Re-usable ASIC integrationverification software architecture

Mikropiirien valmistus- ja suunnittelutekniikoiden kehittyminen mahdollistaa yhä monimutkaisempien mikropiirien valmistamisen. Piirien verifioinnista onkin tullut prosessin aikaa vievin osa,sillä kompleksisuuden kasvaessa kasvaa verifioinnin tarve eksponentiaalisesti. Vaikka erinäisiä strategioita piirien integroinnin verifiointiin on esitetty, mm. verifioinnin jakaminen koko suunnitteluprosessin ajalle, jopa yli puolet koko piirin suunnitteluun ja valmistukseen käytetystä työmäärästä kuluu verifiointiin. Uudelleenkäytettävät komponentit ovat pääosassa piirin suunnittelussa, mutta verifioinnissa uudelleenkäytettävyyttä ei ole otettu kunnolla käyttöön ainakaan verifiointiohjelmistojen osalta. Tämä diplomityö esittelee uudelleenkäytettävän mikropiirien verifiointiohjelmistoarkkitehtuurin, jolla saadaan verifiointitaakkaa vähennettyä poistamalla verifioinnissa käytettävien ohjelmistojen uudelleensuunnittelun ja toteuttamisen tarvetta.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Exploring Adaptive Implementation of On-Chip Networks

As technology geometries have shrunk to the deep submicron regime, the communication delay and power consumption of global interconnections in high performance Multi- Processor Systems-on-Chip (MPSoCs) are becoming a major bottleneck. The Network-on- Chip (NoC) architecture paradigm, based on a modular packet-switched mechanism, can address many of the on-chip communication issues such as performance limitations of long interconnects and integration of large number of Processing Elements (PEs) on a chip. The choice of routing protocol and NoC structure can have a significant impact on performance and power consumption in on-chip networks. In addition, building a high performance, area and energy efficient on-chip network for multicore architectures requires a novel on-chip router allowing a larger network to be integrated on a single die with reduced power consumption. On top of that, network interfaces are employed to decouple computation resources from communication resources, to provide the synchronization between them, and to achieve backward compatibility with existing IP cores. Three adaptive routing algorithms are presented as a part of this thesis. The first presented routing protocol is a congestion-aware adaptive routing algorithm for 2D mesh NoCs which does not support multicast (one-to-many) traffic while the other two protocols are adaptive routing models supporting both unicast (one-to-one) and multicast traffic. A streamlined on-chip router architecture is also presented for avoiding congested areas in 2D mesh NoCs via employing efficient input and output selection. The output selection utilizes an adaptive routing algorithm based on the congestion condition of neighboring routers while the input selection allows packets to be serviced from each input port according to its congestion level. Moreover, in order to increase memory parallelism and bring compatibility with existing IP cores in network-based multiprocessor architectures, adaptive network interface architectures are presented to use multiple SDRAMs which can be accessed simultaneously. In addition, a smart memory controller is integrated in the adaptive network interface to improve the memory utilization and reduce both memory and network latencies. Three Dimensional Integrated Circuits (3D ICs) have been emerging as a viable candidate to achieve better performance and package density as compared to traditional 2D ICs. In addition, combining the benefits of 3D IC and NoC schemes provides a significant performance gain for 3D architectures. In recent years, inter-layer communication across multiple stacked layers (vertical channel) has attracted a lot of interest. In this thesis, a novel adaptive pipeline bus structure is proposed for inter-layer communication to improve the performance by reducing the delay and complexity of traditional bus arbitration. In addition, two mesh-based topologies for 3D architectures are also introduced to mitigate the inter-layer footprint and power dissipation on each layer with a small performance penalty.

