Arquiteturas multi-tarefas simultâneas : SEMPRE : arquitetura SMT com capacidade de execução e escalonamento de processos

O avanço tecnológico no projeto de microprocessadores, nos recentes anos, tem seguido duas tendências principais. A primeira tenta aumentar a freqüência do relógio dos mesmos usando componentes digitais e técnicas VLSI mais eficientes. A segunda tenta explorar paralelismo no nível de instrução através da reorganização dos seus componentes internos. Dentro desta segunda abordagem estão as arquiteturas multi-tarefas simultâneas, que são capazes de extrair o paralelismo existente entre e dentro de diferentes tarefas das aplicações, executando instruções de vários fluxos simultaneamente e maximizando assim a utilização do hardware. Apesar do alto custo da implementação em hardware, acredita-se no potencial destas arquiteturas para o futuro próximo, pois é previsto que em breve haverá a disponibilidade de bilhões de transistores para o desenvolvimento de circuitos integrados. Assim, a questão principal a ser encarada talvez seja: como prover instruções paralelas para uma arquitetura deste tipo? Sabe-se que a maioria das aplicações é seqüencial pois os problemas nem sempre possuem uma solução paralela e quando a solução existe os programadores nem sempre têm habilidade para ver a solução paralela. Pensando nestas questões a arquitetura SEMPRE foi projetada. Esta arquitetura executa múltiplos processos, ao invés de múltiplas tarefas, aproveitando assim o paralelismo existente entre diferentes aplicações. Este paralelismo é mais expressivo do que aquele que existe entre tarefas dentro de uma mesma aplicação devido a não existência de sincronismo ou comunicação entre elas. Portanto, a arquitetura SEMPRE aproveita a grande quantidade de processos existentes nas estações de trabalho compartilhadas e servidores de rede. Além disso, esta arquitetura provê suporte de hardware para o escalonamento de processos e instruções especiais para o sistema operacional gerenciar processos com mínimo esforço. Assim, os tempos perdidos com o escalonamento de processos e as trocas de contextos são insignificantes nesta arquitetura, provendo ainda maior desempenho durante a execução das aplicações. Outra característica inovadora desta arquitetura é a existência de um mecanismo de prébusca de processos que, trabalhando em cooperação com o escalonamento de processos, permite reduzir faltas na cache de instruções. Também, devido a essa rápida troca de contexto, a arquitetura permite a definição de uma fatia de tempo (fatia de tempo) menor do que aquela praticada pelo sistema operacional, provendo maior dinâmica na execução das aplicações. A arquitetura SEMPRE foi analisada e avaliada usando modelagem analítica e simulação dirigida por execução de programas do SPEC95. A modelagem mostrou que o escalonamento por hardware reduz os efeitos colaterais causados pela presença de processos na cache de instruções e a simulação comprovou que as diferentes características desta arquitetura podem, juntas, prover ganho de desempenho razoável sobre outras arquiteturas multi-tarefas simultâneas equivalentes, com um pequeno acréscimo de hardware, melhor aproveitando as fatias de tempo atribuídas aos processos.

Novos algoritmos para roteamento de circuitos VLSI

Este trabalho apresenta novos algoritmos para o roteamento de circuitos integrados, e discute sua aplicação em sistemas de síntese de leiaute. As interconexões têm grande impacto no desempenho de circuitos em tecnologias recentes, e os algoritmos propostos visam conferir maior controle sobre sua qualidade, e maior convergência na tarefa de encontrar uma solução aceitável. De todos os problemas de roteamento, dois são de especial importância: roteamento de redes uma a uma com algoritmos de pesquisa de caminhos, e o chamado roteamento de área. Para o primeiro, procura-se desenvolver um algoritmo de pesquisa de caminhos bidirecional e heurístico mais eficiente, LCS*, cuja aplicação em roteamento explora situações específicas que ocorrem neste domínio. Demonstra-se que o modelo de custo influencia fortemente o esforço de pesquisa, além de controlar a qualidade das rotas encontradas, e por esta razão um modelo mais preciso é proposto. Para roteamento de área, se estuda o desenvolvimento de uma nova classe de algoritmos sugerida em [JOH 94], denominados LEGAL. A viabilidade e a eficiência de tais algoritmos são demonstradas com três diferentes implementações. Devem ser também estudados mecanismos alternativos para gerenciar espaços e tratar modelos de grade não uniforme, avaliando-se suas vantagens e sua aplicabilidade em outros diferentes contextos.

