line, el diseño propuesto consigue reducir el consumo hasta en un 20 % comparado con una célula convencional. Una nueva métrica, el hold trip point se ha propuesto para prevenir nuevos tipos de fallo debidos al uso de tensiones negativas, así como un método alternativo para estimar la velocidad de lectura, reduciendo el número de simulaciones necesarias. Según continúa la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos, se incluyen nuevos mecanismos que permiten facilitar el proceso de fabricación, o alcanzar las prestaciones requeridas para cada nueva generación tecnológica. Se puede citar como ejemplo el estrés compresivo o extensivo aplicado a los fins en tecnologías FinFET, que altera la movilidad de los transistores fabricados a partir de dichos fins. Los efectos de estos mecanismos dependen mucho del layout, la posición de unos transistores afecta a los transistores colindantes y pudiendo ser el efecto diferente en diferentes tipos de transistores. Se propone el uso de una célula SRAM complementaria que utiliza dispositivos pMOS en los transistores de paso, así reduciendo la longitud de los fins de los transistores nMOS y alargando los de los pMOS, extendiéndolos a las células vecinas y hasta los límites de la matriz de células. Considerando los efectos del STI y estresores de SiGe, el diseño propuesto mejora los dos tipos de transistores, mejorando las prestaciones de la célula SRAM complementaria en más de un 10% para una misma probabilidad de fallo y un mismo consumo estático, sin que se requiera aumentar el área. Finalmente, la radiación ha sido un problema recurrente en la electrónica para aplicaciones espaciales, pero la reducción de las corrientes y tensiones de los dispositivos actuales los está volviendo vulnerables al ruido generado por radiación, incluso a nivel de suelo. Pese a que tecnologías como SOI o FinFET reducen la cantidad de energía colectada por el circuito durante el impacto de una partícula, las importantes variaciones de proceso en los nodos más pequeños va a afectar su inmunidad frente a la radiación. Se demuestra que los errores inducidos por radiación pueden aumentar hasta en un 40 % en el nodo de 7nm cuando se consideran las variaciones de proceso, comparado con el caso nominal. Este incremento es de una magnitud mayor que la mejora obtenida mediante el diseño de células de memoria específicamente endurecidas frente a radiación, sugiriendo que la reducción de la variabilidad representaría una mayor mejora. ABSTRACT Reliability is becoming the main concern on integrated circuit as the technology goes beyond 22nm. Small imperfections in the device manufacturing result now in important random differences of the devices at electrical level which must be dealt with during the design. New processes and materials, required to allow the fabrication of the extremely short devices, are making new effects appear resulting ultimately on increased static power consumption, or higher vulnerability to radiation SRAMs have become the most vulnerable part of electronic systems, not only they account for more than half of the chip area of nowadays SoCs and microprocessors, but they are critical as soon as different variation sources are regarded, with failures in a single cell making the whole memory fail. This thesis addresses the different challenges that SRAM design has in the smallest technologies. In a common scenario of increasing variability, issues like energy consumption, design aware of the technology and radiation hardening are considered. First, given the increasing magnitude of device variability in the smallest nodes, as well as new sources of variability appearing as a consequence of new devices and shortened lengths, an accurate modeling of the variability is crucial. We propose to extend the injectors method that models variability at circuit level, abstracting its physical sources, to better model sub-threshold slope and drain induced barrier lowering that are gaining importance in FinFET technology. The two new proposed injectors bring an increased accuracy of figures of merit at different abstraction levels of electronic design, at transistor, gate and circuit levels. The mean square error estimating performance and stability metrics of SRAM cells is reduced by at least 1.5 and up to 7.5 while the yield estimation is improved by orders of magnitude. Low power design is a major constraint given the high-growing market of mobile devices that run on battery. It is also relevant because of the increased power densities of nowadays systems, in order to reduce the thermal dissipation and its impact on aging. The traditional approach of reducing the voltage to lower the energy consumption if challenging in the case of SRAMs given the increased impact of process variations at low voltage supplies. We propose a cell design that makes use of negative bit-line write-assist to overcome write failures as the main supply voltage is lowered. Despite using a second power source for the negative bit-line, the design achieves an energy reduction up to 20% compared to a conventional cell. A new metric, the hold trip point has been introduced to deal with new sources of failures to cells using a negative bit-line voltage, as well as an alternative method to estimate cell speed, requiring less simulations. With the continuous reduction of device sizes, new mechanisms need to be included to ease the fabrication process and to meet the performance targets of the successive nodes. As example we can consider the compressive or tensile strains included in FinFET technology, that alter the mobility of the transistors made out of the concerned fins. The effects of these mechanisms are very dependent on the layout, with transistor being affected by their neighbors, and different types of transistors being affected in a different way. We propose to use complementary SRAM cells with pMOS pass-gates in order to reduce the fin length of nMOS devices and achieve long uncut fins for the pMOS devices when the cell is included in its corresponding array. Once Shallow Trench isolation and SiGe stressors are considered the proposed design improves both kinds of transistor, boosting the performance of complementary SRAM cells by more than 10% for a same failure probability and static power consumption, with no area overhead. While radiation has been a traditional concern in space electronics, the small currents and voltages used in the latest nodes are making them more vulnerable to radiation-induced transient noise, even at ground level. Even if SOI or FinFET technologies reduce the amount of energy transferred from the striking particle to the circuit, the important process variation that the smallest nodes will present will affect their radiation hardening capabilities. We demonstrate that process variations can increase the radiation-induced error rate by up to 40% in the 7nm node compared to the nominal case. This increase is higher than the improvement achieved by radiation-hardened cells suggesting that the reduction of process variations would bring a higher improvement.