Analogisen tunnisteanalyysin käyttö korjauspalveluissa mikropiirien ylijännitteestä aiheutuneiden vaurioiden paikantamisen

Korjauspalveluissa aikaa vieviä tapauksia ovat mikropiirien vaikeasti paikannettavat viat. Tällaista vianetsintää varten yrityksemme oli ostanut Polar Fault Locator 780 –mittalaitteen, jolla voidaan mitata mikropiirien toimintaa käyttämällä analogista tunnisteanalyysiä. Diplomityön tavoitteena oli selvittää, miten mittaustapaa voidaan käyttää korjauspalveluissa. Tutkintaa lähestyttiin joidenkin tyypillisten komponenttien näkökulmasta, mutta pääpaino oli mikropiireissä. Joitain mikropiirejä vaurioitettiin tahallisesti, jolloin mittaustulokset uusittiin ja tutkittiin miten vaurioituminen näkyy mittaustuloksissa. Tutkimusmenetelmänä oli kirjallisuus ja empiirinen kokeellisuus. Diplomityön tuloksena oli, että tätä mittaustapaa käyttämällä mikropiirien kuntoa voidaan tutkia. Ongelmiksi osoittautuivat alkuperäinen oletus mittalaitteen tuloksien tulkinnasta ja taustamateriaalin heikko saatavuus. Täten mittalaite parhaiten soveltuu tilanteisiin, joissa sen antamia tuloksia verrataan suoraan toisen toimivaksi tunnetun yksikön mittaustuloksiin. Vaurioitettaessa komponenteissa oli kuitenkin havaittavissa selvä poikkeavuus.

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Integrated environmental research and networking of economy and information in rural areas of Finland

Selostus: Kestävän kehityksen integroidun tutkimuksen ja verkostotalouden teorian tutkimusmenetelmälliset ongelmat

Two Cultures of Arts Education, Finland and Canada? An integrated View

Taidekasvatuksen kaksi kulttuuria, Suomi ja Kanada? Integroitu näkemys Tutkimuksessa kuvataan kanadalaisen Learning Through The Arts –pedagogiikan mukainen suomalainen kokeiluhanke, jonka aikana taiteilija–opettaja-parit opettivat yhdessä eri oppiaineita koululuokille: esim. matematiikkaa tanssien, biologiaa maalaten tai yhdistäen eri taiteenlajeja projektimuotoiseen oppimiseen. Hanketta arvioitaessa nousee esille, ei niinkään yksittäisten taiteilijoiden ja opettajien toiminta, vaan pikemminkin Kanadan ja Suomen rakenteelliset sekä kulttuuriset eroavuudet. Tutkimus sivuaa myös Suomessa käytävää keskustelua taiteen hyödyllisyydestä ja pohtii samalla taito- ja taideaineiden asemaa koulussa. Työn teoreettisessa osassa integroidaan opetussuunnitelmateoriaa, kasvatuksen historiaa ja filosofiaa, tähdentäen taidekasvatuksen merkitystä osana koko ihmisen kasvatusta. Opetussuunnitelmateorian osalta tarkastellaan romanttista ja klassista opetussuunnitelmaa, jotka eroavat toisistaan menetelmiensä, sisältöjensä, tavoitteidensa sekä arvioinnin osalta. Ns. kovat ja pehmeät aineet tai matemaattis-luonnontieteelliset aineet vastakohtanaan humanismi, voidaan ymmärtää sekä historiallisia että epistemologisia taustojaan vasten. Pepperin maailmanhypoteesien mukaisesti on kasvatuksen ongelmien ratkaisemiseksi hahmotettavissa neljä selvästi toisistaan eroavaa lähestymistapaa: formismi; organisismi; mekanisismi; sekä kontekstualismi. Kantin filosofiaan viitaten tutkimus puolustaa käsitystä taiteesta rationaalisena ja propositionaalisena kokonaisuutena, joka ei ole vain kommunikaation väline, vaan yksi todellisuuden kohtaamisen lajeista, tiedon ja etiikan rinnalla. Näin ajateltuna taito- ja taidekasvatuksen tulisi olla luonteeltaan aina myös kulttuurikasvatusta. Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan väittää, että moniammatillinen yhteistyö monipuolistaa koulun opetusta. Mikäli huolehditaan siitä, että taiteilijat saavat riittävästi koulutusta opettamiseen liittyvissä asioissa, on mahdollista käyttää taiteilijoita opettajien rinnalla koulutyössä.