Desenvolvimento de arquitetura para sistemas de reconhecimento automático de voz baseados em modelos ocultos de Markov

Este trabalho foi realizado dentro da área de reconhecimento automático de voz (RAV). Atualmente, a maioria dos sistemas de RAV é baseada nos modelos ocultos de Markov (HMMs) [GOM 99] [GOM 99b], quer utilizando-os exclusivamente, quer utilizando-os em conjunto com outras técnicas e constituindo sistemas híbridos. A abordagem estatística dos HMMs tem mostrado ser uma das mais poderosas ferramentas disponíveis para a modelagem acústica e temporal do sinal de voz. A melhora da taxa de reconhecimento exige algoritmos mais complexos [RAV 96]. O aumento do tamanho do vocabulário ou do número de locutores exige um processamento computacional adicional. Certas aplicações, como a verificação de locutor ou o reconhecimento de diálogo podem exigir processamento em tempo real [DOD 85] [MAM 96]. Outras aplicações tais como brinquedos ou máquinas portáveis ainda podem agregar o requisito de portabilidade, e de baixo consumo, além de um sistema fisicamente compacto. Tais necessidades exigem uma solução em hardware. O presente trabalho propõe a implementação de um sistema de RAV utilizando hardware baseado em FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) e otimizando os algoritmos que se utilizam no RAV. Foi feito um estudo dos sistemas de RAV e das técnicas que a maioria dos sistemas utiliza em cada etapa que os conforma. Deu-se especial ênfase aos Modelos Ocultos de Markov, seus algoritmos de cálculo de probabilidades, de treinamento e de decodificação de estados, e sua aplicação nos sistemas de RAV. Foi realizado um estudo comparativo dos sistemas em hardware, produzidos por outros centros de pesquisa, identificando algumas das suas características mais relevantes. Foi implementado um modelo de software, descrito neste trabalho, utilizado para validar os algoritmos de RAV e auxiliar na especificação em hardware. Um conjunto de funções digitais implementadas em FPGA, necessárias para o desenvolvimento de sistemas de RAV é descrito. Foram realizadas algumas modificações nos algoritmos de RAV para facilitar a implementação digital dos mesmos. A conexão, entre as funções digitais projetadas, para a implementação de um sistema de reconhecimento de palavras isoladas é aqui apresentado. A implementação em FPGA da etapa de pré-processamento, que inclui a pré-ênfase, janelamento e extração de características, e a implementação da etapa de reconhecimento são apresentadas finalmente neste trabalho.

Um microprocessador com capacidades analógicas

Este trabalho apresenta um estudo, implementação e simulação de geradores de sinais analógicos usando-se circuitos digitais, em forma de CORE, integrando-se este com o microprocessador Risco. As principais características procuradas no gerador de sinais são: facilidade de implementação em silício, programabilidade tanto em freqüência quanto em amplitude, qualidade do sinal e facilidade de integração com um microprocessador genérico. Foi feito um estudo sobre a geração convencional de sinais analógicos, dando-se ênfase em alguns tipos específicos de circuitos como circuitos osciladores sintonizados, multivibradores, geradores de sinais triangulares e síntese de freqüência digital direta. Foi feito também um estudo sobre conversão digital-analógica, onde foram mostrados alguns tipos básicos de conversores D/A. Além disso foram abordadas questões como a precisão desses conversores, tipos digitais de conversores digitalanalógico, circuitos geradores de sinais e as fontes mais comuns de erros na conversão D/A. Dando-se ênfase a um tipo específico de conversor D/A, o qual foi utilizado nesse trabalho, abordou-se a questão da conversão sigma-delta, concentrando-se principalmente no ciclo de formatação de ruído. Dentro desse assunto foram abordados o laço sigma-delta, as estruturas de realimentação do erro, estruturas em cascata, e também o laço quantizador. Foram abordados vários circuitos digitais capazes de gerar sinais analógicos, principalmente senóides. Além de geradores de senóides simples, também se abordou a geração de sinais multi-tom, geração de outros tipos de sinais baseando-se no gerador de senóides e também foi apresentado um gerador de funções. Foram mostradas implementações e resultados dessas. Iniciando-se pelo microprocessador Risco, depois o gerador de sinais, o teste deste, a integração do microprocessador com o gerador de sinais e finalmente a implementação standard-cell do leiaute desse sistema. Por fim foram apresentadas conclusões, comentários e sugestões de trabalhos futuros baseando-se no que foi visto e implementado nesse trabalho.

Inserção de testabilidade em um núcleo pré-projetado de um microcontrolador 8051 fonte compatível

No intuito de validar seus projetos de sistemas integrados, o Grupo de Microeletrônica da UFRGS tem investido na inserção de estruturas de teste nos núcleos de hardware que tem desenvolvido. Um exemplo de tal tipo de sistema é a “caneta tradutora”, especificada e parcialmente desenvolvida por Denis Franco. Esta caneta se utiliza de um microcontrolador 8051 descrito em VHDL, o qual ainda carece de estruturas dedicadas com funções orientadas à testabilidade. Este trabalho exemplifica a integração de teste em um circuito eletrônico préprojetado. Neste caso específico, foi utilizado o microcontrolador 8051 fonte compatível que será inserido no contexto da caneta tradutora. O método utilizado apoiou-se na norma IEEE1149.1, destinada a definir uma infra-estrutura baseada na técnica do boundary scan para o teste de placas de circuito impresso. São apresentadas características de testabilidade desenvolvidas para o microcontrolador, utilizando-se a técnica do boundary scan em sua periferia e a técnica do scan path em seu núcleo. A inserção destas características de teste facilita a depuração e testes em nível de sistema, imaginando-se o sistema como algo maior, fazendo parte do sistema da caneta tradutora como um todo. São elaborados exemplos de testes, demonstrando a funcionalidade do circuito de teste inserido neste núcleo e a possibilidade de detecção de falhas em pontos distintos do sistema. Finalmente, avalia-se o custo associado à integração desta infra-estrutura de teste, tanto em termos de acréscimo de área em silício, quanto em termos de degradação de desempenho do sistema.

Automatic layout generation of static CMOS circuits targeting delay and power

The evolution of integrated circuits technologies demands the development of new CAD tools. The traditional development of digital circuits at physical level is based in library of cells. These libraries of cells offer certain predictability of the electrical behavior of the design due to the previous characterization of the cells. Besides, different versions of each cell are required in such a way that delay and power consumption characteristics are taken into account, increasing the number of cells in a library. The automatic full custom layout generation is an alternative each time more important to cell based generation approaches. This strategy implements transistors and connections according patterns defined by algorithms. So, it is possible to implement any logic function avoiding the limitations of the library of cells. Tools of analysis and estimate must offer the predictability in automatic full custom layouts. These tools must be able to work with layout estimates and to generate information related to delay, power consumption and area occupation. This work includes the research of new methods of physical synthesis and the implementation of an automatic layout generation in which the cells are generated at the moment of the layout synthesis. The research investigates different strategies of elements disposition (transistors, contacts and connections) in a layout and their effects in the area occupation and circuit delay. The presented layout strategy applies delay optimization by the integration with a gate sizing technique. This is performed in such a way the folding method allows individual discrete sizing to transistors. The main characteristics of the proposed strategy are: power supply lines between rows, over the layout routing (channel routing is not used), circuit routing performed before layout generation and layout generation targeting delay reduction by the application of the sizing technique. The possibility to implement any logic function, without restrictions imposed by a library of cells, allows the circuit synthesis with optimization in the number of the transistors. This reduction in the number of transistors decreases the delay and power consumption, mainly the static power consumption in submicrometer circuits. Comparisons between the proposed strategy and other well-known methods are presented in such a way the proposed method is validated.

Uma interface para o aumento da faixa de freqüências de operação de FPAAS

O crescente avanço nas mais diversas áreas da eletrônica, desde instrumentação em baixa freqüência até telecomunicações operando em freqüências muito elevadas, e a necessidade de soluções baratas em curto espaço de tempo que acompanhem a demanda de mercado, torna a procura por circuitos programáveis, tanto digitais como analógicos, um ponto comum em diversas pesquisas. Os dispositivos digitais programáveis, que têm como grande representante os Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), vêm apresentando um elevado e contínuo crescimento em termos de complexidade, desempenho e número de transistores integrados, já há várias décadas. O desenvolvimento de dispositivos analógicos programáveis (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), entretanto, esbarra em dois pontos fundamentais que tornam sua evolução um tanto latente: a estreita largura de banda alcançada, conseqüência da necessidade de um grande número de chaves de programação e reconfiguração, e a elevada área consumida por componentes analógicos como resistores e capacitores, quando integrados em processos VLSI Este trabalho apresenta uma proposta para aumentar a faixa de freqüências das aplicações passíveis de serem utilizadas tanto em FPAAs comerciais quanto em outros FPAAs, através da utilização de uma interface de translação e seleção de sinais, mantendo características de programabilidade do FPAA em questão, sem aumentar em muito sua potência consumida. A proposta, a simulação e a implementação da interface são apresentadas ao longo desta dissertação. Resultados de simulação e resultados práticos obtidos comprovam a eficácia da proposta.

Desenvolvimento de uma arquitetura reconfigurável para o processamento de modelos no ambiente ABACUS

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Desenvolvimento de um sintetizador de freqüência de baixo custo em tecnologia CMOS

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Desenvolvimento de um sistema de instrumentação de medição de vibração mecânica em máquina rotativas, em tempo real, embarcado em FPGA

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Contribuições para o estudo de atribuição de responsabilidades em circuitos elétricos de baixa tensão

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEB

Inductores integrados planos sobre tecnologías de silicio

[ES] Las tecnologías de fabricación de circuitos integrados basadas en Silicio no han sido muy utilizadas en aplicaciones analógicas a frecuencias milimétricas, sin embargo son la alternativa para disminuir los costes. Las prestaciones de estos circuitos integrados son muy dependientes de la calidad de los elementos de circuito utilizados. Están disponibles transistores cuyas frecuencias de corte alcanzan los 60 gigahertzios., así como resistencias y capacitares capaces de operar en intervalos de frecuencia de unos giga-hertzios, sin embargo no ocurre así con los inductores. En este artículo se expone un análisis práctico de los aspectos fundamentales relacionados con el funcionamiento de los inductores integrados sobre silicio

Estimación analítica del acople electromagnético entre líneas de interconexión multinivel en circuitos de alta velocidad

[ES] El análisis de los efectos del crosstalk jugarán un papel muy importante para determinar el buen funcionamiento de los circuitos integrados de alta velocidad. En esta publicación, se desarrollan por primera vez expresiones analíticas en forma cerrada para estimar el crosstalk en estructuras multinivel. Este modelo es exactamente comparable con Spice, sea para una señal de entrada, función rampa o función escalón. Al contrario de los modelos existentes en la literatura, nuestro modelo es capaz de analizar estructuras con n líneas. Se consideran la resistencia y la capacidad de las líneas, así como la resistencia del driver. Este nuevo modelo es exacto y preciso para estimar el crosstalk.

Estudo de transistores de tunelamento induzido por efeito de campo (TFET) construídos em nanofio.

Esse trabalho de mestrado teve como estudo o transistor Túnel-FET (TFET) fabricado em estrutura de nanofio de silício. Este estudo foi feito de forma teórica (simulação numérica) e experimental. Foram estudadas as principais características digitais e analógicas do dispositivo e seu potencial para uso em circuitos integrados avançados para a próxima década. A análise foi feita através da extração experimental e estudo dos principais parâmetros do dispositivo, tais como inclinação de sublimiar, transcondutância (gm), condutância de saída (gd), ganho intrínseco de tensão (AV) e eficiência do transistor. As medidas experimentais foram comparadas com os resultados obtidos pela simulação. Através do uso de diferentes parâmetros de ajuste e modelos de simulação, justificou-se o comportamento do dispositivo observado experimentalmente. Durante a execução deste trabalho estudou-se a influência da escolha do material de fonte no desempenho do dispositivo, bem como o impacto do diâmetro do nanofio nos principais parâmetros analógicos do transistor. Os dispositivos compostos por fonte de SiGe apresentaram valores maiores de gm e gd do que aqueles compostos por fonte de silício. A diferença percentual entre os valores de transcondutância para os diferentes materiais de fonte variou de 43% a 96%, sendo dependente do método utilizado para comparação, e a diferença percentual entre os valores de condutância de saída variou de 38% a 91%. Observou-se também uma degradação no valor de AV com a redução do diâmetro do nanofio. O ganho calculado a partir das medidas experimentais para o dispositivo com diâmetro de 50 nm é aproximadamente 45% menor do que o correspondente ao diâmetro de 110 nm. Adicionalmente estudou-se o impacto do diâmetro considerando diferentes polarizações de porta (VG) e concluiu-se que os TFETs apresentam melhor desempenho para baixos valores de VG (houve uma redução de aproximadamente 88% no valor de AV com o aumento da tensão de porta de 1,25 V para 1,9 V). A sobreposição entre porta e fonte e o perfil de dopantes na junção de tunelamento também foram analisados a fim de compreender qual combinação dessas características resultariam em um melhor desempenho do dispositivo. Observou-se que os melhores resultados estavam associados a um alinhamento entre o eletrodo de porta e a junção entre fonte e canal e a um perfil abrupto de dopantes na junção. Por fim comparou-se a tecnologia MOS com o TFET, obtendo-se como resultado um maior valor de AV (maior do que 40 dB) para o TFET.

Noise and PSRR improvement technique for TPC readout front-end in CMOS. technology.

ALICE is one of four major experiments of particle accelerator LHC installed in the European laboratory CERN. The management committee of the LHC accelerator has just approved a program update for this experiment. Among the upgrades planned for the coming years of the ALICE experiment is to improve the resolution and tracking efficiency maintaining the excellent particles identification ability, and to increase the read-out event rate to 100 KHz. In order to achieve this, it is necessary to update the Time Projection Chamber detector (TPC) and Muon tracking (MCH) detector modifying the read-out electronics, which is not suitable for this migration. To overcome this limitation the design, fabrication and experimental test of new ASIC named SAMPA has been proposed . This ASIC will support both positive and negative polarities, with 32 channels per chip and continuous data readout with smaller power consumption than the previous versions. This work aims to design, fabrication and experimental test of a readout front-end in 130nm CMOS technology with configurable polarity (positive/negative), peaking time and sensitivity. The new SAMPA ASIC can be used in both chambers (TPC and MCH). The proposed front-end is composed of a Charge Sensitive Amplifier (CSA) and a Semi-Gaussian shaper. In order to obtain an ASIC integrating 32 channels per chip, the design of the proposed front-end requires small area and low power consumption, but at the same time requires low noise. In this sense, a new Noise and PSRR (Power Supply Rejection Ratio) improvement technique for the CSA design without power and area impact is proposed in this work. The analysis and equations of the proposed circuit are presented which were verified by electrical simulations and experimental test of a produced chip with 5 channels of the designed front-end. The measured equivalent noise charge was <550e for 30mV/fC of sensitivity at a input capacitance of 18.5pF. The total core area of the front-end was 2300?m × 150?m, and the measured total power consumption was 9.1mW per channel.